感應淬火硬化層深度超聲波檢測方法的適用性

孫小東，王云廣，端木培蘭，尤蕾蕾

(1.洛陽LYC軸承有限公司，河南 洛陽 471039;2.航空精密軸承國家重點實驗室，河南 洛陽 471039)

長期以來，感應淬火零件淬火硬化層是通過解剖零件后用硬度法檢測的，由于不可能對所有感應淬火零件進行解剖，其淬火質量只能完全依靠試驗工藝保證[1]。感應淬火的硬化層深度受淬火溫度、工件移動速度、介質濃度以及工作經驗等諸多因素的影響[2-3]，僅依靠感應淬火工藝很難保證，且淬火硬化層深度是決定產品可靠性的關鍵因素，因此，有必要研究超聲波無損檢測方法測量感應淬火零件硬化層深度的適用性[4]。

1 試驗

1.1 檢測儀器

采用日本Hard Echo SH-65檢測儀進行淬火硬化層深度檢測，其原理是利用超聲波在達到不同材料界面及不同結晶組織界面層時所發生的不同反射回波，表面回波(S)是超聲波從水介質達到鋼材表面時的散射回波，由于母材層的晶粒較淬火硬化層晶粒粗大，所以散射回波較高，具體原理圖如圖1所示。采用HR-150洛氏硬度計，依據GB/T 5617—2005《鋼的感應淬火或火焰淬火后有效硬化層深度的測定》進行淬火硬化層深度檢測。

圖1 超聲波檢測原理

1.2 試樣

42CrMo環形樣圈外徑φ1 800 mm，內徑φ1 500 mm，高度90 mm；50 Mn環形樣圈外φ1 800 mm，內徑φ1 500 mm，高度80 mm。2種樣圈均加工成某型號四點接觸球軸承內圈，溝曲率半徑為25 mm。其化學成分(表1)均符合相關標準要求。原材料均為調質狀態，其中42CrMo試樣的硬度為231 HB，50 Mn試樣的硬度為251 HB,均符合相關技術要求(229～269 HB)。

表1 材料的化學成分(質量分數)

1.3 試驗方法

1.3.1 淬火工藝

淬火時采用仿形感應器(圖2)對溝道面進行連續加熱淬火。中頻淬火試驗工藝參數見表2。

圖2 內圈淬火感應器

表2 中頻淬火工藝參數

1.3.2 回火工藝

加熱溫度：(170±10)℃；保溫時間：4 h；冷卻方式：空冷。

2 結果與分析

試樣溝道面淬、回火后的表面硬度及裂紋檢測結果見表3。

表3 淬、回火后表面硬度及裂紋檢測結果

分別采用硬度法和超聲波檢測法對淬、回火后試樣溝道面接觸點位置的硬化層深度進行檢測，結果見表4。

從表4可知，42CrMo鋼感應淬、回火后，2種檢測法對硬化層深度的測量值基本一致，超聲波檢測法測量值偏大約0.1 mm,誤差不超過2%；50Mn鋼感應淬、回火后，2種檢測法對硬化層深度測量值偏差較大，超聲波檢測法測量值偏大約1.6～2.4 mm，誤差為45%～75%。

表4 試樣淬、回火后硬化層深度檢測結果

切取試樣的橫截面，使用4%的硝酸酒精溶液腐蝕，檢測淬火硬化層及基體組織，如圖3所示(圖中①和②為測量位置)。由圖可知，42CrMo鋼淬火硬化層與基體有明顯分界(圖3a)，50Mn鋼淬火硬化層與基體有明顯過渡區(圖3b)，無明顯分界。

圖3 淬火硬化層形狀

使用奧林巴斯GX51顯微鏡進行顯微組織檢測，結果如圖4所示。由圖可知，42CrMo鋼淬火硬化層內顯微組織為大量板條馬氏體和少量珠光體組織(圖4a)；50Mn鋼過渡層顯微組織為馬氏體、珠光體和鐵素體組織(圖4b)。

圖4 淬火過渡層顯微組織

綜上可知，42CrMo鋼淬火硬化層組織與基體組織有明顯分界，測量誤差較小；50Mn鋼淬透性差，淬火硬化層組織與基體組織之間存在較寬的過渡區，淬火硬化層組織與過渡區組織經過淬火后細化，使用Hard Echo SH-65儀器測量的深度數值為二者深度之和，測量結果偏差較大。

3 結論

1)超聲波檢測法測量的感應淬火硬化層深度一般大于硬度法。

2)超聲波檢測法適用于42CrMo鋼的感應淬火硬化層深度檢測，且測量誤差較小，一般不超過0.5 mm,但不適用于50Mn鋼的感應淬火硬化層深度檢測。

3)淬透性差且硬化層與基體無明顯界面的鋼，不適宜用超聲波檢測法測量感應淬火硬化層深度。建議使用超聲波檢測鋼的感應淬火硬化層深度時，應先了解鋼的淬火質量，若淬火層內存在明顯的過渡區，則不宜采用超聲波檢測法。對于不熟悉淬火質量的鋼材，應先用硬度法做對比試驗，再確定超聲波檢測法的適用性。