干貨，多年經(jīng)驗(yàn)總結(jié)：鍛鋼曲軸典型磁痕辨析

    通過多年生產(chǎn)實(shí)踐和分析，現(xiàn)對(duì)感應(yīng)淬火曲軸的幾種典型探傷磁痕進(jìn)行總結(jié)，為更科學(xué)的現(xiàn)場(chǎng)判斷提供依據(jù)。

1.鍛鋼曲軸工藝路線

下料→鍛造→正火、調(diào)質(zhì)→粗加工→去應(yīng)力→半精加工→感應(yīng)淬火回火→精加工→檢驗(yàn)入庫

2.曲軸表面缺陷的檢測(cè)方法

目前對(duì)曲軸表面缺陷探測(cè)常用的方法是采用熒光磁粉探傷試驗(yàn)機(jī)檢測(cè)或肉眼觀察。

3.表面缺陷磁痕

表面缺陷是磁粉探傷后，擦凈磁懸液時(shí)，在良好的照明下，用肉眼可見的缺陷，該類缺陷的磁痕為表面缺陷磁痕。

鍛鋼曲軸常見的表面缺陷有：原材料及鍛造裂紋、熱處理裂紋、磨削裂紋和外露的非金屬夾雜物。

（1）原材料裂紋及鍛造折疊裂紋表現(xiàn)和鑒別

原材料裂紋與鍛造折疊裂紋在鍛造毛坯面上一般比較細(xì)小，如不仔細(xì)觀察和認(rèn)真檢查是難以發(fā)現(xiàn)的，但這些裂紋經(jīng)過加工、感應(yīng)淬火后都會(huì)有所發(fā)展。如果是小零件，有時(shí)在內(nèi)應(yīng)力作用下，嚴(yán)重的會(huì)將零件一分為二。

原材料裂紋一般與軸線平行，筆直地延伸，時(shí)有斷續(xù)，如圖1所示。

圖1 原材料裂紋

鍛造折疊是鍛造過程中操作不當(dāng)引起的夾層，其形狀、位置不定，經(jīng)淬火引伸發(fā)展后，裂紋比較大，如圖2所示，在某些主開口部位有時(shí)能看見卷入的氧化皮。

圖2 鍛造折疊

對(duì)于產(chǎn)生龜裂的鍛件見圖3。粗略分析可能是：

①由于過燒。

②由于易溶金屬滲入基體金屬(如銅滲人鋼中)。

③應(yīng)力腐蝕裂紋。

④鍛件表面嚴(yán)重脫碳。

這可以從工藝過程調(diào)查和組織分析中進(jìn)一步判別。例如在加熱鋼以后加熱鋼料或兩者混合加熱或鋼中含銅量過高時(shí)，則有可能是銅脆。從顯微組織上看，銅脆開裂在晶界，除了能找到裂紋外，還能找到亮的銅網(wǎng)，而在單純過燒的晶界只能找到氧化物。應(yīng)力腐蝕開裂是在酸洗后出現(xiàn)，在高倍觀察時(shí)，裂紋的擴(kuò)展呈樹枝狀形態(tài)。鍛件嚴(yán)重脫碳時(shí)，在試片上可以觀察到一層較厚的脫碳層。

圖3 鍛造龜裂

原材料裂紋與鍛造裂紋，我們只要在垂直于裂紋取樣，在金相觀察時(shí)能發(fā)現(xiàn)裂紋兩側(cè)有脫碳，時(shí)而有氧化物夾于其間。

（2）淬火裂紋的表現(xiàn)和鑒別

曲軸淬火裂紋一般出現(xiàn)在尺寸突變、有效厚度較薄或表面粗糙度不好的地方，在淬火區(qū)域內(nèi)存在臺(tái)階、端頭、尖角、鍵槽、孔洞和油道等結(jié)構(gòu)，感應(yīng)淬火時(shí)會(huì)引起該部位感應(yīng)電流集中而導(dǎo)致局部過熱、硬化層過深產(chǎn)生淬火裂紋。淬火裂紋一般有兩種表現(xiàn)形態(tài)，在光滑的圓柱面上或有效厚度較薄的凸臺(tái)附近出現(xiàn)的淬火裂紋，均以圓周向分布，尺寸相對(duì)較大，如圖4所示。另一種裂紋為油孔裂紋，如圖5、圖6所示。

