軸承零件的非相關磁痕顯示形貌及產(chǎn)生原因

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（洛陽LYC軸承有限公司，洛陽471003）

高碳鉻軸承鋼制鐵路的軸承零件，在制造及用戶驗收過程的磁粉檢測時，相關磁痕顯示及假磁痕顯示很少，發(fā)生幾率較高的多為非相關磁痕顯示。筆者列出了在高碳鉻軸承鋼制鐵路軸承零件磁粉探傷時，常見的一些非相關磁痕顯示的典型磁痕形貌圖片；結合失效分析手段，分析了非相關磁痕顯示產(chǎn)生的原因，判定了非相關磁痕顯示的性質(zhì)，并進行了歸類和總結。該方法有助于提高高碳鉻軸承鋼制軸承在制造及用戶驗收過程中，對各類非相關磁痕顯示的判斷準確率。

1 軸承零件用材料

制造鐵路客車、機車軸承套圈和滾動體的材料，大多數(shù)為高碳鉻軸承鋼GCr18Mo及GCr15；原材料的各項技術要求應符合鐵道部行業(yè)標準TB/T 2235－2010《鐵道車輛滾動軸承》技術條件中關于GCr18Mo及GCr15的規(guī)定要求。

標準明確規(guī)定，材料冶煉方式必須采用電渣重熔。GCr18Mo鋼廣泛用于制造車輛軸箱軸承中圓柱滾子軸承套圈、機車軸箱軸承套圈、鐵路提速客車軸承套圈中；GCr15鋼廣泛用于制造提速客車軸承滾子、機車軸承滾子、貨車軸承滾子中。

2 軸承零件非相關磁痕顯示的特點

筆者對原材料帶狀組織引起的非相關磁痕顯示的形貌進行了分類和總結，發(fā)現(xiàn)其產(chǎn)生的部位及分布規(guī)律有如下特征：① 套圈端面磁痕沿周向端面分布呈點狀及線狀磁痕。② 磁粉聚集沿套圈外徑、內(nèi)徑、內(nèi)滾道及外滾道的軸向磁痕。③ 沿套圈內(nèi)滾道、外滾道的周向磁痕，滾子滾道軸向磁痕。

另外，有些是因零件應力應變產(chǎn)生的磁痕，發(fā)現(xiàn)頻率較少。從磁痕的密集程度分：有單條、多條、數(shù)條，單點、多點、數(shù)點。從磁痕的形貌分：一種是有規(guī)律性的非相關磁痕，一種是隨機性的非相關磁痕。

3 軸承零件磁粉探傷

3.1 工藝流程

檢查設備各部分動作→各類工具檢查→軸承零件已磨削→按照要求設置參數(shù)→日常性能校驗→零件進行復合磁化→噴磁懸液→觀察及判定→退磁。

3.2 設備型號

套圈磁粉探傷機選用CJW－9000探傷機，滾子磁粉探傷機選用CJW－1500探傷機。

3.3 檢測方法和參數(shù)要求

均采用非熒光磁粉復合磁化濕法連續(xù)法檢測試驗，可同時發(fā)現(xiàn)工件表面全方位的缺陷。

根據(jù)零件的尺寸大小，選擇合適的磁粉檢測參數(shù)，避免磁場過低造成缺陷漏檢和磁場過強產(chǎn)生過飽和磁化，形成偽缺陷磁痕。

3.4 檢測規(guī)則

《鐵路客車輪軸組裝檢修及管理規(guī)則》和《鐵路貨車輪軸組裝檢修及管理規(guī)則》均要求鐵路軸承零件應進行100%的磁粉檢測。通過磁粉檢測，可以檢驗軸承零件存在的原材料缺陷（裂紋）、鍛造缺陷（折疊、過燒）、熱處理缺陷（淬火裂紋）及機械加工缺陷（磨削裂紋）等，也可發(fā)現(xiàn)各種非相關磁痕顯示。

4 軸承零件非相關磁痕形貌

4.1 因帶狀組織引起的非相關磁痕

眾所周知，原材料的帶狀組織形成的磁痕顯示為非相關磁痕顯示。

高碳鉻軸承鋼GCr18Mo和GCr15在鋼錠凝固時產(chǎn)生樹枝狀偏析，導致鋼的化學成分不均勻，在枝晶間隙中形成碳化物；鋼錠在軋制過程中，沿壓延方向被拉成帶狀，產(chǎn)生組織的不均勻性。

碳化物條帶組織是一種微觀組織形態(tài)，當碳化物成條帶分布明顯時，由于碳化物與基體的磁導率不同，從而在兩相界面處形成漏磁場，導致磁粉積聚成為磁痕顯示［1]。筆者收集了大量的磁痕顯示樣件，均為帶狀碳化物引起的各類形貌不同的非相關磁痕。大部分情況下，帶狀碳化物組織雖然會導致磁痕顯示，但其帶狀碳化物的級別并沒有超標。

