一種感應熱處理淬硬層深度無損檢測方法

第一拖拉機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

隨著現代科學和工業技術的迅速發展，人們對材料或工件的質量特別是工件的表面質量的要求越來越高，合適的表面硬化深度和適當的心部韌性的搭配能使鋼鐵結構件發揮更好的綜合性能，所以零件的表面高頻感應淬火技術得到了迅速的發展。感應淬火可以提高工件的耐磨性和疲勞強度，但這些特性取決于硬化層深度和淬火后過渡層的殘余應力。在表面淬火處理中，硬化層的有效深度是決定質量的主要因素。迄今為止，硬化工藝的質量控制局限于隨機的抽檢破壞性測試，既費時，成本也高，這就導致許多熱處理生產單位為了降低成本而省略對淬硬層深度的檢測。雖然淬硬層深度在理論上可通過調節感應加熱設備的電參數進行控制，但由于影響淬硬層深度的因素太多，無法在實際生產中對其進行較精確的控制。

為了減少淬硬層深度檢測的成本，減輕檢測的復雜程度，我公司引進了德國Fraunhofer金相測試某超聲背散射硬化層深度檢測儀來檢測淬硬層深度。下面以一種大輪拖驅動輪軸零件為例，簡單介紹其感應熱處理淬硬層深度無損檢測的方法。

1.帶齒條鍵槽的驅動輪軸所用材料及技術要求

大輪拖驅動輪軸圖樣技術要求為：材料為42CrMo；調質硬度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，調質硬度262～302HBW。

圖1 驅動輪軸宏觀圖及取樣部位示意

圖2

2.傳統檢測方法

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。材料感應淬火后的組織有硬化層、過渡層及熱影響區3個區域，淬火過渡層由于工藝不同，厚度會有較大差異，過渡層的存在也導致材料感應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定其有效硬化層深度。軸類零件在感應淬火后的淬硬層中，經常發現內部帶狀組織很嚴重，尤其是硬化層的過渡區，出現硬度梯度波動現象，直接影響硬化層深度的準確判定，甚至出現誤判現象。

對這種原始帶狀組織嚴重的軸類零件，感應淬火后在檢測硬化層深度時，在硬化層過渡區（即硬化層界限處）采用測量間距小的硬度法，多測量幾點，測出高低硬度波動帶寬度后，取波動寬度中間值到軸表面的距離為有效硬化層深，過渡區中間線即為硬度界限。當然，表面感應淬火過渡區的寬窄也與零件預備熱處理有關。調質后的索氏體組織感應淬火后過渡區較窄；以珠光體+鐵素體為基的正火或退火態組織感應淬火后過渡區較寬，所以感應淬火的軸類零件預備熱處理最好采用調質處理。傳統的淬硬層深度測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，改變了表層的化學成分、微觀結構和力學性能。采用硬度、微觀、宏觀、化學和能譜的方法來測量硬化層的深度。

（2）大輪拖驅動輪軸宏觀圖及感應淬火后切割取樣部位示意見圖1。

（3）用金相法測量淬火層深度，對大輪拖驅動輪取樣后進行金相拋光，用4%硝酸酒精（96mL酒精+4mL硝酸）腐蝕后，從表面測至非馬氏體區為淬火層深度，淬火層深度宏觀示意見圖3。

（4）用硬度法測量淬火層深度，設備要求一臺維氏硬度試驗機（見AS1817）。所有距離測量設備的精度應在±1%范圍內。用洛氏硬度計測至42HRC處到表面距離為有效硬化層深度，如圖4所示。

3.超聲波檢測原理

圖3 金相法測量淬火層深度宏觀示意

圖4 硬度法測量淬火層深度宏觀示意

圖5 背散射測量原理

由聲波產生的高頻振動會沿著均勻固體介質以相同的方式傳播，就像直線光束一樣。當遇到其他物體、空氣、液體或其他不同材質的固體的分界面時，聲波會被全部或部分地反射回來。這時，聲納系統中的回波探測儀就會根據這些反射回來的超聲脈沖檢測到分界面的存在，并確定具體方位。通常的超聲檢測設備所用超聲頻率在500～25MHz之間。在該范圍內，各種頻率的聲束都能夠毫不費力地穿透致密晶粒的材料。然而，當高頻聲束作用于粗糙晶粒材料時，這時會出現背散射形式的干涉。感應淬火后工件會產生一種具有致密晶粒的近表面結構。這種結構和沒有經過硬化處理的材料結構不同，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）交界處發生散射，形成超聲背散射效應，該現象被用來測量硬化層的深度。當超聲波輕易穿過經過硬化的近表面結構時，粗糙晶粒的基體材料結構就會引起較大的超聲背散射，這就給深度檢測系統提供了有用、適合顯示的信號幅值。

