黃永華 上海鐵路局合肥車輛段

我段對軸承套圈（外圈、內(nèi)圈）進(jìn)行磁粉探傷時(shí)，經(jīng)常發(fā)現(xiàn)套圈外徑面上，沿圓周方向（橫向）顯示數(shù)量不等、長短不一的橫向條狀磁粉聚集現(xiàn)象。磁痕特征一般是方向較整齊、磁痕輪廓不分明、磁粉吸附較為松散，且嚴(yán)重程度還與縱向磁化電流大小有關(guān)，磁化電流越大，聚粉現(xiàn)象越加劇。全國客車軸承四大生產(chǎn)廠家即浦軸、哈軸、瓦軸、洛軸生產(chǎn)的提速客車軸承均不同程度地存在類似問題。套圈外徑磁痕顯示特征和分布如圖1所示。

圖1 套圈外徑磁痕顯示特征和分布圖

經(jīng)多次與軸承生產(chǎn)廠家聯(lián)系，發(fā)現(xiàn)廠家在出廠驗(yàn)收過程中也經(jīng)常發(fā)生此類現(xiàn)象，但軸承制造廠與段方使用部門所采用的探傷設(shè)備條件、掌握標(biāo)準(zhǔn)及磁化規(guī)范不完全統(tǒng)一，這樣在磁痕鑒別和缺陷性質(zhì)的判定方面，往往處理意見不一致。盡快查找出外徑表面磁粉聚集的原因，采取必要的措施加以改進(jìn)，對確保行車安全非常必要。為此，段方與軸承生產(chǎn)廠家聯(lián)合進(jìn)行了進(jìn)一步深入分析，查找原因并提出解決措施。

1 原因分析

1.1 對外徑面有聚粉的套圈取樣進(jìn)行分析

(1)取2件外徑面有聚粉的外圈進(jìn)行酸洗檢查，聚粉的部位沒有磨削燒傷，外徑面的磁痕方向與砂輪磨削方向基本一致，因此，可以認(rèn)為外徑磨削工藝適當(dāng)，可排除是磨削產(chǎn)生的磁痕，因?yàn)槟ハ鞴に嚥磺‘?dāng)造成的磨削裂紋與砂輪磨削方向相垂直。

(2)取2件外圈進(jìn)行硬度檢測，分別為HRC 60和HRC 60.5，對外徑聚粉的部位采取線切割切塊取樣，做金相顯微組織分析，金相組織正常。因此，可以認(rèn)為套圈的熱處理質(zhì)量是合格的。

(3)取2件外徑聚粉的外圈（其中1件外徑面的聚粉部位有磕碰傷，1件外徑面的聚粉部位肉眼觀察不到明顯磕碰傷痕跡），分別進(jìn)行磨削試驗(yàn)，每次磨削量0.05 mm后接著再進(jìn)行探傷檢查，依此反復(fù)試驗(yàn)，直到磨削去掉0.25 mm以后，原吸附磁粉的部位才不再重現(xiàn)聚粉現(xiàn)象。

(4)觀察套圈外徑面磁痕特征，磁痕顯示的方向比較整齊，磁痕輪廓不分明，磁粉吸附較為松散，據(jù)此可以判斷此類磁痕不是材質(zhì)發(fā)紋。這是因?yàn)榘l(fā)紋是鍛造加工前鋼材內(nèi)部組織不均勻，晶粒粗大，晶界處存在縮松、非金屬夾雜物、氣泡等缺陷，經(jīng)碾壓后，沿著金屬纖維方向被拉伸而形成的。發(fā)紋應(yīng)當(dāng)是沿著鋼材（圓鋼）纖維組織方向分布，呈連續(xù)或斷續(xù)的細(xì)直線，但發(fā)現(xiàn)的此類聚粉均是沿著圓周方向分布，發(fā)紋產(chǎn)生的磁痕特征非常細(xì)小，很淺，且均勻而不濃密，但輪廓清晰。

