車(chē)軸鋼滲碳層深度弱磁檢測(cè)技術(shù)研究

邱朋闖 于潤(rùn)橋 桂長(zhǎng)城 陳旺

（南昌航空大學(xué),無(wú)損檢測(cè)技術(shù)教育部重點(diǎn)試驗(yàn)室，南昌 330038）

1 前言

傳動(dòng)軸作為汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)的重要結(jié)構(gòu)部件，不僅要求花鍵部位齒牙和軸頸的表面硬度大且耐磨,還必須能夠傳遞較大扭矩和沖擊負(fù)荷。此外在服役過(guò)程中誘發(fā)斷裂的疲勞裂紋在一定程度上從工件表面產(chǎn)生并逐漸向內(nèi)部擴(kuò)展而引起斷裂，因此對(duì)工件的表面進(jìn)行滲碳處理強(qiáng)化是防止機(jī)件失效或破壞的有效措施。工件經(jīng)滲碳處理后可獲得較高的表面硬度、接觸疲勞強(qiáng)度，而本體心部仍保持良好的沖擊韌性[1]。熱處理滲碳工藝質(zhì)量的評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)主要取決于工件表面碳濃度、碳濃度分布和滲碳層深度，其中滲碳層深度是最重要的指標(biāo)[2]。如果滲碳層深度過(guò)淺，會(huì)使?jié)B碳層與心部交界處的應(yīng)力分散，使強(qiáng)度急劇下降，進(jìn)而導(dǎo)致接觸疲勞強(qiáng)度不夠，容易發(fā)生點(diǎn)蝕、剝落，以及疲勞壽命下降。滲碳層深度過(guò)深雖然使過(guò)渡區(qū)硬度梯度平緩，但表面碳化物會(huì)隨著滲碳時(shí)間的增加而粗化，從而造成應(yīng)力集中，也會(huì)使疲勞壽命降低[3]。

目前對(duì)于滲碳層深度檢測(cè)技術(shù)，傳統(tǒng)的檢測(cè)方法有金相法、化學(xué)法、渦流檢測(cè)、射線檢測(cè)[4]。金相法測(cè)定的滲碳層相當(dāng)于原始組織至表面的距離，有時(shí)組織界限不明顯，或者滲碳層過(guò)厚不易檢測(cè)，此外金相切割屬于破壞性檢測(cè)?；瘜W(xué)法要逐層分析，過(guò)程比較繁瑣，而且此種方法不適應(yīng)于不規(guī)則成形件的滲碳層分析[5-7]。渦流測(cè)厚一般應(yīng)用于覆層與基體材料的電磁特性差異較大且覆層為均質(zhì)材料的情況下測(cè)量覆層厚度，對(duì)于非均質(zhì)覆層厚度的檢測(cè)只處于定性分析階段。使用X 射線法采集零件表面的滲碳層時(shí)，需要進(jìn)行化學(xué)剝層，工藝繁瑣復(fù)雜，不適用于大型零件[8-10]，且對(duì)人體有重大傷害。

綜上所述，目前生產(chǎn)廠家大多采用金相切割破壞性檢測(cè)，造成生產(chǎn)成本增加，此外現(xiàn)階段其他檢測(cè)方法都有較大的工作局限性且達(dá)不到生產(chǎn)工藝精度要求，不適用于生產(chǎn)線上檢測(cè)?；诖颂岢鲆环N利用滲碳層與其心部交界處應(yīng)力集中且無(wú)法消除，進(jìn)而對(duì)外表現(xiàn)出特定的磁感應(yīng)強(qiáng)度的無(wú)損檢測(cè)方法。

2 滲碳層深度檢測(cè)原理

一切物質(zhì)都由原子或分子構(gòu)成，原子核外電子在環(huán)繞核運(yùn)動(dòng)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生軌道磁矩以及在自旋轉(zhuǎn)過(guò)程中產(chǎn)生自旋磁矩[11]。

滲碳鋼材質(zhì)屬于鐵磁性材料，滲碳層與本體心部過(guò)渡區(qū)由于含碳量的不同，內(nèi)部來(lái)看改變了材料晶體結(jié)構(gòu)（或分子結(jié)構(gòu)），使得圍繞原子核旋轉(zhuǎn)電子的排列順序發(fā)生變化，進(jìn)而導(dǎo)致交接處存在應(yīng)力且無(wú)法消除，從而產(chǎn)生了自發(fā)的微弱磁場(chǎng)，這些自發(fā)磁場(chǎng)在地磁場(chǎng)環(huán)境中表現(xiàn)出一定的同向性。外部來(lái)看則是產(chǎn)生分層現(xiàn)象[12]，根據(jù)磁介質(zhì)的邊界理論，分界處其磁導(dǎo)率產(chǎn)生明顯差異，磁感應(yīng)線在該處發(fā)生“折射”[13]。陣列傳感器通過(guò)采集交界處某一點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度，通過(guò)傳感器陣列結(jié)構(gòu)特征利用其磁場(chǎng)強(qiáng)度與深度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，進(jìn)行滲碳層深度計(jì)算[14-15]，計(jì)算原理圖如圖1 所示。

