磁測法在GCr15鋼制軸承零件殘余奧氏體測試中的應用

高元安，李建忠，關志剛，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.河北中洛檢測設備有限公司，河北 邯鄲 056003； 3.河北工程大學，河北 邯鄲 056038；4.西安交通大學，西安 710049)

GCr15高碳鉻軸承鋼的馬氏體轉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，緩和應力集中，延緩裂紋擴展，提高靜彎曲強度，減小淬火變形及開裂傾向等優點；也存在降低鋼的硬度(尤其大量存在時)，從而減小軸承的承載系數和設計壽命，增大純滾動摩擦力，有害于零件的尺寸穩定性等缺點。但國內軸承行業還沒有對殘余奧氏體進行過多的研究，也沒有標準對殘余奧氏體的含量進行規定，只是要求對精度P4以上的軸承進行冷處理以降低殘余奧氏體含量，從而提高尺寸穩定性。而國外通過大量的研究，已在標準和產品中對殘余奧氏體的含量進行了明確的規定，如美國的航空軸承就明確規定殘余奧氏體含量必須低于3%。隨著國內軸承加工技術的提高，與國外接軌的腳步加快，將殘余奧氏體含量納入到熱處理標準體系中已提上日程。

但如何有效、迅速、準確地檢測出軸承鋼中的殘余奧氏體含量是一個難題。目前，比較成熟的方法是X射線法，但其存在設備昂貴，操作要求高，測量速度慢，測試層深太淺(約10 μm)，易受測試表面質量影響，不方便在現場對大批量、大尺寸的產品進行檢測等缺點，阻礙著對殘余奧氏體進行更深層次的研究。

隨著電磁法在國內、外產品質量評價中的快速發展，如文獻[1]利用巴克豪森效應對材料進行評價；文獻[2]利用磁致伸縮效應檢查鋼材的熱處理狀態和含碳量；文獻[3]用磁測法檢測高鉻鑄鐵殘余奧氏體含量；文獻[4-5]檢測了球墨鑄鐵中的殘余奧氏體等，使磁測法在測試材料中殘余奧氏體含量的應用逐步成熟。

1 測量原理

GCr15軸承鋼淬火后殘余奧氏體、碳化物為順磁相，相對磁導率μr≈1.0；馬氏體為鐵磁相，相對磁導率為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關系，通過測量試樣的不平衡電流值就能準確、有效地對GCr15鋼軸承零件的殘余奧氏體含量進行檢測。利用該方法可在現場對產品檢測，亦可在生產流水線上應用，有廣泛的應用前景。

試樣勵磁和測量采用的圓柱形傳感器如圖1 所示，其含有2個探頭，其中探頭a為標準探頭，放置于殘余奧氏體PA=0的標樣上；探頭b為測量探頭，與待測試樣接觸進行殘余奧氏體測量。

圖1 傳感器(探頭)

橋路等效電路如圖2所示。

圖2 測試的橋路等效電路

橋路不平衡電流經簡化為

(1)

式中：L1為標準(補償)探頭電感；L2為測量探頭電感；Ie為勵磁電流。

標準探頭電感為

(2)

測量探頭電感為

(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，試件的磁導率下降，S2和l2隨之變小，使試件的磁阻增大。試驗表明：在殘余奧氏體含量變化范圍不太大時(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，經簡化得

(5)

(6)

其中，A和B為靈敏度系數，與勵磁電流、頻率、探頭尺寸、磁芯材料和軸承鋼材料磁導率等有關。對于同種材料，A和B為常數。一般通過標定試驗確定。

2 標定試驗

2.1 圓柱標準試樣

取GCr15軸承鋼制Φ50 mm×15 mm的圓柱標準試樣，對其進行殘余奧氏體含量測定，結果見表1和圖3。

表1 圓柱標準試樣殘余奧氏體含量

圖3 圓柱標準試樣標定曲線(A=216.943 7,B=8.355 1)

由圖3可以看出，殘余奧氏體含量在10%以內時，線性度良好；超過10%，曲線斜率變小，在20%以內基本上也呈線性關系。而軸承零件正常淬、回火后殘余奧氏體含量常規的變化范圍一般為5%～15%，對測試結果影響不大。

2.2 滾子

取Φ20 mm軸承滾子，對其進行殘余奧氏體含量測定，結果見表2和圖4。

表2 滾子殘余奧氏體含量

圖4 滾子標定曲線(A=180.075, B=8.233 5)

2.3 軸承套圈

取Φ78 mm軸承套圈，對其進行殘余奧氏體含量測定，結果見表3和圖5。殘余奧氏體含量小于18.5%時，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 套圈標定曲線(A=185.616 1, B=10.256 3)

對于標準圓柱、軸承套圈和滾子3種試樣，磁測法得出的殘余奧氏體值與X射線測量值相差均小于1%。

3 現場測量

分別采用X射線法和電磁法對幾個型號的軸承套圈和圓柱滾子進行了殘余奧氏體含量的測定。X射線法在X-350A型X射線應力儀上進行，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射線法的測量結果見表4。由X射線檢測結果可以看出，同類試樣或同一試樣多次測量，測量結果的離散性較大。

表4 X射線法測定殘余奧氏體含量 %

磁測法的結果見表5。由表可知， 7010軸承外圈測值與均值最大偏差為0.15%，7011軸承外圈測值與均值最大偏差為0.21%，7521軸承滾子測值與均值最大偏差為0.43%。磁測法遠遠優于X射線法。這是由于X射線法測試層深太淺(約10 μm)，而磁測法能測試到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試含量(磁測法) %

4 結束語

根據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系，建立了兩相體相對含量和橋路輸出電流的數學模型，為電磁法測定殘余奧氏體含量建立了理論基礎。并通過試驗分析確定了以下結論：

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

(2)通過標定試驗，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射線測試結果吻合較好，誤差一般小于1 %，可用于實際測量。標定的靈敏系數值隨勵磁電流的大小和儀器參數變化略有不同，測試時儀器只要選擇好合適的勵磁參數，可有效、快速、準確地確定殘余奧氏體的含量，且穩定性好，靈敏度高，重復誤差在0.5%之內，完全可以使用于殘余奧氏體含量的測量。

(3)在現場進行了大量的實際測量，與X射線法比較，磁測法有采樣體積大，測試速度快，重復性好，測試精度高的特點，完全可以用來在線測量軸承零件中的殘余奧氏體含量。