帶狀碳化物組織所引起的磁痕具有如下特征：軸承套圈出現(xiàn)批量性的端面磁痕屬于偶發(fā)，比例較小的端面磁痕比較常見。不同部位表現(xiàn)不同的特征：套圈端面磁痕形貌有長有短，有點狀也有線狀；點狀磁痕較為密集，線狀磁痕有單條、多條及數(shù)條，均沿圓周方向分布。套圈外徑面、內(nèi)徑面及滾道面大致沿軸向分布，表現(xiàn)為單條、多條及數(shù)條；一般表現(xiàn)為局部分布，且數(shù)條磁痕同時出現(xiàn)，這種現(xiàn)象比較常見。磁痕具有重現(xiàn)性，即使重新過磨甚至磨削多遍，也無法消除此種磁痕形貌；磁痕顯示的方向比較整齊，磁痕輪廓不分明，磁粉吸附與相關磁痕相比較為松散；擦掉磁痕后，肉眼外觀未見任何缺陷；擦去磁痕后在放大鏡下觀察原磁痕處，未發(fā)現(xiàn)有裂紋分布；在該磁痕部位截取試樣后在顯微鏡下觀察，未見裂紋缺陷特征；缺陷處未發(fā)現(xiàn)材料夾雜物分布；冷酸洗腐蝕后無脫貧碳和燒傷。與發(fā)紋磁痕的區(qū)別：非常細小，均勻而不濃密，但輪廓清晰（發(fā)紋是沿著圓鋼鋼材纖維組織方向分布的磁痕顯示）。

通過解剖大量的磁痕樣件，并觀察其微觀組織表明，磁痕的形成與碳化物聚集有關。

排除各類影響因素，如套圈的磨削燒傷、熱處理組織的影響等，再進行分析和檢驗，可以確定此類磁痕并不是裂紋缺陷磁痕。碳化物條帶如未超出相關標準的技術要求，則沒有必要對此類磁痕控制過嚴。

4.1.1 內(nèi)圈滾道面磁痕形貌

圖1（a）、（b）反映了內(nèi)圈滾道面的不同形態(tài)的磁痕顯示特征和分布形貌，圖1（c）、（d）分別代表圖1（a）、（b）磁痕處對應的金相組織，可見有帶狀碳化物分布。外觀檢查，磁痕位于軸承內(nèi)圈滾道，呈線狀，大致沿軸向分布，長約8 mm，形貌如圖1（a）所示；磁痕位于軸承內(nèi)圈滾道、斜坡處，呈現(xiàn)數(shù)條，且多沿軸向分布，長短不一，最長的一條約為15 mm，磁痕形貌如圖1（b）所示。

圖1 內(nèi)圈滾道面磁痕及帶狀組織形貌

4.1.2 外圈外徑面磁痕形貌

圖2（a）、（b）反映了外圈外徑面有多條長短不一，沿軸向不同形態(tài)的磁痕顯示特征和分布形貌；在顯微鏡下觀察，原磁痕處的金相及截面組織均可見該處有帶狀碳化物分布，圖2（c）反映了圖2（a）的磁痕組織形貌；圖2（d）反映了圖2（b）的磁痕處對應的截面組織分布形貌。

圖2 外圈外徑面及帶狀組織形貌

4.1.3 內(nèi)圈內(nèi)徑面及外圈滾道面軸向磁痕形貌

進行外觀檢查，發(fā)現(xiàn)內(nèi)圈內(nèi)徑面和外圈滾道沿軸向分布有數(shù)條磁痕，分別如圖3（a）、（b）所示；其原磁痕處的帶狀組織形貌分別如圖3（c）、（d）所示。

圖3 內(nèi)圈內(nèi)徑及外圈滾道磁痕及組織形貌

4.1.4 端面磁痕形貌

套圈端面（打字面或非打字面均有）分布有多種形貌的磁痕。沿周向分布許多密密麻麻的點狀磁痕；有的靠外內(nèi)徑有一側占的比例較大，有的集中于端面某個區(qū)域；其形貌如圖4（a）所示，觀察端面磁痕組織和截面組織均有帶狀組織分布，如圖4（e）所示，為截面處金相組織分布。多條短線狀端面聚集有大面積粗磁痕，且長短不一，如圖4（b）所示；圖4（f）為其截面處帶狀碳化物組織分布。

