不銹鋼調整墊圈線性磁痕顯示的分析

畢 波，張 策，劉素平，李 凌

(中國航發(fā)航空科技股份有限公司，成都 610503)

對某調整墊圈(材料為9Cr18不銹鋼，零件尺寸如圖1所示)進行中心導體法熒光磁粉檢測時，在墊圈內孔發(fā)現(xiàn)多條軸向線性磁痕顯示(見圖2)，與發(fā)紋顯示的形貌非常相似；且部分顯示明亮、兩頭尖細，與裂紋顯示較為相似。

圖1 調整墊圈尺寸示意

圖2 調整墊圈的線性磁痕顯示

對調整墊圈的其他區(qū)域進行磁粉檢測，未發(fā)現(xiàn)有異常磁痕顯示。在白光下用放大鏡對內孔進行目視觀察，未發(fā)現(xiàn)有表面顯示痕跡。

可見，該類磁痕顯示難以分辨，給磁粉檢測工作帶來了極大困擾。

筆者從多個方面進行了分析，最終確認了顯示的性質，并通過試驗優(yōu)化磁化工藝參數(shù)，排除了該類線性磁痕顯示的影響。

1 磁痕顯示性質的確定

1.1 熒光滲透檢測法復查零件

用超聲波清洗機清洗零件后，對零件進行熒光滲透檢測(親水性后乳化4級靈敏度)，未發(fā)現(xiàn)任何顯示。

1.2 金相法檢查

為確定線性磁痕顯示的性質，分別對線性磁痕顯示部位的橫截面和縱截面磨制高倍試樣進行觀察。觀察發(fā)現(xiàn)了兩個截面方向均有金相組織不均勻現(xiàn)象，縱截面上可見帶狀偏析的特征：方向、位置與磁粉顯示的方向和位置一致，如圖3(a)所示，且未見裂紋、發(fā)紋和冶金夾雜等缺陷；高倍下觀察可見帶狀組織為碳化物偏析，如圖3(b)所示。

圖3 縱截面磨制試樣的金相照片

由以上分析可知，調整墊圈的磁痕顯示與碳化物帶狀偏析有關。

1.3 磁痕形成原因分析

9Cr18不銹鋼材料為高鉻馬氏體不銹鋼，化學成分(質量分數(shù))如下：C為0.90%1.00%,Mn不大于0.70%，Si不大于0.80%，S不大于0.025%，P不大于0.030%，Cr為17.00%19.00%，Ni不大于0.60%。鉻比鐵更容易與碳結合，使得碳和鉻在材料中的分布出現(xiàn)不均勻現(xiàn)象，從而形成鉻的碳化物偏析[1-3]。

由于碳化物偏析的磁導率比基體的低，磁粉檢測時在碳化物偏析處會形成漏磁場，從而形成線性磁痕顯示[4]。

2 磁痕顯示形成的試驗分析

2.1 原磁化工藝分析

該調整墊圈內孔的磁粉檢測采用濕法熒光磁粉三相全波整流電中心導體連續(xù)法檢測，按HB/Z 72-1998 《磁粉檢測》相關要求，磁化規(guī)范的確定如下：① 由標準中給出的公式計算所需施加的磁化電流值(安匝數(shù))；② 用標準中規(guī)定的標準試片估計法估計所施加的磁場強度大?。虎?由毫特斯拉計測定所施加的磁場強度。

必要時，可綜合運用幾種方法。

且該標準中規(guī)定，磁粉檢測所需施加的磁場強度沿制件表面的切向分量最小值分別為2 400 A·m-1(連續(xù)法)和8 000 A·m-1(剩磁法)，應確保磁化時制件受檢部位的磁場強度均不小于最小值。由于該零件內孔的結構限制，使用標準試片和毫特斯拉計均較為不便，且該零件形狀規(guī)則，因此采用公式法確定磁化電流。

