磁測(cè)法在GCr15鋼制軸承零件殘余奧氏體測(cè)試中的應(yīng)用

高元安，李建忠，關(guān)志剛，董光能，王文軍

(1.洛陽軸研科技股份有限公司，河南 洛陽 471039；2.河北中洛檢測(cè)設(shè)備有限公司，河北 邯鄲 056003； 3.河北工程大學(xué)，河北 邯鄲 056038；4.西安交通大學(xué)，西安 710049)

GCr15高碳鉻軸承鋼的馬氏體轉(zhuǎn)變終了是在室溫以下，因此，在普通淬、回火條件下的組織中必然存在一定量的殘余奧氏體。軸承鋼中的殘余奧氏體有增加塑性、韌性，緩和應(yīng)力集中，延緩裂紋擴(kuò)展，提高靜彎曲強(qiáng)度，減小淬火變形及開裂傾向等優(yōu)點(diǎn)；也存在降低鋼的硬度(尤其大量存在時(shí))，從而減小軸承的承載系數(shù)和設(shè)計(jì)壽命，增大純滾動(dòng)摩擦力，有害于零件的尺寸穩(wěn)定性等缺點(diǎn)。但國(guó)內(nèi)軸承行業(yè)還沒有對(duì)殘余奧氏體進(jìn)行過多的研究，也沒有標(biāo)準(zhǔn)對(duì)殘余奧氏體的含量進(jìn)行規(guī)定，只是要求對(duì)精度P4以上的軸承進(jìn)行冷處理以降低殘余奧氏體含量，從而提高尺寸穩(wěn)定性。而國(guó)外通過大量的研究，已在標(biāo)準(zhǔn)和產(chǎn)品中對(duì)殘余奧氏體的含量進(jìn)行了明確的規(guī)定，如美國(guó)的航空軸承就明確規(guī)定殘余奧氏體含量必須低于3%。隨著國(guó)內(nèi)軸承加工技術(shù)的提高，與國(guó)外接軌的腳步加快，將殘余奧氏體含量納入到熱處理標(biāo)準(zhǔn)體系中已提上日程。

但如何有效、迅速、準(zhǔn)確地檢測(cè)出軸承鋼中的殘余奧氏體含量是一個(gè)難題。目前，比較成熟的方法是X射線法，但其存在設(shè)備昂貴，操作要求高，測(cè)量速度慢，測(cè)試層深太淺(約10 μm)，易受測(cè)試表面質(zhì)量影響，不方便在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)大批量、大尺寸的產(chǎn)品進(jìn)行檢測(cè)等缺點(diǎn)，阻礙著對(duì)殘余奧氏體進(jìn)行更深層次的研究。

隨著電磁法在國(guó)內(nèi)、外產(chǎn)品質(zhì)量評(píng)價(jià)中的快速發(fā)展，如文獻(xiàn)[1]利用巴克豪森效應(yīng)對(duì)材料進(jìn)行評(píng)價(jià)；文獻(xiàn)[2]利用磁致伸縮效應(yīng)檢查鋼材的熱處理狀態(tài)和含碳量；文獻(xiàn)[3]用磁測(cè)法檢測(cè)高鉻鑄鐵殘余奧氏體含量；文獻(xiàn)[4-5]檢測(cè)了球墨鑄鐵中的殘余奧氏體等，使磁測(cè)法在測(cè)試材料中殘余奧氏體含量的應(yīng)用逐步成熟。

1 測(cè)量原理

GCr15軸承鋼淬火后殘余奧氏體、碳化物為順磁相，相對(duì)磁導(dǎo)率μr≈1.0；馬氏體為鐵磁相，相對(duì)磁導(dǎo)率為102～104，而GCr15高碳鉻軸承鋼在正常淬、回火后的碳化物含量一般為5%～6%，變化不大，可以認(rèn)為是一定量值，利用兩者差異建立起橋路不平衡電流和殘余奧氏體含量的定量函數(shù)關(guān)系，通過測(cè)量試樣的不平衡電流值就能準(zhǔn)確、有效地對(duì)GCr15鋼軸承零件的殘余奧氏體含量進(jìn)行檢測(cè)。利用該方法可在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)產(chǎn)品檢測(cè)，亦可在生產(chǎn)流水線上應(yīng)用，有廣泛的應(yīng)用前景。

試樣勵(lì)磁和測(cè)量采用的圓柱形傳感器如圖1 所示，其含有2個(gè)探頭，其中探頭a為標(biāo)準(zhǔn)探頭，放置于殘余奧氏體PA=0的標(biāo)樣上；探頭b為測(cè)量探頭，與待測(cè)試樣接觸進(jìn)行殘余奧氏體測(cè)量。

圖1 傳感器(探頭)

橋路等效電路如圖2所示。

圖2 測(cè)試的橋路等效電路

橋路不平衡電流經(jīng)簡(jiǎn)化為

(1)

式中：L1為標(biāo)準(zhǔn)(補(bǔ)償)探頭電感；L2為測(cè)量探頭電感；Ie為勵(lì)磁電流。

標(biāo)準(zhǔn)探頭電感為

(2)

測(cè)量探頭電感為

(3)

磁回路中，磁芯的磁阻R1不變，隨著殘余奧氏體含量的增加，試件的磁導(dǎo)率下降，S2和l2隨之變小，使試件的磁阻增大。試驗(yàn)表明：在殘余奧氏體含量變化范圍不太大時(shí)(GCr15軸承鋼殘余奧氏體含量變化范圍一般小于20%)，試件的磁阻隨殘余奧氏體含量PA呈線性變化，即

