淬火后零件磁粉無損檢測常見磁痕的分析與判定

■ 鮑偉宏，劉書鐸，趙振凱，孔春花，楊永生

淬火工藝是金屬零件提高力學(xué)性能的重要熱處理工藝手段，但由于該工藝過程中容易出現(xiàn)工藝缺陷，因此我們需要對淬火后的零件進(jìn)行磁粉無損檢測。

在磁粉無損檢測工作中，淬火后零件除了可能存在由于材料及加工工藝本身造成的缺陷外，也會(huì)存在一些其他復(fù)雜因素綜合作用而產(chǎn)生的磁痕，這些磁痕多數(shù)為缺陷磁痕，但是也有部分屬于非相關(guān)磁痕，如果磁粉檢測時(shí)，檢測人員不能準(zhǔn)確識(shí)別，就會(huì)把缺陷磁痕誤判為非相關(guān)磁痕，從而產(chǎn)生漏檢，給工件帶來安全隱患；也可能把非相關(guān)磁痕誤判為缺陷磁痕，會(huì)把合格的零件拒收或報(bào)廢，造成不必要的經(jīng)濟(jì)損失。為了準(zhǔn)確判定磁痕產(chǎn)生的原因及性質(zhì)，需要我們綜合利用相關(guān)專業(yè)知識(shí)進(jìn)行全面分析，從而摸清規(guī)律，積累經(jīng)驗(yàn)，抓準(zhǔn)各種磁痕的特征，提高檢驗(yàn)準(zhǔn)確度和可靠性。

1. 淬火零件所用材料與制造、無損檢測工藝

（1）淬火零件常用材料與工藝 采用淬火工藝的機(jī)械零件種類與品種很多，如曲軸、連桿、連桿螺栓、變速桿、撥叉、花鍵軸及齒輪等，這些零件采用的材料有精選45鋼、40Cr、38CrMnSi、42CrMo等，而且都是鍛件。制造工序一般為原材料切斷、鍛造、調(diào)質(zhì)、機(jī)加工、表面熱處理、精加工、磁粉無損檢測、檢查、入庫。

（2）磁粉無損檢測設(shè)備與檢測方法 淬火零件采用固定式交直流磁粉探傷機(jī)進(jìn)行整體磁化。無損檢測方法有剩磁法或連續(xù)法。磁化方法有復(fù)合磁化法、通電法（周向磁化）和整體磁軛法（縱向磁化）。

（3）磁粉無損檢測磁化規(guī)范 周向磁化規(guī)范：連續(xù)法為

式中 I——磁化電流（A）；

D——工件直徑（mm）。

剩磁法為

式中 I——磁化電流（A）；

D——工件直徑（mm）。

縱向磁化規(guī)范：使用整體磁軛法，按式（3）進(jìn)行計(jì)算

式中 I——磁化電流（A）；

N——線圈匝數(shù)（Z）；

L——工件長度（mm）；

D——工件直徑（mm）。

使用上述公式計(jì)算后，應(yīng)選用適合的標(biāo)準(zhǔn)靈敏度試片進(jìn)行驗(yàn)證，確認(rèn)最佳的磁化電流參數(shù)。

（4）磁粉無損檢測的檢測介質(zhì) 磁粉為YC-2熒光磁粉或黑色磁粉；載液配比為50%變壓器油、50%煤油；熒光磁粉配制濃度為1～2g/L，黑磁粉配制濃度為18～20g/L。

（5）磁粉無損檢測的觀察條件 采用熒光磁粉檢測時(shí)，應(yīng)符合GB/T 5097—2005中5.3的要求?，F(xiàn)場必須設(shè)立半暗室，暗室內(nèi)白光照度應(yīng)低于20 lx，并保證檢測時(shí)，被檢工件表面上UV-A黑光輻照度應(yīng)大于1000μW/cm2，并沒有干擾因素。

