基于巴克豪森噪聲的滲碳層深度檢測方法

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(鄭州大學(xué) 機械工程學(xué)院，鄭州 450000)

18CrNiMo7-6是一種典型的重載齒輪鋼，通過在鋼中加入鉻、錳、鎳等合金元素可提高材料的淬透性、滲碳性能、強度及韌性等，以達(dá)到外堅內(nèi)韌的特性[1]。齒輪需要經(jīng)過滲碳淬火等熱處理工藝在表面形成一層有效硬化層，來提高輪齒表面抗疲勞強度和表面狀況。如果滲碳層深度過淺，會使得齒面接觸疲勞強度不足，易引發(fā)點蝕及剝落；滲碳層深度過深又會加長工藝周期，造成資源浪費，所以確定合理的滲碳層深度指標(biāo)是非常關(guān)鍵的[2]。滲碳層深度是指經(jīng)過熱處理后輪齒表面到內(nèi)部為HRC 52.3(洛氏硬度)處的垂直距離[3],常使用金相分析法、化學(xué)法或硬度法進(jìn)行測定，測定時需對齒輪進(jìn)行破壞且測量效率很低。

巴克豪森噪聲的無損檢測法，可以實現(xiàn)對鐵磁性材料的表面狀況和應(yīng)力應(yīng)變的無損檢測。巴克豪森噪聲檢測在材料表面狀況方面的應(yīng)用包括硬度、燒傷損傷、變質(zhì)層深度檢測等，國外研究人員SANTAAHOA等[4]研究了磨削燒傷與MBN的對應(yīng)關(guān)系；STUPAKOV等[5]對銑削加工后材料表面產(chǎn)生的白層對MBN信號曲線的影響進(jìn)行了深入分析；國內(nèi)的學(xué)者對材料表面硬度以及硬化層深度[6]與MBN的關(guān)系進(jìn)行了研究。筆者針對滲碳淬火等熱處理后的18CrNiMo7-6鋼試樣，搭建了MBN無損檢測系統(tǒng)，通過試驗證實，滲碳層深度與巴克豪森噪聲特征之間有著線性關(guān)系。

1 巴克豪森噪聲檢測原理

磁疇是在沒有外加磁場的情況下，鐵磁性材料內(nèi)部自發(fā)磁化形成的磁矩方向一致的小片區(qū)域。磁疇區(qū)域之間由磁疇壁分隔，當(dāng)外加激勵磁場時，磁疇壁會發(fā)生轉(zhuǎn)動或是位移，從而使磁疇磁矩方向向著勵磁的方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)。在這個過程中，材料內(nèi)部的微觀缺陷、殘余應(yīng)力、硬度等特征都會對磁疇壁的運動產(chǎn)生阻礙作用，磁疇壁位移過程中需克服材料內(nèi)部存在的不均勻分布應(yīng)力、夾雜物、空穴等因素造成的勢能壘，產(chǎn)生不連續(xù)的、不可逆的跳躍。具體表現(xiàn)為如圖1所示的磁化曲線最陡區(qū)域中信號的階梯式跳躍變化，巴克豪森噪聲就是在磁化過程中由于磁疇和磁疇壁發(fā)生不連續(xù)跳躍而產(chǎn)生的[7-8]。

圖1 鐵磁性材料的磁化過程

對于滲碳鋼來說，隨著滲碳層深度的增加，表面變質(zhì)層的碳濃度會增加，材料的磁通密度、磁導(dǎo)率等磁化強度參數(shù)會下降，而矯頑力會增加，從而導(dǎo)致材料微觀結(jié)構(gòu)下的釘扎作用加強，磁疇的翻轉(zhuǎn)能力減弱[9-10]。根據(jù)巴克豪森噪聲的產(chǎn)生原理可知，磁疇翻轉(zhuǎn)運動減弱，會導(dǎo)致MBN信號減小。利用放置在試樣表面的感應(yīng)線圈，可接收到材料在磁化過程中產(chǎn)生的巴克豪森噪聲，通過對噪聲信號的采集與分析，可對滲碳層深度與巴克豪森噪聲信號特征值之間的關(guān)系進(jìn)行分析。

2 試驗材料

2.1 試樣的滲碳處理

試驗材料選用齒輪鋼18CrNiMo7-6，其化學(xué)成分如表1所示。

對18CrNiMo7-6鋼經(jīng)過滲碳→空冷→高溫回火→加熱淬火→低溫回火的熱處理工藝，最終得到表面厚度約為3.0 mm滲碳層的試樣，滲碳淬火工藝曲線如圖2所示。圖3為滲碳熱處理后齒輪鋼18CrNiMo7-6截面的顯微組織，表層有均勻分布的顆粒狀碳化物。

