鐵路客車軸承外圈磁粉檢測的非相關(guān)磁痕分析及改進(jìn)措施

陳翠麗,謝思陽,廉小敏,張 玲,成繼生,楊 爭,曾朝凡

(1.洛陽LYC軸承有限公司 航空精密軸承國家重點實驗室,洛陽471003; 2.華南檢測有限公司,深圳518000;3.西安鐵路局西安機車車輛監(jiān)造項目部,西安710000)

鐵路客車軸承外圈磁粉檢測的非相關(guān)磁痕分析及改進(jìn)措施

陳翠麗1,謝思陽2,廉小敏3,張 玲1,成繼生3,楊 爭1,曾朝凡1

(1.洛陽LYC軸承有限公司 航空精密軸承國家重點實驗室,洛陽471003; 2.華南檢測有限公司,深圳518000;3.西安鐵路局西安機車車輛監(jiān)造項目部,西安710000)

鐵路客車軸承外圈制造過程中的磁粉檢測時,會產(chǎn)生批量性的非相關(guān)磁痕,經(jīng)過分析得知,這些磁痕是由材料本身的金屬組織和帶狀組織的不均勻引起的,并提出了改進(jìn)措施,以供同行參考。

軸承外圈;非相關(guān)磁痕;原材料;鍛造

國內(nèi)鐵路客車軸承外圈在制造過程中的磁粉檢測時,常有被判為非相關(guān)磁痕的產(chǎn)品,但一般比例較小。而這些被判為非相關(guān)磁痕的產(chǎn)品常常被當(dāng)作廢品處理。

但是,從2013年12月開始,筆者單位生產(chǎn)的軸承外圈端面被判為非相關(guān)磁痕產(chǎn)品的比例突然大增,甚至高達(dá)83%;2013年12月期間,軸承外圈經(jīng)磁粉檢測后,非相關(guān)磁痕產(chǎn)品高達(dá)數(shù)千件,嚴(yán)重影響了正常生產(chǎn)。2014年10月,又發(fā)生了一起批量性產(chǎn)品外圈滾道出現(xiàn)周向非相關(guān)磁痕的事故,給企業(yè)帶來了嚴(yán)重的經(jīng)濟損失。

針對這些嚴(yán)重的質(zhì)量事件,筆者開展了大量的技術(shù)分析工作,找出了產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因,并制定了相應(yīng)的改進(jìn)措施。

1 非相關(guān)磁痕的形貌特征

眾所周知,非相關(guān)磁痕不是來源于缺陷,而是由漏磁場產(chǎn)生的。引起非相關(guān)磁痕的原因較多:如工件截面突變、金屬流線、劃傷和刀痕、加工硬化、碳化物帶狀組織、金相組織不均勻、磁寫、應(yīng)力、兩種材料交界、電極和磁極等。

鐵路客車軸承外圈非相關(guān)磁痕主要有三種形式:滾道周向磁痕、端面磁痕、其他類型磁痕。

典型的端面非相關(guān)磁痕形貌見圖1,有點狀、傾斜長條狀、短條狀、長條狀等,產(chǎn)生的部位有打字面和非打字面,甚至兩個面均有。

圖1 端面非相關(guān)磁痕形貌

產(chǎn)品外圈滾道周向非相關(guān)磁痕形貌見圖2,由圖可知從磁痕分布面積看,有的數(shù)條短線磁痕沿圓周分布,對此類磁痕形貌進(jìn)行觀察,可以看出在磁痕寬度方向,從外圈滾道距離端面1/4高度到1/2高度分布;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;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,分布面積較廣,且均沿滾道周向分布[1]。

圖2 滾道周向非相關(guān)磁痕形貌

2 非相關(guān)磁痕產(chǎn)生的原因分析與討論

2.1 非相關(guān)磁痕產(chǎn)品的統(tǒng)計分析

對筆者單位近幾年的軸承外圈制造過程中產(chǎn)生的非相關(guān)磁痕進(jìn)行了統(tǒng)計,其中滾道周向磁痕廢品率的分布情況見表1,端面磁痕廢品率的分布情況見表2。

由表1可以看出,2014年10月及11月,非相關(guān)磁痕廢品率異常高時,滾道周向非相關(guān)磁痕廢品率也異常高。對工藝進(jìn)行了解,發(fā)現(xiàn)此期間鍛造工藝部分改為1 000 t壓力機生產(chǎn),那么1 000 t壓力機可能是導(dǎo)致滾道周向磁痕廢品的重要原因。

