C60鋼是優質碳素結構鋼,其碳元素質量分數為0.57%～0.65%。C60鋼具有高硬度、高強度以及低成本等優點,在鋼制品行業中需求量大、應用廣泛,其主要用于制造彈簧圈、輪軸、凸輪、鋼繩等構件[1-4]。C60鋼的硬度是制造高強度機械零件的重要參數[5],大量的理論與試驗研究表明：微觀結構的變化會引起材料硬度的變化,還會對材料的電磁特性產生較大影響[6-8]。HAO等[9]應用電磁技術研究了兩相鋼微結構的電磁響應模型,發現鐵素體的形態分布對材料的磁導率有顯著影響。黃炎等[10]應用渦流檢測方法分別對45鋼和S136鋼進行檢測,將其與硬度測試結果進行對比,最終確定上述兩種鋼的硬度與渦流阻抗幅值之間的線性關系。HENAGER等[11]研究了HT－9合金微觀結構與電磁特性之間的關系,發現電磁特性參數與材料的硬度呈正相關。GUKENDRAN等[12]研究發現渦流檢測技術是檢測AISI4130鋼熱處理試樣硬度特性的有效手段,可以用電磁方法對材料的硬度進行測試。KASHEFI等[13]建立了線圈歸一化阻抗與破壞性沖擊試驗結果之間的關系,利用電磁信號可以有效地預測4340回火鋼的纖維組織性能。

筆者以C60模具鋼為研究對象,采用中心頻率為4 kHz的矩形穿過式渦流探頭,對試樣進行不同參數的回火處理；觀察不同回火條件下材料的顯微組織,確定顯微組織與材料電磁特性參量、力學性能的關系；采集不同回火溫度下試樣的渦流信號,將渦流阻抗和試樣的洛氏硬度進行回歸分析,確定了渦流信號阻抗與洛氏硬度之間的電磁數學方程,為C60模具鋼材料硬度的無損檢測提供理論依據。

1.   試樣制備

試驗材料選用厚度為3 mm的C60模具鋼,其化學成分如表1所示,該產品已經過淬火處理。合適的回火工藝能調整模具鋼原始組織的不均勻性和硬度,以滿足實際生產需求[14-16]。經過多次的試驗研究,制定了合適的C60模具鋼回火試驗方案。將試樣回火溫度分別設置為300,340,380,400,440,480,550,590,630 ℃,保溫2 h后出爐自然空冷。

利用電火花線切割方法在回火處理后的試樣上取樣,試樣經磨拋后,用4%(體積分數)硝酸乙醇溶液對其進行腐蝕,在光學顯微鏡下觀察其顯微組織。用洛氏硬度計對經過不同回火溫度處理后的試樣進行硬度測試,每個試樣正反面共測24個點,將最后得到的算數平均值作為該試樣的最終硬度。C60模具鋼的不同回火工藝參數及硬度測試結果如表2所示。

2.   試驗原理及裝置

2.1   渦流檢測原理

渦流檢測是以電磁感應原理為基礎的無損檢測方法,當載有交變電流的線圈靠近導體時,線圈產生的交變磁場會在導體中感生出渦流檢測線圈,且不需要接觸工件,對工件表面及近表面的缺陷有很高的檢測靈敏度[17]。

線圈可以由電抗、電容和電阻串聯的電路表示,通常忽視線匝間分布的電容。線圈的復阻抗Z的表示方法如式(1)所示。

式中：R為實部線圈的直流電阻；L為線圈的電感；f為頻率。

L的計算方法如式(2)所示。

式中：μ為金屬材料的磁導率；A為線圈的截面積；N為線圈匝數；I為線圈長度。

阻抗平面圖是以電阻R為橫坐標,電感XL為縱坐標形成的直角坐標系,則線圈阻抗Z的計算方法如式(3)所示。

2.2   渦流檢測裝置

C60模具鋼硬度的渦流檢測信號采集裝置如圖1所示。由圖1可知：檢測裝置由穿過式渦流探頭、渦流信號發射接收裝置、高速模/數采集卡、計算機等組成。當待測C60模具鋼勻速通過穿入式渦流探頭,同時在激勵線圈中接通4 000 Hz的正弦交流電時,金屬材料中會產生交變磁場,引起材料的渦流信號發生變化,通過高速模/數轉換采集渦流信號,最后顯示在計算機上。

