8Cr4Mo4V鋼制軸承套圈磨削表面燒傷檢測(cè)方法

劉明，劉明陽，胡北，李浩瑋

（中航工業(yè)哈爾濱軸承有限公司 研發(fā)中心，哈爾濱 150027）

隨著航空航天技術(shù)的飛速發(fā)展，對(duì)作為航空發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵部件之一的軸承提出了更高的壽命要求［1-2］。影響軸承壽命的指標(biāo)除了常規(guī)的尺寸精度、裝配精度、硬度、組織等外，表面殘余應(yīng)力、表面熱損傷等技術(shù)要求也逐漸被重視［3］。

軸承工作表面的殘余壓應(yīng)力能夠提高軸承的使用壽命［4］。一般采用X射線衍射方法測(cè)試表面殘余應(yīng)力［5］。表面熱損傷一般指磨削燒傷，工件在磨削過程中表面溫度過高，超過套圈材料回火溫度或淬火溫度，導(dǎo)致表層組織性能發(fā)生改變［6］。通常利用冷酸洗進(jìn)行磨削燒傷檢驗(yàn)，冷酸洗后目測(cè)磨削表面顏色，判斷工件是否燒傷［7］。對(duì)于繼續(xù)流動(dòng)加工的零件冷酸洗檢測(cè)燒傷后一般還需要進(jìn)行除氫處理，該過程不僅影響軸承外觀質(zhì)量，還需增加表面處理工序（如精光飾工序），增加了生產(chǎn)周期，同時(shí)檢測(cè)結(jié)果也難免會(huì)受到人為因素的影響。為了更好地檢測(cè)磨削燒傷，國內(nèi)外一直在尋找可以替代冷酸洗檢測(cè)磨削燒傷的方法，如 Barkhausen檢測(cè)法［8-9］。使用 Barkhausen噪聲檢測(cè)儀檢測(cè)時(shí)，首先應(yīng)根據(jù)不同材料調(diào)整設(shè)備參數(shù)，對(duì)沒有發(fā)生磨削燒傷的零件進(jìn)行標(biāo)樣，確定標(biāo)樣Max／Min技術(shù)要求。在檢測(cè)磨削試樣的過程中，當(dāng)數(shù)值偏離標(biāo)準(zhǔn)要求時(shí)，則視為產(chǎn)品出現(xiàn)“燒傷”。

1 試驗(yàn)

1.1 試樣及設(shè)備

選擇角接觸球軸承外圈溝道（圖1）為磨削表面，試樣尺寸：外徑120 mm，內(nèi)徑103.15 mm，寬度28 mm，溝道直徑108.549 mm，溝曲率半徑6.882 mm。試樣材料為8Cr4Mo4V高溫軸承鋼，淬火+3次回火狀態(tài)，硬度約為62 HRC，根據(jù)JB／T 2850—2007《滾動(dòng)軸承 Cr4Mo4V高溫軸承鋼零件 熱處理技術(shù)條件》標(biāo)準(zhǔn)評(píng)定為2級(jí)合格組織。

圖1 磨削試樣Fig.1 Grinding sample

采用3MK1416C外溝數(shù)控磨床制備磨削試樣。采用XSTRESS3000應(yīng)力儀測(cè)試溝道表面殘余應(yīng)力及應(yīng)力梯度。采用Roll Scan Barkhausen噪聲檢測(cè)儀進(jìn)行套圈溝道Barkhausen噪聲檢測(cè)。

1.2 試驗(yàn)方法

采用6種磨削方案，制備不同表面狀態(tài)的磨削樣圈。每種方案加工3個(gè)樣圈，磨削方案參數(shù)見表1。

表1 磨削方案參數(shù)Tab.1 Grinding test parameters

1.3 檢測(cè)方法

殘余應(yīng)力測(cè)試：首先在樣圈上截取12 mm×20 mm的樣塊，用酒精棉清潔溝道表面，再將其放置在檢測(cè)平臺(tái)上，利用固定在平臺(tái)上的2把千分尺定位溝道表面應(yīng)力測(cè)試區(qū)域在φ2mm面積內(nèi)并作標(biāo)識(shí)。采用電解拋光法對(duì)標(biāo)識(shí)區(qū)域進(jìn)行不同深度應(yīng)力梯度測(cè)試。

冷酸洗檢測(cè)：采用手自一體酸洗檢測(cè)線進(jìn)行檢測(cè)，脫脂→熱水洗→流動(dòng)冷水洗→鹽酸酸洗→流動(dòng)冷水洗→硝酸酸洗→流動(dòng)冷水洗→鹽酸明化→流動(dòng)冷水洗→中和→酸洗檢查。通過觀察磨削表面冷酸洗后顏色變化情況，判斷是否出現(xiàn)磨削燒傷。

Barkhausen噪聲檢測(cè)：測(cè)試前對(duì)套圈退磁處理，保證套圈表面磁場強(qiáng)度不大于3 Gs。將待檢套圈置于磁化軸上，確認(rèn)探針與溝道緊密接觸。調(diào)整磁化電壓為12 V，打開磁化軸旋轉(zhuǎn)按鈕，待套圈平穩(wěn)旋轉(zhuǎn)后，記錄Barkhausen噪聲Max／Min值。Barkhausen檢測(cè)前先進(jìn)行無燒傷磨削試樣標(biāo)樣，標(biāo)樣Max／Min值小于1.2，正常檢測(cè)時(shí)根據(jù)標(biāo)樣值進(jìn)行對(duì)比以判斷表面是否出現(xiàn)燒傷。當(dāng)Max／Min值大于1.2時(shí)，有可能存在磨削燒傷或表面材料性能不均勻，需采用冷酸洗檢測(cè)進(jìn)一步確定。

