4. 침투탐상검사-기초 지식

 

 

1. 침투탐상검사의 기초

침투탐상검사는 시험체 표면에 존재하지만 직접 눈으로는 발견되지 않는 폭이 좁은 미세한 결함들을 검출하는 방법이다.

이 검사를 위해서는 시험체 표면의 오물 등을 제거한 다음(전처리),

그곳에 눈에 잘 띄는 색깔 또는 형광을 발하는 액체를 침투시키고(침투처리),

표면에 남아있는 액체만을 물로 씻어 내거나(세척처리),

마른 헝겊으로 닦아낸 후(제거처리),

그곳에 미세한 분말이나 액체를 도포하여 도막을 만든다(현상처리).

 

이렇게 하면 결함 속에 침투해 있던 액체가 표면으로 스며 나오면서 현상제 도막 속으로 번져 나와서 실제 결함보다 확대되어 눈에 잘 띄는 색깔 또는 형광을 발하는 지시모양이 되는데, 이것이 결함에 의한 지시모양인지 아닌지를 육안으로 조사 및 확인(관찰)함으로써, 시험체의 결함을 검출하는 방법이다.

이 검사방법은 표면이 열린 미세한 틈의 결함 속으로 침투액이 침투하는 현상과 현상제 도막 속으로 침투액이 스며 나오는 현상 등 그 기본원리는 액체의 표면장력에 기인한 모세관 현상을 이용한다.

<침투탐상검사 원리>

 

 

 

2. 침투탐상검사의 원리

ㆍ모세관현상

침투액이 미세한 균열 등의 틈으로 침투하는 현상을 이용하는 침투탐상검사는 모세관 현상(capillarity)의 원리를 응용하는 방법이다.

모세관 현상이란 액체가 들어있는 통 속에 양끝이 막혀있지 않은 가는 유리관을 세웠을 때, 유리관 속 액체의 면이 관 밖의 액체의 면보다 높아지거나 낮아지는 현상을 말한다.

이 현상은 액체의 응집력(force of cohesion)과 관과 액체사이의 부착력(force of adhesion)의 차이에 의해 일어난다. 유리관 속의 표면에 접촉된 액체가 관의 안쪽 벽을 적시며 퍼지기 때문에 유리관 속 면에서의 액체의 면적은 증가하므로 관 속의 액체는 표면적을 가급적 가장 적게 하려는 표면장력에 의해 관 속의 액체면을 위로 끌어올리게 된다. 액체가 표면장력에 의하여 가는 유리관 속에서 상승하여 그 액체의 면이 외부의 액체의 면보다 높아지는 모세관 현상을 나타낸 것이다. 이때 유리관 속의 액체의 면은 오목하다. 모세관 속의 액체가 상승하는 높이는 즉, 결함 속으로 침투하는 속도는 표면장력이 클수록, 액체와 유리관이 이룬 물질과의 접촉각이 작을수록, 액체의 밀도가 낮을수록, 유리관의 지름(결함의 폭)이 작을수록 높아진다.

※ 수은 속에 세운 모세관은 액면의 높이가 관 밖의 액면보다 낮다. 관속의 액면도 볼록하다.

 

ㆍ 지각현상

우리의 눈으로 물체의 형태나 색깔이나 크기를 포착한다든지 감지하는 현상을 지각현상이라 한다.

인간의 지각은 모양이 크고 밝으며 선명한 색깔을 가진 것일수록 감지가 쉽고, 또한 환경이 어두우면 어두울수록 작고 약한 빛에 대해서도 민감하게 작용한다.

우리의 눈은 물체의 색깔과 밝기 및 크기 등으로부터 어떠한 물체가 있는 것을 알 수 있으며, 그 모습이나 형상으로부터 그것이 무엇인지도 바로 판단할 수 있다. 이와는 별개로 어두운 곳에 들어갔을 경우에 잠시 동안은 아무것도 보이지 않지만 시간이 조금 지나거나 작은 틈에서라도 빛이 들어오면 물체를 쉽게 찾게 된다. 즉 인간의 눈으로 관찰할 수 있는 환경조건을 갖추고, 물체 또한 쉽게 볼 수 있는 조건이 갖추어 지면, 완전히 볼 수 없는 것도 확실히 볼 수 있게 된다. 이와 같이 눈에 잘 띄는 색깔과 어두움보다는 밝은 곳에서, 작은 것보다는

큰 것이 식별하기 쉬움을 이용하여 결함을 검출한다.

 

 

 

3. 침투액의 물리적 성질

침투액은 침투탐상검사에서 가장 중요한 역할을 하는 탐상제로, 표면 전체로 퍼져나가는 특성을 갖는 액체를 적용하여 열려있는 미세한 결함의 틈 속으로 스며들어 침투하는 역할을 한다. 침투액의 침투에 영향을 미치는 중요한 원인으로는 표면장력과 적심성 그리고 탐상면의 청결과 결함의 표면이 열려 있는 모양 및 크기 등이다.

