曲軸磁粉探傷不合格原因分析

丘先堂，董鳳奎，何龍日，周成宏，楊偉光，劉海文，張雪莉

（1.寶鋼特鋼韶關(guān)有限公司，廣東 韶關(guān) 512123；2.寶武集團(tuán)廣東韶關(guān)鋼鐵有限公司，廣東 韶關(guān) 512123）

曲軸在制造過程一般可簡單分為下料→鍛造→粗加工→精加工→磁粉探傷→成品，由于對其質(zhì)量要求非常嚴(yán)格，磁粉探傷可以測量工件表面和近表面的缺陷，是曲軸質(zhì)量檢驗的一種主要手段。它利用了裂紋、夾渣、發(fā)紋、偏析等位置磁導(dǎo)率和鋼鐵磁導(dǎo)率的差異，在缺陷處形成磁粉堆積成的磁痕，在適當(dāng)?shù)墓庹諚l件下，顯現(xiàn)出缺陷位置和形狀。

隨著曲軸生產(chǎn)的增加和銷量的增大，磁粉探傷發(fā)現(xiàn)的磁痕缺陷也相應(yīng)的增加，有些磁痕顯著影響曲軸性能，有些磁痕對曲軸性能沒有明顯的影響，為此查找磁痕產(chǎn)生原因，明確原材料和曲軸加工的影響因素，我們對這些磁痕進(jìn)行了金相及電鏡能譜等分析，找到了這些磁痕的產(chǎn)生原因，并提出了相應(yīng)的改進(jìn)建議，對鋼材生產(chǎn)和曲軸加工的改進(jìn)提供一定的技術(shù)支持。

1 檢驗分析

1.1 殘余奧氏體引起的磁痕

對磁痕明顯的曲軸連桿部位進(jìn)行定位解剖。去除磁粉后，磁痕處未發(fā)現(xiàn)明顯缺陷。重新進(jìn)行人工磁粉探傷，磁痕形貌明顯。對存在磁痕的表面進(jìn)行弧面研磨和拋光后，顯微鏡下觀察，磁痕處未見裂紋和異常的非金屬夾雜物，浸蝕后，發(fā)現(xiàn)磁痕處有明顯異常的馬氏體+殘余奧氏體組織沿磁痕線分布，正常處組織為馬氏體。對磁痕處與正常區(qū)域進(jìn)行成分分析，磁痕處Mn元素相對于正常區(qū)域偏高。

磁痕處發(fā)現(xiàn)存在較明顯的殘余奧氏體，而正常區(qū)域中未發(fā)現(xiàn)明顯的殘余奧氏體，由此判斷磁痕的產(chǎn)生與殘余奧氏體存在必然的聯(lián)系。不同的金相組織磁導(dǎo)率不同，鐵素體、珠光體、回火馬氏體、未回火馬氏體磁導(dǎo)率依次減少，而殘余奧氏體是無磁相[1]。因此在對組織為馬氏體的曲軸表面進(jìn)行磁化時，無磁性的殘余奧氏體形成漏磁場，導(dǎo)致磁痕的產(chǎn)生[2]。

通過能譜分析可知，磁痕處存在元素偏析現(xiàn)象，合金元素Mn較正常區(qū)域明顯偏高，磁痕處較高的合金元素含量降低了鋼的Ms點(diǎn)，致使其產(chǎn)生較多的殘余奧氏體，最終導(dǎo)致探傷時出現(xiàn)明顯的磁痕。由曲軸鍛造過程中的金屬流動分析[3]可知，偏心鍛造使心部鋼材移至連桿近表面[4]，即磁痕處的元素偏析實際為原材料的心部合金元素偏析。正是鋼材的心部偏析組織在鍛造過程中移至連桿近表面，在后續(xù)磨削過程中剛好暴露到表面，致使曲軸連桿在磁粉探傷過程中出現(xiàn)磁痕。

1.2 碳偏析引起的磁痕

在磁痕處取樣，去除磁痕觀察試樣表面，未見裂紋。對試樣進(jìn)行表面曲面拋光和橫向拋光腐蝕，在試樣表面發(fā)現(xiàn)縱向長條狀偏析線，且在縱截面發(fā)現(xiàn)對應(yīng)的偏析線。使用顯微鏡觀察磁痕區(qū)域未見裂紋和異常長條狀夾雜物，磁痕區(qū)域組織主要為珠光體組織，正常區(qū)域組織為珠光體+網(wǎng)狀鐵素體組織。

宏觀觀察發(fā)現(xiàn)磁痕處未見裂紋，顯微鏡下磁痕處未見異常長條狀夾雜物，腐蝕后磁痕處有黑色偏析線，因此判斷磁痕產(chǎn)生與黑色偏析線有關(guān)。樣品橫向觀察發(fā)現(xiàn)偏析線對應(yīng)的位置有珠光體偏析帶。由曲軸鍛造過程中的金屬流動分析可知，偏心鍛造使心部鋼材移至連桿頸內(nèi)側(cè)近表面。正是鋼材的心部珠光體偏析組織在鍛造過程中遷移至連桿頸內(nèi)側(cè)近表面，并在其后的機(jī)加工過程中暴露到連桿頸內(nèi)側(cè)表面，致使曲軸連桿頸內(nèi)側(cè)表面在磁粉探傷過程中出現(xiàn)磁痕。

1.3 表面劃傷引起的磁痕

目視觀察發(fā)現(xiàn)曲軸表面存在一條貫穿整個曲軸的表面裂紋，體視顯微鏡下觀察發(fā)現(xiàn)裂紋較淺，可見底部且底部圓滑。在裂紋處截取橫向樣磨拋后，金相顯微鏡下觀察裂紋深約60μm，寬約340μm，裂紋底部圓滑，裂紋內(nèi)及附近未見異常夾雜物，腐蝕后發(fā)現(xiàn)裂紋位于脫碳層內(nèi)，裂紋處未見組織變形現(xiàn)象，基體組織為珠光體+鐵素體。

