| 注：本文根据香港安捷材料试验有限公司黄建明先生的“自磁化铁磁性金属构件荧光磁粉探伤法”、“铁磁性金属构件自磁化萤光磁粉探伤法（演示文稿）”和“磁的產生和消失现象”三篇文章合并整理而成，并已经黄建明先生审阅同意发布。 |
| 1. 问题的提出 |
| 我有个客户在使用五金冲压模具时突然爆裂，飞迸出来的碎片导致操作工人死亡，他们急需要将所有的模具全面地进行探伤。於是找到了我，并邀请我前往他们公司实地参观模具的操作过程。我根据他们的情况建议他们将模具拆卸下来做探伤，也给他们提供了涡流和萤光磁粉探伤方法的培训，故这两年来也能解决一些问题，检出很多裂纹，为减低意外的发生起到一定作用。但实行这种方法一定要拆卸模具，这样做会影响生產进度和產品的质量 (產品的一致性)，因为停机就会停產，再重新安装模具调校时或多或少都会有误差，有误差就引起產品的不一致性和影响產品质量。若平时不能经常地检测就不能有效地防止意外发生，而且模具在有小裂纹时或者在爆破之前，模具尺寸和形状变化也会影响產品的尺寸和形状，甚至造成大批废品，为厂家带来重大的经济损失。 |
| 那么有什麼办法可以在不拆卸模具的情况下并可在任何时候都能有效地检测出裂纹来呢? |
| 2. 铁磁化金属构件的自磁化现象 |
| 我在现场看见工人用螺丝刀在靠近模具时会產生很强的磁性吸力，在模具的边缘可以清楚地看到冲压过程中遗留下来的铁銹和碎铁片吸附在模具上，工人们要用螺丝刀来吸走铁銹和碎铁片，否则就影响模具的冲压。这种磁化现象我称其为 “铁磁性金属构件自磁化现象”。 |
| 模具自磁化的规律即磁场强度与使用次数(或者时间)的关係见图1，纵座标为磁场强度，横座标表示使用次数或时间，随著次数的增加磁场强度也逐渐增加，到达某一水平时不再明显地增加或减小(磁饱和点)，如果出现裂纹时磁场强度会突然增高至几倍甚至百倍於正常的磁场强度。 |
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| 3. 铁磁化金属构件的自磁化现象理论依据 |
| 为什么会有这种现象呢? |
| 五金冲压机械上的模具在长期重复冲压﹝冲擦、磨擦﹞的过程中会產生磁化现象﹝自磁化﹞，主要来自两方面: ① 模具与模具之间的磨擦和扩张力生电(磁致伸缩生磁)；②被加工的工件也多是铁磁性金属，工件在切断和冷作塑性变形时也会產生磁场，再者模具与工件是紧密接触的，因而将工件的磁也导入了模具。由於所有模具的主要用料大都是含碳量高的合金钢和进行过淬火或者渗碳、渗氮、调质等硬化的热处理工序，其剩磁感应强度和矫顽力较高，以至保磁能力特别强，所以模具在反覆冲压过程中特显了自磁化的现象。 |
| 同时，模具在长期使用后会產生金属疲劳，而金属疲劳到达一个极限时，就会出现破裂。自磁化的材质在破裂的位置上会形成一个漏磁场，令该位置可以吸附磁粉，从而可以通过浇洒磁悬液观察到磁痕显示，特别是采用荧光磁粉，在紫外线灯的照射下，会產生人眼可见的黄绿色萤光，从而达到检测出裂纹的目的。 |
| 过往的做法是需要先将模具拆卸，然后应用磁粉或者其他 NDT﹝无损探伤﹞方法。拆装影响生產，而且每次校对模具非常费时也影响產品的一致性。在不拆卸的情况下用普通磁粉探伤方法难以全面磁化，内孔和内槽或狭窄的构件也无法检测到；用涡流探伤方法也有很大的局限，同时要求检验人员具有丰富的经验和技巧，内孔和内槽或窄狭的构件同样也无法检测到。 |
| 五金製品厂有大量的冲压机器，各式各样冲压机器上又有不同形状的模具，模具的组合通常由一对公母模具组成，公模插入母模压制工件成型为各式各样的、大大小小的五金製成品，母模在冲压的过程中受到扩张的应力，长期重复的使用后会產生疲劳裂纹。如果模具有裂纹﹝破裂﹞，其冲压出来的製品的形状和尺寸肯定会变形和偏差，严重地影响產品质量甚至造成废品，特别是快速和多件式的冲压机更会在短时间内就造成大量的废品，肯定造成经济损失。如果模具基座突然爆裂，其破碎片迸出，更会造成人命伤亡，不幸地这些事故却时有发生…… |
| 如何有效地检出模具的裂纹而不影响生產呢?这一直是令人们费煞思量的问题。今天，我们发现工件在机械式的重复磨擦中自身磁化这一自然现象，而且在有裂纹的位置会產生很强的漏磁场，因而可利用漏磁能吸附磁粉的原理来检测裂纹。 |
| 传统的磁粉探伤原理一样是利用漏磁场吸附磁粉来检测裂纹，不同的是磁粉探伤需要外加磁场，而我们现在是利用模具在冲压的过程中自磁化產生漏磁场吸附磁粉来检测裂纹。通过实际观察，我们还发现由工件自磁化產生的裂纹痕跡是最自然和最真实的，不论模具形状如何复杂，都如实地将有裂纹的痕跡呈现出来，完全不需要考虑磁化方向的问题。因为传统磁粉探伤方法一定要考虑磁化方向，磁化方向与裂纹方向平行时是无法呈现磁痕的，形状复杂的工件更难以覆盖所有的方向；另外磁化线圈、磁軛无法靠近或者完全接触工件，大大地降低了真实的磁化强度，磁化强度不足时灵敏度会下降，难保不会漏检，也有可能误将自磁化形成的磁痕跡消除掉反而造成漏检。 |
