鐵路客車軸承外圈磁粉檢測的非相關磁痕分析及改進措施

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造項目部,西安710000)

鐵路客車軸承外圈磁粉檢測的非相關磁痕分析及改進措施

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,會產生批量性的非相關磁痕,經過分析得知,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,并提出了改進措施,以供同行參考。

軸承外圈;非相關磁痕;原材料;鍛造

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

但是,從2013年12月開始,筆者單位生產的軸承外圈端面被判為非相關磁痕產品的比例突然大增,甚至高達83%;2013年12月期間,軸承外圈經磁粉檢測后,非相關磁痕產品高達數千件,嚴重影響了正常生產。2014年10月,又發生了一起批量性產品外圈滾道出現周向非相關磁痕的事故,給企業帶來了嚴重的經濟損失。

針對這些嚴重的質量事件,筆者開展了大量的技術分析工作,找出了產生這一現象的原因,并制定了相應的改進措施。

1 非相關磁痕的形貌特征

眾所周知,非相關磁痕不是來源于缺陷,而是由漏磁場產生的。引起非相關磁痕的原因較多: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、應力、兩種材料交界、電極和磁極等。

鐵路客車軸承外圈非相關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。

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

圖1 端面非相關磁痕形貌

產品外圈滾道周向非相關磁痕形貌見圖2,由圖可知從磁痕分布面積看,有的數條短線磁痕沿圓周分布,對此類磁痕形貌進行觀察,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 滾道周向非相關磁痕形貌

2 非相關磁痕產生的原因分析與討論

2.1 非相關磁痕產品的統計分析

對筆者單位近幾年的軸承外圈制造過程中產生的非相關磁痕進行了統計,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,非相關磁痕廢品率異常高時,滾道周向非相關磁痕廢品率也異常高。對工藝進行了解,發現此期間鍛造工藝部分改為1 000 t壓力機生產,那么1 000 t壓力機可能是導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,滾道周向非相關磁痕廢品率顯著降低,磁痕廢品率也穩步降低。

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,端面磁痕的發生率也較高。

2.2 非相關磁痕產生原因分析

經國內各相關單位研究分析,鐵路客車外圈磁痕被確認為非相關磁痕,但是,非相關磁痕產生的原因卻至今未有定論。業內有關單位的研究認為,車削和磨削加工的痕跡是鐵路客車軸承外圈磁痕產生的原因。筆者公司針對此結論,進行了多次試驗驗證,證明該結論不成立。

表1 鐵路客車外圈滾道周向非相關磁痕廢品率統計

表2 鐵路客車外圈端面非相關磁痕廢品率統計

2.2.1 端面非相關磁痕微觀分析

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生在其他不同部位的非相關磁痕,進行了大量的理化和金相分析。結果表明,非相關磁痕的產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,會引起磁痕的產生,非相關磁痕的微觀組織形貌見圖3。對端面磁痕的內部解剖結果[2]也充分說明了這一點。

從非相關磁痕產生的機理來看,該結論是可信的。另外,對塔型試樣進行熒光磁粉檢測時,發現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致磁痕。

基于以上原因,采用小尺寸電渣鋼錠進行冶煉,在進一步改進材料的純凈度方面開展了一些試驗。通過改進材料本身的金屬組織的不均勻度,減少了端面磁痕的產生。采用未軟化退火材料,改進了帶狀組織(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生。基于目前的冶金技術和生產成本,完全消除材料成分和組織的不均勻是不現實的,所以少量非相關磁痕的產生是不可避免的。因此,工作的重點在于預防產生大批量非相關磁痕。

圖3 非相關磁痕微觀組織形貌

2.2.2 滾道周向非相關磁痕產生的其他原因

材料本身的帶狀組織和金屬組織的不均勻如果是導致磁痕產生的唯一原因,那么鐵路客車外圈端面磁痕形式應該是一樣的,磁痕出現的比例也應該比較高。2013年12月出現的端面磁痕高達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致非相關磁痕產生的唯一原因。制造過程中應該也存在導致磁痕產生的因素,以前的試驗已經排除了車削和磨加工導致磁痕產生的可能性。從熱處理工序的工藝機理來看,基本上不存在導致非相關磁痕產生的因素。從磁痕的形狀和分布來看,導致磁痕產生的其他原因很可能存在于鍛造工序。

2.2.3 小批量端面非相關磁痕產生的原因

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生;從磁痕的長度、數量和位置來看,材料本身帶狀組織不均勻也不是導致端面磁痕產生的唯一因素。分析其產生的機理可能是:在材料墩粗和碾環的過程中,坯料端面產生了表面不平整現象,繼而導致帶狀組織和流線產生扭曲,在隨后的車、磨加工時,帶狀組織和流線被剪斷,斷裂部位產生成分和組織突變,進而導致該部位的磁導率突變,從而在該部位形成磁痕。

3 改進措施

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

(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磁痕的最佳鍛造方式。

(3)優化和精細化鍛造工藝過程,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磁痕的產生。

4 結論

(1)鐵路客車軸承外圈磁痕主要有三種形式。滾道周向非相關磁痕占磁痕總數的55%,端面非相關磁痕占磁痕總數的44%,滾道周向非相關磁痕和端面非相關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致非相關磁痕產生的首要原因。通過改進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生的概率。基于目前的冶金技術和生產成本,完全消除材料成分和組織不均勻是不現實的。

(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,斷裂部位產生成分和組織突變,進而導致該部位的磁導率突變,從而在該部位形成非相關磁痕,這是滾道周向非相關磁痕大量出現的重要外因。

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

[1] 仵永剛,張玲,尤紹軍,等.軸承零件的非相關磁痕顯示形貌及產生原因[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。