■ 鮑偉宏，劉書鐸，趙振凱，孔春花，楊永生

淬火工藝是金屬零件提高力學(xué)性能的重要熱處理工藝手段，但由于該工藝過(guò)程中容易出現(xiàn)工藝缺陷，因此我們需要對(duì)淬火后的零件進(jìn)行磁粉無(wú)損檢測(cè)。

在磁粉無(wú)損檢測(cè)工作中，淬火后零件除了可能存在由于材料及加工工藝本身造成的缺陷外，也會(huì)存在一些其他復(fù)雜因素綜合作用而產(chǎn)生的磁痕，這些磁痕多數(shù)為缺陷磁痕，但是也有部分屬于非相關(guān)磁痕，如果磁粉檢測(cè)時(shí)，檢測(cè)人員不能準(zhǔn)確識(shí)別，就會(huì)把缺陷磁痕誤判為非相關(guān)磁痕，從而產(chǎn)生漏檢，給工件帶來(lái)安全隱患；也可能把非相關(guān)磁痕誤判為缺陷磁痕，會(huì)把合格的零件拒收或報(bào)廢，造成不必要的經(jīng)濟(jì)損失。為了準(zhǔn)確判定磁痕產(chǎn)生的原因及性質(zhì)，需要我們綜合利用相關(guān)專業(yè)知識(shí)進(jìn)行全面分析，從而摸清規(guī)律，積累經(jīng)驗(yàn)，抓準(zhǔn)各種磁痕的特征，提高檢驗(yàn)準(zhǔn)確度和可靠性。

1. 淬火零件所用材料與制造、無(wú)損檢測(cè)工藝

（1）淬火零件常用材料與工藝 采用淬火工藝的機(jī)械零件種類與品種很多，如曲軸、連桿、連桿螺栓、變速桿、撥叉、花鍵軸及齒輪等，這些零件采用的材料有精選45鋼、40Cr、38CrMnSi、42CrMo等，而且都是鍛件。制造工序一般為原材料切斷、鍛造、調(diào)質(zhì)、機(jī)加工、表面熱處理、精加工、磁粉無(wú)損檢測(cè)、檢查、入庫(kù)。

（2）磁粉無(wú)損檢測(cè)設(shè)備與檢測(cè)方法 淬火零件采用固定式交直流磁粉探傷機(jī)進(jìn)行整體磁化。無(wú)損檢測(cè)方法有剩磁法或連續(xù)法。磁化方法有復(fù)合磁化法、通電法（周向磁化）和整體磁軛法（縱向磁化）。

（3）磁粉無(wú)損檢測(cè)磁化規(guī)范 周向磁化規(guī)范：連續(xù)法為

式中 I——磁化電流（A）；

D——工件直徑（mm）。

剩磁法為

式中 I——磁化電流（A）；

D——工件直徑（mm）。

縱向磁化規(guī)范：使用整體磁軛法，按式（3）進(jìn)行計(jì)算

式中 I——磁化電流（A）；

N——線圈匝數(shù)（Z）；

L——工件長(zhǎng)度（mm）；

D——工件直徑（mm）。

使用上述公式計(jì)算后，應(yīng)選用適合的標(biāo)準(zhǔn)靈敏度試片進(jìn)行驗(yàn)證，確認(rèn)最佳的磁化電流參數(shù)。

（4）磁粉無(wú)損檢測(cè)的檢測(cè)介質(zhì) 磁粉為YC-2熒光磁粉或黑色磁粉；載液配比為50%變壓器油、50%煤油；熒光磁粉配制濃度為1～2g/L，黑磁粉配制濃度為18～20g/L。

（5）磁粉無(wú)損檢測(cè)的觀察條件 采用熒光磁粉檢測(cè)時(shí)，應(yīng)符合GB/T 5097—2005中5.3的要求。現(xiàn)場(chǎng)必須設(shè)立半暗室，暗室內(nèi)白光照度應(yīng)低于20 lx，并保證檢測(cè)時(shí)，被檢工件表面上UV-A黑光輻照度應(yīng)大于1000μW/cm2，并沒(méi)有干擾因素。