從套圈的磨削質(zhì)量、熱處理質(zhì)量、原材料質(zhì)量等方面進(jìn)行初步的分析和檢驗(yàn)，可以排除此類磁痕并不是真正的裂紋缺陷磁痕。

1.2 對套圈外徑面顯示的橫向磁痕特征進(jìn)行分析

(1)一般在套圈的外表面上聚粉較明顯，而內(nèi)表面上極少產(chǎn)生。造成的客觀原因是：套圈在加工過程中，因上下料、清洗、檢測、組裝、運(yùn)輸?shù)拳h(huán)節(jié)，其外表面極易發(fā)生磕碰傷、劃傷等，極易導(dǎo)致外徑面產(chǎn)生局部冷作硬化現(xiàn)象，即在受傷部位發(fā)生一定程度的塑性變形。分析金屬的晶體結(jié)構(gòu)，金屬的塑性變形可以看成是組成金屬的多晶體的許多晶粒之間發(fā)生扭曲變形，必然產(chǎn)生一定的內(nèi)應(yīng)力[1]。因此，套圈外表面在發(fā)生磕碰傷、劃傷后，產(chǎn)生冷作硬化，就會(huì)產(chǎn)生一定的內(nèi)應(yīng)力，該部位很容易產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象。

特別在套圈精磨加工階段，一些進(jìn)口高精度磨床自動(dòng)化程度高，且大多數(shù)配置工件上下料跑道裝置，套圈在跑道的彎曲部位（彎道）滾動(dòng)時(shí)，外徑表面極容易造成相互斜向碰撞（即圓弧面與外徑面相撞擊），磕碰現(xiàn)象越嚴(yán)重，越容易產(chǎn)生冷作硬化，導(dǎo)致表面應(yīng)力集中。

(2)磁粉探傷中，套圈外徑面較多地顯示此類聚粉現(xiàn)象，是在NJ3226X1、NJP3226X1提速客車軸承中出現(xiàn)的。在此之前生產(chǎn)的4（15）2726QT型普通客車軸承的外徑面聚粉現(xiàn)象并不十分明顯。

NJ3226X1、NJP3226X1提速客車軸承套圈采用GCr18Mo電渣重熔鋼進(jìn)行等溫淬火處理，獲得下貝氏體組織，具有高硬度、高強(qiáng)度和一定的塑性和韌性，綜合機(jī)械性能優(yōu)良。而4（15）2726QT客車軸承套圈材料采用GCr15真空脫氣鋼，采用淬火和低溫回火處理，主要獲得馬氏體組織，具有高硬度、高耐磨性，但塑性、韌性較差，脆性很大[2]。因此，NJ3226X1、NJP3226X1提速客車軸承套圈更容易產(chǎn)生塑性變形和冷作硬化現(xiàn)象，其表面受撞擊后，磕碰部位更容易產(chǎn)生應(yīng)力集中。

(3)從上述兩個(gè)顯著特點(diǎn)分析可以得知，提速客車軸承套圈外徑面的此類聚粉是由于加工過程中外徑表面發(fā)生多次磕碰傷，產(chǎn)生塑性變形和冷作硬化所致。

磁粉探傷是基于缺陷處的漏磁場與磁粉的磁吸附而建立的磁痕（磁粉聚集的圖像）來進(jìn)行缺陷識(shí)別的。一般將磁痕分為相關(guān)磁痕、非相關(guān)磁痕、假磁痕三類。假磁痕的形成與漏磁場無關(guān)。相關(guān)磁痕是漏磁場產(chǎn)生的，漏磁場是裂紋缺陷形成的，相關(guān)磁痕對零件的使用性能和安全性能影響極大。

非相關(guān)磁痕也是漏磁場產(chǎn)生的，但漏磁場不是來源于真正的裂紋，非相關(guān)磁痕、假磁痕一般都不會(huì)影響零件的使用功能。引起非相關(guān)磁痕的原因主要有以下方面：①零件結(jié)構(gòu)或截面發(fā)生突變處；②零件內(nèi)部磁導(dǎo)率有差異處；③零件內(nèi)部金相組織不均勻；④金屬流線，是沿流線方向成群的平行磁痕，呈不連續(xù)散狀，與磁化電流過大有關(guān)，常出現(xiàn)于軸承零件端面部位；⑤磁寫（當(dāng)兩個(gè)已磁化的工件互相接觸，在接觸部位便會(huì)產(chǎn)生磁性變化，導(dǎo)致磁力線發(fā)生畸變，產(chǎn)生的磁痕顯示稱為磁寫），磁化的零件相互接觸后，接觸部位便會(huì)產(chǎn)生磁性變化，形成漏磁場；⑥磁化電流過大，形成局部漏磁場；⑦劃痕、刀痕，在深凹處有金屬光澤，易引起磁力線泄露而形成漏磁；⑧表面冷作硬化，在內(nèi)應(yīng)力集中處形成漏磁場[3]。

