磁測法在GCr15鋼制軸承零件殘余奧氏體測試中的應(yīng)用

高元安，李建忠，關(guān)志剛，董光能，王文軍

(1.洛陽軸研科技股份有限公司，河南 洛陽 471039；2.河北中洛檢測設(shè)備有限公司，河北 邯鄲 056003； 3.河北工程大學(xué)，河北 邯鄲 056038；4.西安交通大學(xué)，西安 710049)

GCr15高碳鉻軸承鋼的馬氏體轉(zhuǎn)變終了是在室溫以下，因此，在普通淬、回火條件下的組織中必然存在一定量的殘余奧氏體。軸承鋼中的殘余奧氏體有增加塑性、韌性，緩和應(yīng)力集中，延緩裂紋擴(kuò)展，提高靜彎曲強(qiáng)度，減小淬火變形及開裂傾向等優(yōu)點；也存在降低鋼的硬度(尤其大量存在時)，從而減小軸承的承載系數(shù)和設(shè)計壽命，增大純滾動摩擦力，有害于零件的尺寸穩(wěn)定性等缺點。但國內(nèi)軸承行業(yè)還沒有對殘余奧氏體進(jìn)行過多的研究，也沒有標(biāo)準(zhǔn)對殘余奧氏體的含量進(jìn)行規(guī)定，只是要求對精度P4以上的軸承進(jìn)行冷處理以降低殘余奧氏體含量，從而提高尺寸穩(wěn)定性。而國外通過大量的研究，已在標(biāo)準(zhǔn)和產(chǎn)品中對殘余奧氏體的含量進(jìn)行了明確的規(guī)定，如美國的航空軸承就明確規(guī)定殘余奧氏體含量必須低于3%。隨著國內(nèi)軸承加工技術(shù)的提高，與國外接軌的腳步加快，將殘余奧氏體含量納入到熱處理標(biāo)準(zhǔn)體系中已提上日程。

但如何有效、迅速、準(zhǔn)確地檢測出軸承鋼中的殘余奧氏體含量是一個難題。目前，比較成熟的方法是X射線法，但其存在設(shè)備昂貴，操作要求高，測量速度慢，測試層深太淺(約10 μm)，易受測試表面質(zhì)量影響，不方便在現(xiàn)場對大批量、大尺寸的產(chǎn)品進(jìn)行檢測等缺點，阻礙著對殘余奧氏體進(jìn)行更深層次的研究。

隨著電磁法在國內(nèi)、外產(chǎn)品質(zhì)量評價中的快速發(fā)展，如文獻(xiàn)[1]利用巴克豪森效應(yīng)對材料進(jìn)行評價；文獻(xiàn)[2]利用磁致伸縮效應(yīng)檢查鋼材的熱處理狀態(tài)和含碳量；文獻(xiàn)[3]用磁測法檢測高鉻鑄鐵殘余奧氏體含量；文獻(xiàn)[4-5]檢測了球墨鑄鐵中的殘余奧氏體等，使磁測法在測試材料中殘余奧氏體含量的應(yīng)用逐步成熟。

1 測量原理

GCr15軸承鋼淬火后殘余奧氏體、碳化物為順磁相，相對磁導(dǎo)率μr≈1.0；馬氏體為鐵磁相，相對磁導(dǎo)率為102～104，而GCr15高碳鉻軸承鋼在正常淬、回火后的碳化物含量一般為5%～6%，變化不大，可以認(rèn)為是一定量值，利用兩者差異建立起橋路不平衡電流和殘余奧氏體含量的定量函數(shù)關(guān)系，通過測量試樣的不平衡電流值就能準(zhǔn)確、有效地對GCr15鋼軸承零件的殘余奧氏體含量進(jìn)行檢測。利用該方法可在現(xiàn)場對產(chǎn)品檢測，亦可在生產(chǎn)流水線上應(yīng)用，有廣泛的應(yīng)用前景。

試樣勵磁和測量采用的圓柱形傳感器如圖1 所示，其含有2個探頭，其中探頭a為標(biāo)準(zhǔn)探頭，放置于殘余奧氏體PA=0的標(biāo)樣上；探頭b為測量探頭，與待測試樣接觸進(jìn)行殘余奧氏體測量。

圖1 傳感器(探頭)

橋路等效電路如圖2所示。

圖2 測試的橋路等效電路

橋路不平衡電流經(jīng)簡化為

(1)

式中：L1為標(biāo)準(zhǔn)(補(bǔ)償)探頭電感；L2為測量探頭電感；Ie為勵磁電流。

標(biāo)準(zhǔn)探頭電感為

(2)

測量探頭電感為

(3)

磁回路中，磁芯的磁阻R1不變，隨著殘余奧氏體含量的增加，試件的磁導(dǎo)率下降，S2和l2隨之變小，使試件的磁阻增大。試驗表明：在殘余奧氏體含量變化范圍不太大時(GCr15軸承鋼殘余奧氏體含量變化范圍一般小于20%)，試件的磁阻隨殘余奧氏體含量PA呈線性變化，即