采用非熒光磁粉檢測時(shí)，應(yīng)符合GB/T 5097—2005中4.3的要求?，F(xiàn)場環(huán)境的日光或燈光的照度應(yīng)保證被檢工件表面的光照度大于等于500 lx，并應(yīng)沒有其他可能干擾檢測人員對檢測結(jié)果進(jìn)行正常觀察和結(jié)果判斷的因素（逆光或噪聲等）。

2. 淬火零件常見缺陷磁痕

（1）淬火裂紋 是工件淬火冷卻時(shí)，由于材料或熱處理工藝不當(dāng)而產(chǎn)生的裂紋。它是由于鋼在高溫快速冷卻時(shí)產(chǎn)生的熱應(yīng)力和組織應(yīng)力超過鋼的抗拉強(qiáng)度時(shí)引起的工件的開裂，是一種工藝缺陷。這種裂紋在工件上產(chǎn)生的部位，一般出現(xiàn)在工件容易產(chǎn)生應(yīng)力集中的部位，如孔的邊緣、鍵槽、尖角處、截面尺寸突變或階梯過渡處等。

淬火裂紋磁痕特征：形狀呈直線狀或彎曲狀，嚴(yán)重呈樹枝狀或網(wǎng)狀，尾端尖細(xì)，棱角較多，有時(shí)呈鋸齒形。裂紋深寬比大，磁痕顯示細(xì)而濃密，輪廓清晰，形態(tài)剛健瘦直，重現(xiàn)性好。抹去磁痕，一般肉眼或低倍放大鏡可見。拖拉機(jī)零件常見淬火裂紋分布規(guī)律如圖1～圖10所示。

（2）表面感應(yīng)加熱淬火裂紋 為提高工件表面的耐磨性能，進(jìn)行高頻、中頻、工頻感應(yīng)淬火，使工件表面很薄一層迅速加熱到淬火溫度并立即噴水冷卻進(jìn)行淬火，在此過程中，由于感應(yīng)加熱參數(shù)控制不當(dāng)或加熱冷卻不均勻而產(chǎn)生表面感應(yīng)淬火裂紋。這種裂紋產(chǎn)生的部位，容易出現(xiàn)在油孔、鍵槽、齒輪齒根部、階梯過渡處、淬硬與非淬硬區(qū)過渡處等。

圖1 連桿小頭孔內(nèi)淬火裂紋

圖2 連桿螺栓淬火裂紋

圖3 變速桿孔邊淬火裂紋

圖4 變速桿孔邊緣淬火裂紋

圖5 變速桿鍵槽邊淬火裂紋

圖6 變速桿截面突變處淬火裂紋

圖7 撥叉淬火裂紋

圖8 齒輪齒根部淬火裂紋

圖9 制動(dòng)器踏板軸淬火裂紋

圖10 軸套淬火裂紋

拖拉機(jī)曲軸表面淬火裂紋分布規(guī)律如圖11～圖13所示。其中，圖11為位于曲軸油孔處呈輻射狀的油孔表面淬火裂紋，圖12為位于曲軸頸或連桿頸上淬硬層與非淬硬層過渡區(qū)處，沿著軸頸的圓周方向分布的周向表面淬火裂紋，是細(xì)線狀，尾端較細(xì)，磁痕濃密清晰。深度一般不大于0.1mm，抹去磁痕，用5倍放大鏡不可見。圖13為位于軸頸表面上噴水孔表面淬火裂紋，呈網(wǎng)狀或平行狀。

拖拉機(jī)花鍵軸表面淬火裂紋分布規(guī)律如圖14～圖16所示。其中，圖14、圖15為位于花鍵軸鍵槽面上表面淬火裂紋。 圖16為花鍵軸階梯過渡上橫向的表面淬火裂紋。