圖1 滲碳層深度檢測(cè)原理示意

3 試驗(yàn)試件及工裝設(shè)計(jì)

3.1 試驗(yàn)試件

本試驗(yàn)以企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)中40CrMnMo 滲碳鋼為研究對(duì)象，試樣產(chǎn)品規(guī)格及實(shí)物圖如圖2 所示，按照技術(shù)要求，花鍵處滲碳層深度測(cè)量在距端面15 mm 處進(jìn)行。Φ42 mm 處滲碳層測(cè)量位置為距末端2～4 mm 處測(cè)量。各部位滲碳層深度的過(guò)渡應(yīng)連續(xù)、圓滑不允許中斷或突變。

圖2 產(chǎn)品規(guī)格及其實(shí)物

3.2 傳感器工裝設(shè)計(jì)

車(chē)軸鋼各個(gè)部位屬于圓柱形結(jié)構(gòu)，對(duì)于平面?zhèn)鞲衅鹘佑|點(diǎn)則為某一點(diǎn)，這也就造成在檢測(cè)過(guò)程中容易出現(xiàn)左右晃動(dòng)檢測(cè)位不在同一水平線的情況，進(jìn)而在掃描過(guò)程中造成試驗(yàn)結(jié)果誤差較大。即使采用定點(diǎn)檢測(cè)方式，接觸面為某一點(diǎn)也很難保證傳感器不晃動(dòng)造成試驗(yàn)結(jié)果誤差，基于以上檢測(cè)實(shí)際問(wèn)題，針對(duì)車(chē)軸鋼桿部尺寸以及軸承位R角設(shè)計(jì)兩款小型探頭工裝實(shí)現(xiàn)對(duì)檢測(cè)位的完美貼合，其工裝設(shè)計(jì)如圖3、圖4 所示。

圖3 軸承位R角檢測(cè)工裝

圖4 桿部外圓檢測(cè)工裝

4 . 檢測(cè)結(jié)果與分析

4.1 試驗(yàn)室切割試件檢測(cè)

弱磁檢測(cè)無(wú)損檢測(cè)儀主要由上位機(jī)、傳感器、采集卡以及處理軟件組成。檢測(cè)陣列傳感器為12通道陣列，可根據(jù)實(shí)際檢測(cè)對(duì)象自主選擇陣列探頭數(shù)量。該試驗(yàn)根據(jù)檢測(cè)對(duì)象選擇雙陣列探頭進(jìn)行實(shí)際檢測(cè)。該試驗(yàn)首先通過(guò)對(duì)3 個(gè)不同試件樣本不同主要部位切割試塊進(jìn)行初步檢測(cè)驗(yàn)證，分別為CN110V 中頻半軸花端部鍵位、E50 中頻半軸桿部位、N300LEV 尾部軸承位R角。

圖5 為端部花鍵外圓、中心桿部外圓以及尾部軸承位R角表面檢測(cè)磁感應(yīng)強(qiáng)度曲線。根據(jù)3 組磁感應(yīng)曲線發(fā)現(xiàn)，1 號(hào)傳感器磁感應(yīng)強(qiáng)度值波動(dòng)以及變化幅度明顯大于2 號(hào)傳感器采集的磁感應(yīng)強(qiáng)度值，而2 號(hào)傳感器采集磁感應(yīng)強(qiáng)度相對(duì)于1 號(hào)傳感器采集磁感應(yīng)強(qiáng)度變化趨勢(shì)更加平緩。

