Коэрцитивная сила и магнитный анализатор (коэрцитиметр) МА: ключ к качеству в промышленности.

Коэрцитивная сила — это важный физический параметр, который характеризует способность материала сохранять намагниченность под воздействием внешних магнитных полей. Она измеряется в амперах на
метр (А/м) или амперах на сантиметр (А/см) и играет ключевую роль в контроле качества материалов, особенно в автомобильной и машиностроительной промышленности. Для точного измерения коэрцитивной силы используется специализированный прибор — коэрцитиметр.

В этой статье мы подробно рассмотрим, что такое коэрцитивная сила и как работает коэрцитиметр на примере МА-412, а также его применение в промышленности.

Что такое коэрцитивная сила?

Коэрцитивная сила (Hc) — это напряженность магнитного поля, необходимая для полного размагничивания материала. Она зависит от структуры материала, его химического состава и механической обработки. Например, один и тот же материал, подвергшийся разной термической обработке (закаленный на разную глубину), будет иметь разные значения коэрцитивной силы.

Коэрцитиметр, в свою очередь, не просто измеряет коэрцитивную
силу (Hc), а фактически определяет точку на петле гистерезиса, где материал теряет остаточную намагниченность. Для того, чтобы понять, как работает коэрцитиметр и что именно он измеряет - давайте разберемся, что такое магнитный гистерезис.

Гистерезис (от греч. *hysteresis* — «отставание») — это явление, при котором намагниченность материала зависит не только от текущего магнитного поля, но и от его предыдущих состояний.  Нагляднее всего это проявляется у ферромагнетиков (железо, никель, кобальт, их сплавы). Если построить график зависимости магнитной индукции (B) от напряжённости внешнего поля (H), получится замкнутая петля гистерезиса.  

Как формируется петля Гистерезиса?

Рассмотрим процесс намагничивания ферромагнетика:  

1. Начальная намагниченность (кривая 1 → 2)  

   - При увеличении H домены (области с однородной намагниченностью) ориентируются по полю.  

   - В точке 2 достигается насыщение — почти все домены выстроены.  

2. Уменьшение поля (2 → 3)  

   - При снижении H до нуля намагниченность не исчезает
полностью — остаётся остаточная индукция (Bᵣ) в точке 3.  

  Кстати, это принцип работы постоянных магнитов!  

3. Размагничивание (3 → 4)  

   - Чтобы свести B к нулю, нужно приложить обратное поле −Hс. Это Нс и есть коэрцитивная сила.

4. Обратное насыщение  

   - При дальнейшем росте −H материал насыщается в противоположном направлении (−Bₛ).  

   - Цикл повторяется, образуя замкнутую кривую.  

Коэрцитивная сила возникает из-за:  

- Доменной структуры: препятствия движению доменных стенок (дефекты, примеси).  

- Необратимых процессов: энергетические барьеры при перемагничивании.  

- Влияния термообработки: закалка увеличивает Hс за счёт образования мартенсита и внутренних напряжений.  

Коэрцитиметр МА-412 воспроизводит ключевой участок петли гистерезиса:  

1. Намагничивание до насыщения (достижение Bₛ).  

2. Постепенное снижение поля до нуля (фиксация Bᵣ).  

3. Приложение обратного поля до полного размагничивания (определение Hс).  

Преимущество метода — скорость: вместо полного цикла гистерезиса анализируется только критический участок Bᵣ → (Hc).

Измерение коэрцитивной силы позволяет:

1.  Оценивать магнитные свойства материалов.

2. Контролировать качество материалов. Например, при производстве стальных деталей важно, чтобы их свойства соответствовали заданным параметрам, а с помощью коэрцитивной силы можно измерять твердость или внутреннее напряжение.

3. Определять толщину закаленного слоя.

На закалке мы остановимся поподробнее.

Определение толщины закаленного слоя с помощью коэрцитивной силы

Для закаленных и незакаленных участков материала коэрцитивная сила будет различаться. Закаленные участки приобретают более высокую коэрцитивную силу по сравнению с незакаленными и метод показывает практически линейную зависимость значения коэрцитивной силы от глубины закаленного слоя, когда измерения проводятся на магнитных сталях.

Для такого материала, как чугун, метод тоже подходит. На магнитные свойства чугуна влияет форма и размер графитовых включений, высокая вариабельность химического состава. Кроме того, графитовые включения способствуют при закалке насыщению металлической основы чугуна углеродом и повышению коэрцитивной силы. Таким образом, при магнитном контроле закалки чугуна следует ожидать большей погрешности по сравнению со сталью.

Контроль глубины закаленного слоя обычно проводят после черновой обточки фрезерованием, в результате которой на объекте контроля образуется весьма грубая ребристая поверхность.

Если приступать к измерениям на изделиях с высокой шероховатостью, то неизбежно между полюсами датчика и поверхностью образуются зазоры.

Зазоры также образуются при неправильной установке датчика.

Наличие зазора в магнитной цепи датчик-деталь приводит к снижению диапазона показаний (чувствительности), причем тем значительней, чем больше площадь полюса датчика коэрцитиметра, а также к значительному увеличению погрешности.

Поэтому при измерениях коэрцитивной силы необходимо подбирать датчики, магнитные полюса которых наиболее плотно прилегают к объекту контроля. Для плоских поверхностей подойдут датчики с плоскими полюсами, а для радиальных поверхностей лучшим вариантом будет подбирать или изготавливать специальные датчики исходя из радиусов измеряемых поверхностей.

Пример плотного прилегания магнитопроводов датчика от МА-412 к объекту контроля.

Машпроект разрабатывает датчики специально под объекты контроля заказчика. Более 20 лет создавая приборы неразрушающего контроля, в том числе коэрцитиметры, благодаря накопленному опыту наш коэрцитиметр
МА-412 способен проводить измерения глубины закаленного слоя до 7 мм.

Одним из ключевых применений коэрцитиметра МА является контроль закалки ТВЧ (токов высокой частоты) шеек и фланцев коленчатых валов. Коленчатые валы подвергаются значительным механическим нагрузкам, поэтому их поверхность должна быть достаточно твердой, чтобы выдерживать износ.

Специальные датчики к коэрцитиметру МА-412, предназначенные для деталей разного радиуса

МА-412 в составе специальных датчиков обеспечивает точные измерения на глубинах до 7 мм, благодаря высокой точности измерения коэрцитивной силы, что делает его идеальным для контроля качества закаленного слоя. Прибор позволяет обнаруживать даже незначительные отклонения в толщине закаленного слоя. Прибор оснащен интуитивно понятным интерфейсом, что позволяет быстро освоить его даже новичкам. Компактные размеры коэрцитиметра МА делают его удобным для использования в лабораториях и на производственных линиях.

Коэрцитиметр МА-412

Коэрцитиметр — это не просто измерительный прибор, а инструмент для «диалога» с микроструктурой материала через петлю гистерезиса. Его применение охватывает всё — от цехового контроля до фундаментальных исследований.

Измерение коэрцитивной силы через анализ петли гистерезиса позволяет:  

- Оптимизировать производство и добиться снижение брака на 20–30%;  

- Предсказывать поведение материалов в рабочих условиях (например, нагрев в электродвигателях);

- Создавать инновационные сплавы с заданными магнитными свойствами.

Также, для лабораторных задач сотрудниками ООО НПП “Машпроект” был разработан коэрцитиметр СТЕЛС-ММА, который обеспечивает полный цикл гистерезиса и соответствует ГОСТ 8.268-77 “Методика выполнения измерений при определении статистических магнитных характеристик магнитотвердых материалов”.