淬火后零件磁粉无损检测常见磁痕的分析与判定

■ 鲍伟宏，刘书铎，赵振凯，孔春花，杨永生

淬火工艺是金属零件提高力学性能的重要热处理工艺手段，但由于该工艺过程中容易出现工艺缺陷，因此我们需要对淬火后的零件进行磁粉无损检测。

在磁粉无损检测工作中，淬火后零件除了可能存在由于材料及加工工艺本身造成的缺陷外，也会存在一些其他复杂因素综合作用而产生的磁痕，这些磁痕多数为缺陷磁痕，但是也有部分属于非相关磁痕，如果磁粉检测时，检测人员不能准确识别，就会把缺陷磁痕误判为非相关磁痕，从而产生漏检，给工件带来安全隐患；也可能把非相关磁痕误判为缺陷磁痕，会把合格的零件拒收或报废，造成不必要的经济损失。为了准确判定磁痕产生的原因及性质，需要我们综合利用相关专业知识进行全面分析，从而摸清规律，积累经验，抓准各种磁痕的特征，提高检验准确度和可靠性。

1. 淬火零件所用材料与制造、无损检测工艺

（1）淬火零件常用材料与工艺 采用淬火工艺的机械零件种类与品种很多，如曲轴、连杆、连杆螺栓、变速杆、拨叉、花键轴及齿轮等，这些零件采用的材料有精选45钢、40Cr、38CrMnSi、42CrMo等，而且都是锻件。制造工序一般为原材料切断、锻造、调质、机加工、表面热处理、精加工、磁粉无损检测、检查、入库。

（2）磁粉无损检测设备与检测方法 淬火零件采用固定式交直流磁粉探伤机进行整体磁化。无损检测方法有剩磁法或连续法。磁化方法有复合磁化法、通电法（周向磁化）和整体磁轭法（纵向磁化）。

（3）磁粉无损检测磁化规范 周向磁化规范：连续法为

式中 I——磁化电流（A）；

D——工件直径（mm）。

剩磁法为

式中 I——磁化电流（A）；

D——工件直径（mm）。

纵向磁化规范：使用整体磁轭法，按式（3）进行计算

式中 I——磁化电流（A）；

N——线圈匝数（Z）；

L——工件长度（mm）；

D——工件直径（mm）。

使用上述公式计算后，应选用适合的标准灵敏度试片进行验证，确认最佳的磁化电流参数。

（4）磁粉无损检测的检测介质 磁粉为YC-2荧光磁粉或黑色磁粉；载液配比为50%变压器油、50%煤油；荧光磁粉配制浓度为1～2g/L，黑磁粉配制浓度为18～20g/L。

（5）磁粉无损检测的观察条件 采用荧光磁粉检测时，应符合GB/T 5097—2005中5.3的要求。现场必须设立半暗室，暗室内白光照度应低于20 lx，并保证检测时，被检工件表面上UV-A黑光辐照度应大于1000μW/cm2，并没有干扰因素。

采用非荧光磁粉检测时，应符合GB/T 5097—2005中4.3的要求。现场环境的日光或灯光的照度应保证被检工件表面的光照度大于等于500 lx，并应没有其他可能干扰检测人员对检测结果进行正常观察和结果判断的因素（逆光或噪声等）。

2. 淬火零件常见缺陷磁痕

（1）淬火裂纹 是工件淬火冷却时，由于材料或热处理工艺不当而产生的裂纹。它是由于钢在高温快速冷却时产生的热应力和组织应力超过钢的抗拉强度时引起的工件的开裂，是一种工艺缺陷。这种裂纹在工件上产生的部位，一般出现在工件容易产生应力集中的部位，如孔的边缘、键槽、尖角处、截面尺寸突变或阶梯过渡处等。

