某批次螺栓磁痕顯示原因分析

(重慶長征重工有限責任公司, 重慶 400083)

磁粉檢測是利用磁粉聚集形成的磁痕來顯示工件上的不連續性和缺陷。通常把磁粉檢測時磁粉聚集形成的圖像稱為磁痕，磁痕的寬度為缺陷寬度的數倍，即磁痕對缺陷的寬度具有放大作用，所以磁粉檢測能將目視不可見的缺陷顯示出來，具有很高的檢測靈敏度。能夠形成磁痕顯示的原因是很多的，并不是所有的磁痕都是缺陷產生的，有時非缺陷處也可能形成磁痕。一般把缺陷產生的漏磁場形成的磁痕顯示稱為缺陷磁痕顯示，也叫相關顯示。由工件截面突變和材料磁導率差異產生的漏磁場形成的磁痕顯示稱為非相關顯示，不是由漏磁場形成的磁痕顯示稱為偽顯示，通常將非相關顯示和偽顯示統稱為非缺陷磁痕顯示[1]。

某單位生產了一材料為30CrMnMoTiA鋼、規格為M27×120 mm的螺栓，其生產工藝流程為：φ55 mm圓鋼→粗加工→熱處理(淬火+中溫回火)→表面車光→熒光磁粉檢測→精加工。熒光磁粉檢測后，大量螺栓的螺桿表面出現不同程度的縱向磁痕顯示(長短不一，寬度為微米量級)，即使通過機械加工把表面磁痕消除掉，再進行磁粉檢測時，磁痕顯示仍然會再現。筆者對螺栓產生磁痕顯示的原因進行了初步分析：①熱處理因素，螺桿形狀簡單(淬裂風險小)、淬火介質為油(冷卻速度慢，應力不大)、回火充分(應力消除充分)，故可以排除熱處理環節引起的工件開裂；②熒光磁粉檢測設備運行正常；③挑5件磁痕較多的螺栓進行著色探傷和金相檢測，未發現開口型缺陷；④在螺桿磁痕較多的位置截取一試樣，檢測其縱向顯微組織，發現有嚴重的帶狀偏析，如圖1所示。

圖1 螺桿顯微組織帶狀偏析形貌Fig.1 Strip segregation morphology of screw microstructure

從上述分析可知，除在磁痕嚴重的螺桿縱向發現了嚴重的帶狀偏析外，其他方面均屬正常。而偏析引起非相關磁痕顯示的觀點，在很多文獻、資料中都有提及[2-6],所以懷疑螺栓磁痕顯示是由其帶狀偏析導致的。為了驗證這個猜想，筆者通過擴散退火工藝來改善或消除帶狀偏析，因此開展了如下試驗及相關工作。

1 試驗過程與結果

1.1 擴散退火+完全退火

挑選5件磁痕較多的螺栓(螺桿直徑為32 mm)，進行如下擴散退火+完全退火工藝試驗：升溫1 h到900 ℃保溫40 min→繼續升溫1.5 h到1 100 ℃保溫12 h→隨爐冷卻到小于200 ℃→升溫1 h到880 ℃保溫2 h→隨爐冷卻到小于450 ℃后出爐。

1.2 試驗后的檢測

1.2.1熒光磁粉檢測

通過上述試驗后，螺栓表面氧化脫碳嚴重，為降低螺桿表面粗糙度(保證熒光磁粉檢測的準確度)，將上述5件螺栓的螺桿機械加工到直徑22 mm后再進行檢測，結果磁痕顯示問題并沒有得到改善。

1.2.2 縱向顯微組織檢測

在上述5件螺栓的螺桿處截取φ22 mm×30 mm試樣，觀察其顯微組織形貌，結果5件試樣都幾乎看不到帶狀形貌，晶粒也較細，如圖2所示。

圖2 擴散退火+完全退火后的縱向顯微組織形貌Fig.2 Longitudinal microstructure morphology of after diffusion annealing+complete annealing

雖然通過擴散退火+完全退火工藝試驗已達到了消除帶狀偏析的目的，但磁痕顯示問題并沒有得到解決，由此可知，造成該批螺栓磁痕顯示的主因不是帶狀偏析。

2 分析與討論

從上述的擴散退火+完全退火工藝試驗結果可知，螺栓磁痕顯示的主因不是帶狀偏析，對其開展進一步的分析，具體如下。

2.1 塔形發紋檢測

對制造螺栓的φ55 mm圓鋼進行塔形發紋檢測，檢測試樣示意圖如圖3所示，結果3個階梯均發現多條發紋，其長度和數量均不符合要求。

圖3 塔形發紋檢測試樣示意圖Fig.3 Diagram of tower hairline test sample

2.2 橫向顯微組織檢驗

在擴散退火+完全退火后縱向無帶狀偏析而磁痕較多的的螺桿處截取3個φ22 mm×30 mm的試樣(3件螺栓上各取一個)，觀察其橫向顯微組織，結果發現多個視場出現不同程度的異常組織，如圖4所示。

圖4 橫截面異常組織微觀形貌Fig.4 Micro morphology of abnormal structure on cross section

2.3 能譜分析

采用能譜(EDS)儀對圖4中的方框區域(橫向顯微組織中的大塊狀黑色區域)進行分析，結果見表1。可見該微區成分中并沒有鉻、錳、鉬、鈦等元素，與基體30CrMnMoTi鋼的主要合金成分完全不吻合。碳元素和氧元素的質量分數異常高，分別為12.78%和32.62%。有害元素硫的質量分數達到了0.46%，比高級優質鋼要求的最高含量還高了十幾

倍，由此可見其冶金質量較差。由上述分析可知，圖4橫截面異常組織的微區成分是主要由碳化物和氧化物組成的混合夾雜物。

表1 EDS分析結果(質量分數)Tab.1 EDS analysis results(mass fraction) %

由以上分析結果可知，制造該批螺栓的φ55 mm圓鋼冶金質量較差，其夾雜物嚴重超標，用該批材料制成螺栓后，其超標的夾雜物被遺留下來，引起了熒光磁粉檢測后的磁痕相關顯示。

3 結論及建議

盡管帶狀偏析引起工件磁痕顯示已成為不爭的事實，但本案例螺栓通過擴散退火+完全退火改善帶狀偏析后仍然出現磁痕相關顯示，證實了此批螺栓磁痕相關顯示的主要原因不是帶狀偏析。通過進一步的塔形發紋檢測、橫向金相檢驗和能譜分析可知，螺栓磁痕顯示是由原材料的冶金缺陷(夾雜物超標)引起的。建議提高原材料的冶金質量。