采用非熒光磁粉檢測(cè)時(shí)，應(yīng)符合GB/T 5097—2005中4.3的要求?，F(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的日光或燈光的照度應(yīng)保證被檢工件表面的光照度大于等于500 lx，并應(yīng)沒(méi)有其他可能干擾檢測(cè)人員對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行正常觀察和結(jié)果判斷的因素（逆光或噪聲等）。

2. 淬火零件常見(jiàn)缺陷磁痕

（1）淬火裂紋 是工件淬火冷卻時(shí)，由于材料或熱處理工藝不當(dāng)而產(chǎn)生的裂紋。它是由于鋼在高溫快速冷卻時(shí)產(chǎn)生的熱應(yīng)力和組織應(yīng)力超過(guò)鋼的抗拉強(qiáng)度時(shí)引起的工件的開裂，是一種工藝缺陷。這種裂紋在工件上產(chǎn)生的部位，一般出現(xiàn)在工件容易產(chǎn)生應(yīng)力集中的部位，如孔的邊緣、鍵槽、尖角處、截面尺寸突變或階梯過(guò)渡處等。

淬火裂紋磁痕特征：形狀呈直線狀或彎曲狀，嚴(yán)重呈樹枝狀或網(wǎng)狀，尾端尖細(xì)，棱角較多，有時(shí)呈鋸齒形。裂紋深寬比大，磁痕顯示細(xì)而濃密，輪廓清晰，形態(tài)剛健瘦直，重現(xiàn)性好。抹去磁痕，一般肉眼或低倍放大鏡可見(jiàn)。拖拉機(jī)零件常見(jiàn)淬火裂紋分布規(guī)律如圖1～圖10所示。

（2）表面感應(yīng)加熱淬火裂紋 為提高工件表面的耐磨性能，進(jìn)行高頻、中頻、工頻感應(yīng)淬火，使工件表面很薄一層迅速加熱到淬火溫度并立即噴水冷卻進(jìn)行淬火，在此過(guò)程中，由于感應(yīng)加熱參數(shù)控制不當(dāng)或加熱冷卻不均勻而產(chǎn)生表面感應(yīng)淬火裂紋。這種裂紋產(chǎn)生的部位，容易出現(xiàn)在油孔、鍵槽、齒輪齒根部、階梯過(guò)渡處、淬硬與非淬硬區(qū)過(guò)渡處等。

圖1 連桿小頭孔內(nèi)淬火裂紋

圖2 連桿螺栓淬火裂紋

圖3 變速桿孔邊淬火裂紋

圖4 變速桿孔邊緣淬火裂紋

圖5 變速桿鍵槽邊淬火裂紋

圖6 變速桿截面突變處淬火裂紋

圖7 撥叉淬火裂紋

圖8 齒輪齒根部淬火裂紋

圖9 制動(dòng)器踏板軸淬火裂紋

圖10 軸套淬火裂紋

拖拉機(jī)曲軸表面淬火裂紋分布規(guī)律如圖11～圖13所示。其中，圖11為位于曲軸油孔處呈輻射狀的油孔表面淬火裂紋，圖12為位于曲軸頸或連桿頸上淬硬層與非淬硬層過(guò)渡區(qū)處，沿著軸頸的圓周方向分布的周向表面淬火裂紋，是細(xì)線狀，尾端較細(xì)，磁痕濃密清晰。深度一般不大于0.1mm，抹去磁痕，用5倍放大鏡不可見(jiàn)。圖13為位于軸頸表面上噴水孔表面淬火裂紋，呈網(wǎng)狀或平行狀。

拖拉機(jī)花鍵軸表面淬火裂紋分布規(guī)律如圖14～圖16所示。其中，圖14、圖15為位于花鍵軸鍵槽面上表面淬火裂紋。 圖16為花鍵軸階梯過(guò)渡上橫向的表面淬火裂紋。

