齒輪材料有效硬化層深度對(duì)巴克豪森噪聲信號(hào)的影響

曹 銳，王 平，田貴云，2，丁 松

（1.南京航空航天大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，南京 210016；2.Newcastle大學(xué) 電子電力與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，Newcastle，UK）

齒輪是一種應(yīng)用廣泛的機(jī)械傳動(dòng)零件，在機(jī)械裝備中起著傳遞動(dòng)力、改變轉(zhuǎn)速和旋轉(zhuǎn)方向的重要作用［1］。如今高速重載齒輪的應(yīng)用日益廣泛，對(duì)齒輪的傳動(dòng)性能和材料質(zhì)量提出了更高要求。

統(tǒng)計(jì)分析表明，齒輪的失效主要是齒輪表面的接觸疲勞和齒根部的彎曲疲勞。在工業(yè)生產(chǎn)中，大多采用滲碳或碳氮共滲淬火的表面熱處理，以提高齒輪的耐磨、抗疲勞強(qiáng)度等性能。實(shí)踐證明，隨著滲碳的有效硬化層深度的增加，齒輪的抗彎強(qiáng)度、多沖壓縮抗力等都得到提高。但有效硬化層深度過大，表面耐壓強(qiáng)度反而下降，同時(shí)導(dǎo)致滲碳時(shí)間延長(zhǎng)，降低生產(chǎn)效率，浪費(fèi)資源［2］。因此，確定合理的滲碳有效硬化層深度，對(duì)提高齒輪的承載力，延長(zhǎng)齒輪使用壽命顯得非常重要［3］。

滲碳（滲碳氮）齒輪齒面的有效硬化層深度是指終加工齒表面至芯部硬度為Hv550（維氏硬度值）處的垂直距離，如圖1所示。國(guó)際上目前普遍采用硬度法測(cè)量有效硬化層深度。以下探索巴克豪森噪聲信號(hào)與有效硬化層深度的關(guān)系，尋求一種基于電磁無損檢測(cè)的方法。

1 巴克豪森檢測(cè)原理

1919年，德國(guó)物理學(xué)家Barkhausen［4］發(fā)現(xiàn)鐵磁材料在進(jìn)行交變磁化時(shí)，會(huì)發(fā)出磁磁的響聲。通過檢測(cè)線圈可以拾取該噪聲信號(hào)，稱做巴克豪森噪聲，簡(jiǎn)稱 MBN（Magnetic Barkhausen Noise）。

圖1 滲碳齒輪齒面有效硬化層深度

MBN信號(hào)產(chǎn)生的本質(zhì)歸結(jié)于磁疇和磁疇壁的移動(dòng)，是鐵磁性材料中微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生變化所導(dǎo)致的。鐵磁材料是由不同取向的小磁疇組成。鐵磁物質(zhì)被交流磁場(chǎng)磁化時(shí)，在磁化曲線的過零點(diǎn)處，其磁化是階梯式的不可逆的跳躍過程，如圖2所示；這種不連續(xù)的磁化來源于鐵磁材料內(nèi)部90°，180°疇壁錯(cuò)動(dòng)［5］，會(huì)導(dǎo)致磁疇發(fā)生一定規(guī)則的取向，使材料內(nèi)部產(chǎn)生一系列突變，從而發(fā)出階躍式的脈沖信號(hào)，即為巴克豪森磁噪聲，如圖3所示。

由于有效硬化層深影響材料表面的硬度和耐磨性，硬度的增大會(huì)引起矯頑力的增加，從而導(dǎo)致材料微觀結(jié)構(gòu)下的釘扎作用的加強(qiáng)，限制磁疇的遷徙運(yùn)動(dòng)。由巴克豪森噪聲信號(hào)的產(chǎn)生原理可知，磁疇的翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)減弱，必然會(huì)導(dǎo)致MBN信號(hào)的減小。所以可以通過巴克豪森噪聲方法檢測(cè)分析材料有效硬化層深這一指標(biāo)。

2 檢測(cè)試樣

2.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)選用齒輪加工常用材料18CrNiMo7－6鋼，其化學(xué)成分如表1所示。車床加工為φ40mm的圓棒。

