300M鋼磨削熱損傷的渦流檢測

付 能，沙曉崗，張洪港，付隔清，謝景新

(1.中航飛機起落架有限責任公司，湖南 長沙 410200；2.空軍裝備部駐上海地區軍事代表局駐長沙地區第二軍事代表室，湖南 長沙 410200)

眾所周知，飛機在著落過程中，起落架承受著巨大的交變載荷。300M鋼是起落架零件常用的超高強度鋼材料[1]，強度可達1 860～2 160 MPa，由于300M鋼對應力集中特別敏感，表面細小的缺陷都有可能埋下巨大的安全隱患，甚至導致整個零件失效[2]。而磨削作為一種重要加工方法，在300M鋼的制造加工過程中不可或缺。在磨削過程中，如果磨削參數稍有不當，就會導致工件表面產生磨削熱損傷。所以，對300M鋼進行磨削后的熱損傷檢測是十分必要的。對于磨削熱損傷的檢測方法，目前使用最為普遍的是酸浸蝕檢驗。但酸浸蝕檢驗對工件表面有一定的破壞性，且使用的化學藥品有害于人體健康與自然環境，更重要的是，對于一些工件的深孔內表面，由于目視不可及，酸浸蝕檢驗無法直接進行有效檢測。

行業內有兩種磁特性方法可以檢測熱損傷。一種是巴克豪森噪聲分析法：檢測過程中，通過交變磁場對工件局部進行磁化，由于磁疇的不可逆跳躍會使傳感器感應到一系列電壓脈沖信號，當工件中存在熱損傷時，會導致磁特性不連續，從而使電壓脈沖信號發生改變[3-4]。但是采用巴克豪森噪聲分析法檢測時傳感器與工件必須接觸[5]，而將工件裝夾在機床上高速旋轉時，會造成傳感器的磨損。另一種是渦流檢測：通有交變電流的檢測線圈會產生一個交變磁場，當線圈靠近工件表面時，會在工件中感應產生渦流，渦流會以再生交變磁場的形式反作用于線圈，如果工件中存在熱損傷，會導致電磁特性的不連續，使渦流在此處發生畸變，使得再生交變磁場發生變化而反作用于檢測線圈，形成能被識別的缺陷信號[6]。這種方法的優點是探頭與工件不需要完全接觸，不會導致探頭磨損。

渦流檢測應用于裂紋等缺陷的檢測已經非常成熟，而對于熱損傷檢測的應用比較少。目前，國外一些學者已經在研究用渦流檢測熱損傷的方法對工件的加工過程實行在線檢測[7-8]。國內也有學者對渦流檢測熱損傷的可行性進行了探究[9-10]，但是關于渦流檢測超高強度鋼熱損傷靈敏度的相關研究卻鮮有報道，且對實際工件檢測過程中的熱損傷評判也未有明確的方法。為探究渦流檢測對于超高強度鋼熱損傷的靈敏度，需要制備合適的熱損傷試樣。本文通過干磨削產生瞬間高溫的方法在300M鋼外圓表面制作磨削熱損傷，以模擬實際磨削加工過程中因加工參數不當引起的磨削熱損傷，然后用分層去除余量并用酸浸蝕檢驗確定熱損傷嚴重程度的方式，制作了包含有無熱損傷、輕微熱損傷、中度熱損傷和嚴重熱損傷部位的試樣，分別對各部位進行渦流檢測，并將檢測信號與熱損傷程度進行對比，為驗證渦流檢測超高強度鋼熱損傷的靈敏度提供參考依據。

1 使用設備及試樣的制作

1.1 設備

使用設備為德國羅曼公司的ELOTEST 300型渦流探測儀，探頭型號為KD-5H-1570.04.1，頻率范圍為10～200 kHz，探頭直徑為11 mm。試樣裝夾到普通磨床上進行磨削和檢測。

