一種顯示原材料帶狀組織的新方法

張玲，李萬和，李昭昆，仵永剛，陳治山

（洛陽LYC軸承有限公司，河南 洛陽 471003）

GCr18Mo和GCr15SiMn是軸承制造中常用的材料，由于高碳鉻軸承鋼含有較高的合金元素，鋼材冶煉冷卻時形成的結(jié)晶偏析，在熱軋變形時延伸形成了碳化物富集帶，雖然經(jīng)過原材料的軋制和擴(kuò)散退火會有所減少，但該帶狀碳化物仍以不同形貌的不均勻組織殘留在原材料中。對有特殊要求的軸承，規(guī)定磁粉探傷時不允許出現(xiàn)任何缺陷磁痕［2］，不能通過超精加工等方法進(jìn)行消除的磁痕成品為不合格品。雖然常規(guī)的進(jìn)廠材料檢驗對碳化物的類型及級別進(jìn)行了控制，且采用塔形試樣對材料的發(fā)紋進(jìn)行了檢驗，但缺少原材料棒料帶狀碳化物磁痕檢驗的有效方法。

為了減少或消除軸承成品零件因帶狀組織磁痕而導(dǎo)致的不合格品，對重點產(chǎn)品需加強(qiáng)原材料的磁粉探傷檢驗，從而滿足用戶的高品質(zhì)需求。

1 探傷試樣的設(shè)計方案

選擇直徑為110 mm的GCr18Mo圓棒料作為研究對象，其用于重點產(chǎn)品且使用量較大。制定設(shè)計方案如下：

（1）將原材料分別加工成圓片試樣、半圓片試樣、一般塔形試樣及多臺階塔形試樣；

（2）針對不同試樣分別采用不同的探傷方法進(jìn)行探傷；

（3）對檢驗結(jié)果進(jìn)行對比，確定一種既能準(zhǔn)確顯示原材料帶狀缺陷又簡單易行的方法，并將其用于重點軸承產(chǎn)品的原材料檢驗。

1.1 試驗條件及結(jié)果

選用符合原材料進(jìn)廠檢驗規(guī)程要求的同一爐號同一根熱軋未退火圓棒料，機(jī)加工成4種形狀，分別如圖1～圖4所示。探傷觀察面技術(shù)要求：表面粗糙度Ra≤1.6μm，所有觀察面保持清潔。采用CDW-4000熒光磁粉探傷機(jī)對以上4種試樣進(jìn)行熒光磁粉探傷，分別檢查其帶狀組織的分布情況，試驗條件及探傷結(jié)果見表1，表中試樣序號分別對應(yīng)圖1～圖4中的試樣類型。

表1 4種試樣試驗條件及探傷結(jié)果

圖1 圓片試樣

圖4 多臺階非對稱塔形試樣

1.2 試驗方法

對4種試樣進(jìn)行熒光磁粉探傷在生產(chǎn)加工中均可得以實現(xiàn)，但原材料帶狀分布情況檢查結(jié)果的準(zhǔn)確性存在一定差異。

1.2.1 圓片試樣及半圓片試樣

首先采用鋸床，鋸切厚度為20 mm的圓片試樣及半圓片試樣各4片，對觀察面進(jìn)行磨加工，制成探傷試樣。再用交流連續(xù)磁軛法縱向充磁，施加磁懸液，觀察磁痕；將試樣順時針旋轉(zhuǎn)90°，改變試樣充磁位置，用同樣的方法進(jìn)行充磁觀察。結(jié)果顯示，圓片橫截面無明顯磁痕（圖1），半圓片試樣探傷后其橫截面也無明顯磁痕，但縱截面有磁痕（圖2），因其面積較小，不利于進(jìn)一步判斷。

圖2 半圓片試樣

這2種試樣較小，操作比較方便。但如果材料內(nèi)部有缺陷，對于圓片試樣，由于觀察面是橫截面，大多為點狀缺陷，不容易分辨；對于半圓片試樣，雖然縱截面可以觀察沿材料軋制方向的磁痕，但由于觀察面積有限，難以全面監(jiān)控，因此，均不能作為有效探傷的檢驗方法。