2.2 熱處理工藝

進(jìn)爐前精車除去圓棒試樣表面的氧化皮，再經(jīng)過兩段滲碳（強(qiáng)滲、擴(kuò)散）→淬火→低溫回火。滲碳淬火工藝曲線圖［6］如圖4所示。

表1 18CrNiMo7－6鋼的化學(xué)成分

試驗(yàn)中控制不同的滲碳時(shí)間，得到了兩組具有不同滲碳有效硬化層深，但硬度、殘奧含量、馬氏體含量等參數(shù)相似的圓棒檢測(cè)試件。第一組5個(gè)試樣的指標(biāo)如表2所示。其中碳化物、馬氏體等指標(biāo)都是通過金相法評(píng)定的等級(jí)。

表2 第一組5個(gè)試樣的參數(shù)指標(biāo)

3 檢測(cè)設(shè)備與磁化深度

3.1 檢測(cè)設(shè)備

圖2 磁化過程曲線

圖3 巴克豪森磁噪聲時(shí)域分布

圖4 試驗(yàn)鋼種的熱處理工藝曲線

圖5 巴克豪森信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)

巴克豪森信號(hào)檢測(cè)設(shè)備系統(tǒng)框圖如圖5所示。整個(gè)系統(tǒng)由傳感器（U型磁軛、激勵(lì)線圈和接收線圈）、磁化電路、信號(hào)調(diào)理電路、采集卡和PC數(shù)據(jù)處理五大部分組成。傳感器與試樣側(cè)面相互接觸。信號(hào)發(fā)生電路產(chǎn)生正弦波，經(jīng)過雙極性功率放大器，形成頻率10Hz、幅值±5V的激勵(lì)信號(hào)。其經(jīng)過激勵(lì)線圈，產(chǎn)生足夠大的磁場(chǎng)，通過U型磁軛對(duì)接觸試樣進(jìn)行磁化。產(chǎn)生的巴克豪森信號(hào)由接收線圈（一個(gè)繞有漆包線的圓柱形鐵氧體磁芯）采集，經(jīng)過信號(hào)調(diào)理電路，濾除激勵(lì)信號(hào)的影響，將經(jīng)過放大的MBN信號(hào)通過采集卡接入PC機(jī)，在上位機(jī)對(duì)信號(hào)軟件進(jìn)行處理，提取出如均方根、平均值、峰－峰值、包絡(luò)線、峰寬比、FFT等特征值。

3.2 磁化深度

由于檢測(cè)試件滲碳后有效硬化層最深達(dá)到4.322mm，為了分析MBN信號(hào)與有效硬化層深的關(guān)系，需確保磁化深度大于有效硬化層深。故使用了Comsol Multiphysics多物理場(chǎng)耦合有限元仿真軟件對(duì)磁化深度進(jìn)行了仿真試驗(yàn)。

首先確定激勵(lì)線圈與試樣的二維幾何模型，如圖6所示。隨后進(jìn)行網(wǎng)格的劃分，將求解域近似為具有不同大小和形狀但彼此相連的有限個(gè)單元組成的離散域。

對(duì)線圈施加載荷進(jìn)行求解，其中激勵(lì)幅值選定為10Hz，電流密度為2×106A·m－2（即幅值±5 V轉(zhuǎn)化到相應(yīng)電流密度）的正弦波。所選的鐵磁性材料的相對(duì)磁導(dǎo)率μr＝583，電導(dǎo)率σ＝7.14×106Ω－1m－1。求得1s時(shí)被磁化試件的磁感應(yīng)強(qiáng)度仿真分布如圖7所示。

圖6 仿真二維幾何模型

圖7 磁場(chǎng)強(qiáng)度仿真分布圖

圖8 檢測(cè)儀器顯示界面

由圖7可看出，在離接觸基準(zhǔn)面以下5mm處，磁場(chǎng)強(qiáng)度依然接近0.1T，能夠滿足磁化要求，故選用的勵(lì)磁激勵(lì)可以滿足試驗(yàn)要求。