ㆍ표면장력

같은 체적을 가진 여러 형상의 액체나 고체 중에서 표면적이 가장 작은 것은 공(球)모양이다. 이것은 액체의 표면에 항상 표면적을 최소로 하려는 힘이 작용하기 때문으로, 이 힘을 표면장력(surface tension) 또는 계면장력이라 한다. 이 표면장력은 침투액의 침투성능을 나타내는 중요한 특성으로, 가급적 표면장력이 큰 것이 좋은 침투액이 된다. 그러나 침투액의 표면장력이 크게 되면 시험체 표면과의 접촉각(contact angle)이 증가하여 접촉면적이 적어지므로, 침투액이 시험체 표면에 잘 분산되지 않게 된다.

<접촉각과 표면장력>

<적심성과 접촉각>

ㆍ적심성

침투액의 침투 성능을 결정하는 두 번째는 적심성(wetting ability)이다. 적심성은 고체 표면을 적시면서 퍼지는 정도를 말한다.

고체 표면에 어떠한 액체를 떨어뜨렸을 때, 액체가 기체를 밀어 내면서 고체 표면위로 퍼지는 현상을 적심이라 하며, 이는 접촉각(θ)으로 측정한다.

침투가 잘 되도록 하기 위해서는 적심성이 좋아야 하는데, 적심성이 좋은 재료는 표면에 다소의 오염이 있어도 잘 퍼지며, 적심성이 나쁜 재료는 굳어 버린다.

접촉각은 액체가 표면을 따라 흐를 때 접촉되는 곳에서의 각도를 측정하여 결정한다. 이 각도가 작을수록 적심성이 좋은 것이며, 좋은 침투액은 접촉각이 매우 작다.

즉 접촉각 θ = 0°이면 이상적인 적심성을 가지며, θ = 180°일 때에는 적심성이 없다고 한다. 일반적으로 접촉각이 90° 미만일 경우는 적심성이 좋고(그림 1-4(a) 참조), 접촉각이 90° 이상일 경우에는 표면을 적실 수 없어서 적심성이 나쁘다(그림 1-4(b) 참조). 수은은 대부분 고체에서 접촉각이 90°를 초과하므로 적심이 이루어지지 않는다.

 

ㆍ점성

일반적으로 서로 접촉하는 액체끼리는 떨어지지 않으려는 성질을 가지고 있는데, 이 성질을 점성(viscosity)이라 한다. 침투액의 점성은 침투력 자체에는 그다지 영향을 미치지 않으나, 침투액이 결함 속으로 침투하는 속도에는 중요한 변수가 된다. 점성이 높은 침투액은 점성의 반대되는 성질인 유동성이 좋은 것보다 천천히 이동하며, 침투액을 결함 속으로 빨아들이는 힘에 대한 저항력이 크게 된다. 일반적으로 액체는 온도가 낮을수록 점성이 높아지므로, 온도가 낮은 환경에서 탐상할 때에는 침투속도가 떨어지기 때문에 결함 속으로 침투액이 침투하는 시간을 길게 늘려야 한다.

 

ㆍ밀도

밀도(density)는 액체의 침투성에 직접적인 영향을 미치지 않는다. 대부분 침투액으로 사용하는 액체는 비중이 1보다 낮다. 이는 침투액의 주성분이 보통 비중이 낮은 유기화합물로 이루어져 있기 때문이다. 침투액이 1 이하의 비중을 갖도록 하는 것은 침투액에 물이 섞여도 물이 통의 바닥에 가라앉게 되므로, 제 기능을 발휘할 수 있고, 운반할 때 가볍게 하기 위함이다.

 

ㆍ휘발성

침투탐상검사에 사용하는 침투액은 비휘발성이어야 한다. 침투액이 휘발성이면 개방형 통에 넣고 사용할 경우에 침투액이 증발되어 그 양이 줄어들게 되고 시험체에 침투액을 적용하게 되면 침투시간 중에 침투액이 건조되기 때문이다. 또한 현상처리를 하더라도 결함 속에 침투되어 있던 침투액이 건조되어 지시모양을 형성할 수 없게 된다.

 

ㆍ인화점

침투액은 인화점(flash point)이 높은 것이 바람직하다. 인화점이 낮으면 검사장소 주위의 열에 의한 온도의 상승으로 화재의 위험이 높으며, 시험체 자체의 온도가 높을 때도 화재를 일으키기 쉽기 때문이다.

 

 

 

출처 : 한국산업인력공단 침투탐상검사의 기초 이론