(4)

由(1)～(4)式，經(jīng)簡(jiǎn)化得

(5)

(6)

其中，A和B為靈敏度系數(shù)，與勵(lì)磁電流、頻率、探頭尺寸、磁芯材料和軸承鋼材料磁導(dǎo)率等有關(guān)。對(duì)于同種材料，A和B為常數(shù)。一般通過標(biāo)定試驗(yàn)確定。

2 標(biāo)定試驗(yàn)

2.1 圓柱標(biāo)準(zhǔn)試樣

取GCr15軸承鋼制Φ50 mm×15 mm的圓柱標(biāo)準(zhǔn)試樣，對(duì)其進(jìn)行殘余奧氏體含量測(cè)定，結(jié)果見表1和圖3。

表1 圓柱標(biāo)準(zhǔn)試樣殘余奧氏體含量

圖3 圓柱標(biāo)準(zhǔn)試樣標(biāo)定曲線(A=216.943 7,B=8.355 1)

由圖3可以看出，殘余奧氏體含量在10%以內(nèi)時(shí)，線性度良好；超過10%，曲線斜率變小，在20%以內(nèi)基本上也呈線性關(guān)系。而軸承零件正常淬、回火后殘余奧氏體含量常規(guī)的變化范圍一般為5%～15%，對(duì)測(cè)試結(jié)果影響不大。

2.2 滾子

取Φ20 mm軸承滾子，對(duì)其進(jìn)行殘余奧氏體含量測(cè)定，結(jié)果見表2和圖4。

表2 滾子殘余奧氏體含量

圖4 滾子標(biāo)定曲線(A=180.075, B=8.233 5)

2.3 軸承套圈

取Φ78 mm軸承套圈，對(duì)其進(jìn)行殘余奧氏體含量測(cè)定，結(jié)果見表3和圖5。殘余奧氏體含量小于18.5%時(shí)，與X射線法相差均小于1%。

表3 軸承套圈殘余奧氏體含量

圖5 套圈標(biāo)定曲線(A=185.616 1, B=10.256 3)

對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)圓柱、軸承套圈和滾子3種試樣，磁測(cè)法得出的殘余奧氏體值與X射線測(cè)量值相差均小于1%。

3 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量

分別采用X射線法和電磁法對(duì)幾個(gè)型號(hào)的軸承套圈和圓柱滾子進(jìn)行了殘余奧氏體含量的測(cè)定。X射線法在X-350A型X射線應(yīng)力儀上進(jìn)行，管流6 mA，管壓24 kV，掃描速度0.1°/min，衍射馬氏體(211)晶面和奧氏體(220)晶面。X射線法的測(cè)量結(jié)果見表4。由X射線檢測(cè)結(jié)果可以看出，同類試樣或同一試樣多次測(cè)量，測(cè)量結(jié)果的離散性較大。

表4 X射線法測(cè)定殘余奧氏體含量 %

磁測(cè)法的結(jié)果見表5。由表可知， 7010軸承外圈測(cè)值與均值最大偏差為0.15%，7011軸承外圈測(cè)值與均值最大偏差為0.21%，7521軸承滾子測(cè)值與均值最大偏差為0.43%。磁測(cè)法遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于X射線法。這是由于X射線法測(cè)試層深太淺(約10 μm)，而磁測(cè)法能測(cè)試到0.2～3 mm深度，反映的是綜合平均值。

表5 軸承零件殘余奧氏體測(cè)試含量(磁測(cè)法) %

4 結(jié)束語

根據(jù)電橋的電路分析和輸出電流與GCr15高碳鉻軸承鋼制軸承零件淬、回火后馬氏體相含量與奧氏體相含量的相互關(guān)系，建立了兩相體相對(duì)含量和橋路輸出電流的數(shù)學(xué)模型，為電磁法測(cè)定殘余奧氏體含量建立了理論基礎(chǔ)。并通過試驗(yàn)分析確定了以下結(jié)論：

(1)從3種不同類型的試樣測(cè)試結(jié)果看，當(dāng)殘余奧氏體含量小于10 %時(shí)(常規(guī)的測(cè)試范圍)，輸出電流值與殘余奧氏體含量值存在著很好的線性關(guān)系，當(dāng)殘余奧氏體含量超過10%時(shí)，曲線斜率逐漸變小，與理論分析的結(jié)果完全一致。

(2)通過標(biāo)定試驗(yàn)，確立了軸承的殘余奧氏體含量值與電流值的理論曲線。其與X射線測(cè)試結(jié)果吻合較好，誤差一般小于1 %，可用于實(shí)際測(cè)量。標(biāo)定的靈敏系數(shù)值隨勵(lì)磁電流的大小和儀器參數(shù)變化略有不同，測(cè)試時(shí)儀器只要選擇好合適的勵(lì)磁參數(shù)，可有效、快速、準(zhǔn)確地確定殘余奧氏體的含量，且穩(wěn)定性好，靈敏度高，重復(fù)誤差在0.5%之內(nèi)，完全可以使用于殘余奧氏體含量的測(cè)量。

(3)在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了大量的實(shí)際測(cè)量，與X射線法比較，磁測(cè)法有采樣體積大，測(cè)試速度快，重復(fù)性好，測(cè)試精度高的特點(diǎn)，完全可以用來在線測(cè)量軸承零件中的殘余奧氏體含量。