某批次螺栓磁痕顯示原因分析

(重慶長征重工有限責任公司, 重慶 400083)

磁粉檢測是利用磁粉聚集形成的磁痕來顯示工件上的不連續(xù)性和缺陷。通常把磁粉檢測時磁粉聚集形成的圖像稱為磁痕，磁痕的寬度為缺陷寬度的數(shù)倍，即磁痕對缺陷的寬度具有放大作用，所以磁粉檢測能將目視不可見的缺陷顯示出來，具有很高的檢測靈敏度。能夠形成磁痕顯示的原因是很多的，并不是所有的磁痕都是缺陷產(chǎn)生的，有時非缺陷處也可能形成磁痕。一般把缺陷產(chǎn)生的漏磁場形成的磁痕顯示稱為缺陷磁痕顯示，也叫相關(guān)顯示。由工件截面突變和材料磁導率差異產(chǎn)生的漏磁場形成的磁痕顯示稱為非相關(guān)顯示，不是由漏磁場形成的磁痕顯示稱為偽顯示，通常將非相關(guān)顯示和偽顯示統(tǒng)稱為非缺陷磁痕顯示[1]。

某單位生產(chǎn)了一材料為30CrMnMoTiA鋼、規(guī)格為M27×120 mm的螺栓，其生產(chǎn)工藝流程為：φ55 mm圓鋼→粗加工→熱處理(淬火+中溫回火)→表面車光→熒光磁粉檢測→精加工。熒光磁粉檢測后，大量螺栓的螺桿表面出現(xiàn)不同程度的縱向磁痕顯示(長短不一，寬度為微米量級)，即使通過機械加工把表面磁痕消除掉，再進行磁粉檢測時，磁痕顯示仍然會再現(xiàn)。筆者對螺栓產(chǎn)生磁痕顯示的原因進行了初步分析：①熱處理因素，螺桿形狀簡單(淬裂風險小)、淬火介質(zhì)為油(冷卻速度慢，應力不大)、回火充分(應力消除充分)，故可以排除熱處理環(huán)節(jié)引起的工件開裂；②熒光磁粉檢測設(shè)備運行正常；③挑5件磁痕較多的螺栓進行著色探傷和金相檢測，未發(fā)現(xiàn)開口型缺陷；④在螺桿磁痕較多的位置截取一試樣，檢測其縱向顯微組織，發(fā)現(xiàn)有嚴重的帶狀偏析，如圖1所示。

圖1 螺桿顯微組織帶狀偏析形貌Fig.1 Strip segregation morphology of screw microstructure

從上述分析可知，除在磁痕嚴重的螺桿縱向發(fā)現(xiàn)了嚴重的帶狀偏析外，其他方面均屬正常。而偏析引起非相關(guān)磁痕顯示的觀點，在很多文獻、資料中都有提及[2-6],所以懷疑螺栓磁痕顯示是由其帶狀偏析導致的。為了驗證這個猜想，筆者通過擴散退火工藝來改善或消除帶狀偏析，因此開展了如下試驗及相關(guān)工作。

1 試驗過程與結(jié)果

1.1 擴散退火+完全退火

挑選5件磁痕較多的螺栓(螺桿直徑為32 mm)，進行如下擴散退火+完全退火工藝試驗：升溫1 h到900 ℃保溫40 min→繼續(xù)升溫1.5 h到1 100 ℃保溫12 h→隨爐冷卻到小于200 ℃→升溫1 h到880 ℃保溫2 h→隨爐冷卻到小于450 ℃后出爐。

1.2 試驗后的檢測

1.2.1熒光磁粉檢測

通過上述試驗后，螺栓表面氧化脫碳嚴重，為降低螺桿表面粗糙度(保證熒光磁粉檢測的準確度)，將上述5件螺栓的螺桿機械加工到直徑22 mm后再進行檢測，結(jié)果磁痕顯示問題并沒有得到改善。

1.2.2 縱向顯微組織檢測

在上述5件螺栓的螺桿處截取φ22 mm×30 mm試樣，觀察其顯微組織形貌，結(jié)果5件試樣都幾乎看不到帶狀形貌，晶粒也較細，如圖2所示。

圖2 擴散退火+完全退火后的縱向顯微組織形貌Fig.2 Longitudinal microstructure morphology of after diffusion annealing+complete annealing

雖然通過擴散退火+完全退火工藝試驗已達到了消除帶狀偏析的目的，但磁痕顯示問題并沒有得到解決，由此可知，造成該批螺栓磁痕顯示的主因不是帶狀偏析。

2 分析與討論

從上述的擴散退火+完全退火工藝試驗結(jié)果可知，螺栓磁痕顯示的主因不是帶狀偏析，對其開展進一步的分析，具體如下。

2.1 塔形發(fā)紋檢測

對制造螺栓的φ55 mm圓鋼進行塔形發(fā)紋檢測，檢測試樣示意圖如圖3所示，結(jié)果3個階梯均發(fā)現(xiàn)多條發(fā)紋，其長度和數(shù)量均不符合要求。

圖3 塔形發(fā)紋檢測試樣示意圖Fig.3 Diagram of tower hairline test sample

2.2 橫向顯微組織檢驗

在擴散退火+完全退火后縱向無帶狀偏析而磁痕較多的的螺桿處截取3個φ22 mm×30 mm的試樣(3件螺栓上各取一個)，觀察其橫向顯微組織，結(jié)果發(fā)現(xiàn)多個視場出現(xiàn)不同程度的異常組織，如圖4所示。

圖4 橫截面異常組織微觀形貌Fig.4 Micro morphology of abnormal structure on cross section

2.3 能譜分析

采用能譜(EDS)儀對圖4中的方框區(qū)域(橫向顯微組織中的大塊狀黑色區(qū)域)進行分析，結(jié)果見表1?？梢娫撐^(qū)成分中并沒有鉻、錳、鉬、鈦等元素，與基體30CrMnMoTi鋼的主要合金成分完全不吻合。碳元素和氧元素的質(zhì)量分數(shù)異常高，分別為12.78%和32.62%。有害元素硫的質(zhì)量分數(shù)達到了0.46%，比高級優(yōu)質(zhì)鋼要求的最高含量還高了十幾

倍，由此可見其冶金質(zhì)量較差。由上述分析可知，圖4橫截面異常組織的微區(qū)成分是主要由碳化物和氧化物組成的混合夾雜物。

表1 EDS分析結(jié)果(質(zhì)量分數(shù))Tab.1 EDS analysis results(mass fraction) %

由以上分析結(jié)果可知，制造該批螺栓的φ55 mm圓鋼冶金質(zhì)量較差，其夾雜物嚴重超標，用該批材料制成螺栓后，其超標的夾雜物被遺留下來，引起了熒光磁粉檢測后的磁痕相關(guān)顯示。

3 結(jié)論及建議

盡管帶狀偏析引起工件磁痕顯示已成為不爭的事實，但本案例螺栓通過擴散退火+完全退火改善帶狀偏析后仍然出現(xiàn)磁痕相關(guān)顯示，證實了此批螺栓磁痕相關(guān)顯示的主要原因不是帶狀偏析。通過進一步的塔形發(fā)紋檢測、橫向金相檢驗和能譜分析可知，螺栓磁痕顯示是由原材料的冶金缺陷(夾雜物超標)引起的。建議提高原材料的冶金質(zhì)量。