440C材料零件表面特殊磁痕的原因分析

2014-10-25韩艳春

无损检测 2014年3期

韩艳春

（金城南京机电液压工程研究中心，南京 211106）

440C（美国牌号）材料是一种高碳高铬钢，国内相近牌号为9Cr18Mo，淬火后有较高硬度和耐磨性，回火稳定性和尺寸稳定性较好，一般用于制造在腐蚀环境和无润滑强氧化气氛中工作，既耐磨又耐腐蚀的工件［1］，比如轴承、轴套，液压系统中的阀芯、阀套等。在磁粉检测中，发现440C材料零件表面存在一种直线状、沿材料纤维方向的磁痕显示（以下统称纵向显示），在同一直径表面上，该纵向显示存在一条或多条。这些显示有的非常明显，轮廓分明，清晰度类似裂纹；有的显示则较淡，很细，类似发纹或夹杂物表征。但这些显示在零件表面看不到始终端，通常在同一直径的整条长度上连续存在。以某轴类零件为试件，根据ASTM E1444《磁粉检测标准规范》，分步进行直接周向磁化（磁化电流类型为三相全波直流电，磁化电流I的计算公式为I＝20φ，φ指试件直径），结果如图1所示。降低试件的磁化电流值I＝12φ时，显示依然存在，只是磁痕略淡。

图1 试件的磁粉检测结果

笔者采用荧光渗透检测、金相检查及能谱分析等试验方法，旨在为该特殊纵向显示定性，并分析产生原因。

1 试验材料与方法

试验材料为440C，其化学成分为（质量分数，%）：0.99C，16.71Cr，0.34Mo，0.61Si，0.53Mn，其余为Fe。状态为淬火＋低温回火。将试件进行荧光渗透复验后，对其取样分析，横切试件，观察横截面边缘存在清晰磁痕显示的地方，再分别以图1中A，B处，即最清晰的和稍淡的磁痕显示线为中心，将试样纵向打磨抛光后利用Zeiss 200mat型光学显微镜进行金相检查，利用FEI qunta 650型电子显微镜进行能谱分析。

2 试验结果与分析

2.1 荧光渗透复验

将试件退磁并用超声波清洗干净后，根据ASTM E1417《荧光渗透检验标准规范》，利用Ⅰ类方法D，3级灵敏度亲水性后乳化型荧光渗透液ZL－27A进行复验，试件表面并未发现任何显示。将试件拿到体视显微镜下放大观察，未看到零件表面开口迹象，说明以上磁粉检验发现的纵向显示并非开口缺陷，如图2所示。

图2 试件的荧光渗透结果

2.2 金相检查

将试件横向切开，观察其横截面样貌，如图3（a）所示，图中方框为A处的横截面边缘样貌，可以看出材料边缘较为平滑，与周围组织无明显异常。将横截面试样腐蚀，观察金相组织如图3（b）所示，发现横截面不均匀分布着白亮组织，且在A处的横截面区域聚集。

再分别以图1中A、B处，即最清晰的和稍淡的磁痕显示线为中心，将试样纵向打磨，抛光腐蚀后进行金相检查，结果如图4所示。纵向剖面仍存在白亮组织，呈条带状分布。A处白亮组织条带很不均匀，明显形成了一定的带宽，而B处较A处稍均匀，由此可知以上磁痕显示与440C材料组织中白亮组织及分布相关。

2.3 能谱分析

图3 试件横向截面样貌和横向剖面金相图

图4 A，B处纵向剖面金相图

为分析材料中白亮组织的化学成分，对试样进行能谱分析。A处纵向剖面白亮组织的扫描电镜图，如图5所示，图5中a处为材料白亮组织，b为非白亮组织，对a、b两处进行能谱分析，结果如图6。对比a处和b处图谱可知，a处碳、铬含量都较高，说明材料中白亮组织为碳化物；b处为基体组织，试件中的碳化物组织沿着材料纤维方向形成了条带状分布。

图5 试件A处的扫描电镜图

图6 能谱分析图

2.4 磁痕判别及形成原因分析

由以上试验结果可知，440C材料表面的纵向显示与碳化物条带状分布相关。其一般为连续直线，在材料不同直径上可能同时出现，且在同一直径上连续存在，出现多条，严重程度不一。这种纵向显示最容易被误认为是裂纹、原材料发纹或夹杂，其实它们磁痕形貌及本质都不同。裂纹磁痕大多呈不规则线状，两端尖细，中间较粗，为开口缺陷。发纹是指原材料中的非金属夹杂物等在轧制拉长过程中，随金属变形伸长形成的类似发丝的细小缺陷，磁痕呈发丝一样短而平直的线状或断续点状［2］。钢中的夹杂物主要是铁元素和其他合金元素与氧、氮、硫等作用形成的氧化物、氮化物及硫化物等，其磁痕类似于发纹［3］。而440C材料属于高碳铬轴承钢，在钢液结晶过程中不可避免地会产生树枝状偏析。所谓偏析是指钢锭冶炼时，合金液在铸型中凝固、冷却后，钢锭中会出现各部分化学成分不均匀的现象［4］。一种材料中往往同时存在多种偏析状态。440C材料富含碳和铬元素，很容易产生树枝状偏析。这种树枝状偏析在热压力加工过程中拉伸成高低浓度相间的偏析带，高浓度带在冷却过程中析出较多的二次碳化物，形成共晶碳化物带状组织［5］。根据GB 14979—1994《钢的共晶碳化物不均匀度评定法》A5第5级评级图，以上试件的共晶碳化物级别可评为6级，属于很严重的碳化物偏析级别。

磁粉检测中磁痕的形成跟漏磁场大小密切相关，而合金钢中影响磁特性最大的就是碳及合金元素，一般随着碳及合金元素如Cr、Mo含量的增加，钢的磁导率会降低［6－7］。由于试件碳化物组织条带状分布，合金碳化物的磁导率最小，与基体组织的磁导率相差很大，在磁化过程中引起磁感应线发生畸变，从而吸附磁粉，形成如上的纵向显示。

试件表面的纵向显示A处清晰明显，其他地方较淡，这是因为A处的碳化物组织带宽及不均匀程度都比其他地方严重，也就是A处碳化物带状组织与基体之间磁导率相差最大，引起的漏磁场最大，所以磁痕显示最明显。

从试件的横截面微观组织图及扫描电镜图上看，碳化物大小、形态及分布很不均匀。有的碳化物颗粒较细小，并且以球状和短棒状为主，吸附在基体的晶界处；有的碳化物颗粒粗大，形状并不规则，且呈块状。研究表明，碳化物的大小、分布状态受材料中碳、铬含量影响很大，且随着钢中碳、铬含量的增加，碳化物颗粒变大，链状碳化物增多，总体弥散度变差［8］。这也就造成了试件在不同直径表面的磁导率出现差异，且差异大小不同，所以以上纵向显示可能会在不同直径上出现，且磁痕显示的清晰度有所区别。需要说明的是，并非所有存在碳化物偏析的440C材料，在磁粉检测时都会出现纵向显示，当碳化物分布均匀，无明显条带时，磁粉检测时形成的漏磁场就会减弱，形成较浅的显示或者并不显示。以上现象是材料的原始组织不均匀，材质本身引起的显示，为非相关显示。