基于超声技术的先进耐磨材料ZM4-13无损表征

李卓松，王奥博，闫晓倩，金 伟，冯智飞，李国华

（中国矿业大学（北京）机电与信息工程学院 材料科学与工程系，北京 100083）

耐磨材料是制造业重要的消耗材料，其主要作用就是被普遍应用在以下各个领域：机械零部件构件的制造、金属的冶炼成型过程、电力系统的配置、建筑高楼大厦所用材料、国防科技的开发、舰船的生产与制造、有关交通运输行业和液压支架采煤机等采煤设备的制造生产过程、化工等领域，典型产品如冶金工业金属轧机中的轧辊，电力工业磨煤机中的磨环、冲击板和渣浆泵过流件等。耐磨产品消耗量巨大，现已构成技术系列并已工程化和产业化的铸造耐磨材料及其技术为以下5大类[1-3]：①奥氏体锰钢（含Mn13钢系列、Mn17钢系列、Mn25钢和Mn7钢系列）；②耐磨损白口铸铁（含高铬、中铬和低铬白口铸铁系列）；③非锰系耐磨损合金钢（奥氏体锰钢之外的耐磨合金钢）；④耐磨损球墨铸铁；⑤耐磨损钢铁复合材料[4]。耐磨钢铁材料虽分为5大类，但已经产业化的具体钢（铁）种牌号却已超过百个，典型的牌号也有40~50个，而且各种牌号的生产工艺、力学性能和工业应用效果均有不同，因此增加了企业生产管理和工艺操作的难度。

1 研究目的、背景及意义

无损检测技术是以不伤害被检测的物体表面与使用性能的前提下，对其内部或者其表面进行探测，并及时发现其存在的各种宏观缺陷，通过探测结果进行分析从而判断出缺陷的位置、性质、形状及大小等信息。通过探测出的信息，还能分析出被检测对象的服役状态，力学性能等固有属性，从而对其发展趋势进行分析，预测，最终对其做出综合性评价。无损检测和传统的检测技术相比，所涉及的综合知识面更广，所涉及的技术领域更加的广阔，对于材料本身所进行的综合评定更加严密，更加灵活，更加科学[5]。

在国内，对于多晶材料组织的超声无损表征已经取得了一定的成果。对具有多相结构的合金钢进行不同方式的热处理，可以得到其不同转变产物的组织。利用超声波声速法、衰减特性分析及频谱分析3种方法可以得出超声波在不同组织中不同的传播规律。利用这一特点，林莉[6-7]团队表征了不同热处理下3种钢（40Cr、38CrMoAl及GCr15SiMn）的转变产物的显微组织。有学者用超声方法表征并评价了金属薄片及低碳钢球化组织的弹性模量，并提出了利用超声测量声压透射系数谱的表征方法来对薄层的弹性模量进行无损表征。此外，其还利用超声波声速法对20号钢组织的球化转变程度进行了评价，实现了用超声无损表征材料组织状态。陈永昌[8]用超声无损评价的方法得到随着热疲劳周次的不断增加，径向横波和纵波声速都不断减小的规律。董志勇[9]用超声衰减系数评估材料损伤，发现随着使用时间的增加，超声衰减也不断增加。

目前对于合金钢的热处理产物的超声检测，仅仅停留在传统的声速法和超声衰减系数法。而传统的绝对衰减系数法对于实际的实验条件也有着极为苛刻的要求，并且获得比较高的探测精度也很难实现，也无法区分有效合金钢的显微组织成分，同时对于合金钢本身性能之间的关系探究也仅仅浮于表面。本文提出建立声学参数与耐磨性能之间关系的思路，意在通过比较不同热处理产物超声参量及耐磨性之间的差异，建立超声表征耐磨材料新的数字化处理方法。本文主要使用超声声速法对先进耐磨材料ZM4-13钢进行了超声无损表征，希望能够在无损表征方面起到一定的作用，在保证测试条件一致的情况下，比较了不同热处理下ZM4-13的声速，同时与耐磨性之间建立了联系，得到了耐磨性能和声速之间的相关性。在未来时如果有更好的设备，考虑用傅里叶变换来对材料内部组织进行表征，建立一套全新的表征手段。

