韓艷春

（金城南京機(jī)電液壓工程研究中心，南京 211106）

440C（美國(guó)牌號(hào)）材料是一種高碳高鉻鋼，國(guó)內(nèi)相近牌號(hào)為9Cr18Mo，淬火后有較高硬度和耐磨性，回火穩(wěn)定性和尺寸穩(wěn)定性較好，一般用于制造在腐蝕環(huán)境和無潤(rùn)滑強(qiáng)氧化氣氛中工作，既耐磨又耐腐蝕的工件［1］，比如軸承、軸套，液壓系統(tǒng)中的閥芯、閥套等。在磁粉檢測(cè)中，發(fā)現(xiàn)440C材料零件表面存在一種直線狀、沿材料纖維方向的磁痕顯示（以下統(tǒng)稱縱向顯示），在同一直徑表面上，該縱向顯示存在一條或多條。這些顯示有的非常明顯，輪廓分明，清晰度類似裂紋；有的顯示則較淡，很細(xì)，類似發(fā)紋或夾雜物表征。但這些顯示在零件表面看不到始終端，通常在同一直徑的整條長(zhǎng)度上連續(xù)存在。以某軸類零件為試件，根據(jù)ASTM E1444《磁粉檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范》，分步進(jìn)行直接周向磁化（磁化電流類型為三相全波直流電，磁化電流I的計(jì)算公式為I＝20φ，φ指試件直徑），結(jié)果如圖1所示。降低試件的磁化電流值I＝12φ時(shí)，顯示依然存在，只是磁痕略淡。

圖1 試件的磁粉檢測(cè)結(jié)果

筆者采用熒光滲透檢測(cè)、金相檢查及能譜分析等試驗(yàn)方法，旨在為該特殊縱向顯示定性，并分析產(chǎn)生原因。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)材料為440C，其化學(xué)成分為（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）：0.99C，16.71Cr，0.34Mo，0.61Si，0.53Mn，其余為Fe。狀態(tài)為淬火＋低溫回火。將試件進(jìn)行熒光滲透復(fù)驗(yàn)后，對(duì)其取樣分析，橫切試件，觀察橫截面邊緣存在清晰磁痕顯示的地方，再分別以圖1中A，B處，即最清晰的和稍淡的磁痕顯示線為中心，將試樣縱向打磨拋光后利用Zeiss 200mat型光學(xué)顯微鏡進(jìn)行金相檢查，利用FEI qunta 650型電子顯微鏡進(jìn)行能譜分析。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 熒光滲透復(fù)驗(yàn)

將試件退磁并用超聲波清洗干凈后，根據(jù)ASTM E1417《熒光滲透檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范》，利用Ⅰ類方法D，3級(jí)靈敏度親水性后乳化型熒光滲透液ZL－27A進(jìn)行復(fù)驗(yàn)，試件表面并未發(fā)現(xiàn)任何顯示。將試件拿到體視顯微鏡下放大觀察，未看到零件表面開口跡象，說明以上磁粉檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的縱向顯示并非開口缺陷，如圖2所示。

圖2 試件的熒光滲透結(jié)果

2.2 金相檢查

將試件橫向切開，觀察其橫截面樣貌，如圖3（a）所示，圖中方框?yàn)锳處的橫截面邊緣樣貌，可以看出材料邊緣較為平滑，與周圍組織無明顯異常。將橫截面試樣腐蝕，觀察金相組織如圖3（b）所示，發(fā)現(xiàn)橫截面不均勻分布著白亮組織，且在A處的橫截面區(qū)域聚集。

再分別以圖1中A、B處，即最清晰的和稍淡的磁痕顯示線為中心，將試樣縱向打磨，拋光腐蝕后進(jìn)行金相檢查，結(jié)果如圖4所示?？v向剖面仍存在白亮組織，呈條帶狀分布。A處白亮組織條帶很不均勻，明顯形成了一定的帶寬，而B處較A處稍均勻，由此可知以上磁痕顯示與440C材料組織中白亮組織及分布相關(guān)。

2.3 能譜分析

圖3 試件橫向截面樣貌和橫向剖面金相圖

圖4 A，B處縱向剖面金相圖

為分析材料中白亮組織的化學(xué)成分，對(duì)試樣進(jìn)行能譜分析。A處縱向剖面白亮組織的掃描電鏡圖，如圖5所示，圖5中a處為材料白亮組織，b為非白亮組織，對(duì)a、b兩處進(jìn)行能譜分析，結(jié)果如圖6。對(duì)比a處和b處圖譜可知，a處碳、鉻含量都較高，說明材料中白亮組織為碳化物；b處為基體組織，試件中的碳化物組織沿著材料纖維方向形成了條帶狀分布。

