客车轴承套圈外径面横向聚粉现象剖析

黄永华 上海铁路局合肥车辆段

我段对轴承套圈（外圈、内圈）进行磁粉探伤时，经常发现套圈外径面上，沿圆周方向（横向）显示数量不等、长短不一的横向条状磁粉聚集现象。磁痕特征一般是方向较整齐、磁痕轮廓不分明、磁粉吸附较为松散，且严重程度还与纵向磁化电流大小有关，磁化电流越大，聚粉现象越加剧。全国客车轴承四大生产厂家即浦轴、哈轴、瓦轴、洛轴生产的提速客车轴承均不同程度地存在类似问题。套圈外径磁痕显示特征和分布如图1所示。

图1 套圈外径磁痕显示特征和分布图

经多次与轴承生产厂家联系，发现厂家在出厂验收过程中也经常发生此类现象，但轴承制造厂与段方使用部门所采用的探伤设备条件、掌握标准及磁化规范不完全统一，这样在磁痕鉴别和缺陷性质的判定方面，往往处理意见不一致。尽快查找出外径表面磁粉聚集的原因，采取必要的措施加以改进，对确保行车安全非常必要。为此，段方与轴承生产厂家联合进行了进一步深入分析，查找原因并提出解决措施。

1 原因分析

1.1 对外径面有聚粉的套圈取样进行分析

(1)取2件外径面有聚粉的外圈进行酸洗检查，聚粉的部位没有磨削烧伤，外径面的磁痕方向与砂轮磨削方向基本一致，因此，可以认为外径磨削工艺适当，可排除是磨削产生的磁痕，因为磨削工艺不恰当造成的磨削裂纹与砂轮磨削方向相垂直。

(2)取2件外圈进行硬度检测，分别为HRC 60和HRC 60.5，对外径聚粉的部位采取线切割切块取样，做金相显微组织分析，金相组织正常。因此，可以认为套圈的热处理质量是合格的。

(3)取2件外径聚粉的外圈（其中1件外径面的聚粉部位有磕碰伤，1件外径面的聚粉部位肉眼观察不到明显磕碰伤痕迹），分别进行磨削试验，每次磨削量0.05 mm后接着再进行探伤检查，依此反复试验，直到磨削去掉0.25 mm以后，原吸附磁粉的部位才不再重现聚粉现象。

(4)观察套圈外径面磁痕特征，磁痕显示的方向比较整齐，磁痕轮廓不分明，磁粉吸附较为松散，据此可以判断此类磁痕不是材质发纹。这是因为发纹是锻造加工前钢材内部组织不均匀，晶粒粗大，晶界处存在缩松、非金属夹杂物、气泡等缺陷，经碾压后，沿着金属纤维方向被拉伸而形成的。发纹应当是沿着钢材（圆钢）纤维组织方向分布，呈连续或断续的细直线，但发现的此类聚粉均是沿着圆周方向分布，发纹产生的磁痕特征非常细小，很浅，且均匀而不浓密，但轮廓清晰。

从套圈的磨削质量、热处理质量、原材料质量等方面进行初步的分析和检验，可以排除此类磁痕并不是真正的裂纹缺陷磁痕。

1.2 对套圈外径面显示的横向磁痕特征进行分析

(1)一般在套圈的外表面上聚粉较明显，而内表面上极少产生。造成的客观原因是：套圈在加工过程中，因上下料、清洗、检测、组装、运输等环节，其外表面极易发生磕碰伤、划伤等，极易导致外径面产生局部冷作硬化现象，即在受伤部位发生一定程度的塑性变形。分析金属的晶体结构，金属的塑性变形可以看成是组成金属的多晶体的许多晶粒之间发生扭曲变形，必然产生一定的内应力[1]。因此，套圈外表面在发生磕碰伤、划伤后，产生冷作硬化，就会产生一定的内应力，该部位很容易产生应力集中现象。

特别在套圈精磨加工阶段，一些进口高精度磨床自动化程度高，且大多数配置工件上下料跑道装置，套圈在跑道的弯曲部位（弯道）滚动时，外径表面极容易造成相互斜向碰撞（即圆弧面与外径面相撞击），磕碰现象越严重，越容易产生冷作硬化，导致表面应力集中。

