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        客車(chē)軸承套圈外徑面橫向聚粉現(xiàn)象剖析

        2012-06-20 00:52:48黃永華上海鐵路局合肥車(chē)輛段
        上海鐵道增刊 2012年1期
        關(guān)鍵詞:磁痕套圈磁粉

        黃永華 上海鐵路局合肥車(chē)輛段

        我段對(duì)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(zhǎng)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(guó)客車(chē)軸承四大生產(chǎn)廠(chǎng)家即浦軸、哈軸、瓦軸、洛軸生產(chǎn)的提速客車(chē)軸承均不同程度地存在類(lèi)似問(wèn)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(chǎng)家聯(lián)系,發(fā)現(xiàn)廠(chǎng)家在出廠(chǎng)驗(yàn)收過(guò)程中也經(jīng)常發(fā)生此類(lèi)現(xiàn)象,但軸承制造廠(chǎng)與段方使用部門(mén)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(jiàn)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(duì)確保行車(chē)安全非常必要。為此,段方與軸承生產(chǎn)廠(chǎng)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(duì)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(méi)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(cè),分別為HRC 60和HRC 60.5,對(duì)外徑聚粉的部位采取線(xiàn)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(guān)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(guān)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(lèi)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(xiàn),但發(fā)現(xiàn)的此類(lèi)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(lèi)磁痕并不是真正的裂紋缺陷磁痕。

        1.2 對(duì)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(guān)原因是:套圈在加工過(guò)程中,因上下料、清洗、檢測(cè)、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(lèi)聚粉現(xiàn)象,是在NJ3226X1、NJP3226X1提速客車(chē)軸承中出現(xiàn)的。在此之前生產(chǎn)的4(15)2726QT型普通客車(chē)軸承的外徑面聚粉現(xiàn)象并不十分明顯。

        NJ3226X1、NJP3226X1提速客車(chē)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(chē)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(chē)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(chē)軸承套圈外徑面的此類(lèi)聚粉是由于加工過(guò)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(chǎng)與磁粉的磁吸附而建立的磁痕(磁粉聚集的圖像)來(lái)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(lèi)。假磁痕的形成與漏磁場(chǎng)無(wú)關(guān)。相關(guān)磁痕是漏磁場(chǎng)產(chǎn)生的,漏磁場(chǎng)是裂紋缺陷形成的,相關(guān)磁痕對(duì)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(chǎng)產(chǎn)生的,但漏磁場(chǎng)不是來(lái)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(xiàn),是沿流線(xiàn)方向成群的平行磁痕,呈不連續(xù)散狀,與磁化電流過(guò)大有關(guān),常出現(xiàn)于軸承零件端面部位;⑤磁寫(xiě)(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(xiàn)發(fā)生畸變,產(chǎn)生的磁痕顯示稱(chēng)為磁寫(xiě)),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(chǎng);⑥磁化電流過(guò)大,形成局部漏磁場(chǎng);⑦劃痕、刀痕,在深凹處有金屬光澤,易引起磁力線(xiàn)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(chǎng)[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(chǎng),磁粉粒子被漏磁場(chǎng)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(guān)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(chǎng)而吸附磁粉,這類(lèi)磁痕均屬于非相關(guān)磁痕。

        (4)此外,縱向磁化電流過(guò)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(chǎng)來(lái)顯示的。目前,鐵路客車(chē)軸承套圈專(zhuān)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(lái)實(shí)現(xiàn)的。但對(duì)于鐵路客車(chē)軸承磁粉探傷,軸承制造廠(chǎng)與使用部門(mén)在縱向磁化電流方面,沒(méi)有統(tǒng)一、具體的規(guī)范,執(zhí)行中選定的縱向電流過(guò)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(guò)大,零件內(nèi)部所能容納的磁力線(xiàn)超過(guò)飽和極限時(shí),引起磁力線(xiàn)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(chǎng)增強(qiáng),吸附磁粉明顯。因此,縱向磁化電流過(guò)大造成外徑面橫向磁痕加劇。

        2 解決措施

        (1)加強(qiáng)對(duì)職工的教育培訓(xùn),提高職工思想素質(zhì),樹(shù)立高度的質(zhì)量意識(shí)和安全意識(shí),在操作加工過(guò)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(guò)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(xiàn)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(chǎng)的大小,即磁感應(yīng)強(qiáng)度直接檢測(cè)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(lái)推算出縱向磁化電流值。

        根據(jù)理想變壓器原理,初、次級(jí)線(xiàn)圈的電流之比等于初、次級(jí)線(xiàn)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(jí)線(xiàn)圈即外圈內(nèi)部感應(yīng)電流(環(huán)形電流)( A);

        I初-激磁線(xiàn)圈(初級(jí)線(xiàn)圈)的電流(A);

        W初-激磁線(xiàn)圈(初級(jí)線(xiàn)圈)的匝數(shù);

        W次-次級(jí)線(xiàn)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(xiàn)圈內(nèi)的電流與激磁線(xiàn)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(guó)際航空行業(yè)磁粉探傷標(biāo)準(zhǔn),對(duì)于鐵磁性材料零件的感應(yīng)磁化電流值取I=被檢測(cè)零件橫截面的表面周長(zhǎng)(mm)×6.2。鐵路客車(chē)軸承外圈的橫截面周長(zhǎng)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(zhǎng)(m);

        N-線(xiàn)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(zhǎng)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(mǎn)足探傷檢測(cè)的要求。但實(shí)際工作中,各制造廠(chǎng)與各鐵路局車(chē)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(mén)制定的客車(chē)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(méi)有制定統(tǒng)一、具體的縱向磁化規(guī)范。

        (4)鐵道部車(chē)輛裝備部門(mén)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(wú)害的缺陷所形成的磁痕,在探傷實(shí)踐中,此類(lèi)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(chǎng)與使用部門(mén)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(jiàn)也不一致。

        3 結(jié)論

        通過(guò)對(duì)套圈外徑面橫向聚粉現(xiàn)象的剖析,發(fā)現(xiàn)提速客車(chē)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(lèi),只有通過(guò)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(lái)避免發(fā)生。此外,軸承使用部門(mén)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(duì)地對(duì)應(yīng)起來(lái),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(lèi)型要結(jié)合零件的形狀、材料、加工工藝、操作方法等方面來(lái)綜合分析。軸承制造廠(chǎng)與使用部門(mén)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)。

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