圖5 各部位磁感應(yīng)強(qiáng)度曲線

將以上3 組檢測(cè)數(shù)據(jù)根據(jù)弱磁檢測(cè)理論模型求得滲碳層深度結(jié)果與金相滲碳層厚度值如圖6 所示。計(jì)算中會(huì)根據(jù)檢測(cè)部位基準(zhǔn)應(yīng)力不同而對(duì)相關(guān)系數(shù)進(jìn)行標(biāo)定。此外各組試驗(yàn)陣列傳感器下方傳感器采集磁感應(yīng)強(qiáng)度曲線如圖7 所示，由圖6 結(jié)果可知滲碳層深度變化趨勢(shì)均與對(duì)應(yīng)檢測(cè)位置1 號(hào)傳感器磁感應(yīng)強(qiáng)度變化趨勢(shì)相似，圖6a 花鍵表面滲碳層深度曲線在26、60 標(biāo)志位處出現(xiàn)向上變化趨勢(shì)的拐點(diǎn)，其對(duì)應(yīng)圖7a 花鍵外圓表面檢測(cè)磁感應(yīng)強(qiáng)度在35、95 標(biāo)志位處出現(xiàn)的趨勢(shì)變化的拐點(diǎn)。圖6b 中心桿部外圓滲碳層深度曲線中在41 標(biāo)志位處存在向下趨勢(shì)變化的拐點(diǎn)，其對(duì)應(yīng)圖7b 在桿部表面檢測(cè)磁感應(yīng)強(qiáng)度曲線在45 標(biāo)志位處出現(xiàn)向上變化趨勢(shì)拐點(diǎn)。圖6c 同樣與圖7c 趨勢(shì)保持一致，通過(guò)分析該部位發(fā)現(xiàn)其滲碳層變化趨勢(shì)與1 號(hào)傳感器檢測(cè)磁感應(yīng)強(qiáng)度變化趨勢(shì)相似。由此驗(yàn)證滲碳層深度變化與陣列傳感器下方檢測(cè)磁感應(yīng)強(qiáng)度值呈正相關(guān)性。

圖6 各部位檢測(cè)深度結(jié)果

圖7 各部位1號(hào)傳感器磁感應(yīng)強(qiáng)度

此外經(jīng)弱磁檢測(cè)技術(shù)計(jì)算處理得出的滲碳層深度與廠家金相切割試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比結(jié)果如表1 所示，通過(guò)表1結(jié)果分析，本試驗(yàn)中3個(gè)檢測(cè)部位相對(duì)誤差分別為1.4%、0.7%、3.5%。最小相對(duì)誤差可達(dá)到0.7%，最大相對(duì)誤差整體小于5%，整體檢測(cè)效果穩(wěn)定性良好。此外軸承位R角在未經(jīng)處理排除缺陷影響時(shí)，弱磁檢測(cè)滲碳層深度區(qū)間為3.71～4.10 mm，平均深度為3.86 mm。由此可見(jiàn)在檢測(cè)過(guò)程中工件存在缺陷時(shí)對(duì)檢測(cè)結(jié)果造成誤差影響較大。由于車(chē)軸鋼在熱處理后存在缺陷的可能性比較大，但其缺陷大小一般是小于Φ1.0 mm 的細(xì)小裂紋缺陷[16]。通過(guò)該試驗(yàn)對(duì)檢測(cè)過(guò)程中遇到缺陷進(jìn)行相關(guān)遞進(jìn)處理，即將缺陷部位做平滑處理使其根據(jù)前面磁感應(yīng)變化趨勢(shì)均勻變化，或通過(guò)點(diǎn)測(cè)來(lái)消除缺陷對(duì)滲碳層深度檢測(cè)結(jié)果的影響。

表1 試驗(yàn)室弱磁檢測(cè)滲碳層深度與金相對(duì)比

通過(guò)以上分析，在滲碳層深度曲線變化中，滲碳層深度與陣列探頭磁感應(yīng)強(qiáng)度幅值比有很強(qiáng)的相關(guān)性，為了進(jìn)一步驗(yàn)證其相關(guān)性，將陣列傳感器幅值做比值處理，令陣列傳感器磁感應(yīng)強(qiáng)度幅值比，其中BZ1、BZ2分別為1 號(hào)傳感器與2號(hào)傳感器檢測(cè)的磁感應(yīng)強(qiáng)度值。將3 組試驗(yàn)數(shù)據(jù)做比值處理，其陣列傳感器磁感應(yīng)強(qiáng)度幅值比處理曲線如圖8 所示。

圖8 各部位磁感應(yīng)幅值比

通過(guò)圖6 與圖8 各個(gè)部位的滲碳層深度值與陣列傳感器磁感應(yīng)強(qiáng)度幅值比KB可以看出，滲碳層深度與磁感應(yīng)強(qiáng)度幅值比呈負(fù)相關(guān)。即幅值比越大，滲碳層深度越淺。此外，在同一滲碳層深度檢測(cè)時(shí)，不同部位磁感應(yīng)強(qiáng)度存在一定的波動(dòng)，但其磁感應(yīng)強(qiáng)度差值較小，在計(jì)算允許范圍內(nèi)，分析誤差來(lái)源可能為滲碳層微米級(jí)深度變化波動(dòng)，造成的磁感應(yīng)強(qiáng)度值發(fā)生一定的波動(dòng)變化。最后通過(guò)對(duì)已有數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，即可得出各部位滲碳層深度與陣列傳感器磁感應(yīng)強(qiáng)度幅值的對(duì)應(yīng)關(guān)系：

