軸承零件過燒的相控陣檢測技術及評定方法

彭志戰，李江吉，陳文君，李昭昆 ,徐保中

(1.洛陽LYC軸承有限公司，河南 洛陽 471039；2.航空精密軸承國家重點實驗室，河南 洛陽 471039；s3.中國鐵路西安局集團有限公司，西安 710086)

軸承鋼一般都要進行熱加工和熱處理，以獲得較高的韌性或其他特殊性能。當軸承鋼的加熱溫度(接近熔化溫度)過高時奧氏體晶粒粗大，而且由于氧化性氣體滲入到晶界，使晶間物質Fe，C，S發生氧化，形成易熔共晶體氧化物，在隨后的冷卻過程中晶界上產生富硫、富磷的燒熔層，并伴隨著形成硫化物和磷化鐵等脆性相的沉積，導致晶界嚴重弱化[1]，這種現象稱為過燒。過燒的金屬由于晶間連接被破壞，強度和韌性大幅下降，常常一鍛即裂[2]。

由于過燒造成的材料組織晶間破壞，會形成尺寸極小的孔洞缺陷，過燒缺陷的檢測一直是個難題。在軸承制造過程中面臨兩種情況：由于檢測不出缺陷造成過燒缺陷在產品中持續存在；一旦發現一件產品過燒，則整批產品報廢。這兩種情況均不利于企業的生產，這就要求提高檢測能力，杜絕以上情況發生。

1 軸承零件過燒缺陷的常規檢測方法

軸承零件過燒缺陷的常規檢測方法有：無損檢測，如磁粉探傷和常規超聲波探傷；破壞性檢測，如斷口和金相檢驗等。

1.1 磁粉檢測

常用的鐵磁性材料，表面無損檢測多采用磁粉檢測方法。由于過燒缺陷的外形特征多為點狀孔洞，磁粉檢測對此類缺陷不敏感，經常會發生漏檢。

1.2 常規超聲波檢測

采用常規超聲波檢測過燒造成的孔洞缺陷時會造成缺陷回波散射，接收到的回波信號很少，缺陷信號很弱，容易被誤認為是雜波而被漏判；由于許多過燒缺陷尺寸很小，而常規超聲波受限于探頭頻率，小于半波長的缺陷檢測不到。

1.3 斷口檢驗

斷口檢驗是宏觀檢驗中常用的方法，是反映產品質量的重要手段之一。過燒斷口特征表現為無金屬光澤、淺灰色、有棱角，類似碎石塊狀。從斷口圖像看，缺陷的表面不規整，輕微時可見少數幾點，嚴重時可布滿整個斷口[3]。某軸承滾子過燒斷口顯微圖像如圖1所示。

圖1 滾子過燒斷口的掃描電鏡圖像

1.4 金相檢驗

金相檢驗是控制軸承零件內在質量的重要手段，包括宏觀檢驗與微觀檢驗。某軸承滾子100倍過燒顯微金相圖像如圖2所示，過燒組織晶粒異常粗大，整個晶界層燒熔，在三角晶界處出現明顯的燒熔孔洞，呈黑色晶界網絡。

圖2 滾子過燒的金相組織形貌

1.5 小結

以上方法中，磁粉檢測和超聲波檢測有局限性，斷口檢驗和金相檢驗效率低且屬于破壞性檢驗，因此，需考慮采用更可靠和效率更高的方法來檢測過燒缺陷。

2 超聲相控陣檢測的特點

超聲相控陣是近年來發展起來的一門新的工業無損檢測技術，通過對探頭各陣元的有序激勵可得到靈活的偏轉及聚焦聲束，聯合線性掃查、扇形掃查、動態聚焦等獨特的工作方式，使其比常規超聲檢測具有更快的檢測速度和更高的靈敏度[4]。與常規超聲波檢測相比，相控陣檢測具有以下明顯的優點：

1)相控陣技術除具有一般超聲波的A掃外，又增加了B掃、C掃、D掃、S掃，特別是形成了具有可視化的S掃，增加了缺陷的直觀性，對缺陷易見易判。

2)相控陣探頭的單個晶片尺寸很小，使超聲場的近場區很小。相控陣探頭既能探測較深的部位，又能檢測近表面部位，彌補了直探頭和雙晶探頭的不足[5]。

3)相控陣探頭頻率可達6 MHz以上，甚至可以達到20 MHz或更高，高頻率探頭的使用，使對小缺陷超聲波檢測成為可能。相控陣探頭的聚焦性能，有助于提高對缺陷的識別能力。

3 過燒缺陷的相控陣檢測圖像特征

為探索過燒缺陷的超聲波特征，采用超聲相控陣探傷儀對確定內部存在過燒的軸承零件進行掃查，探頭采用10 MHz相控陣探頭，采集了多個過燒缺陷超聲波圖像，按照嚴重程度表現的特征歸納如下：1)密集點狀形態過燒缺陷(圖3)，程度一般；2)團狀形態過燒缺陷(圖4)，程度較重；3)條塊狀形態過燒缺陷(圖5)，程度嚴重。

對圖3—圖5的點狀、團狀、條塊狀的部位進一步做金相檢驗，發現都具有過燒缺陷的顯微組織特征，但相控陣檢測比金相法方便、快捷，檢測效率高，且為非破壞性檢測,更能適應生產。

圖3 過燒缺陷相控陣檢測點狀形態

圖4 過燒缺陷相控陣檢測團狀形態

圖5 過燒缺陷相控陣檢測條塊狀形態

從超聲相控陣圖像上看，過燒缺陷多為較小的點狀、團狀、條塊狀密集型缺陷，在材料內部寬度和深度方向均有分布。過燒缺陷多是密集小缺陷，為發現缺陷必須采用高頻率探頭，提高檢測的靈敏度。而常規超聲波探頭頻率一般低于6 MHz，檢測的靈敏度較低，很難發現此類缺陷，易造成漏檢。

4 相控陣技術檢測過燒的可行性

軸承零件中密集型內部缺陷為過燒、白點和疏松等，檢測到的相控陣圖像特征見表1。從相控陣圖像特征上，可初步判斷出密集型缺陷的性質。

表1 軸承零件密集型內部缺陷相控陣圖像特征

隨著超聲相控陣技術的開發和運用，因其高頻、聚集等特點，過燒缺陷檢測難點得到了很好的解決，使過燒缺陷的檢測具有可行性。使用相控陣探頭與常規超聲波探頭檢測過燒缺陷的效果比較見表2。

表2 相控陣探頭與常規超聲波探頭檢測過燒缺陷的效果比較

5 軸承內部過燒的相控陣檢測評定探討

根據過燒缺陷的特點及危害，宜從嚴控制，盡可能發現小當量的缺陷。結合相控陣儀器、探頭和試塊等綜合檢測能力，并綜合實踐經驗，提出了過燒缺陷定量方法以及評定標準。

1)過燒缺陷的定性。對內部缺陷特征為密集點狀、團狀和條塊狀等密集型缺陷，考慮到軸承使用的安全性，按照過燒缺陷評判,有爭議時，采用金相法進行解剖分析定性。

2)過燒缺陷定量方法。采用對比試塊法，考慮到內部過燒缺陷常常體積較小，從單個缺陷定量和密集型缺陷定量兩方面考慮，綜合實踐經驗，級別定為φ0.5 mm當量平底孔。

3)過燒缺陷的評定：若單個缺陷不小于φ0.5 mm當量平底孔或密集型缺陷在25 mm×25 mm區域內存在3個小于φ0.5 mm當量平底孔的缺陷，均判定為過燒。