車軸鋼滲碳層深度弱磁檢測技術研究

邱朋闖 于潤橋 桂長城 陳旺

（南昌航空大學,無損檢測技術教育部重點試驗室，南昌 330038）

1 前言

傳動軸作為汽車動力系統的重要結構部件，不僅要求花鍵部位齒牙和軸頸的表面硬度大且耐磨,還必須能夠傳遞較大扭矩和沖擊負荷。此外在服役過程中誘發斷裂的疲勞裂紋在一定程度上從工件表面產生并逐漸向內部擴展而引起斷裂，因此對工件的表面進行滲碳處理強化是防止機件失效或破壞的有效措施。工件經滲碳處理后可獲得較高的表面硬度、接觸疲勞強度，而本體心部仍保持良好的沖擊韌性[1]。熱處理滲碳工藝質量的評定標準主要取決于工件表面碳濃度、碳濃度分布和滲碳層深度，其中滲碳層深度是最重要的指標[2]。如果滲碳層深度過淺，會使滲碳層與心部交界處的應力分散，使強度急劇下降，進而導致接觸疲勞強度不夠，容易發生點蝕、剝落，以及疲勞壽命下降。滲碳層深度過深雖然使過渡區硬度梯度平緩，但表面碳化物會隨著滲碳時間的增加而粗化，從而造成應力集中，也會使疲勞壽命降低[3]。

目前對于滲碳層深度檢測技術，傳統的檢測方法有金相法、化學法、渦流檢測、射線檢測[4]。金相法測定的滲碳層相當于原始組織至表面的距離，有時組織界限不明顯，或者滲碳層過厚不易檢測，此外金相切割屬于破壞性檢測。化學法要逐層分析，過程比較繁瑣，而且此種方法不適應于不規則成形件的滲碳層分析[5-7]。渦流測厚一般應用于覆層與基體材料的電磁特性差異較大且覆層為均質材料的情況下測量覆層厚度，對于非均質覆層厚度的檢測只處于定性分析階段。使用X 射線法采集零件表面的滲碳層時，需要進行化學剝層，工藝繁瑣復雜，不適用于大型零件[8-10]，且對人體有重大傷害。

綜上所述，目前生產廠家大多采用金相切割破壞性檢測，造成生產成本增加，此外現階段其他檢測方法都有較大的工作局限性且達不到生產工藝精度要求，不適用于生產線上檢測。基于此提出一種利用滲碳層與其心部交界處應力集中且無法消除，進而對外表現出特定的磁感應強度的無損檢測方法。

2 滲碳層深度檢測原理

一切物質都由原子或分子構成，原子核外電子在環繞核運動過程中會產生軌道磁矩以及在自旋轉過程中產生自旋磁矩[11]。

滲碳鋼材質屬于鐵磁性材料，滲碳層與本體心部過渡區由于含碳量的不同，內部來看改變了材料晶體結構（或分子結構），使得圍繞原子核旋轉電子的排列順序發生變化，進而導致交接處存在應力且無法消除，從而產生了自發的微弱磁場，這些自發磁場在地磁場環境中表現出一定的同向性。外部來看則是產生分層現象[12]，根據磁介質的邊界理論，分界處其磁導率產生明顯差異，磁感應線在該處發生“折射”[13]。陣列傳感器通過采集交界處某一點的磁感應強度，通過傳感器陣列結構特征利用其磁場強度與深度的對應關系，進行滲碳層深度計算[14-15]，計算原理圖如圖1 所示。

圖1 滲碳層深度檢測原理示意

3 試驗試件及工裝設計

3.1 試驗試件

本試驗以企業實際生產中40CrMnMo 滲碳鋼為研究對象，試樣產品規格及實物圖如圖2 所示，按照技術要求，花鍵處滲碳層深度測量在距端面15 mm 處進行。Φ42 mm 處滲碳層測量位置為距末端2～4 mm 處測量。各部位滲碳層深度的過渡應連續、圓滑不允許中斷或突變。

