자기 탐상검사 자기의 기초

1. 자석

물체들 중에는 철, 니켈과 같은 금속을 끌어당기고 수평으로 매달면 남북을 가리키는 물체가 있다. 이러한 성질을 자성 또는 자기라 하고, 자기를 지닌 물체를 자석이라 한다.

 

2. 자기장

자기의 힘이 미치는 공간을 자기장이라 하며, 그 받는 힘의 강약으로 자기장의 세기를 나타낸다.

 

3. 자기 유도

자기장 속에 어떤 물질을 놓으면 물질은 일반적으로 많든 적든 자기를 띠게 되는데 이것을 자화되었다고 하며, 이 현상을 자기 유도라 한다. 이와 같이 자기장 속에서 자화하는 물질을 자성체라 한다. 자성체를 크게 분류하면 외부 자기장과 같은 방향으로 자화되는 상자성체와 반대방향으로 자화되는 반자성체의 2종류로 나누어 진다. 강자성체가 자기장에 강하게 작용하므로 자분탐상검사를 하는데 가장 적합한 재료이다. 강자성체에 비해 자석에 흡착되지 않는 물질을 비자성체라 한다.

상자성체 : Al, Mn, Sn, Pt, Ir, Cr, O, N 등

반자성체 : Cu, Ag, Au, Si, Pb, Zn, Bi, C, S 등

강자성체 : Fe, Ni, Co 및 오스테나이트계 스테인리스강 등을 제외한 대부분의 철강 재료

 

4. 자력선

자석의 주위에 쇳가루를 뿌리면 각 점에 있어서 점선의 방향이 그 점의 자기장의 방향과 일치하고 있는 곡선을 말하며, 이 자력선은 자기장의 모양을 가시적으로 나타내는 선으로 N극에서 나와 S극으로 들어가는 폐곡선이다. 자력선의 성질은 자력선의 방향은 자기장 방향과 평행하며, N극에서 나와 S극으로 들어간다. 자력선은 도중에서 끊어지거나 서로 엇갈리지 않아서 2개의 자력선이 서로 만나지 않는다. N극에서 나온 자력선은 반드시 S극에서 끝나며, 도중에 소멸되거나 발생하지 않는다. 자력선 위의 1점에서 그은 점선의 방향은 그 점에서 자기장의 방향을 나타낸다. 자력선의 밀도는 그 점에서의 자기장의 세기를 나타낸다. 자력선의 밀도는 그 점에서의 자기장의 세기를 나타낸다. 자력선의 간격이 촘촘할수록 자기장의 세기가 세다. 자기장의 방향에 대해 직각인 단위 면적당을 통과하는 자력선 수에 따라 자기장의 세기를 나타낸다.

 

5. 자화와 자속밀도

강자성체는 각각 작은 자기량을 가지고 있는 아주 작은 자석들의 집합체라고 간주할 수 있다. 그러나 강자성체끼리 가까이 해도 이들 사이에는 흡인력도 반발력도 발생하지 않으며, 자기장을 걸기 전의 강자성체는 자기를 띠지도 않는다. 이것은 강자성체를 구성하고 있는 무수히 많은 작은 자석들의 방향이 제각기 다른 방향을 향하고 있기 때문에 전체적으로는 자기적으로 상쇄되어 자석의 성질을 나타내지 않는다. 그러나 강자성체에 S극을 가까이 하면, 가까이한 강자성체 쪽에는 자기 유도에 의해 N극이 형성되기 때문에 서로 끌어당기게 된다. 따라서 걸어준 자기장 세기가 강해짐에 따라 자기장의 방향으로 향하는 자석의 수가 많아져서 마침내는 자기장의 방향으로 평행하게 작은 자석이 나란하게 된다. 가까이한 자석의 S극에 가까운 강자성체의 표면에는 N극이 생긴다. 이 상태를 강자성체가 자화된 것이라고 한다.

개개의 작은 자석은 각각 자기량을 갖고 있기 때문에 자기장의 방향으로 방향을 바꾼 자석 수만큼 평형이 깨어져서 결과적으로 자기장의 방향으로 자기량이 발생하여 그 방향으로 자기량의 흐름이 생겨났다고 간주할 수 있다. 이렇게 새로 발생한 자기량과 처음에 걸어준 자기장이 갖고 있는 자기량과의 합을 자속이라 하며, 단위 단면적 당의 자속을 자속밀도라 한다. 자속밀도는 자화의 세기를 근사적으로 나타내는데 사용한다.

 

6. 강자성체의 자화

1) 자화곡선
강자성체를 자화하면 강자성체 속에 새로운 자속이 발생하여, 그 자속밀도는 자기장의 세기에 의존하여 변화한다. 강자성체 속에 생긴 자속밀도 B와 자기장의 세기 H와의 관계를 나타내는 곡선을 자화곡선 또는 B-H곡선이라 한다. 상자성체와 반자성체인 경우의 자화곡선은 직선이 되지만, 강자성체인 경우는 자기장을 작용시켜 그 세기를 점차로 증가시키면 자속밀도 B가 그림 같이 복잡하게 변화한다. 자화곡선은 직류를 사용하여 측정한다.