表1 18CrNiMo7-6鋼化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

圖2 試樣熱處理工藝曲線

圖3 試樣表面滲碳層金相照片

2.2 試樣的硬度測量

使用HV-1000型數(shù)顯顯微維氏硬度計測定滲碳層的硬度，用正菱形金剛石壓頭，對試樣表面施加0.98 N的壓力，加載時間為10 s，卸力后計算壓痕錐形表面積所承受的壓力即可計算維氏硬度。從試樣表層開始，如圖4所示，以0.2 mm的間隔逐層測量，得到滲碳層沿深度方向的硬度梯度(見圖5)。

圖4 試樣沿深度方向的硬度梯度測量示意

圖5 試樣的深度-硬度對應(yīng)曲線

由圖5可見，從表面到1.0 mm深度處的硬度變化不大，深度大于1.0 mm后硬度逐漸減小，其中距表面3 mm深度處的硬度為52.3 HRC。

2.3 試樣的銑削加工

為方便MBN信號采集，加工尺寸(長×寬×高)為70 mm×35 mm×20 mm的長方體試樣。再對切割好的試樣塊進(jìn)行高速銑削，通過控制不同的切削深度得到6個梯度滲碳層深度試樣。采用臺灣友嘉VMP-45A數(shù)控銑床對試樣進(jìn)行加工，加工參數(shù)為：進(jìn)給速度,510 cm·min-1;線速度,502.4 m·min-1;切削深度,0.1 mm;切削力,10 N;銑刀轉(zhuǎn)速,4 000 r·min-1。

銑削加工后，試樣表面引入了一層加工硬化層。通過Proto的X射線殘余應(yīng)力測試儀，測試參數(shù)設(shè)定為：X射線管電壓30 kV，靶材為鉻靶，選擇直徑1 mm的光斑，用同傾法在加工面隨機選取3個點，測定后取平均值。測得6個試樣的表面殘余應(yīng)力如圖6所示，從圖6可知：6個試樣的殘余應(yīng)力偏差在100 MPa以內(nèi)，可視為6個試樣有相同的殘余應(yīng)力條件。因此，試驗不考慮由銑削帶來的殘余應(yīng)力對巴克豪森噪聲信號的影響[11-13]。

圖6 滲碳層深度-表面殘余壓應(yīng)力關(guān)系曲線

3 巴克豪森噪聲檢測試驗平臺

3.1 檢測設(shè)備

巴克豪森噪聲檢測系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成，其中硬件部分主要由信號發(fā)生器及放大模塊、勵磁檢測模塊、信號調(diào)理模塊、數(shù)據(jù)采集模塊組成，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖7所示。圖8為檢測系統(tǒng)實物圖。軟件部分主要是基于Labview軟件的信號分析器，用于對檢測到的巴克豪森噪聲信號進(jìn)行分析與處理。

圖7 MBN檢測系統(tǒng)構(gòu)成

圖8 MBN檢測系統(tǒng)實物

信號發(fā)生電路生成頻率為20 Hz、幅值為±3.5 V的正弦波激勵信號，經(jīng)過功率放大電路放大后輸入放置在試樣表面的激勵線圈，產(chǎn)生激勵磁場；試樣表面產(chǎn)生的MBN信號被接收線圈接收，進(jìn)入信號調(diào)理模塊，過濾掉干擾波，最終輸入到數(shù)據(jù)采集卡并連入PC中，用信號處理軟件對信號進(jìn)行分析處理，得到均方根、均值、振鈴數(shù)、峰峰值等信號特征值(示例見圖9)。

圖9 基于LabVIEW的信號分析器特征值提取界面

3.2 激勵參數(shù)的確定

由于滲碳后的試樣有效硬化層深度最深達(dá)3.0 mm，為了使激勵線圈產(chǎn)生的磁場深度可以覆蓋滲碳層，可用有限元仿真軟件ANSYS MAXWELL進(jìn)行仿真。但是實際中影響因素很多，特別是含碳量的增加會影響仿真結(jié)果，所以通過試驗來確定最優(yōu)的激勵參數(shù)。

