20CrMnTi鋼滲碳淬火硬化層深度的磁矯頑力檢測

羅　新，吳　偉，李大鵬，王　嬋，王國成，鄔冠華

(1.南昌航空大學 無損檢測教育部重點實驗室， 南昌 330063；2.華電鄭州機械設計研究院有限公司， 鄭州 450015；3.西安航空動力股份有限公司， 西安 710021；4.哈爾濱東安發動機(集團)有限公司， 哈爾濱 150066)

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20CrMnTi鋼滲碳淬火硬化層深度的磁矯頑力檢測

羅新1，吳偉1，李大鵬2，王嬋3，王國成4，鄔冠華1

(1.南昌航空大學 無損檢測教育部重點實驗室， 南昌 330063；2.華電鄭州機械設計研究院有限公司， 鄭州 450015；3.西安航空動力股份有限公司， 西安 710021；4.哈爾濱東安發動機(集團)有限公司， 哈爾濱 150066)

利用無損檢測磁矯頑力方法對20CrMnTi鋼滲碳淬火硬化層深度進行了檢測表征。對不同滲碳層深度的試樣進行磁矯頑力檢測分析，發現隨著滲碳層深度的增加其磁矯頑力也隨之增加,但是到了一定深度后磁矯頑力增加比較緩慢。結合金相法比較分析了用磁矯頑力方法檢測所得結果的可靠性和誤差。試驗結果表明：磁矯頑力無損檢測方法可以用于滲碳層深度的檢測研究。

無損檢測；磁矯頑力方法；滲碳層深度；金相法

在機械制造工業中，對某些零件如齒輪、曲軸、凸輪軸、活塞軸、軸套等表面的耐磨性和抗疲勞強度要求較高，對其心部的強度和韌性的要求也較高，這些零件基本都是采用低碳鋼或低碳合金鋼加工后進行滲碳、淬火和低溫回火處理，在提高零件表面的硬度、耐磨性和疲勞強度的同時，也提高了心部的強度和韌性。對于需要承受大的沖擊力、高速重載的零件，滲碳淬火處理依舊是最好的辦法，所以滲碳淬火處理在機械制造業中得到了廣泛應用[1]。滲碳層深度以及硬度等是滲碳工藝的關鍵指標[2],反映滲碳質量最重要的指標為滲碳層的深度。傳統的檢測滲碳層深度的方法是對樣品進行破壞性檢測，如金相法和硬度法，這不僅需要大量的樣品，并且費時費力，檢測結果可靠性差，檢測效率低。因此，通過研究磁矯頑力與齒輪滲碳淬火深度之間的關系，實現齒輪滲碳質量的無損評價是非常必要的。目前國內外學者在采用無損檢測技術對材料的滲碳深度檢測方面進行了一定的研究。我國主要采用渦流檢測技術對滲碳層深度進行檢測，在理論基礎、仿真、試驗等方面開展了一定的研究[3-6]。筆者通過建立磁矯頑力與滲碳層深度的關系來表征滲碳層深度。

1　理論分析

滲碳鋼中碳的含量對其電導率和磁導率的影響很大。滲碳后鋼在不同深度的電導率和磁導率因滲碳的不同會有所不同，所以磁矯頑力也不同。在磁滯回線中，磁矯頑力HC與鋼含碳量關系密切[7]。在實際測量中，由于磁矯頑力是在磁感應強度為零時所測得的值，所受外界干擾比較少，離散也比較小，因此可用磁矯頑力的值來表征滲碳層深度的變化情況。

磁滯回線是描述鐵磁性材料被磁化狀態的曲線，在工程領域中有重要的作用。常采用RC積分間接測量法測量磁滯回線。材料的磁矯頑力測量原理如圖1所示，U型磁軛與工件形成了一個閉合的磁路，通過激勵線圈使整個探頭產生一個閉合電磁場。通過檢測線圈來檢測通過滲碳試塊磁感應強度的變化。