자화한 적이 전혀 없는 강자성체를 밖에서 자기장을 걸어 자기장의 세기 H를 점차로 증가시키면 H가 약할 경우에는 자속밀도 B의 증가 비율이 완만하지만 점차 H가 증가하면 B는 급격히 증가한다. H가 어느 정도 이상 증가하게 되면 B는 거의 증가하지 않게 되며 포화상태가 된다. 이때의 B를 Bs로 표시하며 포화자속밀도라 한다. R점은 자기포화점이다. 곡선 0R을 초기 자화곡선 또는 처녀 자화곡선이라 한다.
Bs에 도달한 후 이번에는 H를 서서히 감소시키면 처음의 곡선을 따르지 않고 다른 곡선인 RS를 따라 감소하며, H가 “0”이 되어도 B는 0S의 값을 가진다. 이것을 잔류자속밀도(Br)라 한다. 따라서 이 현상을 이용하여 자화를 하면 전류를 끊어도 자기가 남아있기 때문에 뒤에서 설명할 잔류법에 의한 자분탐상검사를 할 수 있게 된다.
다음에 H를 반대방향으로 가하면 즉, 처음의 전류방향과 반대방향으로 전류를 흘리면 B는 급격히 감소하여 H가 0T일 때 “0”이 된다. 이때의 자기장의 세기의 값을 Hc로 표시하며, 0T를 보자력 또는 항자력이라 한다.
다시 반대방향으로 H를 증가시키면 B는 곡선 TU를 따르며 (-)의 포화점 U에 도달한다. 점 U에서 반대방향으로 H를 감소시키면 B는 곡선 UV에 도달하며, 점 V는 (-)의 잔류자속밀도를 나타낸다.

또 다시 H를 처음 방향으로 가하면 B는 곡선 VWR를 따라 결국 R에 도달한다. 점W는 보자력 Hc와 반대방향으로 같은 값의 점을 나타낸다.
이렇게 하여 RSTUVWR로 표시되는 폐곡선이 얻어진다. 이 과정의 RSTUVWR은 몇 번 반복해도 똑같이 되는데, 이렇게 1바퀴 도는 자화곡선을 자기이력곡선이라 한다. 자기이력곡선은 위의 설명과 같이 가해진 자기장에 대한 자화도를 그린 곡선이다.

2) 철강 재료의 자기 특성

강자성체의 대표적인 것은 철강 재료이다. 철강 재료는 주로 페라이트, 시멘타이트, 펄라이트, 오스테나이트라 부르는 조직으로 되어 있다. 가장 일반적인 페라이트는 저온에서는 강자성이지만, 자기 변태온도인 768℃ 이상의 고온에서는 상자성을 나타낸다. 강 속의 탄소량에 따라 이들의 혼합비가 변화하기 때문에 자기 특성도 변화한다. 철강 재료의 자화곡선은 합금성분(특히 탄소 함유량), 가공상태 및 열처리(어닐링, 담금질) 등에 따라 크게 변화한다. 철강 재료에서는 일반적으로 탄소 함유량이 많을수록, 냉간 가공비가 클수록 또한 담금질의 효과가 클수록 포화에 필요한 자기장의 세기 및 보자력의 값은 높아지며, 포화자속밀도 및 잔류자속밀도는 낮아진다. 즉 경도가 높은 강일수록 이 경향이 크다고 말할 수 있다. 그러나 포화자속밀도의 값에는 그다지 큰 차이는 나타나지 않는다.

 

7. 결함으로부터의 누설자속

강자성체의 표면 또는 표면 가까이에 자속의 흐름을 차단하는 결함이 있을 경우에 어떠한 현상이 발생하는지에 대하여 설명한다. 그림과 같이 표면에 결함이 있는 시험체를 축 방향으로 자기장을 작용시켜 자화한 경우에 대하여 알아본다.
시험체 속의 자속밀도가 낮을 때의 투자율은 공기의 수 백배 이상이 되므로 강자성체 속은 아주 자속이 흐르기 쉽다. 이 때문에 강자성체 표면에 결함이 있어도 자속은 공간으로 거의 누설하지 않고 결함의 옆이나 결함 아래로 우회하여 흐른다. 시험체 속의 자속밀도가 어느 정도 이상 높아지게 되면 투자율이 낮아지기 때문에 강자성체의 우회하는 길의 자기저항은 점차로 커져서 공간으로 누설하는 자속도 점차로 많아진다. 시험체 속의 자속밀도가 포화상태(포화자속밀도)에 가깝게 되면 공간으로 누설하는 자속도 급격히 증가한다. 그렇지만 결함이 없는 정상적인 부분에 누설하는 자속도 많아진다.

이것은 결함이 자속의 흐름에 대하여 저항하기 때문이다. 결함은 자속의 흐름에 대한 자기저항이 다른 부분에 비해 아주 높기 때문에, 자속이 결함을 피해 가려고 한다. 자화가 약하면 시험체의 투자율이 높기 때문에 시험체의 자기저항은 낮아져서 자속은 결함을 우회하여 시험체 속을 흐르며, 자화가 강해지면 시험체의 투자율이 점차로 낮아져서 시험체의 자기저항이 켜져서 시험체 속의 우회와 공기 중의 우회가 큰 차이가 없어지므로 결함부에서 누설자속이 서서히 나타나서 자화곡선 상의 어깨 점까지 자화하면 결함부로부터 누설자속이 많아진다. 강자성체를 자화한 경우에 누설자속이 생기는 곳은 결함부 만이 아니다. 코일 속에서 자화된 강자성체의 양 끝부분, 자석으로 자화했을 때 철심의 접촉부분, 포화 자속밀도 이상의 강한 자기장의 세기를 작용시켰을 때, 투자율 및 단면적의 급변부가 있을 때, 다른 강자성체를 접촉시킨 경우에도 그 부분에 자속이 누설되어 자분이 흡착되므로 주의해야 한다.