取經(jīng)過滲碳淬火等熱處理工藝后的試樣，施加正弦激勵波形，激勵頻率設(shè)置為5～50 Hz (步長為5 Hz) ， 激勵電壓為2,2.5,3,3.5,4,4.5 V，重復(fù)采集10次，對采集數(shù)據(jù)用信號分析軟件處理，得到一系列的特征值數(shù)據(jù)，并對提取到的數(shù)據(jù)取平均值，整理分析后發(fā)現(xiàn)信號的均方根、均值、振鈴數(shù)、峰峰值等四個特征值與激勵參數(shù)有相似的對應(yīng)關(guān)系。在這里選取變化率更為明顯且線性度更好的均方根進(jìn)行分析，結(jié)果如圖10所示。

圖10 試樣信號的均方根-激勵頻率關(guān)系曲線

由圖10可知，當(dāng)激勵頻率從5 Hz增加到50 Hz的過程中，信號的均方根總體呈增加的趨勢。當(dāng)頻率大于15 Hz特別是20 Hz附近的信號特征值達(dá)到峰值，高于20 Hz以后信號特征值變化不明顯，甚至開始下降。隨著頻率的升高，單位時間內(nèi)產(chǎn)生更多的MBN信號，因而信號幅值會升高；但是頻率過高時，激勵信號有效翻轉(zhuǎn)時間會減少，很多磁疇還沒有全部翻轉(zhuǎn)，所以檢測到MBN信號的特征值反而會降低[14]。

激勵電壓從2 V增加到4.5 V的過程中，均方根隨著激勵電壓的增大而增大。這是因為當(dāng)激勵電壓較小時，鐵磁材料處于初始磁化區(qū)，內(nèi)部僅有少量的磁疇發(fā)生翻轉(zhuǎn)，產(chǎn)生的MBN信號還很微弱。當(dāng)激勵電壓增大到一定程度時，鐵磁性材料處在劇烈磁化區(qū)，內(nèi)部的磁疇發(fā)生劇烈翻轉(zhuǎn)，產(chǎn)生大量的MBN信號，因而采集得到的MBN信號也較為強烈。當(dāng)激勵信號超過4.5 V時，整個鐵磁材料的磁矩方向大多趨于外加激勵磁場的方向，試樣和激勵磁軛達(dá)到過飽和，導(dǎo)致系統(tǒng)的測量靈敏度和測量范圍下降。而且當(dāng)電壓幅值較高時，激勵線圈產(chǎn)生的震動增大且發(fā)熱增大，嚴(yán)重干擾信號的采集。綜上所述，后續(xù)試驗使用激勵頻率為20 Hz、激勵電壓為±3.5 V的正弦波信號。

4 試驗結(jié)果及分析

用巴克豪森噪聲檢測系統(tǒng)分別檢測滲碳層厚度為3，2.8，2.6,2.4,2.2,2.0 mm的6個試樣，勵磁線圈施加幅值為 ±3.5 V、頻率為20 Hz的正弦激勵電壓。其中每個試樣分別采集10組數(shù)據(jù)，然后取平均值，經(jīng)軟件處理后，得到如圖11～14所示的曲線。由圖11～14可見，隨著滲碳層厚度的增加，均方根、均值、振鈴數(shù)、峰峰值均呈遞減的變化規(guī)律。

圖11 試樣信號的均方根-滲碳層深關(guān)系曲線

圖12 試樣信號的均值-滲碳層深關(guān)系曲線

圖13 試樣信號的振鈴數(shù)-滲碳層深關(guān)系曲線

圖14 試樣信號的峰峰值-滲碳層深關(guān)系曲線

分析其原因，這是因為18CrNiMo7-6鋼的磁特性與其化學(xué)成分有很大關(guān)系。隨著滲碳層深度增加即沿深度方向的含碳量增加，鋼材的導(dǎo)磁率和飽和磁感應(yīng)強度都會下降，而材料的矯頑力則會變大。因為巴克豪森噪聲產(chǎn)生的根本原因是磁疇的不可逆位移和翻轉(zhuǎn)，所以當(dāng)試樣材料其他參數(shù)一樣時，滲碳層越深的試樣矯頑力越大，磁疇的翻轉(zhuǎn)較弱，從而導(dǎo)致MBN信號幅值減小。

5 結(jié)論

使用巴克豪森無損檢測的方法，通過試驗研究了MBN信號與18CrNiMo7-6鋼滲碳層深度的對應(yīng)關(guān)系，得到如下結(jié)論：

(1) 在表面硬度、金相、殘余應(yīng)力等指標(biāo)相似的情況下，MBN信號均方根和均值隨著滲碳層深度的增加而減小。

(2) 設(shè)計的巴克豪森無損檢測系統(tǒng)，可以有效地反映滲碳層深度的變化。

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