圖5 試件A處的掃描電鏡圖

圖6 能譜分析圖

2.4 磁痕判別及形成原因分析

由以上試驗(yàn)結(jié)果可知，440C材料表面的縱向顯示與碳化物條帶狀分布相關(guān)。其一般為連續(xù)直線，在材料不同直徑上可能同時(shí)出現(xiàn)，且在同一直徑上連續(xù)存在，出現(xiàn)多條，嚴(yán)重程度不一。這種縱向顯示最容易被誤認(rèn)為是裂紋、原材料發(fā)紋或夾雜，其實(shí)它們磁痕形貌及本質(zhì)都不同。裂紋磁痕大多呈不規(guī)則線狀，兩端尖細(xì)，中間較粗，為開口缺陷。發(fā)紋是指原材料中的非金屬夾雜物等在軋制拉長(zhǎng)過程中，隨金屬變形伸長(zhǎng)形成的類似發(fā)絲的細(xì)小缺陷，磁痕呈發(fā)絲一樣短而平直的線狀或斷續(xù)點(diǎn)狀［2］。鋼中的夾雜物主要是鐵元素和其他合金元素與氧、氮、硫等作用形成的氧化物、氮化物及硫化物等，其磁痕類似于發(fā)紋［3］。而440C材料屬于高碳鉻軸承鋼，在鋼液結(jié)晶過程中不可避免地會(huì)產(chǎn)生樹枝狀偏析。所謂偏析是指鋼錠冶煉時(shí)，合金液在鑄型中凝固、冷卻后，鋼錠中會(huì)出現(xiàn)各部分化學(xué)成分不均勻的現(xiàn)象［4］。一種材料中往往同時(shí)存在多種偏析狀態(tài)。440C材料富含碳和鉻元素，很容易產(chǎn)生樹枝狀偏析。這種樹枝狀偏析在熱壓力加工過程中拉伸成高低濃度相間的偏析帶，高濃度帶在冷卻過程中析出較多的二次碳化物，形成共晶碳化物帶狀組織［5］。根據(jù)GB 14979—1994《鋼的共晶碳化物不均勻度評(píng)定法》A5第5級(jí)評(píng)級(jí)圖，以上試件的共晶碳化物級(jí)別可評(píng)為6級(jí)，屬于很嚴(yán)重的碳化物偏析級(jí)別。

磁粉檢測(cè)中磁痕的形成跟漏磁場(chǎng)大小密切相關(guān)，而合金鋼中影響磁特性最大的就是碳及合金元素，一般隨著碳及合金元素如Cr、Mo含量的增加，鋼的磁導(dǎo)率會(huì)降低［6－7］。由于試件碳化物組織條帶狀分布，合金碳化物的磁導(dǎo)率最小，與基體組織的磁導(dǎo)率相差很大，在磁化過程中引起磁感應(yīng)線發(fā)生畸變，從而吸附磁粉，形成如上的縱向顯示。

試件表面的縱向顯示A處清晰明顯，其他地方較淡，這是因?yàn)锳處的碳化物組織帶寬及不均勻程度都比其他地方嚴(yán)重，也就是A處碳化物帶狀組織與基體之間磁導(dǎo)率相差最大，引起的漏磁場(chǎng)最大，所以磁痕顯示最明顯。

從試件的橫截面微觀組織圖及掃描電鏡圖上看，碳化物大小、形態(tài)及分布很不均勻。有的碳化物顆粒較細(xì)小，并且以球狀和短棒狀為主，吸附在基體的晶界處；有的碳化物顆粒粗大，形狀并不規(guī)則，且呈塊狀。研究表明，碳化物的大小、分布狀態(tài)受材料中碳、鉻含量影響很大，且隨著鋼中碳、鉻含量的增加，碳化物顆粒變大，鏈狀碳化物增多，總體彌散度變差［8］。這也就造成了試件在不同直徑表面的磁導(dǎo)率出現(xiàn)差異，且差異大小不同，所以以上縱向顯示可能會(huì)在不同直徑上出現(xiàn)，且磁痕顯示的清晰度有所區(qū)別。需要說明的是，并非所有存在碳化物偏析的440C材料，在磁粉檢測(cè)時(shí)都會(huì)出現(xiàn)縱向顯示，當(dāng)碳化物分布均勻，無明顯條帶時(shí)，磁粉檢測(cè)時(shí)形成的漏磁場(chǎng)就會(huì)減弱，形成較淺的顯示或者并不顯示。以上現(xiàn)象是材料的原始組織不均勻，材質(zhì)本身引起的顯示，為非相關(guān)顯示。

3 結(jié)論

（1）440C材料表面連續(xù)直線縱向顯示，與裂紋、發(fā)紋或夾雜物不同，是一種非相關(guān)顯示。

（2）440C材料表面縱向顯示的形成與其共晶碳化物帶狀偏析密切相關(guān)。

（3）由于共晶碳化物與基體組織的磁導(dǎo)率差異，引起磁感應(yīng)線發(fā)生畸變，從而吸附磁粉形成磁痕顯示。

［1］ 中國(guó)航空材料手冊(cè)編輯委員會(huì)編.中國(guó)航空材料手冊(cè)第1卷 結(jié)構(gòu)鋼 不銹鋼［M］.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2002：603.

［2］ 中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)無損檢測(cè)分會(huì)編.磁粉檢測(cè)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004：120.

［3］ 葉代平，蘇李廣.磁粉檢測(cè)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004：123－124.

［4］ 白素琴.金屬學(xué)及熱處理［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2009：42.

［5］ 鐘順?biāo)?，王昌?軸承鋼［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2000：475－476.

［6］ 葉代平，蘇李廣.磁粉檢測(cè)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004：12－16.

［7］ 焦政.磁粉檢測(cè)的可靠性［J］.安徽化工，2006（4）：54－55.

［8］ 徐帆，俞峰，許達(dá)，等.碳－鉻含量對(duì)不銹軸承鋼的組織和接觸疲勞壽命的影響［J］.天津冶金，2009（1）：8－10.