(2)磁粉探伤中，套圈外径面较多地显示此类聚粉现象，是在NJ3226X1、NJP3226X1提速客车轴承中出现的。在此之前生产的4（15）2726QT型普通客车轴承的外径面聚粉现象并不十分明显。

NJ3226X1、NJP3226X1提速客车轴承套圈采用GCr18Mo电渣重熔钢进行等温淬火处理，获得下贝氏体组织，具有高硬度、高强度和一定的塑性和韧性，综合机械性能优良。而4（15）2726QT客车轴承套圈材料采用GCr15真空脱气钢，采用淬火和低温回火处理，主要获得马氏体组织，具有高硬度、高耐磨性，但塑性、韧性较差，脆性很大[2]。因此，NJ3226X1、NJP3226X1提速客车轴承套圈更容易产生塑性变形和冷作硬化现象，其表面受撞击后，磕碰部位更容易产生应力集中。

(3)从上述两个显著特点分析可以得知，提速客车轴承套圈外径面的此类聚粉是由于加工过程中外径表面发生多次磕碰伤，产生塑性变形和冷作硬化所致。

磁粉探伤是基于缺陷处的漏磁场与磁粉的磁吸附而建立的磁痕（磁粉聚集的图像）来进行缺陷识别的。一般将磁痕分为相关磁痕、非相关磁痕、假磁痕三类。假磁痕的形成与漏磁场无关。相关磁痕是漏磁场产生的，漏磁场是裂纹缺陷形成的，相关磁痕对零件的使用性能和安全性能影响极大。

非相关磁痕也是漏磁场产生的，但漏磁场不是来源于真正的裂纹，非相关磁痕、假磁痕一般都不会影响零件的使用功能。引起非相关磁痕的原因主要有以下方面：①零件结构或截面发生突变处；②零件内部磁导率有差异处；③零件内部金相组织不均匀；④金属流线，是沿流线方向成群的平行磁痕，呈不连续散状，与磁化电流过大有关，常出现于轴承零件端面部位；⑤磁写（当两个已磁化的工件互相接触，在接触部位便会产生磁性变化，导致磁力线发生畸变，产生的磁痕显示称为磁写），磁化的零件相互接触后，接触部位便会产生磁性变化，形成漏磁场；⑥磁化电流过大，形成局部漏磁场；⑦划痕、刀痕，在深凹处有金属光泽，易引起磁力线泄露而形成漏磁；⑧表面冷作硬化，在内应力集中处形成漏磁场[3]。

根据上述引起非相关磁痕的原因分析可知，套圈外径表面有聚粉现象的直接原因是：当套圈被磁化时，外径表面有磕碰的区域因为产生塑性变形和冷作硬化，形成局部漏磁场，磁粉粒子被漏磁场吸附而聚集形成磁痕，当表面磕碰伤、划伤被继续磨削消除后，虽肉眼观察不到明显的磕碰痕迹，但因其表面残余内应力未完全消失，该部位仍会形成微弱的漏磁场而吸附磁粉，这类磁痕均属于非相关磁痕。

(4)此外，纵向磁化电流过大是造成外径聚粉加剧的又一原因。套圈外径面上圆周方向（横向）的磁痕，是依靠套圈自身的磁化，建立的纵向磁场来显示的。目前，铁路客车轴承套圈专用磁粉探伤机，纵向磁化的磁化方法是采用感应电流法，是利用电磁感应原理来实现的。但对于铁路客车轴承磁粉探伤，轴承制造厂与使用部门在纵向磁化电流方面，没有统一、具体的规范，执行中选定的纵向电流过大。因铁磁性材料具有磁饱和特性，若纵向磁化电流调节过大，零件内部所能容纳的磁力线超过饱和极限时，引起磁力线外泄程度加大，尤其是在产生塑性变形的冷作硬化部位，漏磁场增强，吸附磁粉明显。因此，纵向磁化电流过大造成外径面横向磁痕加剧。

2 解决措施

(1)加强对职工的教育培训，提高职工思想素质，树立高度的质量意识和安全意识，在操作加工过程中，认真执行产品防磕碰制度，严格做到产品轻拿轻放，坚决杜绝产品磕碰现象。