圖4 連桿頸上止點(diǎn)凸臺(tái)裂紋

圖5 油孔口放射狀裂紋

圖6 油孔內(nèi)壁橫向小裂紋

曲軸油孔附近除了放射狀裂紋外，有時(shí)在油孔口下方的內(nèi)壁3～8mm區(qū)域出現(xiàn)橫向小裂紋，或孔洞附近的軸頸表面上還會(huì)出現(xiàn)“C”形裂紋，它一般出現(xiàn)在斜油道之上，距離孔邊緣10～20mm呈圓弧形。

這類裂紋是由于斜油道的內(nèi)壁到軸頸表面的厚度各不相同，在最薄的地方極易淬透，而且該處的淬硬層深度相對(duì)略深，當(dāng)淬火工藝不當(dāng)時(shí)，在油道孔壁薄而淬透的地方就出現(xiàn)孔內(nèi)橫向小裂紋。若該類裂紋以薄片形式向表面擴(kuò)展，與表面貫穿時(shí)，則形成孔口“C”形裂紋。

淬火裂紋在金相顯微鏡下觀察，與原材料裂紋、鍛造裂紋相比是有明顯區(qū)別的，裂紋內(nèi)無脫碳和氧化物，尾端尖細(xì)。若加熱溫度過高而引起的淬火裂紋，都是沿晶分布，并可觀察到粗針狀馬氏體等過熱特征；因在馬氏體轉(zhuǎn)變區(qū)的冷卻過快而引起的淬火裂紋，往往是穿晶分布，而且裂紋較直，線條剛健有力，周圍沒有分枝的小裂紋，主裂紋附近金相組織一般表現(xiàn)為回火馬氏體比較細(xì)。

（3）磨削裂紋的表現(xiàn)和鑒別

曲軸感應(yīng)淬火后，表面硬度高，內(nèi)應(yīng)力很大，在磨削參數(shù)不當(dāng)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)磨削裂紋。磨削裂紋的產(chǎn)生過程實(shí)際是淬火過程，在高速磨削時(shí)，砂輪與工件接觸的局部區(qū)域溫度在奧氏體化溫度以上，當(dāng)向砂輪與工件噴射切削液時(shí)，就相當(dāng)于又進(jìn)行了一次淬火。當(dāng)材料中含有某種增加淬火裂紋傾向的微量合金元素時(shí)，會(huì)加大磨削裂紋出現(xiàn)的概率。

磨削裂紋出現(xiàn)在磨削光滑表面，在軸頸上比較典型的磨削裂紋形狀有：龜裂狀裂紋（呈日字形、口字型、井字形），如圖7所示，單條直線裂紋、多條平行的點(diǎn)條裂紋或一堆點(diǎn)條狀裂紋，如圖8所示。單條直線裂紋或多條平行的點(diǎn)條裂紋都是以軸線方向分布，與磨削方向垂直。在側(cè)面凸臺(tái)上一般呈放射狀，如圖9所示。

圖7 龜裂狀裂紋

圖8 多條平行的點(diǎn)條裂紋或一堆點(diǎn)條狀裂紋

圖9 側(cè)面放射狀裂紋

如果垂直于該類裂紋取樣，在金相顯微鏡下觀察能看見二次淬火組織，二次淬火層從外至內(nèi)的金相特點(diǎn)是白亮層、黑灰色回火層（屈氏體）、感應(yīng)淬火層（回火馬氏體），從白亮層的硬度壓痕大小可見，其硬度特別高，見圖10、圖11。有時(shí)只看得見回火屈氏體層，看不見二次淬火的白亮層，二次回火層非常之薄，對(duì)金相試樣的制樣要求較高，如果制樣不好也有可能看不到白亮層。

圖10 磨削裂紋二次淬火層的金相組織圖

圖11 磨削裂紋二次淬火層的硬度壓痕對(duì)比圖

（4）外露的非金屬夾雜物的表現(xiàn)和鑒別

夾雜物一般分為金屬夾雜物和非金屬夾雜物兩種。金屬夾雜一般都是外來的，只要加強(qiáng)管理，嚴(yán)格操作，完全可以避免。

非金屬夾雜物是冶煉時(shí)鋼中氣體與脫氧劑及合金元素的反應(yīng)產(chǎn)物，以及混入鋼中的耐火材料碎片。冶煉時(shí)，主要通過鋼液充分沸騰，在盛鋼桶內(nèi)經(jīng)充分鎮(zhèn)定，以使夾雜物充分上浮，排入渣內(nèi)。