體視顯微鏡下觀察發(fā)現(xiàn)裂紋較淺，可見裂紋底部，金相檢測顯示裂紋底部圓滑，裂紋內(nèi)及附近未見異常夾雜物，裂紋位于脫碳層內(nèi)，未見組織變形現(xiàn)象，由此可知此缺陷為鍛造前鋼材表面劃傷造成的。

1.4 非金屬夾雜物引起的磁痕

在紫外線的照射下目視觀察發(fā)現(xiàn)曲軸連桿軸頸處存在亮白色的縱向磁痕，去除磁粉后在體視顯微鏡下觀察，試樣表面上原磁痕所在區(qū)域存在一條長約0.42mm的長條狀缺陷。使用掃描電子顯微鏡對試樣上的磁痕區(qū)域進(jìn)行微觀形貌，試樣上長條狀缺陷為長條狀非金屬夾雜物，使用能譜進(jìn)行微區(qū)成分分析發(fā)現(xiàn)其主要成分為O、Al、Na、K、Si、Ca、Mg、Ti等元素。

磁痕處發(fā)現(xiàn)與磁痕形貌一致的長條狀缺陷，由此推測磁痕的產(chǎn)生與試樣上的長條狀缺陷有關(guān)。電鏡能譜分析發(fā)現(xiàn)長條狀缺陷為含Na、K氧化鋁類非金屬夾雜物。Na、K元素是結(jié)晶器保護(hù)渣中的特有元素，由此推測非金屬夾雜物來源于連鑄過程結(jié)晶器保護(hù)渣卷渣[5-8]。

由于連鑄過程結(jié)晶器保護(hù)渣卷渣使鋼材內(nèi)部存在嚴(yán)重的夾渣，在后續(xù)的鍛造過程中嚴(yán)重的夾渣流變到連桿軸頸近表面，在車削后顯露到連桿軸頸表面，由于非金屬夾雜物與鋼基體磁導(dǎo)率相差較大，因此在外加磁場的作用下，在非金屬夾雜物處形成漏磁場，致使熒光磁粉在此聚集形成磁痕。對于連桿軸頸表面存在夾渣的曲軸，由于夾渣破壞了基體的連續(xù)性，在曲軸運(yùn)行過程中，在交變載荷的作用下，曲軸容易在夾渣部位產(chǎn)生疲勞裂紋，嚴(yán)重影響曲軸的使用壽命。在鋼材的生產(chǎn)過程中，鋼廠需加強(qiáng)夾雜物上浮控制并防止卷渣，另外在鋼材出廠前應(yīng)使用超聲探傷等方式對鋼材內(nèi)部缺陷進(jìn)行檢測，防止存在嚴(yán)重夾渣的鋼材流入到市場中。

1.5 淬火裂紋引起的磁痕

使用體視顯微鏡對曲軸試樣表面進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)試樣表面存在一條縱向裂紋，裂紋曲折斷續(xù)，末端尖細(xì)。對裂紋處橫剖面制備成金相試樣后進(jìn)行檢測。金相顯微鏡下觀察裂紋深約455μm，裂紋呈鋸齒狀從鋼材表面向內(nèi)擴(kuò)展，起始部位較寬，末端尖細(xì)，裂紋內(nèi)部分區(qū)域可見灰色夾雜物，裂紋位于偏析區(qū)域內(nèi)，裂紋兩側(cè)未見脫碳現(xiàn)象，其組織為馬氏體組織。能譜分析發(fā)現(xiàn)裂紋內(nèi)和其四周基體中均存在大量硫化錳類非金屬夾雜物。

試樣表面存在一條曲折斷續(xù)的縱向裂紋，由此可知，曲軸連桿頸開口磁痕是表面縱向裂紋造成的。裂紋呈鋸齒狀從鋼材表面向內(nèi)擴(kuò)展，末端尖細(xì)，裂紋附近組織均為馬氏體且裂紋兩側(cè)未見脫碳現(xiàn)象，由此推測此裂紋為淬火裂紋。由裂紋位于組織偏析區(qū)域內(nèi)且裂紋內(nèi)多處存在硫化物夾雜推測在曲軸連桿頸淬火時，連桿頸表面存在組織偏析現(xiàn)象，致使此區(qū)域淬火開裂傾向增加，硫化物的存在促進(jìn)了鋼材開裂，最終在此偏析區(qū)域產(chǎn)生淬火裂紋。淬火裂紋破壞了基體的連續(xù)性，磁粉探傷時，磁粉在裂紋處聚集形成磁痕。

2 結(jié)論

（1）曲軸磁痕缺陷種類繁多，只要存在磁導(dǎo)率和鋼鐵磁導(dǎo)率存在差異的因素，均可造成磁痕缺陷，部分磁痕去除后表面未見異常開口缺陷，另一部分磁痕去除后表面存在裂紋、非金屬夾雜物、劃傷等開口缺陷。

（2）開口缺陷造成的磁痕，由于曲軸表面存在劃傷、夾雜等缺陷，在曲軸的運(yùn)行過程中易在此類缺陷處產(chǎn)生應(yīng)力集中，致使曲軸較早的產(chǎn)生疲勞斷裂，因此此類缺陷是不允許存在的缺陷，鋼廠在生產(chǎn)過程中應(yīng)加強(qiáng)非金屬夾雜物的去除，曲軸生產(chǎn)客戶應(yīng)對加工過程進(jìn)行嚴(yán)控，避免產(chǎn)生開口缺陷。