(4)

由(1)～(4)式，經(jīng)簡化得

(5)

(6)

其中，A和B為靈敏度系數(shù)，與勵磁電流、頻率、探頭尺寸、磁芯材料和軸承鋼材料磁導(dǎo)率等有關(guān)。對于同種材料，A和B為常數(shù)。一般通過標(biāo)定試驗確定。

2 標(biāo)定試驗

2.1 圓柱標(biāo)準(zhǔn)試樣

取GCr15軸承鋼制Φ50 mm×15 mm的圓柱標(biāo)準(zhǔn)試樣，對其進(jìn)行殘余奧氏體含量測定，結(jié)果見表1和圖3。

表1 圓柱標(biāo)準(zhǔn)試樣殘余奧氏體含量

圖3 圓柱標(biāo)準(zhǔn)試樣標(biāo)定曲線(A=216.943 7,B=8.355 1)

由圖3可以看出，殘余奧氏體含量在10%以內(nèi)時，線性度良好；超過10%，曲線斜率變小，在20%以內(nèi)基本上也呈線性關(guān)系。而軸承零件正常淬、回火后殘余奧氏體含量常規(guī)的變化范圍一般為5%～15%，對測試結(jié)果影響不大。

2.2 滾子

取Φ20 mm軸承滾子，對其進(jìn)行殘余奧氏體含量測定，結(jié)果見表2和圖4。

表2 滾子殘余奧氏體含量

圖4 滾子標(biāo)定曲線(A=180.075, B=8.233 5)

2.3 軸承套圈

取Φ78 mm軸承套圈，對其進(jìn)行殘余奧氏體含量測定，結(jié)果見表3和圖5。殘余奧氏體含量小于18.5%時，與X射線法相差均小于1%。

表3 軸承套圈殘余奧氏體含量

圖5 套圈標(biāo)定曲線(A=185.616 1, B=10.256 3)

對于標(biāo)準(zhǔn)圓柱、軸承套圈和滾子3種試樣，磁測法得出的殘余奧氏體值與X射線測量值相差均小于1%。

3 現(xiàn)場測量

分別采用X射線法和電磁法對幾個型號的軸承套圈和圓柱滾子進(jìn)行了殘余奧氏體含量的測定。X射線法在X-350A型X射線應(yīng)力儀上進(jìn)行，管流6 mA，管壓24 kV，掃描速度0.1°/min，衍射馬氏體(211)晶面和奧氏體(220)晶面。X射線法的測量結(jié)果見表4。由X射線檢測結(jié)果可以看出，同類試樣或同一試樣多次測量，測量結(jié)果的離散性較大。

表4 X射線法測定殘余奧氏體含量 %

磁測法的結(jié)果見表5。由表可知， 7010軸承外圈測值與均值最大偏差為0.15%，7011軸承外圈測值與均值最大偏差為0.21%，7521軸承滾子測值與均值最大偏差為0.43%。磁測法遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于X射線法。這是由于X射線法測試層深太淺(約10 μm)，而磁測法能測試到0.2～3 mm深度，反映的是綜合平均值。

表5 軸承零件殘余奧氏體測試含量(磁測法) %

4 結(jié)束語

根據(jù)電橋的電路分析和輸出電流與GCr15高碳鉻軸承鋼制軸承零件淬、回火后馬氏體相含量與奧氏體相含量的相互關(guān)系，建立了兩相體相對含量和橋路輸出電流的數(shù)學(xué)模型，為電磁法測定殘余奧氏體含量建立了理論基礎(chǔ)。并通過試驗分析確定了以下結(jié)論：

(1)從3種不同類型的試樣測試結(jié)果看，當(dāng)殘余奧氏體含量小于10 %時(常規(guī)的測試范圍)，輸出電流值與殘余奧氏體含量值存在著很好的線性關(guān)系，當(dāng)殘余奧氏體含量超過10%時，曲線斜率逐漸變小，與理論分析的結(jié)果完全一致。

(2)通過標(biāo)定試驗，確立了軸承的殘余奧氏體含量值與電流值的理論曲線。其與X射線測試結(jié)果吻合較好，誤差一般小于1 %，可用于實際測量。標(biāo)定的靈敏系數(shù)值隨勵磁電流的大小和儀器參數(shù)變化略有不同，測試時儀器只要選擇好合適的勵磁參數(shù)，可有效、快速、準(zhǔn)確地確定殘余奧氏體的含量，且穩(wěn)定性好，靈敏度高，重復(fù)誤差在0.5%之內(nèi)，完全可以使用于殘余奧氏體含量的測量。

(3)在現(xiàn)場進(jìn)行了大量的實際測量，與X射線法比較，磁測法有采樣體積大，測試速度快，重復(fù)性好，測試精度高的特點，完全可以用來在線測量軸承零件中的殘余奧氏體含量。