如圖5所示，超聲波由發射器經過探頭、耦合劑射入待測材料，由于硬化層對超聲波幾乎沒有任何阻力，而沒有經過硬化處理的材料則會大量散射超聲波，在硬化層與基體材料的分界面上出現大量散射波。探測系統通過記錄背散射信號，通過檢測超聲波脈沖從進入材料表面到硬化層-基體分界面所用的時間來計算硬化層厚度，這個過程由計算機完成。

4.與硬度法測量數據的對比

該設備主要由兩大部分組成，如圖6所示，工業電腦和超聲波傳感單元，工業電腦包括超聲波電子集成板、PINT邊緣硬化層深度測量軟件，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、輔助設備有電源、耦合劑等。

我們采用的是材質為42CrMo的驅動輪軸，按照工藝要求對其進行高頻感應淬火，在兩個部位取如圖7所示的切塊，A樣為不帶鍵槽位置，B樣為帶鍵槽位置，超聲波背散射法測量和金相法測量，如圖8所示，數據記錄入附表，圖9為兩種方法測得A、B試樣淬硬層厚度對比。

通過對比數據我們可以看出，對于A組不帶鍵槽的試樣，無損檢測方法測得的淬硬層深度與用金像法測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，該方法可以聲背散射硬化層深度檢測系統具有下列優勢：從圖上還可以看出，無損檢測法測的淬硬層厚度比金相法測得的淬硬層深度偏大，這是因為金相法測的標準是測量到42HRC處截止，而超聲波背散射法測得的是過渡區平均位置處截止，在實際生產中可以根據需要修正。

5.結果及分析

傳統的淬硬層深度測量金相法和硬度法，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的抽檢，且測量精度不太高。為了能對大批量生產的零件進行100%的淬硬層深度檢查，測量方法應是無損的、高精度的，并且測量速度要快。目前國內的磁回淬硬層厚度計，可無損測量淬硬層深度，但測量誤差高、速度慢、而且對于不同的零件很難校準與調整。

圖6 超聲波儀器構成

圖7 A、B試塊形狀

圖8 測量過程

通過對比數據我們可以看出，對于A組不帶鍵槽的試樣，無損檢測方法測得的淬硬層深度與用硬度計法測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量的結果也基本一致，只有鍵槽處的誤差偏大。從數據中也可以看出，用無損檢測法測得的淬硬層深度偏大，這是因為淬硬層與基體材料之間有一個過渡區，過渡區的硬度值在遞減，無損檢測法測得的是到過渡區的中線位置厚度，而我們硬度計法測量的是工藝要求的42HRC的位置，這也是鍵槽處誤差偏大的原因。因為高頻感應線圈是圓形的，鍵槽處表面離線圈偏遠，能量不足，淬火溫度低，淬硬層淺，過渡區變寬，相應的硬度值滿足工藝要求的42HRC就靠近表面，造成硬度計法測得的結果比無損檢測法測得的數據小的更多。對于兩種方法的結果誤差，我們在實際應用中可以根據工藝要求進行修正。

6.結語

通過實際測量對比我們可以發現，超聲波背散射法測量的淬硬層深度不僅準確可靠，該方法還具有以下優點：

（1）可以很快地評估大量部件，有效地減少檢測成本。可以不破壞工件進行測量，效率高，成本低。

（2）可以及時進行檢測，對淬火工藝進行監控，優化工藝參數，保證連續高質量生產。

（3）設備可以自由移動測量不同尺寸的工件。

（4）為質量管理信息系統提供監控和厚度分析功能。

A、B兩組試樣兩種方法測量淬硬層深度記錄

圖9 兩種方法測得A、B試樣淬硬層厚度對比