2 实验

2.1 实验方案

（1）本文将采用ZM4-13耐磨钢作为这次实验的实验材料，ZM4-13是中煤张家口煤矿机械有限责任公司研制的产品。同时对ZM4-13材料在不同条件进行热处理实验，热处理工艺见表1。使用友联PXUT-280型数字超声波检测仪对不同热处理实验材料进行超声实验，收集超声检测仪不同试样下所检测出来的数据。

表1 试样热处理工艺

（2）选用M-2000环块磨损实验机对试样进行摩擦磨损实验，本文以线接触滑动为该实验的摩擦形式，通过称量试样磨损前、后的质量对材料在不同工况下的磨损性能进行综合性评价。并且本文使用GCr15刚作为对摩副材料。

（3）最后使用倒置显微镜对各个试样进行显微观察，对不同热处理条件下试样的表面组织进行表征。

2.2 超声实验

我们在超声测量阶段挑选出来10Z6N探头用于超声检测实验。实验过程中对探头进行不同耦合力下的波形图的测定，通过控制配重块的数量进而控制耦合力大小。从一个配重块开始依次叠加，直到波形稳定后再开始卸载。对正火、淬火、退火、200℃回火、400℃回火和600℃回火共计6组，每组的3个平行试样进行超声实验波形图测量。记录每个试样5组波峰值，回波高度、波速及增益系数，进而测定声速，为接下来的实验做准备。

2.3 实验结果分析

2.3.1 超声实验

10Z6N探头对ZM4-13不同热处理状态的试样测试出的声速结果如图1所示，由图1可以看出，退火处理的声速与其他状态下的声速有明显差异，可以单独区分出来；而正火与低温回火只能归为一类，淬火、中温回火、高温回火归为一类。从而可以将热处理后的试样分为3种情况。

图1 不同热处理状态下的声速

2.3.2 磨损实验

根据实际的工况，并且结合现有实验机条件，本文将实验载荷设置为200 N，时间设置为60 min，试验机对摩副的转速为200 r/min。每次实验前用工业无水乙醇对各个试样进行超声清洗处理，除去试样表面存在的杂质与氧化层，清洗时间设置为15 min，温度设置为20℃。之后再用吹风机将各个试样吹干并称重，之后立即进行磨损实验，实验结束后同样使用超声清洗仪，并用工业无水乙醇进行清洗，清洗完后称重。将两次称重的结果进行比较，得出摩擦失重量（结果保留至小数点后4位）见表2。经过多次实验与分析后，实验结果如图2、图3所示，进而得出结论，耐磨性情况：淬火大于回火大于正火大于退火。

图2 不同热处理下的平均摩擦系数

图3 不同热处理下的磨损失重量

表2 耐磨性能实验情况

2.3.3 金相分析

①采用金相显微镜对试样进行观察，并使用晶粒度大小进行表征，如图4所示，测得晶粒大小顺序为退火大于正火大于淬火；②退火与正火的组织均为珠光体+铁素体，退火的珠光体含量略少于正火，由于ZM4-13的碳含量在0.3%左右，所以无论退火还是正火，珠光体的含量均少于铁素体；③淬火得到的是非平衡组织马氏体，淬火组织除了得到马氏体，还有残余的奥氏体，此时组织为回火屈氏体。高温回火温度加热至600℃，此时组织为回火索氏体。

图4 不同热处理状态下的金相显微组织

3 结论

（1）对不同热处理后的试样进行了多次耐磨性检测，测得了不同热处理情况下的ZM4-13摩擦失重量与摩擦系数，分析后得出结论：耐磨性情况为淬火大于回火大于正火大于退火，其中回火处理后的耐磨性能变化不大。

（2）在保证实验条件相同的情况下，经过探头筛选后对ZM4-13 6种热处理状态的试样采用10Z6N探头进行检测，并且用超声检测数据对试样的热处理状态进行分类，声速分散的只有正火与低温回火，而退火处理后的试样能单独的区分出来，正火与低温回火归为一类，而淬火、中温回火和高温回火归为一类。因此得出结论：声速法能够粗略的区分出不同热处理下的产物。

（3）耐磨性与超声声速之间的关系还需要进行更加深入的研究。未来时如果有更好的设备，考虑用傅里叶变换来对材料内部组织进行表征，建立1套全新的表征手段。