套圈端面磁痕形貌與周向有一定的角度分布，呈角度型數(shù)條磁痕分布，如圖4（c），（g）為其截面處金相組織分布。

進行外觀檢查，發(fā)現(xiàn)磁痕呈短線狀，長短不一，且大致沿圓周方向密集分布，其形貌如圖4（d）所示；反映端面磁痕處金相組織如圖4（h）所示。

圖4 套圈端面周向磁痕及組織形貌

依照標準TB/T 3010《鐵道車輛滾動軸承高碳鉻軸承鋼訂貨技術條件》，上述帶狀組織評級均不超標。

4.2 機械加工因素引起的非相關磁痕顯示

套圈外徑表面有聚粉現(xiàn)象的直接原因是：套圈被磁化時，外徑表面有磕碰的區(qū)域因為產(chǎn)生塑性變形和冷作硬化，形成局部漏磁場，磁粉粒子被漏磁場吸附而聚集形成磁痕；當表面磕碰傷、劃傷被繼續(xù)磨削加工消除后，雖肉眼觀察不到明顯的磕碰痕跡，但因其表面殘余內(nèi)應力未完全消失，該部位仍會形成微弱的漏磁場而吸附磁粉，這類磁痕屬于非相關磁痕。尤其是在產(chǎn)生塑性變形的冷作硬化部位，漏磁場增強，吸附磁粉明顯，因此，縱向磁化電流過大造成外徑面周向磁痕加?。?]。

鐵路軸承零件外表面發(fā)生磕碰傷，產(chǎn)生塑性變形和冷卻硬化，其磁痕形貌如圖5所示。分析方法是首先觀察磁痕相貌，然后橫向切取原磁痕處再制成金相試樣后觀察，缺陷處未發(fā)現(xiàn)材料夾雜物分布。冷酸腐蝕后觀察，缺陷處未發(fā)現(xiàn)脫貧碳及磨削燒傷。如圖5（a）所示，軸承滾子外徑面有三條磁痕，沿圓周方向分布，相互平行，長度約為3～6 mm，該磁痕為機械傷所致。檢測車輛段時發(fā)現(xiàn)，軸承內(nèi)圈滾道有磁痕，如圖5（b）所示，呈線狀，大致沿圓周方向分布，磁痕較分散，聚集程度不高，長約7 mm，擦去磁痕后在放大鏡下觀察原磁痕處，未發(fā)現(xiàn)有裂紋分布。依據(jù)上述分析，該缺陷為非相關磁痕。

還有一種是機械劃傷所致的內(nèi)徑面周向分布磁痕，呈現(xiàn)線狀分布，長度為2～6 mm，如圖5（c）所示；圖5（d）中劃傷沿軸向方向分布。該類磁痕的形貌大小長短不一，形態(tài)各異，嚴重者有局部塑性變形，也有輕微劃傷。

圖5 機械劃傷磁痕

4.3 流線磁痕

從磁痕分布的面積來看：流線磁痕有數(shù)條短線磁痕沿圓周方向分布，對此類磁痕形貌觀察，可以看到沿磁痕面積寬度方向從外圈滾道距離端面1/4高度到1/2高度有分布；流線磁痕總長度分布占套圈周長的1/4～2/3，有的甚至整圈均稀疏分布，如圖6（a）、（b）所示；觀察單個磁痕呈線狀，沿圓周方向分布，長度為1～6 mm，且在整個滾道周向均有數(shù)條線狀磁痕分布。流線磁痕分布在工件滾道面，分布面積廣泛，且均沿滾道周向分布。對其磁痕進行解剖和斷面流線顯示，可知此類磁痕與流線有關。外觀滾子外徑面呈現(xiàn)不是十分清晰可見的虛磁痕，沿滾道材料軋制方向分布有數(shù)條磁痕，拋光腐蝕后觀察無任何組織缺陷，無裂紋，這種磁痕形貌罕見，其形貌如圖6（c）所示。

圖6 外圈滾道流線型磁痕及滾子虛磁痕

5 結語

（1）因原材料帶狀組織引起的軸承零件的非相關磁痕產(chǎn)生幾率較高，雖然磁痕處的帶狀組織有時不超標，但會導致此類組織出現(xiàn)磁痕。由于碳化物條帶未超出相關標準的技術要求，因此沒有必要對此類磁痕過嚴控制。

（2）對國內(nèi)鋼廠生產(chǎn)的電渣重熔鋼，應采取措施提高原材料帶狀碳化物的均勻性，減少此類非相關磁痕的產(chǎn)生，最大限度地滿足鐵路安全生產(chǎn)所要求的材料純凈度；同時軸承制造廠家應對進廠原材料實施塔形試樣檢驗，避免因帶狀組織引起的批量非相關磁痕發(fā)生。

（3）軸承在加工、檢測、搬運、組裝等環(huán)節(jié)應避免磕碰傷，減少由于零件表面冷作硬化而導致的非相關磁痕。

［1]熊瑛，付立群，楊克杰.碳化物聚集形成的磁痕分析［J].無損檢測，2008，30（11）：836－837.

［2]包順毅.提速客車軸承套圈外徑面周向聚粉現(xiàn)象的原因分析及預防措施［J].軸承，2007（12）：28－30.