1.2.2 塔形試樣和多臺階非對稱塔形試樣

一般塔形試樣按照GB／T 15711—1995《鋼材塔形發(fā)紋酸浸檢驗方法》的規(guī)定進(jìn)行取樣和探傷工藝試驗。將同一爐號的棒料加工制成2個塔形試樣，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，只有1個試樣在最小的臺階處出現(xiàn)軸向方向的磁痕分布（圖3）。對于多臺階非對稱塔形試樣，大頭和小頭均有4個不同直徑的圓柱面，可以對多個直徑面進(jìn)行觀察。因此，觀察面積較大，可以比較理想地反映原材料內(nèi)部帶狀碳化物的分布狀態(tài)。此外，從便于操作加工等方面考慮，試樣不能太長，應(yīng)結(jié)合該產(chǎn)品的鍛造成形工藝來選擇。

圖3 一般塔形試樣

該2種試樣均采用逐階增加電流的方法，將工件磁化后，觀察其表面。由于試樣較大，操作比較費力，但該方法均能很好地顯示材料內(nèi)部的帶狀組織分布情況。相對來說，多臺階非對稱塔形試樣能更全面地反映原材料的帶狀分布情況。

2 多臺階非對稱塔形試樣的應(yīng)用實例

2.1 磁痕形貌

將某鋼廠2個爐號的GCr18Mo軸承鋼制成多臺階非對稱塔形試樣，采用逐漸增加充電電流的方法進(jìn)行熒光磁粉探傷，探傷磁痕形貌分別如圖5和圖6所示。由圖5a可知，大電流下，第2和第3臺階有較稀疏的磁痕；由圖5b可知，轉(zhuǎn)方向后，第3臺階磁痕稀疏，第1和第2臺階磁痕較密，磁痕分布于整個臺階的圓柱面。但小電流下，所有臺階均無磁痕，綜合評定為合格原材料，跟蹤該批料，成品中有少量的磁痕廢品。由圖6可知，試樣大頭第1臺階、小頭的第1和第2臺階均有多條較粗的磁痕。成品檢測證明，使用2＃爐原材料的磁痕廢品率遠(yuǎn)高于1＃爐。

圖5 1＃爐試樣

圖6 2＃爐試樣

2.2 磁痕部位的金相組織

將2＃爐的試樣按軸承零件常規(guī)熱處理后硬車表面，再次探傷發(fā)現(xiàn)，試樣仍有沿臺階方向的磁痕，形貌與前次探傷大致相同。對其中1個臺階的磁痕部位劃線、切割，并制取橫、縱截面的金相試樣，在顯微鏡下觀察其金相組織，如圖7所示。由此可知，試樣磁痕部位存在帶狀碳化物。

圖7 磁痕部位帶狀組織

2.3 磁粉探傷檢驗方法驗證

為了驗證試樣與成品檢驗結(jié)果的對應(yīng)關(guān)系，跟蹤了一批經(jīng)過塔形試樣檢驗的原材料及其成品套圈的探傷情況。結(jié)果表明，原材料檢驗合格時，成品的磁痕廢品率僅為2%，驗證了采用多臺階非對稱塔形試樣進(jìn)行磁粉探傷檢驗帶狀碳化物組織的方案是可行的。

3 結(jié)束語

采用多臺階非對稱塔形試樣進(jìn)行磁粉探傷，更易于反映棒料內(nèi)部不同層次面的磁痕分布狀況，避免了不合格材料的投料，降低了成品套圈磁痕廢品率。采用該方法應(yīng)注意以下3個方面：

（1）觀察面應(yīng)保持無銹蝕、劃傷和雜質(zhì)，避免加工痕跡與材料軋制方向一致，機(jī)加工時不允許有燒傷。

（2）磁粉探傷的磁化電流為I＝（18～20）D（D為臺階直徑），探傷次序由小直徑圓柱面到大直徑圓柱面逐階檢驗。

（3）觀察帶狀組織的磁痕時，應(yīng)區(qū)別材料發(fā)紋磁痕。二者均沿材料軋制方向分布，但發(fā)紋磁痕實而收斂，稀而獨立，帶狀組織磁痕則虛而發(fā)散；發(fā)紋磁痕多為單條或幾條，斷續(xù)分布，而帶狀組織磁痕為多條，分布面積較大。