1.2 試樣的制備

本文選用經過最終熱處理的300M鋼作為試樣材料，試樣為圓筒形狀，外徑為140 mm，內徑為127 mm，圓筒長度為485 mm。對于熱損傷的制作方法，通常有激光燒傷法、焊槍燒傷法、電磁感應燒傷法、磨削燒傷法[11-12]等。為了使制作的熱損傷更加接近實際工件磨削加工時產生的熱損傷，本文通過干磨削不施加冷卻液的方法，在試樣不同部位制作人工磨削熱損傷。通過改變砂輪切入深度，使得各部位熱損傷的嚴重程度及燒傷深度不同。然后依據HB 7717《航空鋼制件磨削燒傷酸浸蝕檢驗》對試樣進行酸浸蝕處理以確定熱損傷嚴重程度。為了獲得輕微回火熱損傷，再以正確的磨削參數，對試樣外圓表面分多次磨削去除余量，每次磨削去除0.005 mm，然后用酸浸蝕檢驗驗證熱損傷的嚴重程度，直至出現輕微回火熱損傷。將磨削后的試樣放入箱式回火爐中，進行190 ℃回火，保溫4 h，以消除磨削加工所產生的殘余應力。試樣經過熒光磁粉檢測，無相關顯示，以排除裂紋等開口缺陷的干擾。

2 不同程度熱損傷的檢測

2.1 酸浸蝕檢驗

將試樣噴砂處理，然后使用3%～5%(體積分數)的硝酸溶液和4%～6%(體積分數)的鹽酸溶液對試樣進行酸浸蝕處理，其酸浸蝕檢驗結果如圖1所示。由圖1a可知，無熱損傷部位顯示為灰色(見圖1a中的A區)。帶有磨削熱損傷的試樣經酸浸蝕處理后，由于熱損傷嚴重程度的不同，熱損傷部位會呈現出不同的顏色。其中，中度回火熱損傷部位顯示為暗黑色(見圖1a中的B區)；嚴重熱損傷顯示為被暗黑色回火邊界包圍的淺白色淬火硬化區域(見圖1a中的C區)；輕微回火熱損傷部位顯示為深灰色(見圖1a中的D區)，圖1b和圖1c為D區的局部放大圖。

a) 試樣酸浸蝕后的整體形貌

b) 6#位置酸浸蝕后的形貌

c) 6#位置局部放大

2.2 渦流檢測

采用ELOTEST 300型渦流檢測儀對試樣進行渦流檢測。檢測前先對試樣進行消磁處理，消磁后檢測到的最大剩磁小于3 Gauss。將試樣裝夾在磨床上(見圖2)，保持探頭垂直于試樣表面，且探頭與試樣表面的間隙約為一張A4紙的厚度。調節參數，檢測頻率為260 kHz。啟動機床，試樣以108 r/min的速度旋轉，探頭以0.01 m/s的速度軸向移動，選取無熱損傷、輕微回火熱損傷、中度回火熱損傷、嚴重熱損傷部位進行檢測，當探頭移動至圖1a中1#～6#所示位置時，測得的渦流檢測阻抗圖如圖3所示。

圖2 渦流檢測示意圖

a) 1#位置

b) 6#位置

c) 2#位置

d) 3#位置

e) 4#位置

f) 5#位置

圖3a為300M鋼磨削無熱損傷(圖1a中1#位置)的渦流檢測阻抗圖，其信號幅值不超過滿屏的10%；圖3b為輕微回火熱損傷(圖1a中6#位置)的渦流檢測阻抗圖，其信號幅值超過滿屏的20%；圖3c、圖3d為中度回火熱損傷(圖1a中2#、3#位置)的渦流檢測阻抗圖，其信號幅值超過滿屏的40%；圖3e、圖3f為嚴重熱損傷(圖1a中4#、5#位置)的渦流檢測阻抗圖，其信號幅值接近滿屏的60%。

