齿轮材料有效硬化层深度对巴克豪森噪声信号的影响

曹 锐，王 平，田贵云，2，丁 松

（1.南京航空航天大学 自动化学院，南京 210016；2.Newcastle大学 电子电力与计算机工程学院，Newcastle，UK）

齿轮是一种应用广泛的机械传动零件，在机械装备中起着传递动力、改变转速和旋转方向的重要作用［1］。如今高速重载齿轮的应用日益广泛，对齿轮的传动性能和材料质量提出了更高要求。

统计分析表明，齿轮的失效主要是齿轮表面的接触疲劳和齿根部的弯曲疲劳。在工业生产中，大多采用渗碳或碳氮共渗淬火的表面热处理，以提高齿轮的耐磨、抗疲劳强度等性能。实践证明，随着渗碳的有效硬化层深度的增加，齿轮的抗弯强度、多冲压缩抗力等都得到提高。但有效硬化层深度过大，表面耐压强度反而下降，同时导致渗碳时间延长，降低生产效率，浪费资源［2］。因此，确定合理的渗碳有效硬化层深度，对提高齿轮的承载力，延长齿轮使用寿命显得非常重要［3］。

渗碳（渗碳氮）齿轮齿面的有效硬化层深度是指终加工齿表面至芯部硬度为Hv550（维氏硬度值）处的垂直距离，如图1所示。国际上目前普遍采用硬度法测量有效硬化层深度。以下探索巴克豪森噪声信号与有效硬化层深度的关系，寻求一种基于电磁无损检测的方法。

1 巴克豪森检测原理

1919年，德国物理学家Barkhausen［4］发现铁磁材料在进行交变磁化时，会发出磁磁的响声。通过检测线圈可以拾取该噪声信号，称做巴克豪森噪声，简称 MBN（Magnetic Barkhausen Noise）。

图1 渗碳齿轮齿面有效硬化层深度

MBN信号产生的本质归结于磁畴和磁畴壁的移动，是铁磁性材料中微观结构发生变化所导致的。铁磁材料是由不同取向的小磁畴组成。铁磁物质被交流磁场磁化时，在磁化曲线的过零点处，其磁化是阶梯式的不可逆的跳跃过程，如图2所示；这种不连续的磁化来源于铁磁材料内部90°，180°畴壁错动［5］，会导致磁畴发生一定规则的取向，使材料内部产生一系列突变，从而发出阶跃式的脉冲信号，即为巴克豪森磁噪声，如图3所示。

由于有效硬化层深影响材料表面的硬度和耐磨性，硬度的增大会引起矫顽力的增加，从而导致材料微观结构下的钉扎作用的加强，限制磁畴的迁徙运动。由巴克豪森噪声信号的产生原理可知，磁畴的翻转运动减弱，必然会导致MBN信号的减小。所以可以通过巴克豪森噪声方法检测分析材料有效硬化层深这一指标。

2 检测试样

2.1 试验材料

试验选用齿轮加工常用材料18CrNiMo7－6钢，其化学成分如表1所示。车床加工为φ40mm的圆棒。

2.2 热处理工艺

进炉前精车除去圆棒试样表面的氧化皮，再经过两段渗碳（强渗、扩散）→淬火→低温回火。渗碳淬火工艺曲线图［6］如图4所示。

表1 18CrNiMo7－6钢的化学成分

试验中控制不同的渗碳时间，得到了两组具有不同渗碳有效硬化层深，但硬度、残奥含量、马氏体含量等参数相似的圆棒检测试件。第一组5个试样的指标如表2所示。其中碳化物、马氏体等指标都是通过金相法评定的等级。

表2 第一组5个试样的参数指标

3 检测设备与磁化深度

3.1 检测设备

图2 磁化过程曲线

图3 巴克豪森磁噪声时域分布

图4 试验钢种的热处理工艺曲线

图5 巴克豪森信号检测系统

巴克豪森信号检测设备系统框图如图5所示。整个系统由传感器（U型磁轭、激励线圈和接收线圈）、磁化电路、信号调理电路、采集卡和PC数据处理五大部分组成。传感器与试样侧面相互接触。信号发生电路产生正弦波，经过双极性功率放大器，形成频率10Hz、幅值±5V的激励信号。其经过激励线圈，产生足够大的磁场，通过U型磁轭对接触试样进行磁化。产生的巴克豪森信号由接收线圈（一个绕有漆包线的圆柱形铁氧体磁芯）采集，经过信号调理电路，滤除激励信号的影响，将经过放大的MBN信号通过采集卡接入PC机，在上位机对信号软件进行处理，提取出如均方根、平均值、峰－峰值、包络线、峰宽比、FFT等特征值。

3.2 磁化深度

由于检测试件渗碳后有效硬化层最深达到4.322mm，为了分析MBN信号与有效硬化层深的关系，需确保磁化深度大于有效硬化层深。故使用了Comsol Multiphysics多物理场耦合有限元仿真软件对磁化深度进行了仿真试验。

