基于超聲技術(shù)的先進耐磨材料ZM4-13無損表征

李卓松，王奧博，閆曉倩，金 偉，馮智飛，李國華

（中國礦業(yè)大學(xué)（北京）機電與信息工程學(xué)院 材料科學(xué)與工程系，北京 100083）

耐磨材料是制造業(yè)重要的消耗材料，其主要作用就是被普遍應(yīng)用在以下各個領(lǐng)域：機械零部件構(gòu)件的制造、金屬的冶煉成型過程、電力系統(tǒng)的配置、建筑高樓大廈所用材料、國防科技的開發(fā)、艦船的生產(chǎn)與制造、有關(guān)交通運輸行業(yè)和液壓支架采煤機等采煤設(shè)備的制造生產(chǎn)過程、化工等領(lǐng)域，典型產(chǎn)品如冶金工業(yè)金屬軋機中的軋輥，電力工業(yè)磨煤機中的磨環(huán)、沖擊板和渣漿泵過流件等。耐磨產(chǎn)品消耗量巨大，現(xiàn)已構(gòu)成技術(shù)系列并已工程化和產(chǎn)業(yè)化的鑄造耐磨材料及其技術(shù)為以下5大類[1-3]：①奧氏體錳鋼（含Mn13鋼系列、Mn17鋼系列、Mn25鋼和Mn7鋼系列）；②耐磨損白口鑄鐵（含高鉻、中鉻和低鉻白口鑄鐵系列）；③非錳系耐磨損合金鋼（奧氏體錳鋼之外的耐磨合金鋼）；④耐磨損球墨鑄鐵；⑤耐磨損鋼鐵復(fù)合材料[4]。耐磨鋼鐵材料雖分為5大類，但已經(jīng)產(chǎn)業(yè)化的具體鋼（鐵）種牌號卻已超過百個，典型的牌號也有40~50個，而且各種牌號的生產(chǎn)工藝、力學(xué)性能和工業(yè)應(yīng)用效果均有不同，因此增加了企業(yè)生產(chǎn)管理和工藝操作的難度。

1 研究目的、背景及意義

無損檢測技術(shù)是以不傷害被檢測的物體表面與使用性能的前提下，對其內(nèi)部或者其表面進行探測，并及時發(fā)現(xiàn)其存在的各種宏觀缺陷，通過探測結(jié)果進行分析從而判斷出缺陷的位置、性質(zhì)、形狀及大小等信息。通過探測出的信息，還能分析出被檢測對象的服役狀態(tài)，力學(xué)性能等固有屬性，從而對其發(fā)展趨勢進行分析，預(yù)測，最終對其做出綜合性評價。無損檢測和傳統(tǒng)的檢測技術(shù)相比，所涉及的綜合知識面更廣，所涉及的技術(shù)領(lǐng)域更加的廣闊，對于材料本身所進行的綜合評定更加嚴密，更加靈活，更加科學(xué)[5]。

在國內(nèi)，對于多晶材料組織的超聲無損表征已經(jīng)取得了一定的成果。對具有多相結(jié)構(gòu)的合金鋼進行不同方式的熱處理，可以得到其不同轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的組織。利用超聲波聲速法、衰減特性分析及頻譜分析3種方法可以得出超聲波在不同組織中不同的傳播規(guī)律。利用這一特點，林莉[6-7]團隊表征了不同熱處理下3種鋼（40Cr、38CrMoAl及GCr15SiMn）的轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的顯微組織。有學(xué)者用超聲方法表征并評價了金屬薄片及低碳鋼球化組織的彈性模量，并提出了利用超聲測量聲壓透射系數(shù)譜的表征方法來對薄層的彈性模量進行無損表征。此外，其還利用超聲波聲速法對20號鋼組織的球化轉(zhuǎn)變程度進行了評價，實現(xiàn)了用超聲無損表征材料組織狀態(tài)。陳永昌[8]用超聲無損評價的方法得到隨著熱疲勞周次的不斷增加，徑向橫波和縱波聲速都不斷減小的規(guī)律。董志勇[9]用超聲衰減系數(shù)評估材料損傷，發(fā)現(xiàn)隨著使用時間的增加，超聲衰減也不斷增加。

目前對于合金鋼的熱處理產(chǎn)物的超聲檢測，僅僅停留在傳統(tǒng)的聲速法和超聲衰減系數(shù)法。而傳統(tǒng)的絕對衰減系數(shù)法對于實際的實驗條件也有著極為苛刻的要求，并且獲得比較高的探測精度也很難實現(xiàn)，也無法區(qū)分有效合金鋼的顯微組織成分，同時對于合金鋼本身性能之間的關(guān)系探究也僅僅浮于表面。本文提出建立聲學(xué)參數(shù)與耐磨性能之間關(guān)系的思路，意在通過比較不同熱處理產(chǎn)物超聲參量及耐磨性之間的差異，建立超聲表征耐磨材料新的數(shù)字化處理方法。本文主要使用超聲聲速法對先進耐磨材料ZM4-13鋼進行了超聲無損表征，希望能夠在無損表征方面起到一定的作用，在保證測試條件一致的情況下，比較了不同熱處理下ZM4-13的聲速，同時與耐磨性之間建立了聯(lián)系，得到了耐磨性能和聲速之間的相關(guān)性。在未來時如果有更好的設(shè)備，考慮用傅里葉變換來對材料內(nèi)部組織進行表征，建立一套全新的表征手段。

