某螺栓鍛件表面平行線狀磁痕顯示原因分析

(洛陽雙瑞特種裝備有限公司，洛陽 471003)

在生產(chǎn)過程中，某批規(guī)格為M24，材料為35CrMo的螺栓鍛件(精車后)的光桿部位經(jīng)研磨后進行磁粉檢測時，發(fā)現(xiàn)大量呈密集平行的較淡線狀分布的磁痕顯示。對該批螺栓進行100%磁粉檢測后，發(fā)現(xiàn)普遍存在此類磁痕顯示。

該螺栓的主要生產(chǎn)流程為：低碳合金鋼棒材調(diào)制熱處理-粗加工-超聲檢測-半精加工-磁粉檢測-精加工-拋光-磁粉檢測。此類磁痕在螺栓半精加工后的磁粉檢測工序中并未發(fā)現(xiàn)，而是在精加工拋光后的磁粉檢測中才發(fā)現(xiàn)，其磁痕顯示如圖1所示。

圖1 螺栓磁痕顯示

由于該磁痕顯示僅在精加工且拋光后出現(xiàn)，并需經(jīng)仔細觀察才能被發(fā)現(xiàn)，因此初步判斷該磁痕不屬于裂紋或其他相關(guān)線性缺陷顯示，可能是成分組織差異引起的[1]。為確定該磁痕的性質(zhì)及形成原因，筆者進行了試驗分析。

1 試驗分析

1.1 宏觀金相觀察

經(jīng)酸洗后，螺栓橫截面低倍形貌如圖2所示，用肉眼觀察試樣，低倍組織疏松及偏析評定結(jié)果均為0級，且在低倍組織中未發(fā)現(xiàn)氣孔、裂紋、夾渣、白點、白亮帶、縮孔等缺陷。

圖2 螺栓宏觀低倍組織形貌

采用加倍酸洗試驗對螺桿部分進行進一步的低倍組織觀察，螺桿縱、橫切面低倍組織如圖3所示。

圖3 螺栓低倍組織形貌

從低倍組織形貌來看，螺桿部位的流線組織明顯，在縱切面上沿軸向平行線狀分布，顯示程度由表面到芯部遞增；在橫切面上呈大量密集點狀分布。

1.2 磁痕顯示位置截面高倍金相觀察

沿磁痕顯示區(qū)域橫向切開，在高倍顯微鏡下觀察，橫截面拋光態(tài)形貌見圖4，外圓及近表層均未發(fā)現(xiàn)缺陷。

圖4 磁痕位置橫截面高倍形貌(50×)

1.3 金相、掃描電鏡分析

對螺栓進行了金相分析，結(jié)果如圖5所示。在高倍顯微鏡下觀察，發(fā)現(xiàn)螺桿縱向存在呈白色條帶狀的微觀偏析。

圖5 螺栓偏析組織

對螺栓金相組織的黑色(基體)和白色(微觀偏析帶)區(qū)域進行能譜分析，結(jié)果如表1所示。偏析帶上的偏析元素均為Cr、Mn(掃描能譜為半定量分析，元素含量僅做對比參考)。

1.4 殘余奧氏體含量分析

采用X射線衍射儀對該螺栓進行X射線衍射物相分析，結(jié)果如圖6所示。經(jīng)分析，物相主要為α-Fe,未發(fā)現(xiàn)明顯γ-Fe物相峰，說明殘余奧氏體含量極低。

表1 能譜分析結(jié)果 %

圖6 殘余奧氏體含量X射線衍射分析結(jié)果

2 磁痕產(chǎn)生原因分析

此類磁痕的產(chǎn)生原因，可能有以下幾種。

(1) 非金屬夾雜物

原材料中非金屬夾雜物在軋制過程中隨金屬的變形而伸長，磁粉檢測時在夾雜物附近會形成漏磁，從而表現(xiàn)為發(fā)紋或線狀磁痕[2]。由于螺栓原材料經(jīng)過精煉處理工序，材料中夾雜物得到了有效控制(見圖4)，檢測結(jié)果表明制造螺栓用的原材料純凈度較高。盡管夾雜物不能完全清除，但是原材料中細小的夾雜物不可能導(dǎo)致批量制件出現(xiàn)線狀磁痕[3]。

(2) 殘余奧氏體

由于奧氏體(γ-Fe)為無磁相，磁粉檢測時會在殘余奧氏體相位置形成漏磁，從而導(dǎo)致磁痕顯示。經(jīng)X衍射物相分析，物相主要為α-Fe，未發(fā)現(xiàn)明顯γ-Fe物相峰。說明殘余奧氏體含量極低，即可排除殘余奧氏體含量導(dǎo)致該類磁痕顯示的可能性。

(3) 晶粒位向

材料經(jīng)軋制后，晶粒沿軋制方向被拉長，晶粒排布呈一定的位向，在磁粉檢測時被拉長的晶粒晶界位置可能產(chǎn)生漏磁而引起磁痕顯示。由于螺栓用料軋制后經(jīng)歷過調(diào)質(zhì)處理(淬火+回火)，溫度加熱到再結(jié)晶溫度以上時，晶粒會發(fā)生再結(jié)晶，被拉長的晶粒形態(tài)得以消除，排除了晶粒位向?qū)е略擃惔藕埏@示的可能。

(4) 偏析

鍛造螺栓的鋼錠表面為細晶區(qū)，中間為柱狀晶區(qū)，芯部為等軸晶區(qū)。在由液態(tài)冷卻至固態(tài)過程中，由于表面細晶區(qū)散熱快，過冷度大，鋼液可以快速冷卻，該區(qū)域成分可較均勻地保留下來，而中間柱狀晶區(qū)和芯部等軸晶區(qū)冷卻速度慢，溶質(zhì)元素向柱狀晶和等軸晶晶壁間富集，造成晶間的微觀偏析。微觀偏析組織在軋制過程中發(fā)生變形，沿軋制方向呈帶狀分布，形成所謂的鍛造流線組織[4]。

軋制后的鋼錠從表面到芯部偏析程度不斷加重，這和螺栓低倍線狀條紋顯示由表面到芯部遞增的現(xiàn)象相對應(yīng)，說明材料低倍組織的線狀條紋是材料微觀偏析的組織顯現(xiàn)。

由低倍組織觀察可知，材料不存在疏松及宏觀偏析，而微觀偏析是晶間偏析，不是材料缺陷。這種晶間偏析在后續(xù)的軋制過程中沿變形方向被拉長而形成條帶狀。

經(jīng)能譜分析，這種帶狀偏析主要為富Cr和Mn組織，其勢必造成偏析帶與基體的磁導(dǎo)率差異，磁粉檢測時偏析帶與基體之間則形成漏磁，從而引起線狀磁痕顯示。

3 結(jié)論

(1) 螺栓磁粉檢測時呈密集平行狀的線性磁痕并非真實缺陷所致。此類線性磁痕是材料的微觀帶狀組織偏析引起材料組織的磁導(dǎo)率差異，從而導(dǎo)致的非相關(guān)線性磁痕顯示。

(2) 軋制棒料組織從表面到芯部微觀偏析遞增，這是鑄錠組織遺傳所致。由于螺桿表面加工量較大，內(nèi)部偏析組織得以顯現(xiàn)，進一步促進了非相關(guān)磁痕的顯示。

(3) 磁粉檢測具有較高靈敏度，除能檢測材料的真實缺陷外，還能顯示材料的組織差異。