2015年10月及11月,2016年1月及2月,滾道周向非相關(guān)磁痕廢品率顯著降低,磁痕廢品率也穩(wěn)步降低。

由表2可以看出,2014年12月和2015年1月,磁痕廢品率異常高時,端面磁痕的發(fā)生率也較高。

2.2 非相關(guān)磁痕產(chǎn)生原因分析

經(jīng)國內(nèi)各相關(guān)單位研究分析,鐵路客車外圈磁痕被確認(rèn)為非相關(guān)磁痕,但是,非相關(guān)磁痕產(chǎn)生的原因卻至今未有定論。業(yè)內(nèi)有關(guān)單位的研究認(rèn)為,車削和磨削加工的痕跡是鐵路客車軸承外圈磁痕產(chǎn)生的原因。筆者公司針對此結(jié)論,進(jìn)行了多次試驗驗證,證明該結(jié)論不成立。

表1 鐵路客車外圈滾道周向非相關(guān)磁痕廢品率統(tǒng)計

表2 鐵路客車外圈端面非相關(guān)磁痕廢品率統(tǒng)計

2.2.1 端面非相關(guān)磁痕微觀分析

針對大批量的端面磁痕、滾道周向磁痕,小批量的端面磁痕以及發(fā)生在其他不同部位的非相關(guān)磁痕,進(jìn)行了大量的理化和金相分析。結(jié)果表明,非相關(guān)磁痕的產(chǎn)生部位均伴有金屬組織的不均勻。因此,材料本身的帶狀組織和金屬組織的不均勻,會引起磁痕的產(chǎn)生,非相關(guān)磁痕的微觀組織形貌見圖3。對端面磁痕的內(nèi)部解剖結(jié)果[2]也充分說明了這一點。

從非相關(guān)磁痕產(chǎn)生的機理來看,該結(jié)論是可信的。另外,對塔型試樣進(jìn)行熒光磁粉檢測時,發(fā)現(xiàn)材料上有沿軋制方向的磁痕;這也證明材料本身的金屬組織會導(dǎo)致磁痕。

基于以上原因,采用小尺寸電渣鋼錠進(jìn)行冶煉,在進(jìn)一步改進(jìn)材料的純凈度方面開展了一些試驗。通過改進(jìn)材料本身的金屬組織的不均勻度,減少了端面磁痕的產(chǎn)生。采用未軟化退火材料,改進(jìn)了帶狀組織(未軟化退火材料比軟化退火材料碳化物帶狀一般低半級)的均勻性,也在一定程度上減少了端面磁痕的產(chǎn)生。基于目前的冶金技術(shù)和生產(chǎn)成本,完全消除材料成分和組織的不均勻是不現(xiàn)實的,所以少量非相關(guān)磁痕的產(chǎn)生是不可避免的。因此,工作的重點在于預(yù)防產(chǎn)生大批量非相關(guān)磁痕。

圖3 非相關(guān)磁痕微觀組織形貌

2.2.2 滾道周向非相關(guān)磁痕產(chǎn)生的其他原因

材料本身的帶狀組織和金屬組織的不均勻如果是導(dǎo)致磁痕產(chǎn)生的唯一原因,那么鐵路客車外圈端面磁痕形式應(yīng)該是一樣的,磁痕出現(xiàn)的比例也應(yīng)該比較高。2013年12月出現(xiàn)的端面磁痕高達(dá)83%,就是完全由原材料帶狀組織不均勻所引起的。但是各類磁痕的比例變化極大,這說明材料本身的帶狀組織和金屬組織的不均勻并非是導(dǎo)致非相關(guān)磁痕產(chǎn)生的唯一原因。制造過程中應(yīng)該也存在導(dǎo)致磁痕產(chǎn)生的因素,以前的試驗已經(jīng)排除了車削和磨加工導(dǎo)致磁痕產(chǎn)生的可能性。從熱處理工序的工藝機理來看,基本上不存在導(dǎo)致非相關(guān)磁痕產(chǎn)生的因素。從磁痕的形狀和分布來看,導(dǎo)致磁痕產(chǎn)生的其他原因很可能存在于鍛造工序。

2.2.3 小批量端面非相關(guān)磁痕產(chǎn)生的原因

鐵路客車外圈端面磁痕一般長度為1～5 mm,每個套圈端面一般有1～3條,大多處于端面靠邊緣位置,少量兩個端面均會發(fā)生;從磁痕的長度、數(shù)量和位置來看,材料本身帶狀組織不均勻也不是導(dǎo)致端面磁痕產(chǎn)生的唯一因素。分析其產(chǎn)生的機理可能是:在材料墩粗和碾環(huán)的過程中,坯料端面產(chǎn)生了表面不平整現(xiàn)象,繼而導(dǎo)致帶狀組織和流線產(chǎn)生扭曲,在隨后的車、磨加工時,帶狀組織和流線被剪斷,斷裂部位產(chǎn)生成分和組織突變,進(jìn)而導(dǎo)致該部位的磁導(dǎo)率突變,從而在該部位形成磁痕。

