4340鋼零件熱處理后磁粉檢測試驗

(航空工業陜西飛機工業(集團)有限公司，漢中 723213)

4340合金結構鋼的淬透性好、強度較高、綜合力學性能良好，已廣泛應用于高載荷的軸類、連桿，以及高負荷的緊固件等關鍵、重要零件中。

圖1 4340鋼制零件外觀和磁痕顯示

某批次4340鋼制零件外觀如圖1(a)所示，其在熱處理后的磁粉檢測時，表面出現了磁痕顯示[見圖1(b)]，無法合格交付。

該零件的機械加工及熱處理工藝均參考ASTM(美國材料與試驗協會)規范制定的成熟工藝。先對同爐批號原材料進行化學成分、增脫碳、機械性能、金相組織等檢測，結果均滿足材料標準。為了確定零件磁痕產生的原因，選用有磁痕顯示的同爐批號的4340板材和4340鍛件，采用與有磁痕顯示的零件相同的機械加工工藝、熱處理工藝及磁粉檢測工藝進行了對比試驗，分析磁痕產生的原因。

1 試驗方案及方法

1.1 對比試驗

在零件機械加工后、熱處理之前增加磁粉檢測，具體試驗流程如圖2所示，熱處理工藝參數見表1。

圖2 零件的試驗流程

工藝試驗的熱處理工藝參數均按零件規定的抗拉強度要求,即1 103 MPa～1 241 MPa(硬度值為HRC36～40)進行制定，具體熱處理工藝參數見表1。

表1 熱處理工藝參數

1.2 零件破壞試驗方法

對產生磁痕的4340板材零件的磁痕部位采用硬度、金相、晶粒度測試、增脫碳測試等方法進行檢測。

2 試驗結果

2.1 磁粉檢測結果

對4340板材試驗件和4340鍛件試驗件在熱處理前后均進行了磁粉檢測，檢測結果如表2所示。4340板材試驗件熱處理后的磁粉檢測磁痕顯示如圖3所示。

表2 4340板材和鍛件試驗件的磁粉檢測結果

圖3 4340板材試驗件熱處理后磁粉檢測磁痕顯示

2.2 4340板材試驗件破壞試驗檢測結果

對磁粉檢測后有磁痕顯示的4340板材試驗件進行破壞試驗后的磁痕檢測，檢測結果如表3所示。

表3 4340板材試驗件的破壞試驗檢測結果

圖4 4340板材試驗件破壞試驗檢測結果

3 討論分析

通過對4340板材試驗件及4340鍛件試驗件分別進行機械加工、熱處理及磁粉檢測，發現板材試驗件的熱處理工序前的磁粉檢測無磁痕顯示，熱處理工序后“問題”零件和板材試驗件的磁粉檢測均有磁痕顯示；而鍛件試驗件的熱處理工序前的磁粉檢測無磁痕顯示，熱處理工序后的磁粉檢測也無磁痕顯示。因此，可以判定零件生產的機械加工過程、熱處理過程及磁粉檢測過程均符合工藝要求，問題可能存在于該4340板材本身。

從試驗件及“問題”零件破壞后的低倍試樣檢查、裂紋檢查、高倍組織檢查、晶粒度檢查以及增脫碳檢查等可以看出，所有檢查項目均合格，未發現材料有疏松、夾雜等冶金缺陷。原材料入廠復驗記錄的清查結果顯示，4340板材試驗件和4340鍛件試驗件的原材料復驗的化學成分、增脫碳、機械性能、金相組織等均滿足材料標準。因此，基本可以看出4340板材原材料品質合格。

以上結果表明，出現磁痕的4340板材試驗件表面的磁痕顯示并非由裂紋引起，可能是材料熱處理后出現的偽磁痕現象。

4 結果分析

對出現磁痕的試驗件進行了熒光滲透檢測，表面無裂紋顯示。說明該材料表面無開口裂紋，進一步說明出現磁痕的4340板材試驗件表面的磁痕顯示并非裂紋。

為了確定該磁痕顯示的性質，在不同磁粉檢測設備的不同電流強度下，對板材試驗件進行磁粉檢測，檢測結果如圖5，6所示。圖5分別為CDG-XD6000型設備電流為1 000,500 A時的磁痕顯示照片。圖6分別為CEW-2000型設備電流為800,400 A時的磁痕顯示照片。從圖5中可以看出，當電流下降50%時，磁痕顯示明顯減弱，而圖6中CEW-2000型設備在電流下降50%時，磁痕有所減弱，但減弱幅度較小。

圖5 CDG-XD6000型設備電流為1 000,500 A時的磁痕顯示照片

圖6 CEW-2000型設備電流為800，400 A時的磁痕顯示照片

磁粉檢測時，非金屬夾雜或合金偏析通常都能引起磁痕顯示[1]，但特征不同，具體表現為：

(1)非金屬夾雜表現為相對短的、間斷且平行于晶粒方向的線條顯示；其顯示可能分布于整個零件，但通常分布在零件一個特定區域；顯示通常在剩磁下出現并且在放大鏡下觀察時呈現連續狀。

(2)合金偏析表現為許多平行于晶粒方向的直線顯示，并且可能分布于整個零件；顯示通常在剩磁下不出現。此外，合金偏析的顯示通常隨磁化電流的增加而更加明顯。有的顯示模糊或呈寬闊狀，在放大鏡下觀察時表現為連續的顯示。

因此，基本可以斷定該磁痕顯示是由于4340板材存在一定程度的合金偏析引起的。文獻[2]中指出合金中某些化學成分的含量對合金磁性的影響較大，例如碳含量增大會導致鋼的磁導率下降，使漏磁場增大；Cr、Cu含量的減少會使漏磁場增大，造成磁粉檢測過程中的缺陷顯示。

5 改進建議

根據試驗結果以及分析，為了避免熱處理零件反復出現磁痕，提出以下改進建議：

(1)用4340板材加工的零件，在熱處理后磁粉檢測顯示的磁痕并非裂紋，而是由合金偏析引起的，可以在尺寸公差允許的范圍內進行打磨消除。

(2)對4340板材加工的重要零件，建議在熱處理前增加均勻化處理工序，以減小合金偏析。

(3)根據上述試驗可知，原材料為鍛件的試驗件無此“磁痕顯示”現象，建議該零件采用4340鍛件制造。