曲軸磁粉探傷不合格原因分析

丘先堂，董鳳奎，何龍日，周成宏，楊偉光，劉海文，張雪莉

（1.寶鋼特鋼韶關有限公司，廣東 韶關 512123；2.寶武集團廣東韶關鋼鐵有限公司，廣東 韶關 512123）

曲軸在制造過程一般可簡單分為下料→鍛造→粗加工→精加工→磁粉探傷→成品，由于對其質量要求非常嚴格，磁粉探傷可以測量工件表面和近表面的缺陷，是曲軸質量檢驗的一種主要手段。它利用了裂紋、夾渣、發紋、偏析等位置磁導率和鋼鐵磁導率的差異，在缺陷處形成磁粉堆積成的磁痕，在適當的光照條件下，顯現出缺陷位置和形狀。

隨著曲軸生產的增加和銷量的增大，磁粉探傷發現的磁痕缺陷也相應的增加，有些磁痕顯著影響曲軸性能，有些磁痕對曲軸性能沒有明顯的影響，為此查找磁痕產生原因，明確原材料和曲軸加工的影響因素，我們對這些磁痕進行了金相及電鏡能譜等分析，找到了這些磁痕的產生原因，并提出了相應的改進建議，對鋼材生產和曲軸加工的改進提供一定的技術支持。

1 檢驗分析

1.1 殘余奧氏體引起的磁痕

對磁痕明顯的曲軸連桿部位進行定位解剖。去除磁粉后，磁痕處未發現明顯缺陷。重新進行人工磁粉探傷，磁痕形貌明顯。對存在磁痕的表面進行弧面研磨和拋光后，顯微鏡下觀察，磁痕處未見裂紋和異常的非金屬夾雜物，浸蝕后，發現磁痕處有明顯異常的馬氏體+殘余奧氏體組織沿磁痕線分布，正常處組織為馬氏體。對磁痕處與正常區域進行成分分析，磁痕處Mn元素相對于正常區域偏高。

磁痕處發現存在較明顯的殘余奧氏體，而正常區域中未發現明顯的殘余奧氏體，由此判斷磁痕的產生與殘余奧氏體存在必然的聯系。不同的金相組織磁導率不同，鐵素體、珠光體、回火馬氏體、未回火馬氏體磁導率依次減少，而殘余奧氏體是無磁相[1]。因此在對組織為馬氏體的曲軸表面進行磁化時，無磁性的殘余奧氏體形成漏磁場，導致磁痕的產生[2]。

通過能譜分析可知，磁痕處存在元素偏析現象，合金元素Mn較正常區域明顯偏高，磁痕處較高的合金元素含量降低了鋼的Ms點，致使其產生較多的殘余奧氏體，最終導致探傷時出現明顯的磁痕。由曲軸鍛造過程中的金屬流動分析[3]可知，偏心鍛造使心部鋼材移至連桿近表面[4]，即磁痕處的元素偏析實際為原材料的心部合金元素偏析。正是鋼材的心部偏析組織在鍛造過程中移至連桿近表面，在后續磨削過程中剛好暴露到表面，致使曲軸連桿在磁粉探傷過程中出現磁痕。

1.2 碳偏析引起的磁痕

在磁痕處取樣，去除磁痕觀察試樣表面，未見裂紋。對試樣進行表面曲面拋光和橫向拋光腐蝕，在試樣表面發現縱向長條狀偏析線，且在縱截面發現對應的偏析線。使用顯微鏡觀察磁痕區域未見裂紋和異常長條狀夾雜物，磁痕區域組織主要為珠光體組織，正常區域組織為珠光體+網狀鐵素體組織。

宏觀觀察發現磁痕處未見裂紋，顯微鏡下磁痕處未見異常長條狀夾雜物，腐蝕后磁痕處有黑色偏析線，因此判斷磁痕產生與黑色偏析線有關。樣品橫向觀察發現偏析線對應的位置有珠光體偏析帶。由曲軸鍛造過程中的金屬流動分析可知，偏心鍛造使心部鋼材移至連桿頸內側近表面。正是鋼材的心部珠光體偏析組織在鍛造過程中遷移至連桿頸內側近表面，并在其后的機加工過程中暴露到連桿頸內側表面，致使曲軸連桿頸內側表面在磁粉探傷過程中出現磁痕。

1.3 表面劃傷引起的磁痕

目視觀察發現曲軸表面存在一條貫穿整個曲軸的表面裂紋，體視顯微鏡下觀察發現裂紋較淺，可見底部且底部圓滑。在裂紋處截取橫向樣磨拋后，金相顯微鏡下觀察裂紋深約60μm，寬約340μm，裂紋底部圓滑，裂紋內及附近未見異常夾雜物，腐蝕后發現裂紋位于脫碳層內，裂紋處未見組織變形現象，基體組織為珠光體+鐵素體。

