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晶偏析，在熱軋變形時延伸形成了碳化物富集帶，雖然經過原材料的軋制和擴散退火會有所減少，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，規定磁粉探傷時不允許出現任何缺陷磁痕［2］，不能通過超精加工等方法進行消除的磁痕成品為不合格品。雖然常規的進廠材料檢驗對碳化物的類型及級別進行了控制，且采用塔形試樣對材料的發紋進行了檢驗，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致的不合格品，對重點產品需加強原材料的磁粉探傷檢驗，從而滿足用戶的高品質需求。

1 探傷試樣的設計方案

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

（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行探傷；

（3）對檢驗結果進行對比，確定一種既能準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品的原材料檢驗。

1.1 試驗條件及結果

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

表1 4種試樣試驗條件及探傷結果

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種試樣進行熒光磁粉探傷在生產加工中均可得以實現，但原材料帶狀分布情況檢查結果的準確性存在一定差異。

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，對觀察面進行磨加工，制成探傷試樣。再用交流連續磁軛法縱向充磁，施加磁懸液，觀察磁痕；將試樣順時針旋轉90°，改變試樣充磁位置，用同樣的方法進行充磁觀察。結果顯示，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《鋼材塔形發紋酸浸檢驗方法》的規定進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，結果發現，只有1個試樣在最小的臺階處出現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行觀察。因此，觀察面積較大，可以比較理想地反映原材料內部帶狀碳化物的分布狀態。此外，從便于操作加工等方面考慮，試樣不能太長，應結合該產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熱處理后硬車表面，再次探傷發現，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果的對應關系，跟蹤了一批經過塔形試樣檢驗的原材料及其成品套圈的探傷情況。結果表明，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行磁粉探傷檢驗帶狀碳化物組織的方案是可行的。

3 結束語

采用多臺階非對稱塔形試樣進行磁粉探傷，更易于反映棒料內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。采用該方法應注意以下3個方面：

（1）觀察面應保持無銹蝕、劃傷和雜質，避免加工痕跡與材料軋制方向一致，機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，應區別材料發紋磁痕。二者均沿材料軋制方向分布，但發紋磁痕實而收斂，稀而獨立，帶狀組織磁痕則虛而發散；發紋磁痕多為單條或幾條，斷續分布，而帶狀組織磁痕為多條，分布面積較大。