圖11 曲軸油孔處表面淬火裂紋

圖12 曲軸軸頸上周向表面淬火裂紋

圖13 曲軸軸頸上噴水孔淬火裂紋

圖14 花鍵軸鍵槽面上表面淬火裂紋

圖15 花鍵軸鍵槽面上表面淬火裂紋

圖16 花鍵軸階梯處表面淬火裂紋

圖17 曲軸連桿軸頸上的金屬流線磁痕

圖18 曲軸連桿軸頸上的金屬流線磁痕

圖20 曲軸軸頸上的金屬流線磁痕

圖21 驅(qū)動(dòng)輪軸表面感應(yīng)淬火過(guò)渡區(qū)磁痕與淬火裂紋磁痕

3. 淬火零件的非相關(guān)磁痕

（1）金屬流線磁痕 是由于金屬流線引起的非相關(guān)磁痕。金屬流線是鋼錠中固有的枝晶偏析及各種細(xì)小非金屬夾雜物，經(jīng)熱加工變形沿著金屬材料軋制方向延伸拉長(zhǎng)而形成的纖維狀的組織也稱金屬纖維組織。這種組織在連續(xù)法磁粉無(wú)損檢測(cè)中，磁化電流過(guò)大時(shí)，會(huì)出現(xiàn)金屬流線磁痕。如圖17～圖20所示。

磁痕特征：一般成群出現(xiàn)，呈不連續(xù)或連續(xù)平行于軸向的線狀，沿金屬纖維方向分布，磁痕濃度淡薄。退磁后，降低磁化電流，磁痕會(huì)基本消失。

為進(jìn)一步確認(rèn)，對(duì)連桿軸頸磁痕部位進(jìn)行金相解剖驗(yàn)證分析，結(jié)果表明連桿軸頸上的磁痕確系金屬流線引起的非相關(guān)磁痕。

（2）表面感應(yīng)淬火過(guò)渡區(qū)磁痕 表面感應(yīng)淬火時(shí)，工件淬硬部分與非淬硬部分之間，因金相組織不同，在交界處產(chǎn)生的非相關(guān)磁痕。我們進(jìn)行拖拉機(jī)驅(qū)動(dòng)輪軸磁粉無(wú)損檢測(cè)時(shí)，在工件的淬火區(qū)發(fā)現(xiàn)有周向淬火裂紋，如圖21中紅色箭頭所指2#磁痕，但在靠近淬火過(guò)渡區(qū)附近還有一條周向較為規(guī)則的磁痕，如圖21中白色箭頭所指1#磁痕。

垂直于磁痕取樣，通過(guò)金相解剖及顯微觀察分析，1#磁痕處于感應(yīng)淬火過(guò)渡區(qū)。1#磁痕是由于感應(yīng)淬火過(guò)渡區(qū)兩側(cè)組織不同，導(dǎo)致其磁導(dǎo)率有差異，因而在磁粉無(wú)損檢測(cè)過(guò)程中，軸頸上形成環(huán)形的非相關(guān)磁痕，磁痕處放大100倍后的顯微形貌如圖22所示。

經(jīng)金相解剖分析，2#磁痕為裂紋，該裂紋是感應(yīng)淬火裂紋，裂紋磁痕處放大100倍后的顯微形貌如圖23所示。

圖24是另一件驅(qū)動(dòng)輪軸的磁痕照片，在軸頸處有兩條磁痕，都不在淬火區(qū)。

垂直磁痕取樣進(jìn)行顯微觀察，磁痕部位的顯微形貌如圖25所示，兩個(gè)磁痕處均為組織發(fā)生變化的部位，如圖25中箭頭所指部位。

通過(guò)金相解剖確定，驅(qū)動(dòng)軸表面磁痕不是裂紋、夾雜物等相關(guān)磁痕，而是軸頸表面感應(yīng)淬火存在兩個(gè)過(guò)渡區(qū)（馬氏體和屈氏體之間的過(guò)渡區(qū)，感應(yīng)淬火區(qū)和基體之間的過(guò)渡區(qū)）由于組織差異，導(dǎo)致磁導(dǎo)率不同而形成的非相關(guān)磁痕。