體視顯微鏡下觀察發現裂紋較淺，可見裂紋底部，金相檢測顯示裂紋底部圓滑，裂紋內及附近未見異常夾雜物，裂紋位于脫碳層內，未見組織變形現象，由此可知此缺陷為鍛造前鋼材表面劃傷造成的。

1.4 非金屬夾雜物引起的磁痕

在紫外線的照射下目視觀察發現曲軸連桿軸頸處存在亮白色的縱向磁痕，去除磁粉后在體視顯微鏡下觀察，試樣表面上原磁痕所在區域存在一條長約0.42mm的長條狀缺陷。使用掃描電子顯微鏡對試樣上的磁痕區域進行微觀形貌，試樣上長條狀缺陷為長條狀非金屬夾雜物，使用能譜進行微區成分分析發現其主要成分為O、Al、Na、K、Si、Ca、Mg、Ti等元素。

磁痕處發現與磁痕形貌一致的長條狀缺陷，由此推測磁痕的產生與試樣上的長條狀缺陷有關。電鏡能譜分析發現長條狀缺陷為含Na、K氧化鋁類非金屬夾雜物。Na、K元素是結晶器保護渣中的特有元素，由此推測非金屬夾雜物來源于連鑄過程結晶器保護渣卷渣[5-8]。

由于連鑄過程結晶器保護渣卷渣使鋼材內部存在嚴重的夾渣，在后續的鍛造過程中嚴重的夾渣流變到連桿軸頸近表面，在車削后顯露到連桿軸頸表面，由于非金屬夾雜物與鋼基體磁導率相差較大，因此在外加磁場的作用下，在非金屬夾雜物處形成漏磁場，致使熒光磁粉在此聚集形成磁痕。對于連桿軸頸表面存在夾渣的曲軸，由于夾渣破壞了基體的連續性，在曲軸運行過程中，在交變載荷的作用下，曲軸容易在夾渣部位產生疲勞裂紋，嚴重影響曲軸的使用壽命。在鋼材的生產過程中，鋼廠需加強夾雜物上浮控制并防止卷渣，另外在鋼材出廠前應使用超聲探傷等方式對鋼材內部缺陷進行檢測，防止存在嚴重夾渣的鋼材流入到市場中。

1.5 淬火裂紋引起的磁痕

使用體視顯微鏡對曲軸試樣表面進行觀察，發現試樣表面存在一條縱向裂紋，裂紋曲折斷續，末端尖細。對裂紋處橫剖面制備成金相試樣后進行檢測。金相顯微鏡下觀察裂紋深約455μm，裂紋呈鋸齒狀從鋼材表面向內擴展，起始部位較寬，末端尖細，裂紋內部分區域可見灰色夾雜物，裂紋位于偏析區域內，裂紋兩側未見脫碳現象，其組織為馬氏體組織。能譜分析發現裂紋內和其四周基體中均存在大量硫化錳類非金屬夾雜物。

試樣表面存在一條曲折斷續的縱向裂紋，由此可知，曲軸連桿頸開口磁痕是表面縱向裂紋造成的。裂紋呈鋸齒狀從鋼材表面向內擴展，末端尖細，裂紋附近組織均為馬氏體且裂紋兩側未見脫碳現象，由此推測此裂紋為淬火裂紋。由裂紋位于組織偏析區域內且裂紋內多處存在硫化物夾雜推測在曲軸連桿頸淬火時，連桿頸表面存在組織偏析現象，致使此區域淬火開裂傾向增加，硫化物的存在促進了鋼材開裂，最終在此偏析區域產生淬火裂紋。淬火裂紋破壞了基體的連續性，磁粉探傷時，磁粉在裂紋處聚集形成磁痕。

2 結論

（1）曲軸磁痕缺陷種類繁多，只要存在磁導率和鋼鐵磁導率存在差異的因素，均可造成磁痕缺陷，部分磁痕去除后表面未見異常開口缺陷，另一部分磁痕去除后表面存在裂紋、非金屬夾雜物、劃傷等開口缺陷。

（2）開口缺陷造成的磁痕，由于曲軸表面存在劃傷、夾雜等缺陷，在曲軸的運行過程中易在此類缺陷處產生應力集中，致使曲軸較早的產生疲勞斷裂，因此此類缺陷是不允許存在的缺陷，鋼廠在生產過程中應加強非金屬夾雜物的去除，曲軸生產客戶應對加工過程進行嚴控，避免產生開口缺陷。