1Cr15Ni4Mo3N沉淀硬化不銹鋼磁粉檢測(cè)疑似裂紋原因分析

曹 強(qiáng)，黃曉望，汪 盛

(中國(guó)人民解放軍第5720工廠，安徽 蕪湖 241007)

0 引言

1Cr15Ni4Mo3N沉淀硬化不銹鋼作為鐵磁性材料，具有較高的強(qiáng)度、耐蝕性、抗氧化性和可焊性等優(yōu)點(diǎn)，常用于產(chǎn)品緊固件制造［1－2］。在對(duì)沉淀硬化不銹鋼磁粉檢測(cè)時(shí)，時(shí)常會(huì)出現(xiàn)非缺陷的干擾磁痕，干擾磁痕形貌呈直線狀。干擾磁痕的出現(xiàn)使得磁痕顯示的性質(zhì)難以判斷，對(duì)無損檢測(cè)的正確評(píng)價(jià)造成嚴(yán)重影響［3－4］。本研究通過對(duì)使用1Cr15Ni4Mo3N沉淀硬化不銹鋼制造的螺栓進(jìn)行磁粉檢測(cè)試驗(yàn)，總結(jié)磁粉檢測(cè)中疑似裂紋的磁痕顯示規(guī)律，并通過觀察材料微觀組織分析以確定其產(chǎn)生原因，為該類材料零件磁粉檢測(cè)結(jié)果的正確評(píng)價(jià)提供依據(jù)［5－7］。

螺栓材料為1Cr15Ni4Mo3N不銹鋼，螺栓圖樣見圖1。螺栓的熱處理狀態(tài)為淬火+時(shí)效，抗拉強(qiáng)度 σb為1350～1570 MPa。主要加工工序?yàn)?棒料車→銑半精加工→熱處理→磁粉檢測(cè)→精加工→表面處理。

螺栓半成品經(jīng)熱處理后的磁粉檢測(cè)工藝規(guī)定:磁粉檢測(cè)采用濕連續(xù)法，磁懸液采用熒光磁懸液，磁化電源為交流電，直接通電法，周向磁化電流。由于該材料屬沉淀硬化不銹鋼，磁導(dǎo)率較低，為檢測(cè)夾雜等非開口型缺陷，根據(jù)GJB 2028A—2007《磁粉檢測(cè)》磁化規(guī)范有關(guān)規(guī)定，通電法周向磁化電流按式(1)計(jì)算。

式中:D為通電制件直徑，mm。試驗(yàn)中選用I=28D計(jì)算磁化電流，即I=28×17≈480 A。

圖1 螺栓圖樣Fig.1 Bolt pattern

依據(jù)上述磁化規(guī)范對(duì)螺栓半成品進(jìn)行磁化后，將試樣置于紫外燈下觀察，發(fā)現(xiàn)螺栓表面沿軸向存在一條長(zhǎng)約30mm的直線狀磁痕顯示(圖2)。將磁痕擦拭后再次施加熒光磁懸液檢查，發(fā)現(xiàn)磁痕再次出現(xiàn)。

圖2 疑似裂紋磁痕顯示Fig.2 Appearance of suspected crack by magnetic particle testing

根據(jù)資料顯示，連續(xù)法可能會(huì)產(chǎn)生與材料的合金偏析或碳化物條帶有關(guān)的假顯示，而不是非金屬夾雜物產(chǎn)生相關(guān)磁痕。為進(jìn)一步了解該疑似裂紋磁痕顯示的分類，于是采用剩磁法對(duì)材料再次進(jìn)行磁粉檢測(cè)。根據(jù)GJB 2028A—2007，直接通電法剩磁法磁化規(guī)范按式(2)計(jì)算:

試驗(yàn)中選用I=32D計(jì)算磁化電流，即I=32D=32×17≈550 A。按此磁化規(guī)范對(duì)螺栓半成品再一次進(jìn)行磁化，后置于紫外燈下觀察，仍然有磁痕顯示。磁痕顯示的長(zhǎng)度和亮度與連續(xù)法檢查時(shí)基本未發(fā)生變化。為驗(yàn)證是否為表面開口缺陷又輔以熒光滲透法進(jìn)行了檢測(cè)，在紫外光下觀察，螺栓表面沒有發(fā)現(xiàn)任何異常熒光顯示，說明磁粉檢測(cè)時(shí)所發(fā)現(xiàn)的磁痕不是材料表面開口缺陷所導(dǎo)致的。