HB/Z 72-1998中關于中心導體法的公式規(guī)定如表1所示(表中I為電流，D為制件直徑，對非圓柱形制件D=周長/π)。

表1 中心導體法經(jīng)驗公式

9Cr18為高磁導率材料，驗收要求為不允許發(fā)紋、裂紋缺陷，按標準相關規(guī)定，為發(fā)現(xiàn)試件表面及近表面的缺陷，使用三相全波整流電(以下試驗過程無特殊說明均使用三相全波整流電),按公式I=20D,選取內孔磁化電流值為360 A。

以該電流對零件內孔進行磁化檢查時，即發(fā)現(xiàn)如圖2所示的線性磁痕顯示。

2.2 降低磁化電流試驗

將零件退磁，從100 A開始,逐步增大磁化電流，對零件進行磁粉檢測，記錄檢測顯示結果,如表2所示。

磁場強度應根據(jù)所需的檢測靈敏度要求、制件條件及檢測條件等來確定，但磁場強度不應太大，以免磁粉的非相關顯示聚集掩蓋相關磁痕顯示[5]。

筆者懷疑I=20D的磁化電流在零件內孔產生了過大的磁場強度，從而引起碳化物偏析的過強顯示。

2.3 塔形試樣的檢測試驗

該調整墊圈由φ60 mm的棒料加工而成，為進一步探究偏析顯示的分布狀況及偏析磁痕顯示的特性，用該棒料加工一特殊塔形試樣，其尺寸如圖4所示。

表2 不同磁化電流的磁痕顯示

圖4 塔形試樣尺寸示意

對該塔形試樣進行直接通電法磁粉檢測，觀察不同通電電流下各階梯偏析磁粉顯示的分布情況，并用毫特斯拉計測量相應電流下各階梯的表面切向磁場強度,結果如表3所示。

由表3可以看到：① 偏析磁痕顯示主要集中于材料的芯部，在直徑較大部位無明顯磁痕顯示出現(xiàn)或磁痕顯示不強烈。② 在磁痕顯示較為集中的芯部,當試樣表面切向磁場強度小于2 400 A·m-1時，該部位無明顯磁痕顯示出現(xiàn)；當試樣表面部位切向磁場強度在2 4004 000 A·m-1時，該部位出現(xiàn)部分磁痕顯示，顯示呈線性，沿試樣軸向，但顯示不強烈，與發(fā)紋、裂紋顯示區(qū)別較大；當試樣表面部位切向磁場強度大于4 000 A·m-1時，軸向線性磁痕顯示強烈，顯示形貌與發(fā)紋相似，部分顯示尾端尖細，與裂紋相似。

通過試驗，筆者認為，表面切向磁場強度控制在2 4004 000 A·m-1之間，是9Cr18材料零件選取磁化規(guī)范時較為理想的范圍，在此范圍內，既滿足HB/Z 72-1998表面切向磁場強度不小于2 400 A·m-1的要求，又不至于造成偏析磁痕的強烈顯示而干擾發(fā)紋、裂紋等缺陷的判斷。

以I=20D計算階梯數(shù)16時的磁化電流，結果分別為360，500，600，720，900，1 080 A。

表3 不同通電電流的表面切向磁場強度

對照表3可以看到，按此公式計算出的電流所產生的磁場強度，均遠遠大于4 000 A·m-1，在磁痕顯示集中的芯部，將引起強烈的偏析磁痕顯示，影響相關顯示的判斷。筆者認為，經(jīng)驗公式法計算出的磁化電流對于9Cr18材料零件的磁粉檢測而言偏大[4]。

調整墊圈的內孔直徑為18 mm，與塔形試樣第1級臺階直徑相同，位于棒料的芯部，碳化物偏析集中，過大的磁化電流產生過強的磁場強度，引起了強烈的偏析磁痕顯示;外圓面直徑為50 mm，位于棒料的外部位置，碳化物偏析較少，因此較大的磁化電流未引起外圓面強烈的偏析磁痕顯示。

2.4 調整墊圈的內孔檢測試驗

為進一步分析調整墊圈內孔線性磁痕形成的原因，對內孔切向磁場強度進行測量。由于內孔直徑較小，無法保證毫特斯拉計霍爾效應探頭與待測面垂直，易造成測量值比實際值偏大，為此，對調整墊圈進行車加工，將其加工為一壁厚為1 mm的圓環(huán)，由于壁厚較薄，內孔磁場強度值比外圓的略高[4]，可以測量外圓面的切向磁場強度以表征內孔表面的切向磁場強度，如圖5所示。

