不銹鋼調(diào)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(diào)整墊圈(材料為9Cr18不銹鋼，零件尺寸如圖1所示)進(jìn)行中心導(dǎo)體法熒光磁粉檢測時(shí)，在墊圈內(nèi)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(xì)，與裂紋顯示較為相似。

圖1 調(diào)整墊圈尺寸示意

圖2 調(diào)整墊圈的線性磁痕顯示

對調(diào)整墊圈的其他區(qū)域進(jìn)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(nèi)孔進(jìn)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(gè)方面進(jìn)行了分析，最終確認(rèn)了顯示的性質(zhì)，并通過試驗(yàn)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(zhì)的確定

1.1 熒光滲透檢測法復(fù)查零件

用超聲波清洗機(jī)清洗零件后，對零件進(jìn)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(zhì)，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(jìn)行觀察。觀察發(fā)現(xiàn)了兩個(gè)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(diào)整墊圈的磁痕顯示與碳化物帶狀偏析有關(guān)。

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(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?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(jié)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(dǎo)率比基體的低，磁粉檢測時(shí)在碳化物偏析處會(huì)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(yàn)分析

2.1 原磁化工藝分析

該調(diào)整墊圈內(nèi)孔的磁粉檢測采用濕法熒光磁粉三相全波整流電中心導(dǎo)體連續(xù)法檢測，按HB/Z 72-1998 《磁粉檢測》相關(guān)要求，磁化規(guī)范的確定如下：① 由標(biāo)準(zhǔn)中給出的公式計(jì)算所需施加的磁化電流值(安匝數(shù))；② 用標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)試片估計(jì)法估計(jì)所施加的磁場強(qiáng)度大小；③ 由毫特斯拉計(jì)測定所施加的磁場強(qiáng)度。

必要時(shí)，可綜合運(yùn)用幾種方法。

且該標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定，磁粉檢測所需施加的磁場強(qiáng)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(yīng)確保磁化時(shí)制件受檢部位的磁場強(qiáng)度均不小于最小值。由于該零件內(nèi)孔的結(jié)構(gòu)限制，使用標(biāo)準(zhǔn)試片和毫特斯拉計(jì)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(guān)于中心導(dǎo)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(dǎo)體法經(jīng)驗(yàn)公式

9Cr18為高磁導(dǎo)率材料，驗(yàn)收要求為不允許發(fā)紋、裂紋缺陷，按標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)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(yàn)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(nèi)孔磁化電流值為360 A。

以該電流對零件內(nèi)孔進(jìn)行磁化檢查時(shí)，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(yàn)

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

磁場強(qiáng)度應(yīng)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(qiáng)度不應(yīng)太大，以免磁粉的非相關(guān)顯示聚集掩蓋相關(guān)磁痕顯示[5]。

筆者懷疑I=20D的磁化電流在零件內(nèi)孔產(chǎn)生了過大的磁場強(qiáng)度，從而引起碳化物偏析的過強(qiáng)顯示。

2.3 塔形試樣的檢測試驗(yàn)

該調(diào)整墊圈由φ60 mm的棒料加工而成，為進(jìn)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(jìn)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(jì)測量相應(yīng)電流下各階梯的表面切向磁場強(qiáng)度,結(jié)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(qiáng)烈。② 在磁痕顯示較為集中的芯部,當(dāng)試樣表面切向磁場強(qiáng)度小于2 400 A·m-1時(shí)，該部位無明顯磁痕顯示出現(xiàn)；當(dāng)試樣表面部位切向磁場強(qiáng)度在2 4004 000 A·m-1時(shí)，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(qiáng)烈，與發(fā)紋、裂紋顯示區(qū)別較大；當(dāng)試樣表面部位切向磁場強(qiáng)度大于4 000 A·m-1時(shí)，軸向線性磁痕顯示強(qiáng)烈，顯示形貌與發(fā)紋相似，部分顯示尾端尖細(xì)，與裂紋相似。