3 討論

由酸浸蝕檢驗結果可知，300M鋼試樣經磨削后產生了無熱損傷、輕微回火熱損傷、中度回火熱損傷、嚴重熱損傷4種狀態。經渦流檢測可知，無熱損傷的渦流檢測信號幅值不超過滿屏的10%，輕微回火熱損傷信號幅值超過滿屏的20%；中度回火熱損傷信號幅值超過滿屏的40%，嚴重熱損傷信號幅值接近滿屏的60%。其結果表明，相對于無熱損傷的渦流檢測信號，輕微回火熱損傷、中度回火熱損傷、嚴重熱損傷3種熱損傷的渦流檢測信號非常明顯。并且隨著熱損傷嚴重程度的增加，渦流檢測信號增強，其熱損傷檢測結果與酸浸蝕檢驗結果相吻合。

由圖1a和圖1b可知，由于6#位置的熱損傷程度非常輕微，經酸浸蝕處理后，顯示顏色僅僅較正常區域灰色稍深，只有將局部位置放大才能看出熱損傷(見圖1c)，而對此位置進行渦流檢測時，其信號幅值超過正常信號幅值的2倍，渦流檢測結果明確表明已經產生了熱損傷(見圖3b)。由此可知，渦流檢測對于輕微熱損傷有著很高的靈敏度。

4 檢測應用

渦流檢測實際上是一種比較法檢測，即通過對比工件上缺陷信號幅值與已知缺陷信號幅值的大小來判斷工件是否合格。為了能夠準確檢測熱損傷，就必須對缺陷進行定標。即采用與工件相同的加工方式加工試樣，試樣局部包含有介于合格/不合格臨界狀態的熱損傷。通常利用磨削的方法不能直接獲得理想的介于合格/不合格臨界狀態的熱損傷，可以在試樣上先制作一個磨削熱損傷缺陷，通過酸浸蝕檢驗或實驗室測試方法，按照相應的熱損傷評判標準對其進行評判，再以正確的磨削參數通過分層去除表面余量的方法來加工試樣，直至獲得理想的介于合格/不合格臨界狀態的熱損傷。用介于合格/不合格臨界狀態的熱損傷來對渦流檢測設備進行校準，要求臨界熱損傷部位的渦流檢測信號幅值相對于無熱損傷部位的信號幅值有明顯差異，通常要求二者的比值≥2。最后再以校準的參數，對工件進行檢測，當信號幅值達到或超過臨界熱損傷部位的信號幅值時，即可判定工件為不合格。

圖4所示是渦流檢測儀顯示實際工件的一個典型熱損傷圖譜。工件的材料、熱處理狀態、外形及加工方式與圖1中的試樣相同，如果以圖1中試樣上的輕微回火熱損傷作為驗收參考依據，則用此部位來校準渦流檢測設備，校準時要求熱損傷部位的渦流檢測信號幅值至少為無熱損傷部位渦流檢測信號幅值的2倍，然后用校準好的設備檢測工件，檢測到工件局部的渦流檢測阻抗圖如圖4所示。

圖4 工件的渦流檢測阻抗圖

由圖4可知，渦流檢測結果顯示信號幅值超過滿屏的20%，表明工件外圓表面存在熱損傷。將此工件噴砂處理后進行酸浸蝕檢驗，局部發現熱損傷。由以上結果可知，渦流檢測結果與酸浸蝕檢驗結果一致。

5 結語

通過上述研究可以得出如下結論。

1)300M鋼磨削后產生了輕微回火熱損傷、中度回火熱損傷、嚴重熱損傷3種熱損傷狀態，其渦流檢測熱損傷結果與酸浸蝕檢驗結果相吻合，且隨著熱損傷的嚴重程度增加，渦流檢測信號增強。

2)對于輕微回火熱損傷，渦流檢測有著很高的靈敏度。

3)對于實際工件的檢測，可用介于合格/不合格臨界狀態熱損傷的渦流檢測信號幅值作為工件驗收的參考依據。