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高强度螺栓磁粉探伤的实践

2016-11-17 来源:[db:来源] 浏览:
  汽车车辆或风电机组高强度螺栓是最重要的连接件之一。由于高强度螺栓在技术上有一系列特点:高强度、高精度等级;服务条件严酷,它将随主机一起常年经受酷暑严寒和极端温差的考验,承受高温、低温的侵蚀;功率高,交变载荷大、震动、腐蚀和超载等特质;除受到轴向预紧拉伸载荷的作用外,还会在工作中受到附加的拉伸交变载荷、横向剪切交变载荷或由此复合而成的弯曲载荷的作用,有时还受到冲击载荷;附加的横向交变载荷会引起螺栓的松动,轴向交变载荷会引起螺栓的疲劳断裂;而在环境介质的作用下,轴向拉伸载荷会引起螺栓的延迟断裂,以及高温条件下引起螺栓的蠕变等。
  近年来,随着我国汽车工业和风电行业的快速发展,对汽车和风电机组质量的要求也不断提高,汽车工业和风电行业对高强度螺栓等零部件的要求逐渐加严。在高强度螺栓制造的成品表面检验中,引入更加严格、更加精确、直观的“磁粉探伤”方法,由此更容易暴露出高强度螺栓表面和近表面存在的各种磁痕缺陷。但是,对成品检验中存在的磁痕种类区分,是很有必要的。
1、磁痕的形貌
  磁粉探伤检测又称 MT或 MPT(Magnetic Particie testing),适用于钢铁材料等磁性材料的表面附近进行探伤的检测方法。此方法利用铁受磁石吸引的原理,检测过程中使被检测件受到磁力的作用,磁化后的铁磁性材料内部有磁力线传播,当螺栓表面与磁力线成一定夹角的缺陷存在时,缺陷处导磁率与基体材料不同,在缺陷处形成漏磁场,将散布在磁化材料表面的磁粉吸住,形成肉眼可见的磁痕,从而显示出缺陷的位置和形状。
2、磁痕的形成原因
  随着磁粉探伤的方法的引入,在高强度螺栓表面及近表面上存在的裂纹、划痕、发纹等缺陷很容易显示出来。有时,受到探伤电流选择过大等因素影响,高强度螺栓中显微成分偏析(如带状组织等)也能反映出来。这些缺陷的形成因素很多,有的是钢材冶炼过程中产生,如发纹、成分偏析、带状组织、魏氏组织等,有的是在钢材加工或螺栓温镦、热处理、车削过程中产生,如裂缝、划伤等。
  由于磁痕的形成原因的多样性,在磁粉探伤中,对探伤过程中出现的磁痕必须进行综合分析,不能单凭形状就简单判断磁痕的类别。即要考虑加工方法的影响,更要注意观察磁痕周边的形态和趋势等因素,才能做出正确的判断。只有在区分高强度螺栓磁粉探伤中出现的缺陷类别基础上,才能有针对性地分析不同缺陷的产生原因。
  更重要的是,应该进一步探讨磁粉探伤中出现的各种缺陷对高强度螺栓使用过程的影响,研究对策以防止类似事故发生。
3、磁痕的分类及影响
3.1 裂纹类磁痕
  裂纹类磁痕大多是在高强度螺栓加工过程或使用过程中产生的。按照高强度螺栓不同形状,加工工艺,各类裂纹类磁痕分为以下几类。
  ① 温镦工艺不当。如加热不当、操作不正确,终锻温度太低、冷却速度太快、尺寸凹凸及折叠处有明显的沟状等原因产生裂纹。
  ② 热处理不当。如加热温度过高、或冷却速度过于激烈,由热应力和组织应力叠加引起裂纹。
  ③高强度螺栓表面在磨削加工过程中,由于所选用的磨削工艺不当,磨削量过大、磨削速度过快引起表面过热或过冷,砂轮不平及砂轮不锋利等形成的裂纹。
3.2 发纹类磁痕
