第一拖拉機(jī)股份有限公司工藝材料研究所（洛陽 471003）張沈潔 孔春花 趙振凱 鮑偉宏

隨著現(xiàn)代科學(xué)和工業(yè)技術(shù)的迅速發(fā)展，人們對(duì)材料或工件的質(zhì)量特別是工件的表面質(zhì)量的要求越來越高，合適的表面硬化深度和適當(dāng)?shù)男牟宽g性的搭配能使鋼鐵結(jié)構(gòu)件發(fā)揮更好的綜合性能，所以零件的表面高頻感應(yīng)淬火技術(shù)得到了迅速的發(fā)展。感應(yīng)淬火可以提高工件的耐磨性和疲勞強(qiáng)度，但這些特性取決于硬化層深度和淬火后過渡層的殘余應(yīng)力。在表面淬火處理中，硬化層的有效深度是決定質(zhì)量的主要因素。迄今為止，硬化工藝的質(zhì)量控制局限于隨機(jī)的抽檢破壞性測(cè)試，既費(fèi)時(shí)，成本也高，這就導(dǎo)致許多熱處理生產(chǎn)單位為了降低成本而省略對(duì)淬硬層深度的檢測(cè)。雖然淬硬層深度在理論上可通過調(diào)節(jié)感應(yīng)加熱設(shè)備的電參數(shù)進(jìn)行控制，但由于影響淬硬層深度的因素太多，無法在實(shí)際生產(chǎn)中對(duì)其進(jìn)行較精確的控制。

為了減少淬硬層深度檢測(cè)的成本，減輕檢測(cè)的復(fù)雜程度，我公司引進(jìn)了德國Fraunhofer金相測(cè)試某超聲背散射硬化層深度檢測(cè)儀來檢測(cè)淬硬層深度。下面以一種大輪拖驅(qū)動(dòng)輪軸零件為例，簡單介紹其感應(yīng)熱處理淬硬層深度無損檢測(cè)的方法。

1.帶齒條鍵槽的驅(qū)動(dòng)輪軸所用材料及技術(shù)要求

大輪拖驅(qū)動(dòng)輪軸圖樣技術(shù)要求為：材料為42CrMo；調(diào)質(zhì)硬度262～302HBW；外表面淬火硬度不小于53HRC，淬硬層深為圓柱表面7～12mm（見圖1）。其他部分淬硬層深度，花鍵H1根部（見圖2）為3.25～8.25mm；光軸H2～H5為7～12mm；鍵槽、齒條根部≥2mm；淬火硬度52～57HRC，調(diào)質(zhì)硬度262～302HBW。

圖1 驅(qū)動(dòng)輪軸宏觀圖及取樣部位示意

圖2

2.傳統(tǒng)檢測(cè)方法

淬硬層深度定義為由鋼的表面量到馬氏體占50%（其余的為珠光體類型組織）的組織處的深度。材料感應(yīng)淬火后的組織有硬化層、過渡層及熱影響區(qū)3個(gè)區(qū)域，淬火過渡層由于工藝不同，厚度會(huì)有較大差異，過渡層的存在也導(dǎo)致材料感應(yīng)淬火后的有效硬化層與基體的界限不清晰，難以用硬度法精確測(cè)定其有效硬化層深度。軸類零件在感應(yīng)淬火后的淬硬層中，經(jīng)常發(fā)現(xiàn)內(nèi)部帶狀組織很嚴(yán)重，尤其是硬化層的過渡區(qū)，出現(xiàn)硬度梯度波動(dòng)現(xiàn)象，直接影響硬化層深度的準(zhǔn)確判定，甚至出現(xiàn)誤判現(xiàn)象。

對(duì)這種原始帶狀組織嚴(yán)重的軸類零件，感應(yīng)淬火后在檢測(cè)硬化層深度時(shí)，在硬化層過渡區(qū)（即硬化層界限處）采用測(cè)量間距小的硬度法，多測(cè)量幾點(diǎn)，測(cè)出高低硬度波動(dòng)帶寬度后，取波動(dòng)寬度中間值到軸表面的距離為有效硬化層深，過渡區(qū)中間線即為硬度界限。當(dāng)然，表面感應(yīng)淬火過渡區(qū)的寬窄也與零件預(yù)備熱處理有關(guān)。調(diào)質(zhì)后的索氏體組織感應(yīng)淬火后過渡區(qū)較窄；以珠光體+鐵素體為基的正火或退火態(tài)組織感應(yīng)淬火后過渡區(qū)較寬，所以感應(yīng)淬火的軸類零件預(yù)備熱處理最好采用調(diào)質(zhì)處理。傳統(tǒng)的淬硬層深度測(cè)量主要有金相法和硬度法。

