摘 要:探索了一种基于材料磁特性的无损检测方法,用于全面评估蓄能器承压壳体的热处理 效果。结果表明:35CrMo钢壳体经过整体调质处理后,其组织为回火索氏体;热处理后磁场强度 及其梯度均显著增大;矫顽力由749A/m 增加至1025A/m,并与硬度呈线性关系;可用材料的矫 顽力有效表征蓄能器承压壳体的硬度和强度等力学性能。

关键词:蓄能器;磁特性;矫顽力;硬度

中图分类号:TG115 文献标志码:A 文章编号:1001-4012(2022)02-0018-04

蓄能器是液压气动系统的关键部件,主要用于 存储和释放能量,以及平衡管路的油压波动,是用于 储存高压流体的容器。蓄能器工作压力最高可达 31.5 MPa,由于其服役环境恶劣,因此对壳体的承 载能力有很高的要求[1]。为了保障蓄能器在高负荷 下安全运行,一般选用35CrMo合金结构钢为承压 壳体材料,经过调质热处理后,该结构钢可获得良好 的强韧性[2],热处理对提高蓄能器的疲劳强度,延长 工作寿命也具有重要意义。

常规材料热处理的质量检测方法有金相检验和 力学性能检测,均属于破坏性方法,需打磨或切割产 品,效率低,无法对批量产品质量实现全范围有效检 测[3]。无损检测可在不伤害检测对象的前提下,判 断材料内部是否存在结构不均匀或缺陷等异常,既 可检测原材料,也能对半成品、成品实现全程检测, 甚至可对服役设备材料进行在役检测[4-5]。国内外 学者利用无损检测技术在材料热处理检验和质量控 制方面进行了很多探索,张令中等[6]用涡流导电仪 检测热处理后铝合金的硬度、强度及显微组织;李卫 彬等[7]基于非线性超声技术对 X-750镍基高温合金 的热处理参数进行优化,发现材料经过热处理后,其 性能越好,非线性效应则越弱;林莉等[8]用超声波速 度表征了38CrMoAl钢的热处理转变产物,发现波 速与回火温度有着很好的线性相关性。任尚坤等[9] 研究了不同回火条件下,45钢的力学性能与磁记忆 信号之间的关系,并建立了基于分布梯度和特征参 量的预测模型。采用涡流、超声、电磁等技术对零部件表面的脱碳层进行检测也有一些报道。磁矫顽力 法与上述技术相比具有显著优势,目前主要应用于 外载荷作用下材料内部应力的检测,而对产品整体 热处理质量评估方面的研究并不多见。

笔者针对某企业蓄能器承压壳体热处理检验效 率不高的问题,探索了一种基于材料磁特性的无损 检测方法,结合常规的金相检验和硬度检验,该方法 可用于快速评估蓄能器壳体的力学性能,以对批量 产品的热处理效果进行全面检验。

1 试验材料及方法

试验材料为蓄能器承压壳体常用的35CrMo合 金钢,其主要化学成分如表1所示。原材料为热轧 无缝圆管,外径为219mm,壁厚为12mm,任意截 取一段钢管,采用加热方式对其两端进行收口,共加 工1 # ,2 # 两只壳体,长度均为370mm(见图1)。参 照某蓄能器生产企业实际的整体制造工艺,利用连 续式辊底热处理炉进行调质热处理,热处理方案如 表2所示。

采用金相方法和无损检测技术对壳体热处理前 后的显微组织和力学性能进行快速评估。铁磁性材 料的磁滞行为对微观结构和应力变化非常敏感[5]。 当材料成分和热处理工艺一定时,其微观组织和应 力分布是确定的,相应的磁滞特征也是确定的。基 于此特征,材料的磁性参数可用于快速评估热处理 质量。在壳 体 圆 筒 部 分 选 取 4 条 扫 查 路 径 (见 图 2),相邻两条路径的夹角约为90°。具体检测方案 为:① 利用 TSC-2M-8型应力集中检测仪分别沿4 条路径进行扫查,获取扫查路径整体的应力状况;② 在每 条 扫 查 路 径 上 选 取 4 个 测 量 点,间 隔 为 100mm,采用 KIM-2M 型残余应力检测仪进行矫 顽力检测;③ 采用JXD-Pro型金相显微镜分别对 1 # ,2 # 壳体进行显微组织观察,以分析热处理前后 材料的微观结构演变。对测量点进行打磨抛光,利 用便携式里氏硬度计进行表面硬度检测。

2 结果分析与讨论

2.1 显微组织分析

热处理前,35CrMo合金钢为热轧退火态,其显 微组织主要为铁素体和珠光体,晶粒未发生明显拉 长变形(见图3)。当加热至850 ℃时,淬火后其显 微组织直接为马氏体、少量碳化物和残余奥氏体。 在610℃高温回火时,马氏体发生分解,碳化物进一 步析出并聚集长大,最终形成回火索氏体,组织均匀 细化,碳化物颗粒弥散分布(见图4)。

2.2 磁场强度与磁场梯度分析

热处理残余应力对壳体的疲劳寿命有着重要影 响,研究表明,铁磁性材料的应力集中与磁场强度变 化存在对应关系,热处理会使材料的磁特性发生变 化[10]。图5为35CrMo钢壳体的磁记忆信号曲线(图 中1~8表示通道号),观察磁场强度 Hp 和磁场梯度 dH/dx 的变化特征,1 # 壳体的曲线整体较为平缓,但 两端存在明显的突跃变化(虚线框内),对应的磁场梯 度dH/dx 也超过极限值,表明这些位置可能存在应 力集中。经调质热处理后,2 # 壳体的曲线尽管还存 在局部突变,但磁场梯度dH/dx 总体均低于极限值, 应力消除效果显著。磁场信号的特征参量k(x)ave 和 ΔH 如式(1),(2)所示。