圖1　材料磁矯頑力測量原理示意

通過測量取樣電阻R1的電壓可以得到磁場強度H為：

(1)

式中：N1為激勵線圈匝數；L為有效磁路長度；R1為取樣電阻；UH為取樣電阻兩端電壓。

磁感應強度B是在磁場強度H下產生的，根據電磁感應原理可得檢測線圈產生的感應電勢為：

(2)

并且E2=I2R2，則電容C兩端的輸出電壓UB為：

(3)

由上式可得磁感應強度：

(4)

式中：N2為檢測線圈匝數；C為電容；S為磁通有效橫截面積；R2為積分電阻。

增大輸入信號電壓US的幅值，閉合曲線所包圍的面積也會逐漸增大，當激勵信號US增大到一定值時，閉合曲線所包圍的面積幾乎不再增大，此時認為被檢工件完全磁化，曲線與x軸的交點即為磁矯頑力HC的值。所有采集的信號均為電壓信號，根據公式(1)和(4)可以得出磁滯回線，從所得到的磁滯回線中便可得出磁矯頑力的值。建立磁矯頑力對應電壓值與滲碳層深度的模型，通過檢測磁矯頑力對應電壓值就可計算滲碳層深度。

2　磁矯頑力檢測試驗

針對滲碳淬火硬化層深度磁矯頑力檢測所設計的整體系統框圖如圖2所示。

圖2　檢測系統設計框圖

為了實時觀察試塊磁滯回線的變化，采用BP4610高速雙極性電源作為激勵模塊信號源。激勵電壓為22V，頻率為14Hz。在信號調理模塊中采用RC積分電路，其中取樣電阻R1為4Ω，積分電阻R2為10kΩ，電容C為20μF。為了保證所有頻域段的信號都能采集到，選用英國PicoTech公司的3206B型號的數字示波器。U型磁化探頭模型[8-9]如圖3所示。

圖3　U型磁化探頭模型示意

U型磁化探頭的激勵線圈匝數N1為300，線徑為0.47mm；檢測線圈匝數為600，線徑為0.21mm。在ICY平臺下，通過編寫Micro-Manager插件實現了對磁感應強度和磁場強度雙通道電壓信號的采集、處理和動態顯示磁滯回線圖形。20CrMnTi鋼滲碳淬火試樣的設計尺寸均為φ30mm×50mm。將試樣分為A、B兩組，兩組試樣在同一批次相同的氣體環境下滲碳，標稱滲碳層深度為0.5，0.8，1.3，1.6，2.0，2.4mm。

3　數據分析

3.1金相分析

當工件達到磁飽和狀態時，由于探頭和檢測參數不變，所以檢測所得的磁滯回線變化主要由試樣滲碳層深度變化引起。圖4為磁矯頑力方法測得的A組試樣不同滲碳層深度下的飽和磁滯回線。

圖4　20CrMnTi鋼不同滲碳深度下的飽和磁滯回線

由圖4可見，在不同的深度下，飽和磁滯回線明顯發生了變化。隨著滲碳層深度的增加，磁滯回線會沿著磁場強度電壓信號軸向兩邊變寬，沿著磁感應強度電壓信號軸向中間變窄，由磁導率的公式μ=B/H可知，隨著滲碳層深度的增加，磁導率在下降。

提取圖4中數據可得，滲碳層深度為0.5，0.8，1.3，1.6，2.0，2.4mm時，磁感應強度為零時的正向磁矯頑力電壓值HV分別為944，1 264，1 548，1 620，1 660，1 690mV。可知隨著滲碳層深度的增加，磁矯頑力值增大。