根據(jù)上述引起非相關(guān)磁痕的原因分析可知，套圈外徑表面有聚粉現(xiàn)象的直接原因是：當(dāng)套圈被磁化時(shí)，外徑表面有磕碰的區(qū)域因?yàn)楫a(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(dāng)表面磕碰傷、劃傷被繼續(xù)磨削消除后，雖肉眼觀察不到明顯的磕碰痕跡，但因其表面殘余內(nèi)應(yīng)力未完全消失，該部位仍會(huì)形成微弱的漏磁場而吸附磁粉，這類磁痕均屬于非相關(guān)磁痕。

(4)此外，縱向磁化電流過大是造成外徑聚粉加劇的又一原因。套圈外徑面上圓周方向（橫向）的磁痕，是依靠套圈自身的磁化，建立的縱向磁場來顯示的。目前，鐵路客車軸承套圈專用磁粉探傷機(jī)，縱向磁化的磁化方法是采用感應(yīng)電流法，是利用電磁感應(yīng)原理來實(shí)現(xiàn)的。但對于鐵路客車軸承磁粉探傷，軸承制造廠與使用部門在縱向磁化電流方面，沒有統(tǒng)一、具體的規(guī)范，執(zhí)行中選定的縱向電流過大。因鐵磁性材料具有磁飽和特性，若縱向磁化電流調(diào)節(jié)過大，零件內(nèi)部所能容納的磁力線超過飽和極限時(shí)，引起磁力線外泄程度加大，尤其是在產(chǎn)生塑性變形的冷作硬化部位，漏磁場增強(qiáng)，吸附磁粉明顯。因此，縱向磁化電流過大造成外徑面橫向磁痕加劇。

2 解決措施

(1)加強(qiáng)對職工的教育培訓(xùn)，提高職工思想素質(zhì)，樹立高度的質(zhì)量意識(shí)和安全意識(shí)，在操作加工過程中，認(rèn)真執(zhí)行產(chǎn)品防磕碰制度，嚴(yán)格做到產(chǎn)品輕拿輕放，堅(jiān)決杜絕產(chǎn)品磕碰現(xiàn)象。

(2)應(yīng)改進(jìn)工藝裝備，避免套圈在上下料、運(yùn)輸過程中產(chǎn)生磕碰傷、劃傷，將所有上下料跑道裝置的彎曲跑道全部改造成直線跑道，以免套圈在滾動(dòng)中發(fā)生斜向碰撞，而導(dǎo)致局部冷作硬化。

(3)合理選定縱向磁化電流大小。套圈磁粉探傷，其表面的感應(yīng)磁場的大小，即磁感應(yīng)強(qiáng)度直接檢測是比較困難的。但它的數(shù)值和產(chǎn)生它的感應(yīng)電流有一定的函數(shù)關(guān)系，制訂磁粉探傷工藝規(guī)范時(shí)，通常是以套圈內(nèi)部感應(yīng)電流值來推算出縱向磁化電流值。

根據(jù)理想變壓器原理，初、次級線圈的電流之比等于初、次級線圈的匝數(shù)比的倒數(shù)[4]：

即：I次/I初=W初/W次故：I次=I初×W初/W次

式中：I次-次級線圈即外圈內(nèi)部感應(yīng)電流（環(huán)形電流）（ A）；

I初-激磁線圈（初級線圈）的電流（A）；

W初-激磁線圈（初級線圈）的匝數(shù)；

W次-次級線圈即外圈的匝數(shù)，即為一匝；

即外圈內(nèi)部感應(yīng)電流大小在數(shù)值上就等于激磁線圈內(nèi)的電流與激磁線圈繞組匝數(shù)的乘積（安匝數(shù)）。

以軸承外圈探傷為例，有兩種感應(yīng)磁化電流值近似計(jì)算方法：

①引用國際航空行業(yè)磁粉探傷標(biāo)準(zhǔn)，對于鐵磁性材料零件的感應(yīng)磁化電流值取I=被檢測零件橫截面的表面周長（mm）×6.2。鐵路客車軸承外圈的橫截面周長約為221 mm，故所得感應(yīng)磁化電流為：I=221×6.2=1370（A），這屬于一種嚴(yán)格的探傷磁化規(guī)范。