（1）方法原理：鋼材表層碳或氮或是二者都有增加的情況，改變了表層的化學(xué)成分、微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能。采用硬度、微觀、宏觀、化學(xué)和能譜的方法來測(cè)量硬化層的深度。

（2）大輪拖驅(qū)動(dòng)輪軸宏觀圖及感應(yīng)淬火后切割取樣部位示意見圖1。

（3）用金相法測(cè)量淬火層深度，對(duì)大輪拖驅(qū)動(dòng)輪取樣后進(jìn)行金相拋光，用4%硝酸酒精（96mL酒精+4mL硝酸）腐蝕后，從表面測(cè)至非馬氏體區(qū)為淬火層深度，淬火層深度宏觀示意見圖3。

（4）用硬度法測(cè)量淬火層深度，設(shè)備要求一臺(tái)維氏硬度試驗(yàn)機(jī)（見AS1817）。所有距離測(cè)量設(shè)備的精度應(yīng)在±1%范圍內(nèi)。用洛氏硬度計(jì)測(cè)至42HRC處到表面距離為有效硬化層深度，如圖4所示。

3.超聲波檢測(cè)原理

圖3 金相法測(cè)量淬火層深度宏觀示意

圖4 硬度法測(cè)量淬火層深度宏觀示意

圖5 背散射測(cè)量原理

由聲波產(chǎn)生的高頻振動(dòng)會(huì)沿著均勻固體介質(zhì)以相同的方式傳播，就像直線光束一樣。當(dāng)遇到其他物體、空氣、液體或其他不同材質(zhì)的固體的分界面時(shí)，聲波會(huì)被全部或部分地反射回來。這時(shí)，聲納系統(tǒng)中的回波探測(cè)儀就會(huì)根據(jù)這些反射回來的超聲脈沖檢測(cè)到分界面的存在，并確定具體方位。通常的超聲檢測(cè)設(shè)備所用超聲頻率在500～25MHz之間。在該范圍內(nèi)，各種頻率的聲束都能夠毫不費(fèi)力地穿透致密晶粒的材料。然而，當(dāng)高頻聲束作用于粗糙晶粒材料時(shí)，這時(shí)會(huì)出現(xiàn)背散射形式的干涉。感應(yīng)淬火后工件會(huì)產(chǎn)生一種具有致密晶粒的近表面結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)和沒有經(jīng)過硬化處理的材料結(jié)構(gòu)不同，特別是在粒子大小方面。高頻超聲波穿過致密晶粒，并且在粗糙晶粒（基體材料）和致密晶粒（硬化處理材料）交界處發(fā)生散射，形成超聲背散射效應(yīng)，該現(xiàn)象被用來測(cè)量硬化層的深度。當(dāng)超聲波輕易穿過經(jīng)過硬化的近表面結(jié)構(gòu)時(shí)，粗糙晶粒的基體材料結(jié)構(gòu)就會(huì)引起較大的超聲背散射，這就給深度檢測(cè)系統(tǒng)提供了有用、適合顯示的信號(hào)幅值。

如圖5所示，超聲波由發(fā)射器經(jīng)過探頭、耦合劑射入待測(cè)材料，由于硬化層對(duì)超聲波幾乎沒有任何阻力，而沒有經(jīng)過硬化處理的材料則會(huì)大量散射超聲波，在硬化層與基體材料的分界面上出現(xiàn)大量散射波。探測(cè)系統(tǒng)通過記錄背散射信號(hào)，通過檢測(cè)超聲波脈沖從進(jìn)入材料表面到硬化層-基體分界面所用的時(shí)間來計(jì)算硬化層厚度，這個(gè)過程由計(jì)算機(jī)完成。

4.與硬度法測(cè)量數(shù)據(jù)的對(duì)比

該設(shè)備主要由兩大部分組成，如圖6所示，工業(yè)電腦和超聲波傳感單元，工業(yè)電腦包括超聲波電子集成板、PINT邊緣硬化層深度測(cè)量軟件，以及一些接口；超聲波傳感單元包括楔塊（超聲波探頭）、射頻變換電纜、輔助設(shè)備有電源、耦合劑等。