(2)应改进工艺装备，避免套圈在上下料、运输过程中产生磕碰伤、划伤，将所有上下料跑道装置的弯曲跑道全部改造成直线跑道，以免套圈在滚动中发生斜向碰撞，而导致局部冷作硬化。

(3)合理选定纵向磁化电流大小。套圈磁粉探伤，其表面的感应磁场的大小，即磁感应强度直接检测是比较困难的。但它的数值和产生它的感应电流有一定的函数关系，制订磁粉探伤工艺规范时，通常是以套圈内部感应电流值来推算出纵向磁化电流值。

根据理想变压器原理，初、次级线圈的电流之比等于初、次级线圈的匝数比的倒数[4]：

即：I次/I初=W初/W次故：I次=I初×W初/W次

式中：I次-次级线圈即外圈内部感应电流（环形电流）（ A）；

I初-激磁线圈（初级线圈）的电流（A）；

W初-激磁线圈（初级线圈）的匝数；

W次-次级线圈即外圈的匝数，即为一匝；

即外圈内部感应电流大小在数值上就等于激磁线圈内的电流与激磁线圈绕组匝数的乘积（安匝数）。

以轴承外圈探伤为例，有两种感应磁化电流值近似计算方法：

①引用国际航空行业磁粉探伤标准，对于铁磁性材料零件的感应磁化电流值取I=被检测零件横截面的表面周长（mm）×6.2。铁路客车轴承外圈的横截面周长约为221 mm，故所得感应磁化电流为：I=221×6.2=1370（A），这属于一种严格的探伤磁化规范。

②根据磁路安培环路定律可知：B=μ×N×I/L

式中：I-套圈内部感应电流（A）；

L-套圈横截面周长（m）；

N-线圈匝数，即套圈匝数为一匝；

B-套圈表面磁感应强度（T），通常规定铁磁材料探伤，要求探伤零件表面磁感应强度达到0.8 T以上，就能较好地发现表面和近表面微小的缺陷。

μ-铁磁性材料磁导率，轴承钢取μ=428π×10-7（Oe/m）

外圈的横截面周长约为221 mm，故所得外圈感应磁化电流为：

以上两种计算结果相近，考虑到安全系数和漏磁因素，纵向磁化电流选用1 500～2 000 A是足够的，采用铁道部磁粉探伤标准规定的A1-15/50型灵敏度标准试片检验，横向缺陷磁痕显示是清晰的，能够满足探伤检测的要求。但实际工作中，各制造厂与各铁路局车辆段所采用的纵向磁化电流差别较大，有的采用2 000～2 500 A，有的采用3 500 A左右，基本上都明显偏大。目前铁道部门制定的客车轴承磁粉探伤工艺规程中，仅规定了探伤设备应具有纵向磁化电流在0～6 000安匝之间连续可调，并没有制定统一、具体的纵向磁化规范。

(4)铁道部车辆装备部门应细化磁粉探伤磁痕的判别标准。非相关磁痕一般是由次要缺陷或对使用性能无害的缺陷所形成的磁痕，在探伤实践中，此类磁痕出现比较多，比较普遍。如果把相关磁痕误判为非相关磁痕或假磁痕，则会产生漏检，造成重大的质量隐患。相反，如果把非相关磁痕或假磁痕误判为相关磁痕，则会把合格的零件拒收或报废，造成不必要的损失。轴承制造厂与使用部门在采用的探伤设备条件、磁化规范及磁痕判定标准方面不完全一致，这样在磁痕鉴别和缺陷的性质判定方面的意见也不一致。

3 结论

通过对套圈外径面横向聚粉现象的剖析，发现提速客车轴承套圈外径表面经常出现的横向条状磁痕实属非相关性磁痕一类，只有通过严格管理，加强工艺装备的改进，防止产品磕碰伤来避免发生。此外，轴承使用部门在磁粉探伤复查时，不应把零件的聚粉现象与裂纹缺陷磁痕绝对地对应起来，将非相关磁痕误判为相关磁痕，就会使合格品报废而造成不必要的经济损失，相反，把相关磁痕误判为非相关磁痕，也会造成重大的质量隐患。判定缺陷磁痕的类型要结合零件的形状、材料、加工工艺、操作方法等方面来综合分析。轴承制造厂与使用部门要建立统一、具体的纵向磁化电流规范，是否影响轴承零件的使用功能要依据一定的磁痕判别标准。