將A組試樣通過金相法檢測，取過共析層、共析層和1/2過渡層為材料的滲碳硬化層深度，測得標稱滲碳層深度0.5mm時試樣截面的金相結果如圖5所示。

圖5　20CrMnTi鋼滲碳層深度為0.5 mm時截面的金相結果

通過金相法測得A組試樣的滲碳層深度分別為0.47，0.82，1.34，1.60，2.02，2.39mm。

3.2磁矯頑力電壓與滲碳層深度的檢測模型的建立由式(1)和(4)可知磁感應強度與其電壓值成正比，因此只需要建立磁矯頑力對應電壓值與滲碳層深度的關系。將A組試樣金相法測得的滲碳層深度d與磁矯頑力電壓值HV作圖，可得兩者關系曲線如圖6所示。

圖6　磁矯頑力電壓與滲碳層深度的關系曲線

通過MATLAB曲線擬合選取函數模型：

(5)

式中：HV為磁矯頑力電壓;d為滲碳層深度;a1,b1,c1,a2,b2,c2為常數系數。

將A組測得的磁矯頑力電壓HV和滲碳層深度d代入式(5)，解方程組得到a1為1 629,b1為2.89,c1為1.83,a2為836.9,b2為1.01,c2為1.12。從而得到該批次20CrMnTi滲碳試塊的磁矯頑力電壓與滲碳層深度的檢測模型為：

(6)

式(6)所標定的曲線與試驗數據見圖7。

3.3試驗驗證及誤差分析

通過試驗測得B組試樣滲碳層深度，其磁矯頑力電壓值以及用模型計算的滲碳層深度見表1。

通過表1可以看出,金相法測得滲碳層深度值和模型計算得出的值很接近，最大誤差為3.35%。說明金相法和模型計算兩者的結果一致。

圖7　試驗數據與標定曲線

金相法測得滲碳層深度/mm0.480.811.351.611.982.39磁矯頑力電壓/mV94412641548162016601690模型計算滲碳層深度/mm0.490.801.381.661.952.42相對誤差/%2.561.222.513.351.501.51

4　結論

滲碳淬火鋼的磁矯頑力與滲碳層深度之間存在著相關性，隨著滲碳層深度的增大其磁矯頑力先迅速增大到一定深度后再逐漸趨于平緩。研究給出了

20CrMnTi鋼在特定條件滲碳后磁矯頑力與滲碳層深度模型，實際應用中應根據滲碳材料及滲碳工藝類別進行針對性研究及建模。

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Detectionof20CrMnTiSteelCarburizingHardeningDepthbyMagneticCoerciveForce

LUOXin1,WUWei1,LIDa-peng2,WANGChan3,WANGGuo-cheng4,WUGuan-hua1

(1.KeyLabofNondestructiveTesting,MinistryofEducation,NanchangHangkongUniversity,Nanchang330063,China;2.HuadianZhengzhouMechanicalDesignInstitutionCo.,Ltd.,Zhengzhou450015,China;3.AvicXi′anAero-Engine(Group)Ltd.,Xi′an710021,China;4.AvicHarbinDonganEngine(Group)CorporationLtd.,Harbin150066,China)

The20CrMnTicarburizinghardeningdepthwasdetectedandcharacterizedbynondestructivetestingofmagneticcoerciveforce.Themagneticcoerciveforcewasdetectedandanalyzedforsampleswithdifferentdepthsofcarburizinglayeranditwasfoundthatthemagneticcoerciveforcewastoincreasewiththeincreaseofthedepthofcarburizinglayer,whereastheincreasebecameslowerwhilethedepthofthecarburizinglayerreachedsomecertainextent.Thereliabilityanderroroftheresultsobtainedbythemethodofmagneticcoerciveforceareanalyzedincomparisonwiththemethodofmetallography.Experimentalandanalyticalresultsshowthatthemethodcanbeusedforthedetectionofthedepthofthecarburizinglayer.

Nondestructivetesting;Magneticcoerciveforcemethod;Thedepthofcarburizedlayer;Metallography

2016-01-05

羅新(1991-)，男，碩士研究生，主要從事無損檢測磁學研究工作。

羅新,E-mail: 1176498357@qq.com。

10.11973/wsjc201607012

TG115.28A

1000-6656(2016)07-0047-04