根據(jù)磁痕顯示分類以及上述情況分析，初步排除材料磁粉檢測(cè)中所發(fā)現(xiàn)磁痕為假顯示的可能性。

1 試驗(yàn)過程與結(jié)果

1.1 疑似裂紋外觀檢查

為進(jìn)一步分析疑似裂紋長(zhǎng)度和深度，試驗(yàn)對(duì)該螺栓按一定磨削量進(jìn)行逐次磨削，在每次磨削都進(jìn)行磁粉檢測(cè)，觀察疑似裂紋磁痕顯示長(zhǎng)度的變化情況。

1)按圖3補(bǔ)加工磨削螺栓(圖3中I部分)，磨削深度0.05mm，然后進(jìn)行磁粉檢測(cè)，若有疑似裂紋繼續(xù)磨削(深度0.05mm)，后再進(jìn)行磁粉檢測(cè)，如此往復(fù)多次后未發(fā)現(xiàn)疑似裂紋。

圖3 螺栓半成品補(bǔ)加工圖Fig.3 Semi－manufactured bolt for supplement processing

經(jīng)過5次磨削，螺栓8mm長(zhǎng)度范圍內(nèi)外圓直徑從7.28mm磨削至6.77mm。前4次磨削后磁粉檢測(cè)所產(chǎn)生的磁痕逐次縮短，在第5次磨削后的磁粉檢測(cè)當(dāng)中磁痕徹底消失。

2)按圖3沿A處螺栓軸線的法向平面將螺栓切斷，將試樣Ⅱ部分上的切口平面磨平，然后進(jìn)行直接通電法濕連續(xù)法磁粉檢測(cè)，磁化電流仍為480 A，在試樣Ⅱ部分的橫端面距外圓面約1mm處可觀察到一條長(zhǎng)約2mm的磁痕顯示(圖4)。

圖4 螺栓切斷截面磁痕顯示Fig.4 Magnetic mark display of the bolt cut－section

1.2 斷口觀察

在掃描電鏡下對(duì)螺紋、圓弧槽及凸臺(tái)圓柱面進(jìn)行微觀觀察，在有磁痕顯示處的螺紋牙底、圓弧槽及凸臺(tái)圓柱面均未觀察到裂紋或其它明顯異?，F(xiàn)象(圖5)。

圖5 螺紋牙底磁痕顯示處掃描電鏡觀察結(jié)果Fig.5 SEM image of thread root with magnetic mark display

1.3 金相檢驗(yàn)

在試樣Ⅰ部分的3個(gè)位置(A、B、C)和試樣Ⅱ的打開端(D)位置截取試樣(圖6)。

A位置截面金相組織為馬氏體，并可見分散均勻的殘余奧氏體(圖7);B和C位置組織相似，均為馬氏體組織，在靠近邊緣處可見條狀白亮帶狀的殘余奧氏體組織，其白亮帶狀存在位置與磁痕顯示的位置一致(圖8、圖9);D位置金相觀察為馬氏體組織，距離邊緣1.2mm處可見條狀殘余奧氏體組織，其存在位置與磁痕顯示的位置一致(圖10)。

從4個(gè)位置上殘余奧氏體分布可以看出，其形態(tài)呈長(zhǎng)條狀，在軸向上是連續(xù)的，且對(duì)應(yīng)磁粉檢測(cè)中的疑似磁痕顯示位置。

1.4 硬度檢測(cè)

對(duì)D位置金相試樣上的白亮帶和基體進(jìn)行硬度測(cè)量，基體和白亮帶處的維氏硬度的平均值分別為HV 467.1和 HV 322.0，換算成抗拉強(qiáng)度后，基體強(qiáng)度為1589 MPa，略高于材料要求(1350～1570 MPa)，白亮帶處強(qiáng)度較低，僅為1056 MPa。具體測(cè)量結(jié)果見表1。