  发纹是由于钢中的非金属夹杂物和气体所形成。在冶炼时,有害杂质元素虽经净化,但却难以彻底消除;加之铸造过程中又有一部分气体和外来的非金属夹杂物混入钢水中,当钢水凝固时,它们未能浮出而被封闭在钢锭(坯)内,在后续的轧制成型时,非金属夹杂物就沿着压延方向拉长,有的被破碎、有的形成条状或链状、片状分布于成材的轴线方向上。
  在冷镦过程中,部分暴露于螺栓的表面、或部分隐藏于皮下,经磁粉探伤或热冷酸浸蚀就形成肉眼可见的发纹。实际生产中,大量出现由于原材料内部存在大颗粒夹渣或气孔等缺陷,导致高强度螺栓在磁粉探伤时磁痕超标的现象。
  有资料认为,由于发纹的深度较浅,一般不超过0.15mm,在它的周围不会造成应力集中现象,它和原材料基体金属开裂的裂缝有本质上的不同。后者不论长度、深度、分布都较前者严重的多,而发纹对高强度螺栓的使用危害性却远远小于裂纹。故应将两者加以区别,分别对待,切不可将发纹当作裂纹等同处理。
  目前,是否存在对磁粉探伤中出现的发纹要求过严的倾向,还需要对成品高强度螺栓做大量的耐久性试验才能断定。也有认为,高强度螺栓磁粉探伤发现的由夹杂物引起的单独分布的综向磁痕对高强度螺栓的疲劳寿命没有影响。
3.3 成分偏析类磁痕
  成分偏析是由于钢水中的合金元素在结晶过程中来不及扩散,造成的成分分布不均,产生成分偏析,这类显微组织在磁粉探伤过程中,也可以显现出来。高强度螺栓的成分偏析类缺陷是带状组织。由于高强度螺栓在服役过程中,主要受到压应力的影响,与非金属夹杂物形成的发纹比较,成分偏析类磁痕的影响更小,对高强度螺栓的疲劳寿命几乎没有影响。资料表明,这类磁痕不会明显降低纵向的拉伸、疲劳断裂等性能。因此,成分偏析类磁痕可认为不会影响高强度螺栓的使用寿命。(此处不进行讨论)
4、磁痕的改善方法
4.1 裂纹类磁痕
  裂纹类磁痕在钢材加工或高强度螺栓温镦、热处理、车削等过程中产生。在对原材料进行表面探伤,保证表面质量达到标准的前提下,高强度螺栓可以通过改进模具设计,合理分料,并保证高强度螺栓始锻温度、终锻温度,严格按锻造工艺执行等措施,来减少高强度螺栓表面裂纹类磁痕的出现概率。
4.2 发纹类磁痕
  发纹类磁痕通常应在冶炼工艺中解决,改善铸造过程的结晶状态及增加加工过程的压缩比,此是改进由于钢中气体产生发纹类磁痕的有效措施之一。
  加工高强度螺栓过程中,加大六角头压缩比或采用“镦拔”工艺,也能将非金属夹杂物变成更加细小的颗粒并使之分布均匀,从而减小由夹杂物形成的发纹类磁痕在高强度螺栓上产生的影响。
5. 结语
  ①随着磁粉探伤方法的引入,在高强度螺栓表面或近表面上存在的裂纹、划伤、发纹,甚至成分偏析等缺陷很容易显示出来。区别高强度螺栓磁粉探伤中出现的缺陷类别,分析不同缺陷的产生原因很有必要。
  ②根据磁痕类型不同,采用具有针对性的加工工艺措施,或采用磨光料制造螺栓,可以大大减少高强度螺栓磁痕废品的产生。
  ③裂纹类磁痕大多是在螺栓冷镦或温镦、热处理淬火中产生,主要由非金属夹杂物或低倍缺陷造成;发纹类磁痕及成分类磁痕是在冶炼过程中产生。裂纹类磁痕及发纹类磁痕应小于0.10mm,而成分偏析类磁痕一般不会影响高强度螺栓的疲劳极限。
  ④应制定科学合理的高强度螺栓成品磁粉探伤验收标准,在保证高强度螺栓成品达到整车或整机的质量要求的前提下,减少因要求过严造成的成品废品。
 
  冷水江天宝实业有限公司(湖南冷水江417500)张先鸣
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