圖2 產品規格及其實物

3.2 傳感器工裝設計

車軸鋼各個部位屬于圓柱形結構，對于平面傳感器接觸點則為某一點，這也就造成在檢測過程中容易出現左右晃動檢測位不在同一水平線的情況，進而在掃描過程中造成試驗結果誤差較大。即使采用定點檢測方式，接觸面為某一點也很難保證傳感器不晃動造成試驗結果誤差，基于以上檢測實際問題，針對車軸鋼桿部尺寸以及軸承位R角設計兩款小型探頭工裝實現對檢測位的完美貼合，其工裝設計如圖3、圖4 所示。

圖3 軸承位R角檢測工裝

圖4 桿部外圓檢測工裝

4 . 檢測結果與分析

4.1 試驗室切割試件檢測

弱磁檢測無損檢測儀主要由上位機、傳感器、采集卡以及處理軟件組成。檢測陣列傳感器為12通道陣列，可根據實際檢測對象自主選擇陣列探頭數量。該試驗根據檢測對象選擇雙陣列探頭進行實際檢測。該試驗首先通過對3 個不同試件樣本不同主要部位切割試塊進行初步檢測驗證，分別為CN110V 中頻半軸花端部鍵位、E50 中頻半軸桿部位、N300LEV 尾部軸承位R角。

圖5 為端部花鍵外圓、中心桿部外圓以及尾部軸承位R角表面檢測磁感應強度曲線。根據3 組磁感應曲線發現，1 號傳感器磁感應強度值波動以及變化幅度明顯大于2 號傳感器采集的磁感應強度值，而2 號傳感器采集磁感應強度相對于1 號傳感器采集磁感應強度變化趨勢更加平緩。

圖5 各部位磁感應強度曲線

將以上3 組檢測數據根據弱磁檢測理論模型求得滲碳層深度結果與金相滲碳層厚度值如圖6 所示。計算中會根據檢測部位基準應力不同而對相關系數進行標定。此外各組試驗陣列傳感器下方傳感器采集磁感應強度曲線如圖7 所示，由圖6 結果可知滲碳層深度變化趨勢均與對應檢測位置1 號傳感器磁感應強度變化趨勢相似，圖6a 花鍵表面滲碳層深度曲線在26、60 標志位處出現向上變化趨勢的拐點，其對應圖7a 花鍵外圓表面檢測磁感應強度在35、95 標志位處出現的趨勢變化的拐點。圖6b 中心桿部外圓滲碳層深度曲線中在41 標志位處存在向下趨勢變化的拐點，其對應圖7b 在桿部表面檢測磁感應強度曲線在45 標志位處出現向上變化趨勢拐點。圖6c 同樣與圖7c 趨勢保持一致，通過分析該部位發現其滲碳層變化趨勢與1 號傳感器檢測磁感應強度變化趨勢相似。由此驗證滲碳層深度變化與陣列傳感器下方檢測磁感應強度值呈正相關性。

圖6 各部位檢測深度結果

圖7 各部位1號傳感器磁感應強度

此外經弱磁檢測技術計算處理得出的滲碳層深度與廠家金相切割試驗數據對比結果如表1 所示，通過表1結果分析，本試驗中3個檢測部位相對誤差分別為1.4%、0.7%、3.5%。最小相對誤差可達到0.7%，最大相對誤差整體小于5%，整體檢測效果穩定性良好。此外軸承位R角在未經處理排除缺陷影響時，弱磁檢測滲碳層深度區間為3.71～4.10 mm，平均深度為3.86 mm。由此可見在檢測過程中工件存在缺陷時對檢測結果造成誤差影響較大。由于車軸鋼在熱處理后存在缺陷的可能性比較大，但其缺陷大小一般是小于Φ1.0 mm 的細小裂紋缺陷[16]。通過該試驗對檢測過程中遇到缺陷進行相關遞進處理，即將缺陷部位做平滑處理使其根據前面磁感應變化趨勢均勻變化，或通過點測來消除缺陷對滲碳層深度檢測結果的影響。