式中，h為滲碳層深度；t為傳感器尺寸；BZ1、BZ2為傳感器檢測(cè)磁感應(yīng)強(qiáng)度；λ為磁彈系數(shù)。

式中磁彈系數(shù)λ，即工件結(jié)構(gòu)不同導(dǎo)致其工件本體初始應(yīng)力不同，進(jìn)而對(duì)外表現(xiàn)初始磁感應(yīng)強(qiáng)度不同，是材料結(jié)構(gòu)的本征參數(shù)，需要根據(jù)不同材料不同工藝進(jìn)行調(diào)節(jié)。

不同部位磁感應(yīng)強(qiáng)度幅值比方根值與滲碳層厚度變化趨勢(shì)如圖9 所示，由圖9 可知，由于車(chē)軸鋼不同部位自身存在應(yīng)力大小不同，導(dǎo)致在同一滲碳層厚度值時(shí)對(duì)應(yīng)不同部位的不同磁感應(yīng)強(qiáng)度比值。因此證明了車(chē)軸鋼滲碳層厚度檢測(cè)原理的正確性，正是由于應(yīng)力的存在且不可消除，通過(guò)對(duì)待檢部位應(yīng)力的變化進(jìn)而表現(xiàn)磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化來(lái)推算滲碳層厚度的變化趨勢(shì)。并通過(guò)標(biāo)定系數(shù)的調(diào)節(jié)來(lái)準(zhǔn)確計(jì)算不同部位的滲碳層厚度。通過(guò)以上所有試驗(yàn)室結(jié)果分析，檢測(cè)精度最大誤差均小于5%，充分驗(yàn)證了弱磁檢測(cè)技術(shù)在滲碳層厚度檢測(cè)中的可行性與穩(wěn)定性。

圖9 不同部位磁感應(yīng)強(qiáng)度幅值比方根與滲碳層厚度關(guān)系

4.2 車(chē)軸鋼工件生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)

圖1b為生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)試件樣品，根據(jù)產(chǎn)品技術(shù)檢測(cè)要求，隨機(jī)抽取多個(gè)樣件，以檢測(cè)部位進(jìn)行編號(hào)，隨機(jī)抽取不同樣件部位進(jìn)行滲碳層深度檢測(cè)。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)試塊的檢測(cè)結(jié)果確定的標(biāo)定系數(shù)為基準(zhǔn)進(jìn)行實(shí)際檢測(cè)并對(duì)弱磁檢測(cè)滲碳層深度結(jié)果進(jìn)行金相切割驗(yàn)證。其試驗(yàn)結(jié)果如表2、表3所示。

表2 生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)弱磁檢測(cè)滲碳層深度與金相對(duì)比

表3 生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)弱磁檢測(cè)滲碳層深度與金相對(duì)比

綜上所述，根據(jù)弱磁檢試驗(yàn)結(jié)果與金相切割結(jié)果對(duì)比分析曲線圖可知，弱磁檢測(cè)深度與實(shí)際深度值相對(duì)誤差小于5%。試驗(yàn)結(jié)果整體趨于穩(wěn)定，金相切割驗(yàn)證值與弱磁無(wú)損檢測(cè)滲碳層深度值整體貼合度高，誤差均在可接受范圍內(nèi)。證明弱磁檢測(cè)技術(shù)在滲碳層深度實(shí)際生產(chǎn)檢測(cè)中是可行的，且計(jì)算結(jié)果精確，誤差率低。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)設(shè)計(jì)驗(yàn)證車(chē)軸鋼滲碳層深度弱磁無(wú)損檢測(cè)試驗(yàn)，利用弱磁檢測(cè)技術(shù)對(duì)不同樣件的不同部位以及不同深度滲碳層進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)分析與金相驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果如下：

a.弱磁檢測(cè)技術(shù)對(duì)于工件熱處理滲碳層深度檢測(cè)可行，雙陣列傳感器設(shè)計(jì)當(dāng)2 號(hào)傳感器磁感應(yīng)強(qiáng)度趨于穩(wěn)定時(shí)，其檢測(cè)滲碳層深度變化趨勢(shì)與1號(hào)傳感器磁感應(yīng)強(qiáng)度變化趨勢(shì)有很強(qiáng)的相關(guān)性。

b.基于弱磁檢測(cè)技術(shù)對(duì)于滲碳層深度定量檢測(cè)準(zhǔn)確性高，本次試驗(yàn)結(jié)果最大相對(duì)誤差小于5%，試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果與檢測(cè)結(jié)果一致，滿足工程應(yīng)用需求?？蛇M(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對(duì)熱處理工藝進(jìn)行修正以及車(chē)軸鋼產(chǎn)品質(zhì)量評(píng)價(jià)。

c.弱磁檢測(cè)技術(shù)對(duì)滲碳層深度檢測(cè)速度快，精度高。進(jìn)一步改進(jìn)可用于自動(dòng)化檢測(cè)，為車(chē)軸鋼熱處理工藝滲碳層深度質(zhì)量檢測(cè)提供新方法。