3 改進(jìn)措施

(1)改進(jìn)和降低材料本身帶狀組織和金屬組織的不均勻度,提高和穩(wěn)定材料冶煉過程和產(chǎn)品質(zhì)量,降低磁痕產(chǎn)生的概率。

(2)筆者公司目前鐵路客車軸承外圈暫不能使用1 000 t壓力機鍛造成形加工。自由鍛造成形方式是目前減少滾道周向非相關(guān)磁痕的最佳鍛造方式。

(3)優(yōu)化和精細(xì)化鍛造工藝過程,盡量減少鍛造過程中的異常凸凹和扭曲變形,有助于減少端面小批量非相關(guān)磁痕的產(chǎn)生。

4 結(jié)論

(1)鐵路客車軸承外圈磁痕主要有三種形式。滾道周向非相關(guān)磁痕占磁痕總數(shù)的55%,端面非相關(guān)磁痕占磁痕總數(shù)的44%,滾道周向非相關(guān)磁痕和端面非相關(guān)磁痕是磁痕的主要組成部分。

(2)材料本身金屬組織的不均勻是導(dǎo)致非相關(guān)磁痕產(chǎn)生的首要原因。通過改進(jìn)和降低材料本身的帶狀組織和金屬組織的不均勻度,可以有效降低磁痕產(chǎn)生的概率?；谀壳暗囊苯鸺夹g(shù)和生產(chǎn)成本,完全消除材料成分和組織不均勻是不現(xiàn)實的。

(3)1 000 t壓力機鍛造沖芯時,承受較大的沖擊力,成形過程變形次數(shù)少,單次變形程度較大,變形速度較快;自由鍛無論是鐓粗還是沖孔,均是反復(fù)多次,每次變形程度較小,鍛造變形速度比較慢。壓力機鍛造時,金屬不均勻向周圍擴展,導(dǎo)致軸向的帶狀組織和流線扭曲較大,在隨后的車、磨加工時,帶狀組織和流線被剪斷,斷裂部位產(chǎn)生成分和組織突變,進(jìn)而導(dǎo)致該部位的磁導(dǎo)率突變,從而在該部位形成非相關(guān)磁痕,這是滾道周向非相關(guān)磁痕大量出現(xiàn)的重要外因。

(4)在材料墩粗和碾環(huán)的過程中,坯料端面產(chǎn)生了凸凹平,繼而導(dǎo)致帶狀組織和流線產(chǎn)生扭曲,在隨后的車、磨加工時,帶狀組織和流線被剪斷,斷裂部位產(chǎn)生成分和組織突變,進(jìn)而導(dǎo)致端面部位的磁導(dǎo)率突變,從而在該部位形成非相關(guān)磁痕。

[1] 仵永剛,張玲,尤紹軍,等.軸承零件的非相關(guān)磁痕顯示形貌及產(chǎn)生原因[J].無損檢測,2015,37(11):84-87.

[2] 張玲,李昭昆,楊爭,等.GCr18 Mo鋼軸承套圈端面磁痕原因分析[J].金屬熱處理,2014(12):186-188.

Analysis and Measures of Noncorrelated Magnetic Trace on Magnetic Particle Testing of Bearing Outer Ring of Railway Passenger Car

CHEN Cui-li1,XIE Si-yang2,LIAN Xiao-min3,ZHANG Ling1,CHENG Ji-sheng3,YANG Zheng1,ZENG Chao-fan1
(1.State Key Laboratory of Aerospace Precision Bearings,Luoyang LYC Bearing Co.,Ltd.,Luoyang 471003,China; 2.South China Inspection Co.,Ltd.,Shenzhen 518000,China; 3.Xi′an Railway Locomotive Vehicle Supervision Project Department,Xi′an 710000,China)

Magnetic particle inspection of railway bearing outer ring in the manufacturing process,produces a batch of noncorrelated magnetic trace,the reason is the banded structure and organization nonuniform of the metal itself,and puts forward some improvement measures,for reference.

Bearing outer ring;Noncorrelated magnetic trace;Raw material;Forging

TG115.28

:B

:1000-6656(2017)01-0052-04

10.11973/wsjc201701013

2016-04-15

陳翠麗(1980－),女,本科,工程師,主要從事機械零部件無損檢測工作。

陳翠麗,E-mail:chencuili88＠163.com。