通過試驗(yàn)，筆者認(rèn)為，表面切向磁場強(qiáng)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(shí)較為理想的范圍，在此范圍內(nèi)，既滿足HB/Z 72-1998表面切向磁場強(qiáng)度不小于2 400 A·m-1的要求，又不至于造成偏析磁痕的強(qiáng)烈顯示而干擾發(fā)紋、裂紋等缺陷的判斷。

以I=20D計(jì)算階梯數(shù)16時(shí)的磁化電流，結(jié)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(qiáng)度

對照表3可以看到，按此公式計(jì)算出的電流所產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度，均遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于4 000 A·m-1，在磁痕顯示集中的芯部，將引起強(qiáng)烈的偏析磁痕顯示，影響相關(guān)顯示的判斷。筆者認(rèn)為，經(jīng)驗(yàn)公式法計(jì)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(diào)整墊圈的內(nèi)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(chǎn)生過強(qiáng)的磁場強(qiáng)度，引起了強(qiáng)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(qiáng)烈的偏析磁痕顯示。

2.4 調(diào)整墊圈的內(nèi)孔檢測試驗(yàn)

為進(jìn)一步分析調(diào)整墊圈內(nèi)孔線性磁痕形成的原因，對內(nèi)孔切向磁場強(qiáng)度進(jìn)行測量。由于內(nèi)孔直徑較小，無法保證毫特斯拉計(jì)霍爾效應(yīng)探頭與待測面垂直，易造成測量值比實(shí)際值偏大，為此，對調(diào)整墊圈進(jìn)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(nèi)孔磁場強(qiáng)度值比外圓的略高[4]，可以測量外圓面的切向磁場強(qiáng)度以表征內(nèi)孔表面的切向磁場強(qiáng)度，如圖5所示。

圖5 毫特斯拉計(jì)對圓環(huán)外圓面磁場強(qiáng)度的測量示意

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

可見，圓環(huán)的試驗(yàn)結(jié)果與塔形試樣的試驗(yàn)結(jié)果基本一致。

2.5 缺陷發(fā)現(xiàn)能力的驗(yàn)證

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

在調(diào)整墊圈內(nèi)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(jìn)行磁化，再在暗室下進(jìn)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(diào)整墊圈靠內(nèi)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(jìn)行磁化，然后在內(nèi)孔表面進(jìn)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(shí)，制件表面切向磁場強(qiáng)度約為2 400 A·m-1，可見，當(dāng)制件表面切向磁場強(qiáng)度不小于2 400 A·m-1時(shí)，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(fù)查

對首次檢測出的內(nèi)孔存在線性顯示的400件零件使用中心導(dǎo)體法，施加250 A電流，進(jìn)行復(fù)查(由2.4節(jié)試驗(yàn)可知此時(shí)內(nèi)孔表面切向磁場強(qiáng)度約4 000 A·m-1)，結(jié)果如下：① 377件的內(nèi)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(guān)顯示區(qū)別較大；② 20件的內(nèi)孔有較強(qiáng)磁痕顯示；③ 3件有細(xì)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(fù)查,結(jié)果為：① 其中20件有較強(qiáng)磁痕顯示的零件磁痕顯示變模糊，與發(fā)紋、裂紋等相關(guān)顯示區(qū)別較大；② 剩余3件仍有細(xì)而直的高亮線性磁痕顯示，白光下用放大鏡進(jìn)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(xì)砂紙對這3件調(diào)整墊圈內(nèi)孔進(jìn)行打磨后，再次進(jìn)行復(fù)查，高亮磁痕顯示全部消失。

4 交流電磁化試驗(yàn)

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(jìn)行了上述試驗(yàn)，除電流略有差異外，試驗(yàn)結(jié)果基本一致，文中不做贅述。

5 結(jié)論

(1) 9Cr18調(diào)整墊圈的線性磁痕顯示與材料中存在碳化物偏析有關(guān)。

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

(3) 9Cr18調(diào)整墊圈在進(jìn)行連續(xù)法磁化時(shí)，控制零件表面切向磁場強(qiáng)度在2 4004 000 A·m-1之間，符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)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(guān)顯示的干擾。