軸承零件過燒的相控陣檢測技術及評定方法

摘(zhai) 要

介紹軸承零件過燒缺陷常用檢測方法和相控陣超聲波（PAUT）檢測方法的特點。采用相控陣檢測技術，通過對收集的軸承零件疑似過燒缺陷相控陣圖像的對比分析，歸納出過燒缺陷的相控陣圖像特征多為較小的點狀、團狀和條塊狀密集型缺陷，在材料內部寬度和深度方向均有分布，并利用金相法等對相控陣圖像特征進行了有效驗證。結果表明，相控陣可以檢測過燒缺陷，并初步給出了采用對比試塊法對過燒缺陷進行評定，過燒評定方法為：單個缺陷不小于φ0.5 mm當量平底孔或密集型缺陷在25 mmx25 mm區域內存在3個小于φ0.5 mm當量平底孔的缺陷，判定為過燒。

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，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。

由于過燒造(zao)成的材料組織晶間破壞，會形(xing)成尺寸極(ji)小(xiao)的孔(kong)洞缺陷，過(guo)燒(shao)缺(que)陷的檢測一(yi)直是個難(nan)題(ti)。在軸承制造過(guo)程中面臨兩種情(qing)況(kuang)(kuang)：由于(yu)檢測不出缺陷造成過(guo)燒缺陷在產(chan)品(pin)中持續存在；一旦發現一件產(chan)品(pin)過(guo)燒，則整批產(chan)品(pin)報廢。這兩種情(qing)況(kuang)(kuang)均不利于(yu)企業(ye)的(de)生(sheng)(sheng)產(chan)，這就要求提高檢測能力，杜絕以上情(qing)況(kuang)(kuang)發生(sheng)(sheng)。

1 軸承零件過燒缺陷的常規檢測方法

軸(zhou)承零件(jian)過燒缺陷的常(chang)規檢(jian)測(ce)方法有(you)：無損(sun)檢(jian)測(ce)，如(ru)磁粉探傷和(he)常(chang)規超聲波(bo)探傷；破壞性檢(jian)測(ce)，如(ru)斷(duan)口和(he)金(jin)相檢(jian)驗等。

1.1 磁粉檢測

常(chang)用的(de)鐵(tie)磁性材料，表(biao)面無損檢(jian)測(ce)多(duo)采用磁粉檢(jian)測(ce)方法。由于(yu)過燒缺陷(xian)的(de)外形(xing)特(te)征多(duo)為點狀(zhuang)孔(kong)洞，磁粉檢(jian)測(ce)對此類缺陷(xian)不(bu)敏感，經常(chang)會發生漏檢(jian)。

1.2 常規(gui)超(chao)聲波檢測(ce)

采用常(chang)規(gui)超(chao)聲波(bo)檢測(ce)過燒造成的(de)孔洞缺(que)陷時(shi)會造成缺(que)陷回(hui)波(bo)散(san)射，接收到的(de)回(hui)波(bo)信(xin)號很少，缺(que)陷信(xin)號很弱(ruo)，容易(yi)被誤認為是(shi)雜波(bo)而被漏判；由于許(xu)多過燒缺(que)陷尺寸很小，而常(chang)規(gui)超(chao)聲波(bo)受限(xian)于探(tan)頭頻(pin)率，小于半波(bo)長的(de)缺(que)陷檢測(ce)不到。

1.3 斷(duan)口檢(jian)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(zhong)要(yao)手段之一(yi)。過(guo)燒(shao)斷(duan)(duan)口(kou)(kou)特征表現為無(wu)金屬光澤(ze)、淺灰色、有棱角，類似碎石塊狀(zhuang)。從斷(duan)(duan)口(kou)(kou)圖像(xiang)看(kan)，缺陷的表面不(bu)規整，輕微時(shi)可(ke)見(jian)少數幾點，嚴重(zhong)時(shi)可(ke)布滿整個斷(duan)(duan)口(kou)(kou)。某軸承滾(gun)子過(guo)燒(shao)斷(duan)(duan)口(kou)(kou)顯(xian)微圖像(xiang)如圖1所(suo)示。

圖1 滾子(zi)過燒斷口的掃描電鏡圖像

Fig.1 Scanning electron microscope image of overburning fracture for roller

1.4 金相檢驗

金相檢(jian)驗(yan)是控制軸承(cheng)零件內在(zai)質(zhi)量(liang)的重要手(shou)段(duan)，包括宏(hong)觀(guan)檢(jian)驗(yan)與微觀(guan)檢(jian)驗(yan)。某軸承(cheng)滾子100倍過(guo)燒(shao)顯(xian)(xian)微金相圖像如圖2所示，過(guo)燒(shao)組(zu)織晶(jing)(jing)粒異常粗大，整個晶(jing)(jing)界(jie)層燒(shao)熔(rong)，在(zai)三角晶(jing)(jing)界(jie)處出現明顯(xian)(xian)的燒(shao)熔(rong)孔洞(dong)，呈黑色晶(jing)(jing)界(jie)網絡。

