某螺栓锻件表面平行线状磁痕显示原因分析

2020-06-18

无损检测 2020年6期

关键词：偏析磁粉奥氏体

(洛阳双瑞特种装备有限公司，洛阳 471003)

在生产过程中，某批规格为M24，材料为35CrMo的螺栓锻件(精车后)的光杆部位经研磨后进行磁粉检测时，发现大量呈密集平行的较淡线状分布的磁痕显示。对该批螺栓进行100%磁粉检测后，发现普遍存在此类磁痕显示。

该螺栓的主要生产流程为：低碳合金钢棒材调制热处理-粗加工-超声检测-半精加工-磁粉检测-精加工-抛光-磁粉检测。此类磁痕在螺栓半精加工后的磁粉检测工序中并未发现，而是在精加工抛光后的磁粉检测中才发现，其磁痕显示如图1所示。

图1 螺栓磁痕显示

由于该磁痕显示仅在精加工且抛光后出现，并需经仔细观察才能被发现，因此初步判断该磁痕不属于裂纹或其他相关线性缺陷显示，可能是成分组织差异引起的[1]。为确定该磁痕的性质及形成原因，笔者进行了试验分析。

1 试验分析

1.1 宏观金相观察

经酸洗后，螺栓横截面低倍形貌如图2所示，用肉眼观察试样，低倍组织疏松及偏析评定结果均为0级，且在低倍组织中未发现气孔、裂纹、夹渣、白点、白亮带、缩孔等缺陷。

图2 螺栓宏观低倍组织形貌

采用加倍酸洗试验对螺杆部分进行进一步的低倍组织观察，螺杆纵、横切面低倍组织如图3所示。

图3 螺栓低倍组织形貌

从低倍组织形貌来看，螺杆部位的流线组织明显，在纵切面上沿轴向平行线状分布，显示程度由表面到芯部递增；在横切面上呈大量密集点状分布。

1.2 磁痕显示位置截面高倍金相观察

沿磁痕显示区域横向切开，在高倍显微镜下观察，横截面抛光态形貌见图4，外圆及近表层均未发现缺陷。

图4 磁痕位置横截面高倍形貌(50×)

1.3 金相、扫描电镜分析

对螺栓进行了金相分析，结果如图5所示。在高倍显微镜下观察，发现螺杆纵向存在呈白色条带状的微观偏析。

图5 螺栓偏析组织

对螺栓金相组织的黑色(基体)和白色(微观偏析带)区域进行能谱分析，结果如表1所示。偏析带上的偏析元素均为Cr、Mn(扫描能谱为半定量分析，元素含量仅做对比参考)。

1.4 残余奥氏体含量分析

采用X射线衍射仪对该螺栓进行X射线衍射物相分析，结果如图6所示。经分析，物相主要为α-Fe,未发现明显γ-Fe物相峰，说明残余奥氏体含量极低。

表1 能谱分析结果 %

图6 残余奥氏体含量X射线衍射分析结果

2 磁痕产生原因分析

此类磁痕的产生原因，可能有以下几种。

(1) 非金属夹杂物

原材料中非金属夹杂物在轧制过程中随金属的变形而伸长，磁粉检测时在夹杂物附近会形成漏磁，从而表现为发纹或线状磁痕[2]。由于螺栓原材料经过精炼处理工序，材料中夹杂物得到了有效控制(见图4)，检测结果表明制造螺栓用的原材料纯净度较高。尽管夹杂物不能完全清除，但是原材料中细小的夹杂物不可能导致批量制件出现线状磁痕[3]。

(2) 残余奥氏体

由于奥氏体(γ-Fe)为无磁相，磁粉检测时会在残余奥氏体相位置形成漏磁，从而导致磁痕显示。经X衍射物相分析，物相主要为α-Fe，未发现明显γ-Fe物相峰。说明残余奥氏体含量极低，即可排除残余奥氏体含量导致该类磁痕显示的可能性。

(3) 晶粒位向

材料经轧制后，晶粒沿轧制方向被拉长，晶粒排布呈一定的位向，在磁粉检测时被拉长的晶粒晶界位置可能产生漏磁而引起磁痕显示。由于螺栓用料轧制后经历过调质处理(淬火+回火)，温度加热到再结晶温度以上时，晶粒会发生再结晶，被拉长的晶粒形态得以消除，排除了晶粒位向导致该类磁痕显示的可能。

(4) 偏析

锻造螺栓的钢锭表面为细晶区，中间为柱状晶区，芯部为等轴晶区。在由液态冷却至固态过程中，由于表面细晶区散热快，过冷度大，钢液可以快速冷却，该区域成分可较均匀地保留下来，而中间柱状晶区和芯部等轴晶区冷却速度慢，溶质元素向柱状晶和等轴晶晶壁间富集，造成晶间的微观偏析。微观偏析组织在轧制过程中发生变形，沿轧制方向呈带状分布，形成所谓的锻造流线组织[4]。

轧制后的钢锭从表面到芯部偏析程度不断加重，这和螺栓低倍线状条纹显示由表面到芯部递增的现象相对应，说明材料低倍组织的线状条纹是材料微观偏析的组织显现。

由低倍组织观察可知，材料不存在疏松及宏观偏析，而微观偏析是晶间偏析，不是材料缺陷。这种晶间偏析在后续的轧制过程中沿变形方向被拉长而形成条带状。

经能谱分析，这种带状偏析主要为富Cr和Mn组织，其势必造成偏析带与基体的磁导率差异，磁粉检测时偏析带与基体之间则形成漏磁，从而引起线状磁痕显示。