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

4.1 試驗(yàn)1

對(duì)第一組5個(gè)試樣施加頻率為10Hz、幅值為±5V的相同的正弦激勵(lì)電壓，每件試樣重復(fù)采集20次。將采集的數(shù)據(jù)經(jīng)軟件處理，如圖8所示，并對(duì)20次數(shù)據(jù)取平均，發(fā)現(xiàn)巴克豪森噪聲信號(hào)的均方根、均值、峰－峰值等存在相似的規(guī)律。故選取了變化率相對(duì)明顯的均方根進(jìn)行分析，其變化規(guī)律如圖9所示。可見隨著滲碳的有效硬化層深度的增加，巴克豪森噪聲信號(hào)的均方根值單調(diào)減小。

究其原因，鐵磁性材料的磁特性與材料的化學(xué)成分有很大的關(guān)系。對(duì)于碳鋼而言，含碳量的不同，材料的磁性差異很大。隨著含碳量的增大，材料的磁導(dǎo)率、剩磁、飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度都會(huì)下降，矯頑力則增大。由于巴克豪森噪聲信號(hào)是材料內(nèi)部磁疇翻轉(zhuǎn)形成的，故當(dāng)鐵磁性材料其它參數(shù)近似，只有滲碳的有效硬化層深度存在差異時(shí)，且磁化深度大于滲碳的有效硬化層時(shí)，硬化層越深的試樣的矯頑力會(huì)更大地抑制磁疇翻轉(zhuǎn)，從而導(dǎo)致巴克豪森噪聲信號(hào)減小。

4.2 試驗(yàn)2

對(duì)于第二組4個(gè)試樣，施加頻率為10Hz的正弦激勵(lì)電壓，同樣重復(fù)采集20次。取得巴克豪森噪聲信號(hào)均方根的平均值，如表3所示。試樣6，7，9的均方根值保持如試驗(yàn)1中的規(guī)律，隨有效硬化層深增加而減??；然而試樣8的數(shù)據(jù)出現(xiàn)反?，F(xiàn)象，反而比層深更深的9號(hào)試樣的均方根值小。由于此4個(gè)試樣的馬氏體、奧氏體、碳化物等指標(biāo)依然相似，且8號(hào)與9號(hào)試樣的硬度值相當(dāng)，僅僅是晶間氧化物尺寸存在較大差異。對(duì)此，Davut曾在2007年提出MBN信號(hào)包絡(luò)線的峰值隨著材料微觀組織中球狀滲碳體的含量增加而減小；Moorthy在1997年也得出層狀滲碳體組織的釘扎能力遠(yuǎn)弱于球狀滲碳體的結(jié)論［7］，故推測(cè)當(dāng)晶間氧化物尺寸增大時(shí)，相當(dāng)于層狀滲碳組織球狀化，導(dǎo)致釘扎能力的增強(qiáng)，從而阻礙磁疇翻轉(zhuǎn)，導(dǎo)致巴克豪森噪聲信號(hào)特征值的減小。

表3 第二組4個(gè)試樣的參數(shù)指標(biāo)

5 結(jié)語

采用巴克豪森噪聲檢測(cè)的方法，試驗(yàn)論證了巴克豪森噪聲信號(hào)與齒輪材料18CrNiMo7－6鋼的滲碳有效硬化層深度之間的關(guān)系，得到了以下結(jié)論：

（1）在硬度、馬氏體含量、奧氏體含量、碳化物含量等指標(biāo)近似的情況下，巴克豪森噪聲信號(hào)特征值（如均方根、均值、峰－峰值等）隨著18CrNiMo7－6鋼滲碳的有效硬化層深度的增大而減小。

（2）由于滲碳后鐵磁性材料微觀結(jié)構(gòu)中的球狀滲碳組織的釘扎能力遠(yuǎn)強(qiáng)于層狀滲碳體組織，故可認(rèn)為晶間氧化物的尺寸也會(huì)影響巴克豪森噪聲的幅值。

［1］李光瑾，葉儉，祝兵壽，等.滲碳齒輪有效硬化層深度的確定和和齒輪疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)方法［J］.柴油機(jī)設(shè)計(jì)與制造，2010，16（3）：36－41.

［2］李學(xué)偉.關(guān)于滲碳齒輪有效硬化層的討論［J］.煤礦機(jī)械，2003（2）：33－34.

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