蓄能器承壓殼體熱處理效果的無損評估

沈正祥, 張翰林, 裘浩田, 黃煥東, 楊 福, 牛亞平, 陳 虎

(1.寧波市特種設備檢驗研究院 蓄能器型式試驗實驗室， 寧波 315048；2.寧波市勞動安全技術服務公司， 寧波 315048)

蓄能器是液壓氣動系統的關鍵部件，主要用于存儲和釋放能量，以及平衡管路的油壓波動，是用于儲存高壓流體的容器。蓄能器工作壓力最高可達31.5 MPa，由于其服役環境惡劣，因此對殼體的承載能力有很高的要求[1]。為了保障蓄能器在高負荷下安全運行，一般選用35CrMo合金結構鋼為承壓殼體材料，經過調質熱處理后，該結構鋼可獲得良好的強韌性[2]，熱處理對提高蓄能器的疲勞強度，延長工作壽命也具有重要意義。

常規材料熱處理的質量檢測方法有金相檢驗和力學性能檢測，均屬于破壞性方法，需打磨或切割產品，效率低，無法對批量產品質量實現全范圍有效檢測[3]。無損檢測可在不傷害檢測對象的前提下，判斷材料內部是否存在結構不均勻或缺陷等異常，既可檢測原材料，也能對半成品、成品實現全程檢測，甚至可對服役設備材料進行在役檢測[4-5]。國內外學者利用無損檢測技術在材料熱處理檢驗和質量控制方面進行了很多探索，張令中等[6]用渦流導電儀檢測熱處理后鋁合金的硬度、強度及顯微組織；李衛彬等[7]基于非線性超聲技術對X-750鎳基高溫合金的熱處理參數進行優化，發現材料經過熱處理后，其性能越好，非線性效應則越弱；林莉等[8]用超聲波速度表征了38CrMoAl鋼的熱處理轉變產物，發現波速與回火溫度有著很好的線性相關性。任尚坤等[9]研究了不同回火條件下，45鋼的力學性能與磁記憶信號之間的關系，并建立了基于分布梯度和特征參量的預測模型。采用渦流、超聲、電磁等技術對零部件表面的脫碳層進行檢測也有一些報道。磁矯頑力法與上述技術相比具有顯著優勢，目前主要應用于外載荷作用下材料內部應力的檢測，而對產品整體熱處理質量評估方面的研究并不多見。

筆者針對某企業蓄能器承壓殼體熱處理檢驗效率不高的問題，探索了一種基于材料磁特性的無損檢測方法，結合常規的金相檢驗和硬度檢驗，該方法可用于快速評估蓄能器殼體的力學性能，以對批量產品的熱處理效果進行全面檢驗。

1 試驗材料及方法

試驗材料為蓄能器承壓殼體常用的35CrMo合金鋼，其主要化學成分如表1所示。原材料為熱軋無縫圓管，外徑為219 mm，壁厚為12 mm，任意截取一段鋼管，采用加熱方式對其兩端進行收口，共加工1#，2#兩只殼體，長度均為370 mm(見圖1)。參照某蓄能器生產企業實際的整體制造工藝，利用連續式輥底熱處理爐進行調質熱處理，熱處理方案如表2所示。

圖1 35CrMo鋼殼體的宏觀形貌

表1 35CrMo鋼的化學成分 %

表2 殼體的熱處理方案

采用金相方法和無損檢測技術對殼體熱處理前后的顯微組織和力學性能進行快速評估。鐵磁性材料的磁滯行為對微觀結構和應力變化非常敏感[5]。當材料成分和熱處理工藝一定時，其微觀組織和應力分布是確定的，相應的磁滯特征也是確定的。基于此特征，材料的磁性參數可用于快速評估熱處理質量。在殼體圓筒部分選取4條掃查路徑(見圖2)，相鄰兩條路徑的夾角約為90°。具體檢測方案為：① 利用TSC-2M-8型應力集中檢測儀分別沿4條路徑進行掃查，獲取掃查路徑整體的應力狀況；② 在每條掃查路徑上選取4個測量點，間隔為100 mm，采用KIM-2M型殘余應力檢測儀進行矯頑力檢測;③ 采用JXD-Pro型金相顯微鏡分別對1#，2#殼體進行顯微組織觀察，以分析熱處理前后材料的微觀結構演變。對測量點進行打磨拋光，利用便攜式里氏硬度計進行表面硬度檢測。