首先确定激励线圈与试样的二维几何模型，如图6所示。随后进行网格的划分，将求解域近似为具有不同大小和形状但彼此相连的有限个单元组成的离散域。

对线圈施加载荷进行求解，其中激励幅值选定为10Hz，电流密度为2×106A·m－2（即幅值±5 V转化到相应电流密度）的正弦波。所选的铁磁性材料的相对磁导率μr＝583，电导率σ＝7.14×106Ω－1m－1。求得1s时被磁化试件的磁感应强度仿真分布如图7所示。

图6 仿真二维几何模型

图7 磁场强度仿真分布图

图8 检测仪器显示界面

由图7可看出，在离接触基准面以下5mm处，磁场强度依然接近0.1T，能够满足磁化要求，故选用的励磁激励可以满足试验要求。

4 试验结果及分析

4.1 试验1

对第一组5个试样施加频率为10Hz、幅值为±5V的相同的正弦激励电压，每件试样重复采集20次。将采集的数据经软件处理，如图8所示，并对20次数据取平均，发现巴克豪森噪声信号的均方根、均值、峰－峰值等存在相似的规律。故选取了变化率相对明显的均方根进行分析，其变化规律如图9所示。可见随着渗碳的有效硬化层深度的增加，巴克豪森噪声信号的均方根值单调减小。

究其原因，铁磁性材料的磁特性与材料的化学成分有很大的关系。对于碳钢而言，含碳量的不同，材料的磁性差异很大。随着含碳量的增大，材料的磁导率、剩磁、饱和磁感应强度都会下降，矫顽力则增大。由于巴克豪森噪声信号是材料内部磁畴翻转形成的，故当铁磁性材料其它参数近似，只有渗碳的有效硬化层深度存在差异时，且磁化深度大于渗碳的有效硬化层时，硬化层越深的试样的矫顽力会更大地抑制磁畴翻转，从而导致巴克豪森噪声信号减小。

4.2 试验2

对于第二组4个试样，施加频率为10Hz的正弦激励电压，同样重复采集20次。取得巴克豪森噪声信号均方根的平均值，如表3所示。试样6，7，9的均方根值保持如试验1中的规律，随有效硬化层深增加而减小；然而试样8的数据出现反常现象，反而比层深更深的9号试样的均方根值小。由于此4个试样的马氏体、奥氏体、碳化物等指标依然相似，且8号与9号试样的硬度值相当，仅仅是晶间氧化物尺寸存在较大差异。对此，Davut曾在2007年提出MBN信号包络线的峰值随着材料微观组织中球状渗碳体的含量增加而减小；Moorthy在1997年也得出层状渗碳体组织的钉扎能力远弱于球状渗碳体的结论［7］，故推测当晶间氧化物尺寸增大时，相当于层状渗碳组织球状化，导致钉扎能力的增强，从而阻碍磁畴翻转，导致巴克豪森噪声信号特征值的减小。

表3 第二组4个试样的参数指标

5 结语

采用巴克豪森噪声检测的方法，试验论证了巴克豪森噪声信号与齿轮材料18CrNiMo7－6钢的渗碳有效硬化层深度之间的关系，得到了以下结论：

（1）在硬度、马氏体含量、奥氏体含量、碳化物含量等指标近似的情况下，巴克豪森噪声信号特征值（如均方根、均值、峰－峰值等）随着18CrNiMo7－6钢渗碳的有效硬化层深度的增大而减小。

（2）由于渗碳后铁磁性材料微观结构中的球状渗碳组织的钉扎能力远强于层状渗碳体组织，故可认为晶间氧化物的尺寸也会影响巴克豪森噪声的幅值。

［1］李光瑾，叶俭，祝兵寿，等.渗碳齿轮有效硬化层深度的确定和和齿轮疲劳强度试验方法［J］.柴油机设计与制造，2010，16（3）：36－41.

［2］李学伟.关于渗碳齿轮有效硬化层的讨论［J］.煤矿机械，2003（2）：33－34.

［3］周尚臣，钟国欣，吴辉.渗碳齿轮的接触疲劳与渗碳层深度［J］.一重技术，2002（4）：36－38.

［4］TITTO K.Use of Barkhausen effect in testing for residual stresses and material detects［J］.Nondestructive Testing Australia，1989，26（2）：458－467.

［5］JAGADISH C，CLAPHAM L，ATHERTON D L.Influence of uniaxial elastic stress on power spectrum and pulse height distribution of surface Barkhausen noise in pipeline steel［J］.Magnetics IEEE Transactions，1990，26（3）：1160－1163.

［6］封珂，朱百智，郭祺龙，等.18CrNiMo7－6和 20CrNi2Mo钢渗碳工艺参数优化与应用［J］.金属热处理，2010（6）：63－66.

［7］SUVI Santa－aho，MINNAMARI VIPPOLA，AKI SORSA，et al.Development of Barkhausen noise calibration blocks for reliable grinding burn detection［J］.Journal of Materials Processing Technology，2012（212）：408－416.