| 漏磁也可以应用现在流行的“磁记忆”法，但是这种方法难以使用而且需要由很有经验的操作人员进行，其效率也低，还涉及很复杂的力学问题，以及缺陷定量定性等等问题。 |
| 磁粉探伤方法相对简单容易操作，任何人稍作培训就能操作。为什麼选择用萤光磁粉呢?因为萤光磁粉在紫外线灯照射下激发出人眼最敏感的黄绿色的萤光﹝波长510-550nm﹞，而且它对一些内孔内槽和窄狭位置也能有效地检出。 |
| 我们选择用礶装油基性的萤光磁悬液﹝BS4069﹞，效果最好，其灵敏度高、流动性好，而且清洗容易不影响製品生產。再配备一套便携式紫外线灯，110V或220V交流电源，800~1000μW/cm2﹝BS4489﹞。在现场若环境光小於20lx可以直接用黑光灯照射检测，有需要时可以黑布帘遮掩。也可以用LED 型紫外线灯更加安全、方便、快捷不需要黑暗的环境也能有效地检测。 |
| 近年兴起的磁记忆方法就是依据同样的原理[1]~[3]。磁致伸缩是铁磁性材料在受到应力—应变时引起的磁化现象，在应力集中的位置(或有裂纹的位置)出现漏磁场，铁磁性材料在地磁场中因机械应力—应变引起的自发磁化规律见图2[1]&[3]。 |
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图 2 铁磁材料工件在地磁场中因机械应力—应变而產生的磁化
He—地磁场 |B|―磁感应 |ε|―应变 Br―剩餘磁感应 △ Br―剩餘磁感应增量 △σ―周期性载荷增量, MPa
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| 实际上，这就是冲压/锻压模具的“运行磁化”和(铁磁性)製件的“加工磁化”现象[4]。 |
| 4. 铁磁性金属构件自磁化萤光磁粉探伤法的研究 |
| 4.1磁记忆检测法的不足 |
| 根据图1的原理，我建议用磁记忆每天下班时测量模具的磁场强度就可监控模具的使用状况，若每天测量的数据都维持在某一水平就表示正常，如果有一天突然有倍增的高磁场强度，那麼模具就很可能有裂纹了! 这时可以拆卸模具并进一步用其他NDT方法验证。我曾在一个有裂纹的模具上做过磁记忆，可以很清楚测量到有裂纹的位置其磁场强度百倍於没有裂纹的位置。照说这是很简单易行的，但是操作起来不直观，客户不容易接受，而且需要懂技术的人来做，所以也就没有实际应用和推广。 |
| 4.2 磁粉探伤方法 |
| 后来我想出一个方法-“铁磁性金属构件自磁化萤光磁粉探伤法”。 |
| 我们在做磁粉探伤时都知道一定要外加磁化磁场，分连续磁化法和剩磁法，其中剩磁法是先磁化工件，利用工件能保留剩磁和有裂纹的位置形成漏磁场的特性，然后再洒上磁粉来进行检测，这种方法已经使用了很多年了，也是可行的，但是在使用中的模具现场外加磁化不方便。根据这个原理和以上分析，我们知道铁金属在反覆的机械式冲压过程中会產生磁化现象，当自磁化到一定的磁场强度时 (所以一定要用过一段时间的模具才能使用这个方法)，在有裂纹的位置会形成漏磁场，利用该漏磁场会吸附磁粉的特点，就可以像磁粉探伤一样来进行检测了。 |
| 4.3 新方法的优越性 |
| 1) 不需要拆卸模具(或者简单拆除裸露即可)； |
| 2) 不需要外加磁化磁场； |
| 3) 任何时间都可以检测，不需要特别停工，只需每天下班时或者例行检修时顺便做，或者对模具(构件)怀疑有异常现象时随时就可以检测，大大地增加了检测量(次数)，相对地提高了安全系数； |
| 4) 萤光磁粉的灵敏度最高，而且模具的内孔、内槽位置在萤光灯的照射下也可以检出裂纹来(用手电筒式的LED萤光灯更加方便) |
| 5) 操作简单，只需要简单的培训就可以操作。 |
| 4.4 新方法的局限性 |
| ① 被检工件一定要是高碳钢和合金钢，而 且是经过热处理﹝如渗碳、淬火、正火、 渗氮等硬化处理﹞的模具，即具有高导磁率、高剩磁，才能满足检测需要； |
| ②一定要是经过多次冲压(磨擦)和使用过的模具(构件)，才能有较强的自磁化现象产生； |
| ③必须在萤光灯(传统的紫外线灯和最近出现的LED紫外线灯都行)下使用，而如果采用黑磁粉，则由于被检模具多为光洁度高的光亮表面，使用黑磁粉获得的对比度远不如荧光磁粉而不易观察。 |
| ④据我的经验 必须使用油基性萤光磁悬液﹝BS4069﹞才能够获得较好的检测效果； |
| ⑤ 检测人员需要经过适当的培训，视力正常 没有萤光色盲﹔ |
| ⑥ 有需要时用其他 NDT 方法验证。 |
| 此外，检验员要有一个适当的培训，能正确地分辨假缺陷和非相关显示，常见的非相关显示有：① 模具本身结构组合处(缝隙)；② 磨削裂纹(表面均匀的网状裂纹)；③ 划痕。 |