表1 試驗室弱磁檢測滲碳層深度與金相對比

通過以上分析，在滲碳層深度曲線變化中，滲碳層深度與陣列探頭磁感應強度幅值比有很強的相關性，為了進一步驗證其相關性，將陣列傳感器幅值做比值處理，令陣列傳感器磁感應強度幅值比，其中BZ1、BZ2分別為1 號傳感器與2號傳感器檢測的磁感應強度值。將3 組試驗數據做比值處理，其陣列傳感器磁感應強度幅值比處理曲線如圖8 所示。

圖8 各部位磁感應幅值比

通過圖6 與圖8 各個部位的滲碳層深度值與陣列傳感器磁感應強度幅值比KB可以看出，滲碳層深度與磁感應強度幅值比呈負相關。即幅值比越大，滲碳層深度越淺。此外，在同一滲碳層深度檢測時，不同部位磁感應強度存在一定的波動，但其磁感應強度差值較小，在計算允許范圍內，分析誤差來源可能為滲碳層微米級深度變化波動，造成的磁感應強度值發生一定的波動變化。最后通過對已有數據進行分析，即可得出各部位滲碳層深度與陣列傳感器磁感應強度幅值的對應關系：

式中，h為滲碳層深度；t為傳感器尺寸；BZ1、BZ2為傳感器檢測磁感應強度；λ為磁彈系數。

式中磁彈系數λ，即工件結構不同導致其工件本體初始應力不同，進而對外表現初始磁感應強度不同，是材料結構的本征參數，需要根據不同材料不同工藝進行調節。

不同部位磁感應強度幅值比方根值與滲碳層厚度變化趨勢如圖9 所示，由圖9 可知，由于車軸鋼不同部位自身存在應力大小不同，導致在同一滲碳層厚度值時對應不同部位的不同磁感應強度比值。因此證明了車軸鋼滲碳層厚度檢測原理的正確性，正是由于應力的存在且不可消除，通過對待檢部位應力的變化進而表現磁場強度的變化來推算滲碳層厚度的變化趨勢。并通過標定系數的調節來準確計算不同部位的滲碳層厚度。通過以上所有試驗室結果分析，檢測精度最大誤差均小于5%，充分驗證了弱磁檢測技術在滲碳層厚度檢測中的可行性與穩定性。

圖9 不同部位磁感應強度幅值比方根與滲碳層厚度關系

4.2 車軸鋼工件生產現場檢測

圖1b為生產現場檢測試件樣品，根據產品技術檢測要求，隨機抽取多個樣件，以檢測部位進行編號，隨機抽取不同樣件部位進行滲碳層深度檢測。根據標準試塊的檢測結果確定的標定系數為基準進行實際檢測并對弱磁檢測滲碳層深度結果進行金相切割驗證。其試驗結果如表2、表3所示。

表2 生產現場弱磁檢測滲碳層深度與金相對比

表3 生產現場弱磁檢測滲碳層深度與金相對比

綜上所述，根據弱磁檢試驗結果與金相切割結果對比分析曲線圖可知，弱磁檢測深度與實際深度值相對誤差小于5%。試驗結果整體趨于穩定，金相切割驗證值與弱磁無損檢測滲碳層深度值整體貼合度高，誤差均在可接受范圍內。證明弱磁檢測技術在滲碳層深度實際生產檢測中是可行的，且計算結果精確，誤差率低。

5 結束語

通過設計驗證車軸鋼滲碳層深度弱磁無損檢測試驗，利用弱磁檢測技術對不同樣件的不同部位以及不同深度滲碳層進行無損檢測分析與金相驗證，試驗結果如下：

a.弱磁檢測技術對于工件熱處理滲碳層深度檢測可行，雙陣列傳感器設計當2 號傳感器磁感應強度趨于穩定時，其檢測滲碳層深度變化趨勢與1號傳感器磁感應強度變化趨勢有很強的相關性。

b.基于弱磁檢測技術對于滲碳層深度定量檢測準確性高，本次試驗結果最大相對誤差小于5%，試驗驗證結果與檢測結果一致，滿足工程應用需求。可進一步實現對熱處理工藝進行修正以及車軸鋼產品質量評價。

c.弱磁檢測技術對滲碳層深度檢測速度快，精度高。進一步改進可用于自動化檢測，為車軸鋼熱處理工藝滲碳層深度質量檢測提供新方法。