圖6 金相截取位置Fig.6 Location for metallographical examination samples

圖7 A位置組織觀察結(jié)果Fig.7 Microstructure of position A

圖8 B位置組織觀察結(jié)果Fig.8 Microstructure of position B

圖9 C位置組織觀察結(jié)果Fig.9 Microstructure of position C

圖10 D位置組織觀察結(jié)果Fig.10 Microstructure of position D

表1 D位置維氏硬度測(cè)量結(jié)果Table 1 Vickers hardness of position D

2 分析與討論

2.1 疑似裂紋磁痕顯示性質(zhì)分析與討論

在掃描電鏡下觀察試樣Ⅰ部分磁痕顯示位置的表面，未發(fā)現(xiàn)裂紋形貌，且在圓弧槽及螺紋2個(gè)位置的金相組織也均未觀察到裂紋，由此可見檢測(cè)中的所產(chǎn)生磁痕顯示不是由于裂紋引起的;在試樣Ⅰ部分圓弧槽、螺紋和試樣Ⅱ部分打開端的金相組織均可見條狀白亮帶組織，且白亮帶與磁痕顯示位置相對(duì)應(yīng)，而試樣Ⅰ部分無磁痕顯示的位置無條狀白亮帶。在磨削過程中當(dāng)靠近表層的白亮帶被磨去之后，磁粉檢測(cè)時(shí)再無磁痕顯示。因此，磁痕顯示是由于條狀白亮帶組織引起的。

2.2 疑似裂紋磁痕顯示原因分析

觀察材料金相組織，材料組織主要為馬氏體，金相中觀察到的條狀白亮帶為殘余奧氏體。由于奧氏體為立方面心晶格，為非鐵磁性材料，而馬氏體為體心立方晶格，是鐵磁性物質(zhì)，且為硬磁性物質(zhì)。當(dāng)鐵磁性材料被磁化時(shí)，如果材料表面存在某些缺陷或組織差異，這些缺陷或組織差異將破壞材料磁性的連續(xù)性，形成磁極，使磁場(chǎng)不能連續(xù)存在的這些缺陷或組織差異部位產(chǎn)生漏磁場(chǎng)，引起磁粉吸附，形成磁痕［8］。由于材料當(dāng)中存在呈帶狀分布的殘余奧氏體，破壞了基體組織和材料磁場(chǎng)的連續(xù)性，因此磁粉檢測(cè)時(shí)產(chǎn)生了如圖4所示的磁痕顯示，D位置帶狀殘余奧氏體組織與表面距離較遠(yuǎn)，而磁粉檢測(cè)只能檢測(cè)表面與近表面的缺陷，所以在檢測(cè)中D位置在表面未形成磁痕顯示特征。

2.3 影響分析

1Cr15Ni4Mo3N鋼淬火加冷處理，奧氏體會(huì)向馬氏體轉(zhuǎn)變，由于向馬氏體相變時(shí)，體積增大造成壓應(yīng)力增大，使得冷處理后，基體內(nèi)仍有殘余奧氏體，少量殘余奧氏體均勻分布在馬氏體組織中，對(duì)材料的力學(xué)性能影響不大。測(cè)量基體維氏硬度為HV 467.1，換算成抗拉強(qiáng)度為 1589 MPa，略高于標(biāo)準(zhǔn)值;呈帶狀分布的殘余奧氏體硬度為 HV 322.0，換算成抗拉強(qiáng)度為1056 MPa，低于基體的強(qiáng)度?？梢姰?dāng)殘余奧氏體偏聚在一起時(shí)，會(huì)破壞材料的連續(xù)性，同時(shí)由于殘余奧氏體強(qiáng)度較低，可能會(huì)對(duì)材料整體的力學(xué)性能產(chǎn)生不良影響。

3 結(jié)論和建議

1)對(duì)1Cr15Ni4Mo3N沉淀硬化不銹鋼進(jìn)行磁粉檢測(cè)時(shí)會(huì)出現(xiàn)疑似裂紋磁痕，而輔以熒光滲透方法檢測(cè)后，未發(fā)現(xiàn)原疑似裂紋磁痕位置存在表面開口缺陷。實(shí)驗(yàn)分析后發(fā)現(xiàn)，磁痕顯示位置存在殘余奧氏體偏聚，而鋼中殘余奧氏體會(huì)破壞材料磁場(chǎng)的連續(xù)性，故磁粉檢測(cè)時(shí)的磁痕顯示是由殘余奧氏體偏聚所產(chǎn)生的。

2)殘余奧氏體偏聚可能會(huì)對(duì)材料的力學(xué)性能產(chǎn)生不良影響，磁粉檢測(cè)發(fā)現(xiàn)殘余奧氏體偏聚時(shí)，建議剔除出現(xiàn)殘余奧氏體偏聚的材料和零件。

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