干貨，多年經(jīng)驗總結(jié)：鍛鋼曲軸典型磁痕辨析

    通過多年生產(chǎn)實踐和分析，現(xiàn)對感應(yīng)淬火曲軸的幾種典型探傷磁痕進行總結(jié)，為更科學(xué)的現(xiàn)場判斷提供依據(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→檢驗入庫

2.曲軸表面缺陷的檢測方法

目前對曲軸表面缺陷探測常用的方法是采用熒光磁粉探傷試驗機檢測或肉眼觀察。

3.表面缺陷磁痕

表面缺陷是磁粉探傷后，擦凈磁懸液時，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小，如不仔細觀察和認真檢查是難以發(fā)現(xiàn)的，但這些裂紋經(jīng)過加工、感應(yīng)淬火后都會有所發(fā)展。如果是小零件，有時在內(nèi)應(yīng)力作用下，嚴重的會將零件一分為二。

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能看見卷入的氧化皮。

圖2 鍛造折疊

對于產(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鍛件表面嚴重脫碳。

這可以從工藝過程調(diào)查和組織分析中進一步判別。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，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，裂紋的擴展呈樹枝狀形態(tài)。鍛件嚴重脫碳時，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，在金相觀察時能發(fā)現(xiàn)裂紋兩側(cè)有脫碳，時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)存在臺階、端頭、尖角、鍵槽、孔洞和油道等結(jié)構(gòu)，感應(yīng)淬火時會引起該部位感應(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附近出現(xiàn)的淬火裂紋，均以圓周向分布，尺寸相對較大，如圖4所示。另一種裂紋為油孔裂紋，如圖5、圖6所示。

圖4 連桿頸上止點凸臺裂紋

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略深，當淬火工藝不當時，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展，與表面貫穿時，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。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。

（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)不當時，會出現(xiàn)磨削裂紋。磨削裂紋的產(chǎn)生過程實際是淬火過程，在高速磨削時，砂輪與工件接觸的局部區(qū)域溫度在奧氏體化溫度以上，當向砂輪與工件噴射切削液時，就相當于又進行了一次淬火。當材料中含有某種增加淬火裂紋傾向的微量合金元素時，會加大磨削裂紋出現(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、多條平行的點條裂紋或一堆點條狀裂紋，如圖8所示。單條直線裂紋或多條平行的點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 多條平行的點條裂紋或一堆點條狀裂紋

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，只要加強管理，嚴格操作，完全可以避免。

非金屬夾雜物是冶煉時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，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度較長時，磁粉探傷就會出現(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。當夾雜物經(jīng)加工外露時，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，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，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。只有當磁場過強或伴有偏析、一定量的夾雜物時，才會明顯顯示出來。

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降低鋼液的流動性，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嚴重且趨于表面。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度，探傷時就會出現(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)熱性相對也較差，這些都會增加鋼中的殘余應(yīng)力，磨削時工藝略有不當就易在這些區(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，除了認識上的統(tǒng)一外，還需要探傷工長期的現(xiàn)場實踐。目前各發(fā)動機廠都有自己的曲軸探傷標準，對于曲軸圓角與軸頸上的非表面缺陷磁痕對曲軸疲勞性能的影響，各專業(yè)廠家認識不一，這方面工作還有待于同行進一步探索。