非金屬夾雜物出現(xiàn)的位置不固定，有單一的或斷續(xù)的幾條。由于非金屬物質(zhì)是無磁性的，它的存在破壞了材料的連續(xù)性，如果夾雜物已露頭或近表面長(zhǎng)度較長(zhǎng)時(shí)，磁粉探傷就會(huì)出現(xiàn)磁粉聚集——磁痕；非金屬夾雜物距表面距離不同，其表現(xiàn)形式也有所不同，離表面越近，磁痕顯示越明顯。為此，有時(shí)夾雜物磁痕表現(xiàn)為斷斷續(xù)續(xù)。曲軸鍛造后非金屬夾雜物一般也是沿軸向分布，其磁痕的線條顯得柔軟，尾端圓禿。當(dāng)夾雜物經(jīng)加工外露時(shí)，則為開口缺陷。見圖12。

圖12 單條開口夾雜物及放大的形貌

該試樣垂直于裂紋取樣，在金相顯微鏡下觀察，深度不深且底部較圓，見圖13。

圖13 未經(jīng)腐蝕橫截面圖

4.非表面缺陷磁痕的表現(xiàn)和鑒別

磁粉探傷后，擦凈磁懸液時(shí)，在良好的照明下，用肉眼（正常視力）觀察，無任何缺陷的為非表面缺陷磁痕。

（1）鍛造流線

鍛造零件在鍛造過程中，金屬按一定的方向流動(dòng)，如果解剖，經(jīng)腐蝕后宏觀觀察，就能看到鍛造流線，見圖14。

圖14 經(jīng)5%硝酸酒精腐蝕后的宏觀圖片

在正常工藝規(guī)范下探傷，一般不顯示鍛造流線磁痕或磁痕顯示非常之淡，見圖15。只有當(dāng)磁場(chǎng)過強(qiáng)或伴有偏析、一定量的夾雜物時(shí)，才會(huì)明顯顯示出來。

圖15 曲軸前端流線

（2）偏析及夾雜物

鋼種化學(xué)成分的不均勻性稱為偏析，根據(jù)偏析形成原因不同及表現(xiàn)形式不同，一般分為樹枝狀偏析、方形偏析、點(diǎn)狀偏析等。這些偏析處一般夾雜物也較多，在鑄錠中不可避免，尤其在中碳鉻鉬、鉻鎳鉬鋼大鍛件最為普遍。合金鋼由于合金元素的加入常會(huì)降低鋼液的流動(dòng)性，因此，其比碳鋼非金屬夾雜物更不易去除，更容易造成偏析或夾雜物。

對(duì)于合金鋼曲軸而言，曲軸在加工過程中，金屬從中心流向分模面，所以偏析（帶狀物）及夾雜物一般在切邊處相對(duì)嚴(yán)重且趨于表面。即使這些在切邊處夾雜物未外露，只要接近表面且有一定長(zhǎng)度，探傷時(shí)就會(huì)出現(xiàn)流線磁痕，詳見圖16。

圖16 立體分模曲軸切邊處流線及5%硝酸宏觀腐蝕后表面呈現(xiàn)的帶狀偏析

由于合金鋼的淬透性較高，有這種冶金缺陷的鋼材，冷卻時(shí)較易產(chǎn)生組織的不均勻性（帶狀組織），加上合金鋼導(dǎo)熱性相對(duì)也較差，這些都會(huì)增加鋼中的殘余應(yīng)力，磨削時(shí)工藝略有不當(dāng)就易在這些區(qū)域產(chǎn)生磨削裂紋。

5.結(jié)語

曲軸探傷如何正確判斷各類磁痕，除了認(rèn)識(shí)上的統(tǒng)一外，還需要探傷工長(zhǎng)期的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐。目前各發(fā)動(dòng)機(jī)廠都有自己的曲軸探傷標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于曲軸圓角與軸頸上的非表面缺陷磁痕對(duì)曲軸疲勞性能的影響，各專業(yè)廠家認(rèn)識(shí)不一，這方面工作還有待于同行進(jìn)一步探索。