圖22 1#磁痕部位放大100倍的顯微形貌

圖23 2#磁痕部位放大100倍的顯微形貌

圖24 驅(qū)動(dòng)輪軸表面感應(yīng)淬火兩個(gè)過(guò)渡區(qū)磁痕

圖25 磁痕部位的顯微形貌

圖26 臂軸A側(cè)磁痕形貌與分布

圖27 臂軸B側(cè)磁痕形貌與分布

圖28 臂軸A側(cè)磁痕附近金相組織

圖29 臂軸B側(cè)磁痕附近金相組織

圖30 臂軸B側(cè)磁痕部位退火后心部帶狀組織（100×）

（3）帶狀組織引起的磁痕鋼錠在凝固時(shí)產(chǎn)生的樹枝狀偏析，導(dǎo)致鋼的化學(xué)成分不均勻，在枝晶間隙中形成碳化物，在軋制過(guò)程中沿壓延方向被拉成帶狀，即所謂的帶狀組織。帶狀組織導(dǎo)致組織的不均勻性，因磁導(dǎo)率的差異而形成磁痕。

我們?cè)谶M(jìn)行臂軸磁粉無(wú)損檢測(cè)時(shí)在臂軸側(cè)面（分模面）出現(xiàn)了磁痕，經(jīng)觀察兩側(cè)均有分布，延伸方向沿臂軸縱向分布，兩側(cè)形態(tài)略有不同，這里分別描述為A側(cè)與B側(cè)，A側(cè)為單條磁痕，在花鍵部位較為清晰；B側(cè)顯示的多條磁痕呈帶狀出現(xiàn)，單個(gè)磁痕類似發(fā)紋，磁痕松散不濃密。磁痕形貌與分布如圖26、圖27所示。

為確認(rèn)磁痕性質(zhì)，我們從臂軸上不同部位取樣，觀察零件微觀金相組織。經(jīng)過(guò)觀察發(fā)現(xiàn)，圖26中臂軸A側(cè)花鍵部位的單條磁痕處，存在輕微的凹痕，不屬于零件缺陷，附近金相組織正常，應(yīng)為零件的劃傷，如圖28所示。圖27臂軸B側(cè)顯示的多條磁痕成束出現(xiàn)部位金相組織正常，未觀察到明顯缺陷，如圖29所示，退火后心部帶狀組織為3級(jí)，在正常范圍內(nèi)，如圖30所示。

對(duì)零件進(jìn)行熱酸蝕檢測(cè)后發(fā)現(xiàn)，在原先發(fā)現(xiàn)磁痕的部位，經(jīng)腐蝕發(fā)現(xiàn)輕微的呈束狀分布的凹坑，如圖31所示。

凹坑應(yīng)為帶狀組織中的碳化物被酸腐蝕后產(chǎn)生的，因此造成磁痕的原因?yàn)閹罱M織在臂軸分模面聚集引起的非相關(guān)磁痕。

圖31 熱酸蝕后檢測(cè)情況

4. 結(jié)語(yǔ)

從以上所述可以看出，在對(duì)淬火后零件進(jìn)行磁粉無(wú)損檢測(cè)時(shí)，由于材料、熱加工工藝等原因或其他因素的影響，不僅會(huì)產(chǎn)生缺陷磁痕，還會(huì)產(chǎn)生各種非相關(guān)磁痕，給正確判斷造成一定的困難。在識(shí)別時(shí)，我們應(yīng)該結(jié)合工件的結(jié)構(gòu)和加工工藝特點(diǎn)，選擇合適的磁化方法和正確的磁化參數(shù)，必要時(shí)借助于其他無(wú)損檢測(cè)方法或金相解剖進(jìn)行驗(yàn)證，對(duì)磁痕進(jìn)行綜合分析，找出其典型特征和規(guī)律性，保證磁粉無(wú)損檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性，避免漏檢和誤判，為改進(jìn)淬火零件加工工藝提供可靠依據(jù)，為加強(qiáng)產(chǎn)品質(zhì)量控制提供有效保障。

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

[2] 胡天明.表面無(wú)損檢測(cè)[M].武漢：武漢測(cè)繪科技大學(xué)出版社，1994.