我們采用的是材質(zhì)為42CrMo的驅(qū)動(dòng)輪軸，按照工藝要求對(duì)其進(jìn)行高頻感應(yīng)淬火，在兩個(gè)部位取如圖7所示的切塊，A樣為不帶鍵槽位置，B樣為帶鍵槽位置，超聲波背散射法測(cè)量和金相法測(cè)量，如圖8所示，數(shù)據(jù)記錄入附表，圖9為兩種方法測(cè)得A、B試樣淬硬層厚度對(duì)比。

通過對(duì)比數(shù)據(jù)我們可以看出，對(duì)于A組不帶鍵槽的試樣，無損檢測(cè)方法測(cè)得的淬硬層深度與用金像法測(cè)得淬硬層深度基本一致，誤差不超過1mm，在工藝允許偏差范圍內(nèi)，該方法可以聲背散射硬化層深度檢測(cè)系統(tǒng)具有下列優(yōu)勢(shì)：從圖上還可以看出，無損檢測(cè)法測(cè)的淬硬層厚度比金相法測(cè)得的淬硬層深度偏大，這是因?yàn)榻鹣喾y(cè)的標(biāo)準(zhǔn)是測(cè)量到42HRC處截止，而超聲波背散射法測(cè)得的是過渡區(qū)平均位置處截止，在實(shí)際生產(chǎn)中可以根據(jù)需要修正。

5.結(jié)果及分析

傳統(tǒng)的淬硬層深度測(cè)量金相法和硬度法，他們均需要將淬火工件折斷或取樣，通過觀察或測(cè)量斷口處的形狀、硬度來給出淬硬層深度。這兩種方法只能用于小批量生產(chǎn)的抽檢，且測(cè)量精度不太高。為了能對(duì)大批量生產(chǎn)的零件進(jìn)行100%的淬硬層深度檢查，測(cè)量方法應(yīng)是無損的、高精度的，并且測(cè)量速度要快。目前國內(nèi)的磁回淬硬層厚度計(jì)，可無損測(cè)量淬硬層深度，但測(cè)量誤差高、速度慢、而且對(duì)于不同的零件很難校準(zhǔn)與調(diào)整。

圖6 超聲波儀器構(gòu)成

圖7 A、B試塊形狀

圖8 測(cè)量過程

通過對(duì)比數(shù)據(jù)我們可以看出，對(duì)于A組不帶鍵槽的試樣，無損檢測(cè)方法測(cè)得的淬硬層深度與用硬度計(jì)法測(cè)得淬硬層深度基本一致，最大偏差0.8mm，平均值為0.6mm，帶鍵槽的位置用兩種方法測(cè)量的結(jié)果也基本一致，只有鍵槽處的誤差偏大。從數(shù)據(jù)中也可以看出，用無損檢測(cè)法測(cè)得的淬硬層深度偏大，這是因?yàn)榇阌矊优c基體材料之間有一個(gè)過渡區(qū)，過渡區(qū)的硬度值在遞減，無損檢測(cè)法測(cè)得的是到過渡區(qū)的中線位置厚度，而我們硬度計(jì)法測(cè)量的是工藝要求的42HRC的位置，這也是鍵槽處誤差偏大的原因。因?yàn)楦哳l感應(yīng)線圈是圓形的，鍵槽處表面離線圈偏遠(yuǎn)，能量不足，淬火溫度低，淬硬層淺，過渡區(qū)變寬，相應(yīng)的硬度值滿足工藝要求的42HRC就靠近表面，造成硬度計(jì)法測(cè)得的結(jié)果比無損檢測(cè)法測(cè)得的數(shù)據(jù)小的更多。對(duì)于兩種方法的結(jié)果誤差，我們?cè)趯?shí)際應(yīng)用中可以根據(jù)工藝要求進(jìn)行修正。

6.結(jié)語

通過實(shí)際測(cè)量對(duì)比我們可以發(fā)現(xiàn)，超聲波背散射法測(cè)量的淬硬層深度不僅準(zhǔn)確可靠，該方法還具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）可以很快地評(píng)估大量部件，有效地減少檢測(cè)成本?？梢圆黄茐墓ぜM(jìn)行測(cè)量，效率高，成本低。

（2）可以及時(shí)進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)淬火工藝進(jìn)行監(jiān)控，優(yōu)化工藝參數(shù)，保證連續(xù)高質(zhì)量生產(chǎn)。

（3）設(shè)備可以自由移動(dòng)測(cè)量不同尺寸的工件。

（4）為質(zhì)量管理信息系統(tǒng)提供監(jiān)控和厚度分析功能。

A、B兩組試樣兩種方法測(cè)量淬硬層深度記錄

圖9 兩種方法測(cè)得A、B試樣淬硬層厚度對(duì)比