圖2 無損檢測掃查路徑示意

2 結果分析與討論

2.1 顯微組織分析

熱處理前，35CrMo合金鋼為熱軋退火態，其顯微組織主要為鐵素體和珠光體，晶粒未發生明顯拉長變形(見圖3)。當加熱至850 ℃時，淬火后其顯微組織直接為馬氏體、少量碳化物和殘余奧氏體。在610 ℃高溫回火時，馬氏體發生分解，碳化物進一步析出并聚集長大，最終形成回火索氏體，組織均勻細化，碳化物顆粒彌散分布(見圖4)。

圖3 熱處理前35CrMo鋼的微觀形貌

圖4 熱處理后35CrMo鋼的微觀形貌

2.2 磁場強度與磁場梯度分析

熱處理殘余應力對殼體的疲勞壽命有著重要影響，研究表明,鐵磁性材料的應力集中與磁場強度變化存在對應關系，熱處理會使材料的磁特性發生變化[10]。圖5為35CrMo鋼殼體的磁記憶信號曲線(圖中1～8表示通道號)，觀察磁場強度Hp和磁場梯度dH/dx的變化特征，1#殼體的曲線整體較為平緩，但兩端存在明顯的突躍變化(虛線框內)，對應的磁場梯度dH/dx也超過極限值，表明這些位置可能存在應力集中。經調質熱處理后，2#殼體的曲線盡管還存在局部突變，但磁場梯度dH/dx總體均低于極限值，應力消除效果顯著。磁場信號的特征參量k(x)ave和ΔH如式(1),(2)所示。

圖5 35CrMo鋼殼體的磁記憶信號曲線

k(x)ave=dH/dxave

(1)

ΔH=|Hpmax-Hpmin|ave

(2)

式中：H為磁場強度;Hpmax為最大磁場強度;Hpmin為最小磁場強度;k(x)ave為磁場梯度平均值。

圖6為熱處理前后35CrMo鋼殼體的磁場強度與梯度均值變化柱狀圖，可看出熱處理后k(x)ave與ΔH的變化趨勢和幅值的變化趨勢基本一致，且均顯著提高。磁記憶信號受材料熱處理的相變組織和殘余應力影響較大，原始態35CrMo鋼的顯微組織為鐵素體+珠光體，但晶粒較大；經調質熱處理后，35CrMo鋼的顯微組織為回火索氏體，晶粒細化，磁導率變小，磁場強度變大，相應的ΔH也變大，最終導致k(x)ave增大。

圖6 熱處理前后35CrMo鋼殼體的磁場強度與梯度均值變化柱狀圖

2.3 力學性能與矯頑力

表3為熱處理前后35CrMo鋼的力學性能[11]。圖7為1#，2#殼體不同測量點的矯頑力和硬度分布，可看出殼體的硬度分布均勻。硬度檢測時需打磨殼體表面，這會對金屬造成輕微破壞，檢測結果嚴格來說屬于殼體表層硬度。矯頑力檢測是通過直流電對殼體材料進行磁化，磁力線穿過材料內部，可對8～12 mm深度的材料組織進行檢測。研究表明,氧化皮、鐵銹等形成的空氣間隙會增加磁阻，這是矯頑力出現波動的主要原因，但對實際檢測結果的綜合誤差影響不大[12]。

表3 熱處理前后35CrMo鋼的力學性能

圖7 1#,2#殼體不同測量點的矯頑力與硬度分布

35CrMo鋼經淬火后，其強度和硬度大幅增加，但塑性變差。高溫回火后，其塑性增強。調質態2#殼體的硬度均值比原始態1#殼體的硬度均值高17.98%，相應的矯頑力也高了36.78%。這是因為：35CrMo鋼經過淬火后形成板條狀馬氏體組織，矯頑力大幅提升；高溫回火后，只有部分碳原子以碳化物形態析出。由于晶粒細化，調質態35CrMo鋼殼體的矯頑力下降了，但仍高于其原始態的矯頑力[13]。將35CrMo鋼殼體的矯頑力與硬度檢測結果進行擬合，結果如圖8所示，矯頑力與硬度大體上呈線性關系[14]。需要說明的是，矯頑力檢測結果除與材料的種類和性質相關外，還與檢測探頭的頻率、形狀、尺寸等因素有關。

圖8 35CrMo鋼殼體矯頑力與硬度的關系

3 結論

(1) 蓄能器用35CrMo鋼的原始顯微組織為鐵素體+珠光體，經過調質熱處理后組織為回火索氏體，晶粒細化；調質熱處理后，相應磁場強度和磁場強度梯度均變大。

(2) 熱處理后矯頑力與硬度呈線性相關，因此用矯頑力可以表征35CrMo鋼殼體熱處理前后的力學性能變化。