轴承零件过烧的相控阵检测技术及评定方法

彭志战，李江吉，陈文君，李昭昆 ,徐保中

(1.洛阳LYC轴承有限公司，河南 洛阳 471039；2.航空精密轴承国家重点实验室，河南 洛阳 471039；s3.中国铁路西安局集团有限公司，西安 710086)

轴承钢一般都要进行热加工和热处理，以获得较高的韧性或其他特殊性能。当轴承钢的加热温度(接近熔化温度)过高时奥氏体晶粒粗大，而且由于氧化性气体渗入到晶界，使晶间物质Fe，C，S发生氧化，形成易熔共晶体氧化物，在随后的冷却过程中晶界上产生富硫、富磷的烧熔层，并伴随着形成硫化物和磷化铁等脆性相的沉积，导致晶界严重弱化[1]，这种现象称为过烧。过烧的金属由于晶间连接被破坏，强度和韧性大幅下降，常常一锻即裂[2]。

由于过烧造成的材料组织晶间破坏，会形成尺寸极小的孔洞缺陷，过烧缺陷的检测一直是个难题。在轴承制造过程中面临两种情况：由于检测不出缺陷造成过烧缺陷在产品中持续存在；一旦发现一件产品过烧，则整批产品报废。这两种情况均不利于企业的生产，这就要求提高检测能力，杜绝以上情况发生。

1 轴承零件过烧缺陷的常规检测方法

轴承零件过烧缺陷的常规检测方法有：无损检测，如磁粉探伤和常规超声波探伤；破坏性检测，如断口和金相检验等。

1.1 磁粉检测

常用的铁磁性材料，表面无损检测多采用磁粉检测方法。由于过烧缺陷的外形特征多为点状孔洞，磁粉检测对此类缺陷不敏感，经常会发生漏检。

1.2 常规超声波检测

采用常规超声波检测过烧造成的孔洞缺陷时会造成缺陷回波散射，接收到的回波信号很少，缺陷信号很弱，容易被误认为是杂波而被漏判；由于许多过烧缺陷尺寸很小，而常规超声波受限于探头频率，小于半波长的缺陷检测不到。

1.3 断口检验

断口检验是宏观检验中常用的方法，是反映产品质量的重要手段之一。过烧断口特征表现为无金属光泽、浅灰色、有棱角，类似碎石块状。从断口图像看，缺陷的表面不规整，轻微时可见少数几点，严重时可布满整个断口[3]。某轴承滚子过烧断口显微图像如图1所示。

图1 滚子过烧断口的扫描电镜图像

1.4 金相检验

金相检验是控制轴承零件内在质量的重要手段，包括宏观检验与微观检验。某轴承滚子100倍过烧显微金相图像如图2所示，过烧组织晶粒异常粗大，整个晶界层烧熔，在三角晶界处出现明显的烧熔孔洞，呈黑色晶界网络。

图2 滚子过烧的金相组织形貌

1.5 小结

以上方法中，磁粉检测和超声波检测有局限性，断口检验和金相检验效率低且属于破坏性检验，因此，需考虑采用更可靠和效率更高的方法来检测过烧缺陷。

2 超声相控阵检测的特点

超声相控阵是近年来发展起来的一门新的工业无损检测技术，通过对探头各阵元的有序激励可得到灵活的偏转及聚焦声束，联合线性扫查、扇形扫查、动态聚焦等独特的工作方式，使其比常规超声检测具有更快的检测速度和更高的灵敏度[4]。与常规超声波检测相比，相控阵检测具有以下明显的优点：

1)相控阵技术除具有一般超声波的A扫外，又增加了B扫、C扫、D扫、S扫，特别是形成了具有可视化的S扫，增加了缺陷的直观性，对缺陷易见易判。

2)相控阵探头的单个晶片尺寸很小，使超声场的近场区很小。相控阵探头既能探测较深的部位，又能检测近表面部位，弥补了直探头和双晶探头的不足[5]。

3)相控阵探头频率可达6 MHz以上，甚至可以达到20 MHz或更高，高频率探头的使用，使对小缺陷超声波检测成为可能。相控阵探头的聚焦性能，有助于提高对缺陷的识别能力。

3 过烧缺陷的相控阵检测图像特征

为探索过烧缺陷的超声波特征，采用超声相控阵探伤仪对确定内部存在过烧的轴承零件进行扫查，探头采用10 MHz相控阵探头，采集了多个过烧缺陷超声波图像，按照严重程度表现的特征归纳如下：1)密集点状形态过烧缺陷(图3)，程度一般；2)团状形态过烧缺陷(图4)，程度较重；3)条块状形态过烧缺陷(图5)，程度严重。

对图3—图5的点状、团状、条块状的部位进一步做金相检验，发现都具有过烧缺陷的显微组织特征，但相控阵检测比金相法方便、快捷，检测效率高，且为非破坏性检测,更能适应生产。

图3 过烧缺陷相控阵检测点状形态

图4 过烧缺陷相控阵检测团状形态

图5 过烧缺陷相控阵检测条块状形态

从超声相控阵图像上看，过烧缺陷多为较小的点状、团状、条块状密集型缺陷，在材料内部宽度和深度方向均有分布。过烧缺陷多是密集小缺陷，为发现缺陷必须采用高频率探头，提高检测的灵敏度。而常规超声波探头频率一般低于6 MHz，检测的灵敏度较低，很难发现此类缺陷，易造成漏检。

4 相控阵技术检测过烧的可行性

轴承零件中密集型内部缺陷为过烧、白点和疏松等，检测到的相控阵图像特征见表1。从相控阵图像特征上，可初步判断出密集型缺陷的性质。

表1 轴承零件密集型内部缺陷相控阵图像特征

随着超声相控阵技术的开发和运用，因其高频、聚集等特点，过烧缺陷检测难点得到了很好的解决，使过烧缺陷的检测具有可行性。使用相控阵探头与常规超声波探头检测过烧缺陷的效果比较见表2。

表2 相控阵探头与常规超声波探头检测过烧缺陷的效果比较

5 轴承内部过烧的相控阵检测评定探讨

根据过烧缺陷的特点及危害，宜从严控制，尽可能发现小当量的缺陷。结合相控阵仪器、探头和试块等综合检测能力，并综合实践经验，提出了过烧缺陷定量方法以及评定标准。

1)过烧缺陷的定性。对内部缺陷特征为密集点状、团状和条块状等密集型缺陷，考虑到轴承使用的安全性，按照过烧缺陷评判,有争议时，采用金相法进行解剖分析定性。

2)过烧缺陷定量方法。采用对比试块法，考虑到内部过烧缺陷常常体积较小，从单个缺陷定量和密集型缺陷定量两方面考虑，综合实践经验，级别定为φ0.5 mm当量平底孔。

3)过烧缺陷的评定：若单个缺陷不小于φ0.5 mm当量平底孔或密集型缺陷在25 mm×25 mm区域内存在3个小于φ0.5 mm当量平底孔的缺陷，均判定为过烧。