式中:H 为磁场强度;Hpmax 为最大磁场强度;Hpmin 为最小磁场强度;k(x)ave 为磁场梯度平均值。

图6为热处理前后35CrMo钢壳体的磁场强度 与梯度均值变化柱状图,可看出热处理后k(x)ave 与 ΔH 的变化趋势和幅值的变化趋势基本一致,且 均显著提高。磁记忆信号受材料热处理的相变组织 和残余应力影响较大,原始态35CrMo钢的显微组 织为铁素体+珠光体,但晶粒较大;经调质热处理 后,35CrMo钢 的 显 微 组 织 为 回 火 索 氏 体,晶 粒 细 化,磁导率变小,磁场强度变大,相 应 的 ΔH 也 变 大,最终导致k(x)ave 增大。

2.3 力学性能与矫顽力

表3为热处理前后35CrMo钢的力学性能[11]。 图7为1 # ,2 # 壳体不同测量点的矫顽力和硬度分 布,可看出壳体的硬度分布均匀。硬度检测时需打 磨壳体表面,这会对金属造成轻微破坏,检测结果严 格来说属于壳体表层硬度。矫顽力检测是通过直流 电对壳体材料进行磁化,磁力线穿过材料内部,可对 8~12mm 深度的材料组织进行检测。研究表明, 氧化皮、铁锈等形成的空气间隙会增加磁阻,这是矫 顽力出现波动的主要原因,但对实际检测结果的综 合误差影响不大[12]。

35CrMo钢经淬火后,其强度和硬度大幅增加, 但塑性变差。高温回火后,其塑性增强。调质态2 # 壳体的硬 度 均 值 比 原 始 态 1 # 壳 体 的 硬 度 均 值 高 17.98%,相应的矫顽力也高了36.78%。这是因为: 35CrMo钢经过淬火后形成板条状马氏体组织,矫 顽力大幅提升;高温回火后,只有部分碳原子以碳化 物形态析出。由于晶粒细化,调质态35CrMo钢壳 体的矫 顽 力 下 降 了,但 仍 高 于 其 原 始 态 的 矫 顽 力[13]。将35CrMo钢壳体的矫顽力与硬度检测结 果进行拟合,结果如图8所示,矫顽力与硬度大体上 呈线性关系[14]。需要说明的是,矫顽力检测结果除 与材料的种类和性质相关外,还与检测探头的频率、 形状、尺寸等因素有关。

3 结论

(1)蓄能器用35CrMo钢的原始显微组织为铁 素体+珠光体,经过调质热处理后组织为回火索氏 体,晶粒细化;调质热处理后,相应磁场强度和磁场 强度梯度均变大。

(2)热处理后矫顽力与硬度呈线性相关,因此 用矫顽力可以表征35CrMo钢壳体热处理前后的力 学性能变化。

参考文献:

[1] 王晓华.大功率液压系统油源的节能设计与蓄能器的 应用[J].液压气动与密封,2015(4):62-65.

[2] 苏磊,刘海红.热处理工艺对35CrMo钢组织及性能 的影响[J].金属热处理,2016,41(6):73-78.

[3] 邵红红,吴晶.热处理检验与质量控制[M].北京:机 械工业出版社,2011.

[4] 于筱然.浅析各种无损检测技术的优缺点[J].电子测 试,2019(19):86-88.

[5] 沈正祥,陈虎,曹建,等.铁磁材料性能无损评估方法 研究进展[J].化工机械,2019,46(6):615-620.

[6] 张令中,樊世昆.铝合金热处理性能的无损检测[J]. 航空工艺技术,1984,27(10):29-33.

[7] 李卫彬,秦晓旭.优化镍基高温合金 X-750热处理工 艺参数的非线性超声无损评估方法[J].航 空 学 报, 2015,36(11):3742-3750.

[8] 林莉,李喜孟,周 祖 华,等.用 超 声 波 速 度 无 损 表 征 38CrMoAl钢热处理转变产物的研究[J].无损检测, 2003,25(1):36-38.

[9] 任尚坤,任仙芝,赵珍燕.基于磁记忆技术的热处理回 火温度检测[J].材料热处理学报,2017,38(11):140- 145.

[10] 赵珍燕.磁记忆力磁效应及对热处理质量评价的研 究[D].南昌:南昌航空大学,2017.

[11] 潘建成.高速列车轴用无缝钢管的轧制及轴的热处理 工艺研究[D].重庆:重庆大学,2007.

[12] 张绘,于娜红.材料和热处理工艺对喷油器衔铁矫顽 力的影响[J].热处理,2019,34(4):23-27,32.

[13] 徐坤山,仇 性 启,刘 靖 涛,等.热 处 理 与 应 力 集 中 对 Q345R钢磁记忆检测结果的影响[J].材料热处理学 报,2016,37(5):210-215.

[14] BIDAGV,NESTEROVA O V.Magneticinspection ofthehardnessofcast-ironmillingrolls[J].Russian JournalofNondestructiveTesting,2008,44(5):303- 308.

<文章来源 > 材料与测试网 > 期刊论文 > 理化检验－物理分册 > 58卷 > 2期 (pp:18-21)>