圖  1  C60模具鋼硬度的渦流檢測信號采集裝置示意

3.   試驗結果與討論

3.1   金相檢驗

圖2為C60模具鋼不同溫度回火后的顯微組織形貌。由圖2可知：經300 ℃×2 h的回火處理后,試樣的組織主要為回火屈氏體,回火屈氏體由鐵素體和粒狀碳化物組成；在回火熱處理過程中,鐵素體基體呈條狀,含量約為10%,碳化物滲透其中,呈細顆粒狀；當回火溫度為440～630 ℃時,試樣的組織主要為回火索氏體,回火索氏體由鐵素體和較粗的粒狀碳化物組成；經充分回火后,條狀碳化物消失,此時鐵素體含量約為80%。回火溫度是馬氏體分解的關鍵因素,隨著回火溫度的升高,馬氏體中碳元素含量降低,當回火溫度較低時,碳原子擴散速率較慢,馬氏體溶解緩慢。

圖  2  C60模具鋼不同溫度回火后的顯微組織形貌

3.2   渦流檢測

圖3為300 ℃回火后C60模具鋼試樣的渦流檢測電阻與電感波形圖。利用渦流檢測裝置測量不同回火溫度下C60模具鋼的電感和電阻,并計算不同回火溫度下C60模具鋼的阻抗,結果如表3和圖4所示。由表3和圖4可知：隨著回火溫度的升高,試樣的晶格結構進行重排,原子間距離增大,導致晶體結構中電子運動受到阻礙,從而增大了材料的電磁特性參數。

圖  3  300 ℃回火后C60模具鋼試樣的渦流檢測電阻與電感波形

圖  4  不同回火溫度下C60模具鋼的電磁特性參數

3.3   硬度測試

回火溫度會改變材料內部的微觀結構,使內部疇壁結構及疇壁運動形式不同,導致材料的電導率等磁性特征參數發生變化,從而在材料表面產生渦流,因此可以利用檢測線圈的阻抗來測量其硬度[18-20]。建立試樣洛氏硬度與渦流輸出的關系,以表3中的洛氏硬度為因變量,渦流阻抗為自變量,應用最小二乘法對兩者進行線性擬合。

橫軸為經計算得到的阻抗,縱軸為超聲硬度計測量得到的洛氏硬度,其最小二乘法的擬合曲線如圖5所示,一元二次擬合方程如式(4)所示。

擬合優度是樣本回歸線對數據擬合優劣的指標,擬合優度越接近1,說明回歸線對觀測值的擬合程度越好；反之則說明回歸線對觀測值的擬合程度越差[21]。圖5中擬合優度為0.98,表明阻抗與洛氏硬度的一元回歸線擬合度很好。

圖  5  阻抗與洛氏硬度最小二乘法的擬合曲線

取8個同一批次生產的C60模具鋼,用不同回火溫度的熱處理工藝對這8個試樣進行處理,利用渦流檢測裝置對試樣進行渦流檢測。將渦流檢測硬度與實際硬度測試結果進行對比,結果如圖6所示。

圖  6  渦流檢測硬度與實際硬度測試結果的誤差柱狀圖

由圖6可知：渦流檢測硬度與實際硬度測試結果相差不大,滿足±1 HRC的精度要求。利用渦流檢測法可以對C60模具鋼進行硬度測試,即擬合公式(4)可實現對不同回火溫度下C60模具鋼的渦流表征。

4.   結論

(1) 對淬火后的C60模具鋼進行回火處理,在保溫時間相同的條件下,隨著回火溫度的升高,C60模具鋼顯微組織中回火屈氏體的含量逐漸減少,回火馬氏體含量增加,鐵素體體積增大,原子的熱運動減弱,使原子自旋耦合現象增強,從而提高了渦流電磁參數。當回火溫度為630 ℃時,渦流阻抗達到最大。

(2) 回火溫度升高導致C60模具鋼結構重新排列,鐵素體含量增加,原子間的距離增大、作用力減小,導致材料的硬度減小。當回火溫度為300 ℃時,C60模具鋼的洛氏硬度最大。

(3) 利用最小二乘法數學模型,結合渦流信號阻抗與常規硬度測試,得到C60模具鋼渦流信號阻抗與洛氏硬度之間的電磁數學方程,該模型對試樣硬度的預測值與洛氏硬度計實測值相比,相對誤差小于1%,結果可靠。

文章來源——材料與測試網