圖11 曲軸油孔處表面淬火裂紋

圖12 曲軸軸頸上周向表面淬火裂紋

圖13 曲軸軸頸上噴水孔淬火裂紋

圖14 花鍵軸鍵槽面上表面淬火裂紋

圖15 花鍵軸鍵槽面上表面淬火裂紋

圖16 花鍵軸階梯處表面淬火裂紋

圖17 曲軸連桿軸頸上的金屬流線磁痕

圖18 曲軸連桿軸頸上的金屬流線磁痕

圖20 曲軸軸頸上的金屬流線磁痕

圖21 驅(qū)動(dòng)輪軸表面感應(yīng)淬火過渡區(qū)磁痕與淬火裂紋磁痕

3. 淬火零件的非相關(guān)磁痕

（1）金屬流線磁痕 是由于金屬流線引起的非相關(guān)磁痕。金屬流線是鋼錠中固有的枝晶偏析及各種細(xì)小非金屬夾雜物，經(jīng)熱加工變形沿著金屬材料軋制方向延伸拉長而形成的纖維狀的組織也稱金屬纖維組織。這種組織在連續(xù)法磁粉無損檢測中，磁化電流過大時(shí)，會(huì)出現(xiàn)金屬流線磁痕。如圖17～圖20所示。

磁痕特征：一般成群出現(xiàn)，呈不連續(xù)或連續(xù)平行于軸向的線狀，沿金屬纖維方向分布，磁痕濃度淡薄。退磁后，降低磁化電流，磁痕會(huì)基本消失。

為進(jìn)一步確認(rèn)，對連桿軸頸磁痕部位進(jìn)行金相解剖驗(yàn)證分析，結(jié)果表明連桿軸頸上的磁痕確系金屬流線引起的非相關(guān)磁痕。

（2）表面感應(yīng)淬火過渡區(qū)磁痕 表面感應(yīng)淬火時(shí)，工件淬硬部分與非淬硬部分之間，因金相組織不同，在交界處產(chǎn)生的非相關(guān)磁痕。我們進(jìn)行拖拉機(jī)驅(qū)動(dòng)輪軸磁粉無損檢測時(shí)，在工件的淬火區(qū)發(fā)現(xiàn)有周向淬火裂紋，如圖21中紅色箭頭所指2#磁痕，但在靠近淬火過渡區(qū)附近還有一條周向較為規(guī)則的磁痕，如圖21中白色箭頭所指1#磁痕。

垂直于磁痕取樣，通過金相解剖及顯微觀察分析，1#磁痕處于感應(yīng)淬火過渡區(qū)。1#磁痕是由于感應(yīng)淬火過渡區(qū)兩側(cè)組織不同，導(dǎo)致其磁導(dǎo)率有差異，因而在磁粉無損檢測過程中，軸頸上形成環(huán)形的非相關(guān)磁痕，磁痕處放大100倍后的顯微形貌如圖22所示。

經(jīng)金相解剖分析，2#磁痕為裂紋，該裂紋是感應(yīng)淬火裂紋，裂紋磁痕處放大100倍后的顯微形貌如圖23所示。

圖24是另一件驅(qū)動(dòng)輪軸的磁痕照片，在軸頸處有兩條磁痕，都不在淬火區(qū)。

垂直磁痕取樣進(jìn)行顯微觀察，磁痕部位的顯微形貌如圖25所示，兩個(gè)磁痕處均為組織發(fā)生變化的部位，如圖25中箭頭所指部位。

通過金相解剖確定，驅(qū)動(dòng)軸表面磁痕不是裂紋、夾雜物等相關(guān)磁痕，而是軸頸表面感應(yīng)淬火存在兩個(gè)過渡區(qū)（馬氏體和屈氏體之間的過渡區(qū)，感應(yīng)淬火區(qū)和基體之間的過渡區(qū)）由于組織差異，導(dǎo)致磁導(dǎo)率不同而形成的非相關(guān)磁痕。