圖2 滾子過(guo)燒的金相組織形貌

Fig. 2 Metallographic structure of overburning for roller

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(sheng)相(xiang)控陣是近年來發(fa)展起來的一門(men)新的工(gong)業無損檢(jian)(jian)測技(ji)術，通過對(dui)探頭各陣元的有(you)序激勵可得到靈活的偏轉及(ji)聚(ju)焦聲(sheng)束(shu),聯合線性掃(sao)查(cha)、扇(shan)形掃(sao)查(cha)、動態聚(ju)焦等獨特的工(gong)作方式，使其比常規超聲(sheng)檢(jian)(jian)測具有(you)更(geng)快(kuai)的檢(jian)(jian)測速(su)度和更(geng)高的靈敏度。與(yu)常規超聲(sheng)波檢(jian)(jian)測相(xiang)比，相(xiang)控陣檢(jian)(jian)測具有(you)以(yi)下明(ming)顯的優(you)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。

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(tan)(tan)索(suo)過(guo)燒缺(que)陷的(de)超聲波特征，采用超聲相控陣(zhen)探(tan)(tan)傷儀對(dui)確定內部存在過(guo)燒的(de)軸(zhou)承(cheng)零件進行掃查，探(tan)(tan)頭采用10 MHz相控陣(zhen)探(tan)(tan)頭，采集了多個過(guo)燒缺(que)陷超聲波圖(tu)像，按照嚴重(zhong)(zhong)程(cheng)度(du)表現(xian)的(de)特征歸納如(ru)下：1)密集點狀形態(tai)過(guo)燒缺(que)陷(圖(tu)3)，程(cheng)度(du)一(yi)般(ban)；2)團狀形態(tai)過(guo)燒缺(que)陷(圖(tu)4)，程(cheng)度(du)較重(zhong)(zhong)；3)條塊狀形態(tai)過(guo)燒缺(que)陷(圖(tu)5)，程(cheng)度(du)嚴重(zhong)(zhong)。

圖3 過燒缺陷相控陣檢測點(dian)狀形態

Fig.3 Point-like morphology of phased array detection of overburning defects

圖4 過燒(shao)缺陷相(xiang)控陣檢測團狀形態(tai)

Fig.4 Agglomerate-like morphology of phased array detec-tion of overburning defects

圖5 過燒缺陷相(xiang)控陣檢測條塊狀形(xing)態

Fig.5 Strip-like morphology of phased array detection of overburning defects

對圖3—圖5的點(dian)狀、團狀、條塊狀的部位進一步做金相檢驗，發現(xian)都具(ju)有過燒缺陷(xian)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(po)壞性(xing)檢測，更能適(shi)應生產。

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(xian)缺(que)陷(xian)必須采用高頻(pin)率(lv)探(tan)頭，提高檢測的(de)(de)靈敏(min)度。而常規超(chao)聲(sheng)波探(tan)頭頻(pin)率(lv)一(yi)般(ban)低于6 MHz，檢測的(de)(de)靈敏(min)度較低，很難發現(xian)此類缺(que)陷(xian)，易造(zao)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(jian)測到的相控(kong)陣(zhen)圖(tu)像特征見表1。從相控(kong)陣(zhen)圖(tu)像特征上，可初步判斷出(chu)密集型缺陷(xian)的性質。

表1 軸承零件(jian)密集型內部缺(que)陷相控陣圖像特征

Tab.1 Phased array image features of intensive internal de-fects of bearing parts

隨著超聲(sheng)相控(kong)陣(zhen)技術的(de)開發(fa)和運用(yong)，因其高(gao)頻、聚集等(deng)特點，過燒缺陷(xian)檢測難點得到(dao)了(le)很(hen)好(hao)的(de)解決，使(shi)過燒缺陷(xian)的(de)檢測具有可行(xing)性。使(shi)用(yong)相控(kong)陣(zhen)探(tan)頭與常規(gui)超聲(sheng)波探(tan)頭檢測過燒缺陷(xian)的(de)效(xiao)果(guo)比較(jiao)見表(biao)2。

表2 相控陣探(tan)頭與常規(gui)超聲波探(tan)頭檢測過燒缺(que)陷的(de)效果比較

Tab.2 Comparison of effects of phased array probe and con-ventional ultrasonic probe for detecting overburning defects