感應(yīng)淬火硬化層深度超聲波檢測(cè)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 洛陽 471039)

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

1 試驗(yàn)

1.1 檢測(cè)儀器

采用日本Hard Echo SH-65檢測(cè)儀進(jìn)行淬火硬化層深度檢測(cè)，其原理是利用超聲波在達(dá)到不同材料界面及不同結(jié)晶組織界面層時(shí)所發(fā)生的不同反射回波，表面回波(S)是超聲波從水介質(zhì)達(dá)到鋼材表面時(shí)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(jì)，依據(jù)GB/T 5617—2005《鋼的感應(yīng)淬火或火焰淬火后有效硬化層深度的測(cè)定》進(jìn)行淬火硬化層深度檢測(cè)。

圖1 超聲波檢測(cè)原理

1.2 試樣

42CrMo環(huán)形樣圈外徑φ1 800 mm，內(nèi)徑φ1 500 mm，高度90 mm；50 Mn環(huán)形樣圈外φ1 800 mm，內(nèi)徑φ1 500 mm，高度80 mm。2種樣圈均加工成某型號(hào)四點(diǎn)接觸球軸承內(nèi)圈，溝曲率半徑為25 mm。其化學(xué)成分(表1)均符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。原材料均為調(diào)質(zhì)狀態(tài)，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(guān)技術(shù)要求(229～269 HB)。

表1 材料的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 淬火工藝

淬火時(shí)采用仿形感應(yīng)器(圖2)對(duì)溝道面進(jìn)行連續(xù)加熱淬火。中頻淬火試驗(yàn)工藝參數(shù)見表2。

圖2 內(nèi)圈淬火感應(yīng)器

表2 中頻淬火工藝參數(shù)

1.3.2 回火工藝

加熱溫度：(170±10)℃；保溫時(shí)間：4 h；冷卻方式：空冷。

2 結(jié)果與分析

試樣溝道面淬、回火后的表面硬度及裂紋檢測(cè)結(jié)果見表3。

表3 淬、回火后表面硬度及裂紋檢測(cè)結(jié)果

分別采用硬度法和超聲波檢測(cè)法對(duì)淬、回火后試樣溝道面接觸點(diǎn)位置的硬化層深度進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果見表4。

從表4可知，42CrMo鋼感應(yīng)淬、回火后，2種檢測(cè)法對(duì)硬化層深度的測(cè)量值基本一致，超聲波檢測(cè)法測(cè)量值偏大約0.1 mm,誤差不超過2%；50Mn鋼感應(yīng)淬、回火后，2種檢測(cè)法對(duì)硬化層深度測(cè)量值偏差較大，超聲波檢測(cè)法測(cè)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(cè)結(jié)果

切取試樣的橫截面，使用4%的硝酸酒精溶液腐蝕，檢測(cè)淬火硬化層及基體組織，如圖3所示(圖中①和②為測(cè)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(qū)(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(jìn)行顯微組織檢測(cè)，結(jié)果如圖4所示。由圖可知，42CrMo鋼淬火硬化層內(nèi)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(cè)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(qū)，淬火硬化層組織與過渡區(qū)組織經(jīng)過淬火后細(xì)化，使用Hard Echo SH-65儀器測(cè)量的深度數(shù)值為二者深度之和，測(cè)量結(jié)果偏差較大。

3 結(jié)論

1)超聲波檢測(cè)法測(cè)量的感應(yīng)淬火硬化層深度一般大于硬度法。

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

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(cè)法測(cè)量感應(yīng)淬火硬化層深度。建議使用超聲波檢測(cè)鋼的感應(yīng)淬火硬化層深度時(shí)，應(yīng)先了解鋼的淬火質(zhì)量，若淬火層內(nèi)存在明顯的過渡區(qū)，則不宜采用超聲波檢測(cè)法。對(duì)于不熟悉淬火質(zhì)量的鋼材，應(yīng)先用硬度法做對(duì)比試驗(yàn)，再確定超聲波檢測(cè)法的適用性。