②根據(jù)磁路安培環(huán)路定律可知：B=μ×N×I/L

式中：I-套圈內(nèi)部感應(yīng)電流（A）；

L-套圈橫截面周長（m）；

N-線圈匝數(shù)，即套圈匝數(shù)為一匝；

B-套圈表面磁感應(yīng)強(qiáng)度（T），通常規(guī)定鐵磁材料探傷，要求探傷零件表面磁感應(yīng)強(qiáng)度達(dá)到0.8 T以上，就能較好地發(fā)現(xiàn)表面和近表面微小的缺陷。

μ-鐵磁性材料磁導(dǎo)率，軸承鋼取μ=428π×10-7（Oe/m）

外圈的橫截面周長約為221 mm，故所得外圈感應(yīng)磁化電流為：

以上兩種計(jì)算結(jié)果相近，考慮到安全系數(shù)和漏磁因素，縱向磁化電流選用1 500～2 000 A是足夠的，采用鐵道部磁粉探傷標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的A1-15/50型靈敏度標(biāo)準(zhǔn)試片檢驗(yàn)，橫向缺陷磁痕顯示是清晰的，能夠滿足探傷檢測的要求。但實(shí)際工作中，各制造廠與各鐵路局車輛段所采用的縱向磁化電流差別較大，有的采用2 000～2 500 A，有的采用3 500 A左右，基本上都明顯偏大。目前鐵道部門制定的客車軸承磁粉探傷工藝規(guī)程中，僅規(guī)定了探傷設(shè)備應(yīng)具有縱向磁化電流在0～6 000安匝之間連續(xù)可調(diào)，并沒有制定統(tǒng)一、具體的縱向磁化規(guī)范。

(4)鐵道部車輛裝備部門應(yīng)細(xì)化磁粉探傷磁痕的判別標(biāo)準(zhǔn)。非相關(guān)磁痕一般是由次要缺陷或?qū)κ褂眯阅軣o害的缺陷所形成的磁痕，在探傷實(shí)踐中，此類磁痕出現(xiàn)比較多，比較普遍。如果把相關(guān)磁痕誤判為非相關(guān)磁痕或假磁痕，則會(huì)產(chǎn)生漏檢，造成重大的質(zhì)量隱患。相反，如果把非相關(guān)磁痕或假磁痕誤判為相關(guān)磁痕，則會(huì)把合格的零件拒收或報(bào)廢，造成不必要的損失。軸承制造廠與使用部門在采用的探傷設(shè)備條件、磁化規(guī)范及磁痕判定標(biāo)準(zhǔn)方面不完全一致，這樣在磁痕鑒別和缺陷的性質(zhì)判定方面的意見也不一致。

3 結(jié)論

通過對套圈外徑面橫向聚粉現(xiàn)象的剖析，發(fā)現(xiàn)提速客車軸承套圈外徑表面經(jīng)常出現(xiàn)的橫向條狀磁痕實(shí)屬非相關(guān)性磁痕一類，只有通過嚴(yán)格管理，加強(qiáng)工藝裝備的改進(jìn)，防止產(chǎn)品磕碰傷來避免發(fā)生。此外，軸承使用部門在磁粉探傷復(fù)查時(shí)，不應(yīng)把零件的聚粉現(xiàn)象與裂紋缺陷磁痕絕對地對應(yīng)起來，將非相關(guān)磁痕誤判為相關(guān)磁痕，就會(huì)使合格品報(bào)廢而造成不必要的經(jīng)濟(jì)損失，相反，把相關(guān)磁痕誤判為非相關(guān)磁痕，也會(huì)造成重大的質(zhì)量隱患。判定缺陷磁痕的類型要結(jié)合零件的形狀、材料、加工工藝、操作方法等方面來綜合分析。軸承制造廠與使用部門要建立統(tǒng)一、具體的縱向磁化電流規(guī)范，是否影響軸承零件的使用功能要依據(jù)一定的磁痕判別標(biāo)準(zhǔn)。