淬火裂纹磁痕特征：形状呈直线状或弯曲状，严重呈树枝状或网状，尾端尖细，棱角较多，有时呈锯齿形。裂纹深宽比大，磁痕显示细而浓密，轮廓清晰，形态刚健瘦直，重现性好。抹去磁痕，一般肉眼或低倍放大镜可见。拖拉机零件常见淬火裂纹分布规律如图1～图10所示。

（2）表面感应加热淬火裂纹 为提高工件表面的耐磨性能，进行高频、中频、工频感应淬火，使工件表面很薄一层迅速加热到淬火温度并立即喷水冷却进行淬火，在此过程中，由于感应加热参数控制不当或加热冷却不均匀而产生表面感应淬火裂纹。这种裂纹产生的部位，容易出现在油孔、键槽、齿轮齿根部、阶梯过渡处、淬硬与非淬硬区过渡处等。

图1 连杆小头孔内淬火裂纹

图2 连杆螺栓淬火裂纹

图3 变速杆孔边淬火裂纹

图4 变速杆孔边缘淬火裂纹

图5 变速杆键槽边淬火裂纹

图6 变速杆截面突变处淬火裂纹

图7 拨叉淬火裂纹

图8 齿轮齿根部淬火裂纹

图9 制动器踏板轴淬火裂纹

图10 轴套淬火裂纹

拖拉机曲轴表面淬火裂纹分布规律如图11～图13所示。其中，图11为位于曲轴油孔处呈辐射状的油孔表面淬火裂纹，图12为位于曲轴颈或连杆颈上淬硬层与非淬硬层过渡区处，沿着轴颈的圆周方向分布的周向表面淬火裂纹，是细线状，尾端较细，磁痕浓密清晰。深度一般不大于0.1mm，抹去磁痕，用5倍放大镜不可见。图13为位于轴颈表面上喷水孔表面淬火裂纹，呈网状或平行状。

拖拉机花键轴表面淬火裂纹分布规律如图14～图16所示。其中，图14、图15为位于花键轴键槽面上表面淬火裂纹。 图16为花键轴阶梯过渡上横向的表面淬火裂纹。

图11 曲轴油孔处表面淬火裂纹

图12 曲轴轴颈上周向表面淬火裂纹

图13 曲轴轴颈上喷水孔淬火裂纹

图14 花键轴键槽面上表面淬火裂纹

图15 花键轴键槽面上表面淬火裂纹

图16 花键轴阶梯处表面淬火裂纹

图17 曲轴连杆轴颈上的金属流线磁痕

图18 曲轴连杆轴颈上的金属流线磁痕

图20 曲轴轴颈上的金属流线磁痕

图21 驱动轮轴表面感应淬火过渡区磁痕与淬火裂纹磁痕

3. 淬火零件的非相关磁痕

（1）金属流线磁痕 是由于金属流线引起的非相关磁痕。金属流线是钢锭中固有的枝晶偏析及各种细小非金属夹杂物，经热加工变形沿着金属材料轧制方向延伸拉长而形成的纤维状的组织也称金属纤维组织。这种组织在连续法磁粉无损检测中，磁化电流过大时，会出现金属流线磁痕。如图17～图20所示。

磁痕特征：一般成群出现，呈不连续或连续平行于轴向的线状，沿金属纤维方向分布，磁痕浓度淡薄。退磁后，降低磁化电流，磁痕会基本消失。

为进一步确认，对连杆轴颈磁痕部位进行金相解剖验证分析，结果表明连杆轴颈上的磁痕确系金属流线引起的非相关磁痕。

（2）表面感应淬火过渡区磁痕 表面感应淬火时，工件淬硬部分与非淬硬部分之间，因金相组织不同，在交界处产生的非相关磁痕。我们进行拖拉机驱动轮轴磁粉无损检测时，在工件的淬火区发现有周向淬火裂纹，如图21中红色箭头所指2#磁痕，但在靠近淬火过渡区附近还有一条周向较为规则的磁痕，如图21中白色箭头所指1#磁痕。