圖5 毫特斯拉計對圓環(huán)外圓面磁場強度的測量示意

使用中心導體法對圓環(huán)進行磁化，測量外圓面切向磁場強度的步驟如下：從130 A起逐步增大磁化電流，當磁化電流低于170 A時，內孔表面無明顯磁痕顯示，此時測得的切向磁場強度小于2 400 A·m-1；繼續(xù)增大磁化電流至250 A時，內孔面開始出現(xiàn)周向線性顯示，但磁粉聚集疏松，顯示不強烈，此時測得的切向磁場強度從2 400 A·m-1慢慢增至4 000 A·m-1；當繼續(xù)增大磁化電流至270 A時，原本模糊的線性磁粉顯示開始變強烈，形貌變得與發(fā)紋和裂紋相似，此時測得的切向磁場強度超過4 000 A·m-1；進一步增加磁化電流至360 A時，強烈的線性顯示進一步增多，此時測得的切向磁場強度為5 500 A·m-1。

可見，圓環(huán)的試驗結果與塔形試樣的試驗結果基本一致。

2.5 缺陷發(fā)現(xiàn)能力的驗證

為驗證零件表面切向磁場強度在2 4004 000 A·m-1間時發(fā)現(xiàn)發(fā)紋、裂紋缺陷的能力,進行以下試驗。

在調整墊圈內孔面上用線切割加工一人工缺陷(模擬表面缺陷)，以170 A電流進行磁化，再在暗室下進行觀察，可見人工缺陷顯示清晰，如圖6(a)所示。

圖6 人工缺陷磁痕顯示

在調整墊圈靠內孔近表面約1 mm處用電火花打一小孔(模擬近表面缺陷)，以170 A電流進行磁化，然后在內孔表面進行磁化觀察，可見人工缺陷顯示清晰，如圖6(b)所示。

磁化電流為170 A時，制件表面切向磁場強度約為2 400 A·m-1，可見，當制件表面切向磁場強度不小于2 400 A·m-1時，能發(fā)現(xiàn)制件表面及近表面的缺陷，滿足檢測要求。

3 零件復查

對首次檢測出的內孔存在線性顯示的400件零件使用中心導體法，施加250 A電流，進行復查(由2.4節(jié)試驗可知此時內孔表面切向磁場強度約4 000 A·m-1)，結果如下：① 377件的內孔無明顯線性顯示，僅有部分模糊磁痕，與發(fā)紋、裂紋等相關顯示區(qū)別較大；② 20件的內孔有較強磁痕顯示；③ 3件有細而直的高亮線性磁痕顯示。

降低磁化電流至210 A，對該23件零件再次復查,結果為：① 其中20件有較強磁痕顯示的零件磁痕顯示變模糊，與發(fā)紋、裂紋等相關顯示區(qū)別較大；② 剩余3件仍有細而直的高亮線性磁痕顯示，白光下用放大鏡進行觀察，發(fā)現(xiàn)顯示處存在劃痕，形貌與磁痕顯示一致；用細砂紙對這3件調整墊圈內孔進行打磨后，再次進行復查，高亮磁痕顯示全部消失。

4 交流電磁化試驗

為探究交流電相較于三相全波整流電對于偏析磁痕的檢測特性，筆者用交流電進行了上述試驗，除電流略有差異外，試驗結果基本一致，文中不做贅述。

5 結論

(1) 9Cr18調整墊圈的線性磁痕顯示與材料中存在碳化物偏析有關。

(2) 磁化電流過大會造成表面切向磁場強度過大，從而引起強烈的碳化物偏析磁痕顯示。

(3) 9Cr18調整墊圈在進行連續(xù)法磁化時，控制零件表面切向磁場強度在2 4004 000 A·m-1之間，符合相關標準的要求,既能保證零件表面及近表面的裂紋、發(fā)紋缺陷的檢出，又能排除碳化物偏析磁痕顯示對相關顯示的干擾。