圖22 1#磁痕部位放大100倍的顯微形貌

圖23 2#磁痕部位放大100倍的顯微形貌

圖24 驅(qū)動(dòng)輪軸表面感應(yīng)淬火兩個(gè)過渡區(qū)磁痕

圖25 磁痕部位的顯微形貌

圖26 臂軸A側(cè)磁痕形貌與分布

圖27 臂軸B側(cè)磁痕形貌與分布

圖28 臂軸A側(cè)磁痕附近金相組織

圖29 臂軸B側(cè)磁痕附近金相組織

圖30 臂軸B側(cè)磁痕部位退火后心部帶狀組織（100×）

（3）帶狀組織引起的磁痕鋼錠在凝固時(shí)產(chǎn)生的樹枝狀偏析，導(dǎo)致鋼的化學(xué)成分不均勻，在枝晶間隙中形成碳化物，在軋制過程中沿壓延方向被拉成帶狀，即所謂的帶狀組織。帶狀組織導(dǎo)致組織的不均勻性，因磁導(dǎo)率的差異而形成磁痕。

我們在進(jìn)行臂軸磁粉無損檢測時(shí)在臂軸側(cè)面（分模面）出現(xiàn)了磁痕，經(jīng)觀察兩側(cè)均有分布，延伸方向沿臂軸縱向分布，兩側(cè)形態(tài)略有不同，這里分別描述為A側(cè)與B側(cè)，A側(cè)為單條磁痕，在花鍵部位較為清晰；B側(cè)顯示的多條磁痕呈帶狀出現(xiàn)，單個(gè)磁痕類似發(fā)紋，磁痕松散不濃密。磁痕形貌與分布如圖26、圖27所示。

為確認(rèn)磁痕性質(zhì)，我們從臂軸上不同部位取樣，觀察零件微觀金相組織。經(jīng)過觀察發(fā)現(xiàn)，圖26中臂軸A側(cè)花鍵部位的單條磁痕處，存在輕微的凹痕，不屬于零件缺陷，附近金相組織正常，應(yīng)為零件的劃傷，如圖28所示。圖27臂軸B側(cè)顯示的多條磁痕成束出現(xiàn)部位金相組織正常，未觀察到明顯缺陷，如圖29所示，退火后心部帶狀組織為3級，在正常范圍內(nèi)，如圖30所示。

對零件進(jìn)行熱酸蝕檢測后發(fā)現(xiàn)，在原先發(fā)現(xiàn)磁痕的部位，經(jīng)腐蝕發(fā)現(xiàn)輕微的呈束狀分布的凹坑，如圖31所示。

凹坑應(yīng)為帶狀組織中的碳化物被酸腐蝕后產(chǎn)生的，因此造成磁痕的原因?yàn)閹罱M織在臂軸分模面聚集引起的非相關(guān)磁痕。

圖31 熱酸蝕后檢測情況

4. 結(jié)語

從以上所述可以看出，在對淬火后零件進(jìn)行磁粉無損檢測時(shí)，由于材料、熱加工工藝等原因或其他因素的影響，不僅會(huì)產(chǎn)生缺陷磁痕，還會(huì)產(chǎn)生各種非相關(guān)磁痕，給正確判斷造成一定的困難。在識(shí)別時(shí)，我們應(yīng)該結(jié)合工件的結(jié)構(gòu)和加工工藝特點(diǎn)，選擇合適的磁化方法和正確的磁化參數(shù)，必要時(shí)借助于其他無損檢測方法或金相解剖進(jìn)行驗(yàn)證，對磁痕進(jìn)行綜合分析，找出其典型特征和規(guī)律性，保證磁粉無損檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性，避免漏檢和誤判，為改進(jìn)淬火零件加工工藝提供可靠依據(jù)，為加強(qiáng)產(chǎn)品質(zhì)量控制提供有效保障。

[1] 中國機(jī)械工程學(xué)會(huì)無損檢測分會(huì). 磁粉檢測[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

[2] 胡天明.表面無損檢測[M].武漢：武漢測繪科技大學(xué)出版社，1994.