垂直于磁痕取样，通过金相解剖及显微观察分析，1#磁痕处于感应淬火过渡区。1#磁痕是由于感应淬火过渡区两侧组织不同，导致其磁导率有差异，因而在磁粉无损检测过程中，轴颈上形成环形的非相关磁痕，磁痕处放大100倍后的显微形貌如图22所示。

经金相解剖分析，2#磁痕为裂纹，该裂纹是感应淬火裂纹，裂纹磁痕处放大100倍后的显微形貌如图23所示。

图24是另一件驱动轮轴的磁痕照片，在轴颈处有两条磁痕，都不在淬火区。

垂直磁痕取样进行显微观察，磁痕部位的显微形貌如图25所示，两个磁痕处均为组织发生变化的部位，如图25中箭头所指部位。

通过金相解剖确定，驱动轴表面磁痕不是裂纹、夹杂物等相关磁痕，而是轴颈表面感应淬火存在两个过渡区（马氏体和屈氏体之间的过渡区，感应淬火区和基体之间的过渡区）由于组织差异，导致磁导率不同而形成的非相关磁痕。

图22 1#磁痕部位放大100倍的显微形貌

图23 2#磁痕部位放大100倍的显微形貌

图24 驱动轮轴表面感应淬火两个过渡区磁痕

图25 磁痕部位的显微形貌

图26 臂轴A侧磁痕形貌与分布

图27 臂轴B侧磁痕形貌与分布

图28 臂轴A侧磁痕附近金相组织

图29 臂轴B侧磁痕附近金相组织

图30 臂轴B侧磁痕部位退火后心部带状组织（100×）

（3）带状组织引起的磁痕钢锭在凝固时产生的树枝状偏析，导致钢的化学成分不均匀，在枝晶间隙中形成碳化物，在轧制过程中沿压延方向被拉成带状，即所谓的带状组织。带状组织导致组织的不均匀性，因磁导率的差异而形成磁痕。

我们在进行臂轴磁粉无损检测时在臂轴侧面（分模面）出现了磁痕，经观察两侧均有分布，延伸方向沿臂轴纵向分布，两侧形态略有不同，这里分别描述为A侧与B侧，A侧为单条磁痕，在花键部位较为清晰；B侧显示的多条磁痕呈带状出现，单个磁痕类似发纹，磁痕松散不浓密。磁痕形貌与分布如图26、图27所示。

为确认磁痕性质，我们从臂轴上不同部位取样，观察零件微观金相组织。经过观察发现，图26中臂轴A侧花键部位的单条磁痕处，存在轻微的凹痕，不属于零件缺陷，附近金相组织正常，应为零件的划伤，如图28所示。图27臂轴B侧显示的多条磁痕成束出现部位金相组织正常，未观察到明显缺陷，如图29所示，退火后心部带状组织为3级，在正常范围内，如图30所示。

对零件进行热酸蚀检测后发现，在原先发现磁痕的部位，经腐蚀发现轻微的呈束状分布的凹坑，如图31所示。

凹坑应为带状组织中的碳化物被酸腐蚀后产生的，因此造成磁痕的原因为带状组织在臂轴分模面聚集引起的非相关磁痕。

图31 热酸蚀后检测情况

4. 结语

从以上所述可以看出，在对淬火后零件进行磁粉无损检测时，由于材料、热加工工艺等原因或其他因素的影响，不仅会产生缺陷磁痕，还会产生各种非相关磁痕，给正确判断造成一定的困难。在识别时，我们应该结合工件的结构和加工工艺特点，选择合适的磁化方法和正确的磁化参数，必要时借助于其他无损检测方法或金相解剖进行验证，对磁痕进行综合分析，找出其典型特征和规律性，保证磁粉无损检测结果的准确性，避免漏检和误判，为改进淬火零件加工工艺提供可靠依据，为加强产品质量控制提供有效保障。

[1] 中国机械工程学会无损检测分会. 磁粉检测[M].北京：机械工业出版社，2004.

[2] 胡天明.表面无损检测[M].武汉：武汉测绘科技大学出版社，1994.