2 結(jié)果與討論

試樣的殘余應(yīng)力、Barkhausen噪聲 Max／Min值檢測(cè)、冷酸洗檢測(cè)結(jié)果見表2。檢測(cè)結(jié)果顯示，相同磨削參數(shù)的磨削試樣穩(wěn)定性較強(qiáng)，但由于其他因素（如套圈材料性能）的影響略有波動(dòng)，故表2中對(duì)第1種磨削方案的3個(gè)試樣進(jìn)行了詳細(xì)分析。

表2 殘余應(yīng)力、Barkhausen檢測(cè)、冷酸洗檢測(cè)結(jié)果Tab.2 Results of residual stress，Barkhausen noise detection and acid cleaning

由表2可以看出，隨著表面殘余壓應(yīng)力數(shù)值的減小，Barkhausen噪聲 Max／Min值具有一定的波動(dòng)性；當(dāng)殘余應(yīng)力為拉應(yīng)力時(shí)，Max／Min值超出標(biāo)樣值，冷酸洗檢驗(yàn)為燒傷。3＃，7＃試樣的X射線檢測(cè)為殘余壓應(yīng)力，冷酸性檢測(cè)無燒傷，但Barkhausen噪聲Max／Min值超出標(biāo)樣值范圍。初步斷定是由于材料化學(xué)成分分布不均勻（成分偏析）造成的磨削表面應(yīng)力分布、硬度和顯微結(jié)構(gòu)存在不均勻，是對(duì)磨削表面性能均勻性的反映，這種成分偏析冷酸洗難以識(shí)別。

在不同磨削參數(shù)條件下制備的試樣的殘余應(yīng)力梯度如圖2所示。由圖2可以看出，殘余壓應(yīng)力層基本在10μm左右，雖然不同磨削參數(shù)條件下試樣的表面殘余應(yīng)力值有一定差異，但層深沒有明顯變化，主要是由砂輪表面粗糙度基本恒定造成的。砂輪修整方式恒定，砂輪表面粗糙度基本不變，磨削時(shí)，砂輪局部凸起切入試樣深度相同，使其表面塑性變形尺寸相同，因此磨削時(shí)形成的殘余應(yīng)力層基本一致。

圖2 不同試樣的應(yīng)力梯度Fig.2 Stress gradient of different samples

3 驗(yàn)證試驗(yàn)

為了對(duì)比Barkhausen噪聲與冷酸性檢測(cè)之間的區(qū)別和關(guān)聯(lián)，再次制備11個(gè)磨削試樣進(jìn)行分析，檢測(cè)結(jié)果見表3。

表3 驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Results of validation test

由表3可以看出，當(dāng)冷酸洗檢測(cè)出磨削表面燒傷時(shí)，Barkhausen噪聲值也出現(xiàn)超差；但Barkhausen噪聲值出現(xiàn)超差時(shí)，冷酸洗檢測(cè)結(jié)果不一定出現(xiàn)燒傷。再次驗(yàn)證了Max／Min值不僅僅能夠表征燒傷，同時(shí)也可以間接反映溝道磨削表面性能的不均勻性。

4 不同檢測(cè)方法的特點(diǎn)和適用性

冷酸洗檢測(cè)主要通過觀察磨削表面冷酸洗后的顏色變化情況判斷是否發(fā)生燒傷，具有直觀、準(zhǔn)確、易操作的特點(diǎn)，但其只能檢測(cè)磨削燒傷，無法對(duì)磨削表面整體性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，對(duì)磨削表面質(zhì)量要求具有一定局限性。

采用X射線衍射儀進(jìn)行磨削表面殘余應(yīng)力測(cè)試時(shí)，測(cè)試值為拉應(yīng)力，判定為磨削燒傷；反之，無燒傷。通過應(yīng)力梯度測(cè)試可以分析磨削表面、次表面應(yīng)力分布情況，為優(yōu)化磨削工藝參數(shù)提供數(shù)據(jù)支持。但表面殘余應(yīng)力測(cè)試和應(yīng)力梯度測(cè)試時(shí)間均較長，且屬于破壞性檢測(cè)，可應(yīng)用于工藝研究階段，不建議用在批量生產(chǎn)中。

Barkhausen噪聲檢測(cè)是一種無損檢測(cè)方法，其檢測(cè)結(jié)果可以量化，不但能夠檢測(cè)磨削表面燒傷，還可以對(duì)磨削表面性能的不均勻性進(jìn)行評(píng)價(jià)，為長壽命軸承制造提供更高的表面質(zhì)量保證，是一種非常有前景的無損檢測(cè)方法。作為先進(jìn)的無損檢測(cè)方法，其許多應(yīng)用領(lǐng)域尚未開發(fā)，有待進(jìn)一步深入研究。

5 結(jié)束語

冷酸洗、Barkhausen噪聲和殘余應(yīng)力檢測(cè)均能不同程度地表征溝道磨削表面性能。冷酸洗能夠準(zhǔn)確直觀判斷是否出現(xiàn)磨削燒傷，但無法表征磨削表面整體性能；殘余拉應(yīng)力是出現(xiàn)磨削燒傷的一種表現(xiàn)形式；Barkhausen噪聲檢測(cè)不但可以檢測(cè)出磨削燒傷，還可以表征磨削表面性能的不均勻性，是長壽命軸承有效的檢測(cè)方法。