2 實驗

2.1 實驗方案

（1）本文將采用ZM4-13耐磨鋼作為這次實驗的實驗材料，ZM4-13是中煤張家口煤礦機械有限責任公司研制的產(chǎn)品。同時對ZM4-13材料在不同條件進行熱處理實驗，熱處理工藝見表1。使用友聯(lián)PXUT-280型數(shù)字超聲波檢測儀對不同熱處理實驗材料進行超聲實驗，收集超聲檢測儀不同試樣下所檢測出來的數(shù)據(jù)。

表1 試樣熱處理工藝

（2）選用M-2000環(huán)塊磨損實驗機對試樣進行摩擦磨損實驗，本文以線接觸滑動為該實驗的摩擦形式，通過稱量試樣磨損前、后的質(zhì)量對材料在不同工況下的磨損性能進行綜合性評價。并且本文使用GCr15剛作為對摩副材料。

（3）最后使用倒置顯微鏡對各個試樣進行顯微觀察，對不同熱處理條件下試樣的表面組織進行表征。

2.2 超聲實驗

我們在超聲測量階段挑選出來10Z6N探頭用于超聲檢測實驗。實驗過程中對探頭進行不同耦合力下的波形圖的測定，通過控制配重塊的數(shù)量進而控制耦合力大小。從一個配重塊開始依次疊加，直到波形穩(wěn)定后再開始卸載。對正火、淬火、退火、200℃回火、400℃回火和600℃回火共計6組，每組的3個平行試樣進行超聲實驗波形圖測量。記錄每個試樣5組波峰值，回波高度、波速及增益系數(shù)，進而測定聲速，為接下來的實驗做準備。

2.3 實驗結(jié)果分析

2.3.1 超聲實驗

10Z6N探頭對ZM4-13不同熱處理狀態(tài)的試樣測試出的聲速結(jié)果如圖1所示，由圖1可以看出，退火處理的聲速與其他狀態(tài)下的聲速有明顯差異，可以單獨區(qū)分出來；而正火與低溫回火只能歸為一類，淬火、中溫回火、高溫回火歸為一類。從而可以將熱處理后的試樣分為3種情況。

圖1 不同熱處理狀態(tài)下的聲速

2.3.2 磨損實驗

根據(jù)實際的工況，并且結(jié)合現(xiàn)有實驗機條件，本文將實驗載荷設(shè)置為200 N，時間設(shè)置為60 min，試驗機對摩副的轉(zhuǎn)速為200 r/min。每次實驗前用工業(yè)無水乙醇對各個試樣進行超聲清洗處理，除去試樣表面存在的雜質(zhì)與氧化層，清洗時間設(shè)置為15 min，溫度設(shè)置為20℃。之后再用吹風機將各個試樣吹干并稱重，之后立即進行磨損實驗，實驗結(jié)束后同樣使用超聲清洗儀，并用工業(yè)無水乙醇進行清洗，清洗完后稱重。將兩次稱重的結(jié)果進行比較，得出摩擦失重量（結(jié)果保留至小數(shù)點后4位）見表2。經(jīng)過多次實驗與分析后，實驗結(jié)果如圖2、圖3所示，進而得出結(jié)論，耐磨性情況：淬火大于回火大于正火大于退火。

圖2 不同熱處理下的平均摩擦系數(shù)

圖3 不同熱處理下的磨損失重量

表2 耐磨性能實驗情況

2.3.3 金相分析

①采用金相顯微鏡對試樣進行觀察，并使用晶粒度大小進行表征，如圖4所示，測得晶粒大小順序為退火大于正火大于淬火；②退火與正火的組織均為珠光體+鐵素體，退火的珠光體含量略少于正火，由于ZM4-13的碳含量在0.3%左右，所以無論退火還是正火，珠光體的含量均少于鐵素體；③淬火得到的是非平衡組織馬氏體，淬火組織除了得到馬氏體，還有殘余的奧氏體，此時組織為回火屈氏體。高溫回火溫度加熱至600℃，此時組織為回火索氏體。

圖4 不同熱處理狀態(tài)下的金相顯微組織

3 結(jié)論

（1）對不同熱處理后的試樣進行了多次耐磨性檢測，測得了不同熱處理情況下的ZM4-13摩擦失重量與摩擦系數(shù)，分析后得出結(jié)論：耐磨性情況為淬火大于回火大于正火大于退火，其中回火處理后的耐磨性能變化不大。

（2）在保證實驗條件相同的情況下，經(jīng)過探頭篩選后對ZM4-13 6種熱處理狀態(tài)的試樣采用10Z6N探頭進行檢測，并且用超聲檢測數(shù)據(jù)對試樣的熱處理狀態(tài)進行分類，聲速分散的只有正火與低溫回火，而退火處理后的試樣能單獨的區(qū)分出來，正火與低溫回火歸為一類，而淬火、中溫回火和高溫回火歸為一類。因此得出結(jié)論：聲速法能夠粗略的區(qū)分出不同熱處理下的產(chǎn)物。

（3）耐磨性與超聲聲速之間的關(guān)系還需要進行更加深入的研究。未來時如果有更好的設(shè)備，考慮用傅里葉變換來對材料內(nèi)部組織進行表征，建立1套全新的表征手段。