某螺栓鍛件表面平行線狀磁痕顯示原因分析

(洛陽雙瑞特種裝備有限公司，洛陽 471003)

在生產過程中，某批規格為M24，材料為35CrMo的螺栓鍛件(精車后)的光桿部位經研磨后進行磁粉檢測時，發現大量呈密集平行的較淡線狀分布的磁痕顯示。對該批螺栓進行100%磁粉檢測后，發現普遍存在此類磁痕顯示。

該螺栓的主要生產流程為：低碳合金鋼棒材調制熱處理-粗加工-超聲檢測-半精加工-磁粉檢測-精加工-拋光-磁粉檢測。此類磁痕在螺栓半精加工后的磁粉檢測工序中并未發現，而是在精加工拋光后的磁粉檢測中才發現，其磁痕顯示如圖1所示。

圖1 螺栓磁痕顯示

由于該磁痕顯示僅在精加工且拋光后出現，并需經仔細觀察才能被發現，因此初步判斷該磁痕不屬于裂紋或其他相關線性缺陷顯示，可能是成分組織差異引起的[1]。為確定該磁痕的性質及形成原因，筆者進行了試驗分析。

1 試驗分析

1.1 宏觀金相觀察

經酸洗后，螺栓橫截面低倍形貌如圖2所示，用肉眼觀察試樣，低倍組織疏松及偏析評定結果均為0級，且在低倍組織中未發現氣孔、裂紋、夾渣、白點、白亮帶、縮孔等缺陷。

圖2 螺栓宏觀低倍組織形貌

采用加倍酸洗試驗對螺桿部分進行進一步的低倍組織觀察，螺桿縱、橫切面低倍組織如圖3所示。

圖3 螺栓低倍組織形貌

從低倍組織形貌來看，螺桿部位的流線組織明顯，在縱切面上沿軸向平行線狀分布，顯示程度由表面到芯部遞增；在橫切面上呈大量密集點狀分布。

1.2 磁痕顯示位置截面高倍金相觀察

沿磁痕顯示區域橫向切開，在高倍顯微鏡下觀察，橫截面拋光態形貌見圖4，外圓及近表層均未發現缺陷。

圖4 磁痕位置橫截面高倍形貌(50×)

1.3 金相、掃描電鏡分析

對螺栓進行了金相分析，結果如圖5所示。在高倍顯微鏡下觀察，發現螺桿縱向存在呈白色條帶狀的微觀偏析。

圖5 螺栓偏析組織

對螺栓金相組織的黑色(基體)和白色(微觀偏析帶)區域進行能譜分析，結果如表1所示。偏析帶上的偏析元素均為Cr、Mn(掃描能譜為半定量分析，元素含量僅做對比參考)。

1.4 殘余奧氏體含量分析

采用X射線衍射儀對該螺栓進行X射線衍射物相分析，結果如圖6所示。經分析，物相主要為α-Fe,未發現明顯γ-Fe物相峰，說明殘余奧氏體含量極低。

表1 能譜分析結果 %

圖6 殘余奧氏體含量X射線衍射分析結果

2 磁痕產生原因分析

此類磁痕的產生原因，可能有以下幾種。

(1) 非金屬夾雜物

原材料中非金屬夾雜物在軋制過程中隨金屬的變形而伸長，磁粉檢測時在夾雜物附近會形成漏磁，從而表現為發紋或線狀磁痕[2]。由于螺栓原材料經過精煉處理工序，材料中夾雜物得到了有效控制(見圖4)，檢測結果表明制造螺栓用的原材料純凈度較高。盡管夾雜物不能完全清除，但是原材料中細小的夾雜物不可能導致批量制件出現線狀磁痕[3]。

(2) 殘余奧氏體

由于奧氏體(γ-Fe)為無磁相，磁粉檢測時會在殘余奧氏體相位置形成漏磁，從而導致磁痕顯示。經X衍射物相分析，物相主要為α-Fe，未發現明顯γ-Fe物相峰。說明殘余奧氏體含量極低，即可排除殘余奧氏體含量導致該類磁痕顯示的可能性。

(3) 晶粒位向

材料經軋制后，晶粒沿軋制方向被拉長，晶粒排布呈一定的位向，在磁粉檢測時被拉長的晶粒晶界位置可能產生漏磁而引起磁痕顯示。由于螺栓用料軋制后經歷過調質處理(淬火+回火)，溫度加熱到再結晶溫度以上時，晶粒會發生再結晶，被拉長的晶粒形態得以消除，排除了晶粒位向導致該類磁痕顯示的可能。

(4) 偏析

鍛造螺栓的鋼錠表面為細晶區，中間為柱狀晶區，芯部為等軸晶區。在由液態冷卻至固態過程中，由于表面細晶區散熱快，過冷度大，鋼液可以快速冷卻，該區域成分可較均勻地保留下來，而中間柱狀晶區和芯部等軸晶區冷卻速度慢，溶質元素向柱狀晶和等軸晶晶壁間富集，造成晶間的微觀偏析。微觀偏析組織在軋制過程中發生變形，沿軋制方向呈帶狀分布，形成所謂的鍛造流線組織[4]。

軋制后的鋼錠從表面到芯部偏析程度不斷加重，這和螺栓低倍線狀條紋顯示由表面到芯部遞增的現象相對應，說明材料低倍組織的線狀條紋是材料微觀偏析的組織顯現。

由低倍組織觀察可知，材料不存在疏松及宏觀偏析，而微觀偏析是晶間偏析，不是材料缺陷。這種晶間偏析在后續的軋制過程中沿變形方向被拉長而形成條帶狀。

經能譜分析，這種帶狀偏析主要為富Cr和Mn組織，其勢必造成偏析帶與基體的磁導率差異，磁粉檢測時偏析帶與基體之間則形成漏磁，從而引起線狀磁痕顯示。

3 結論

(1) 螺栓磁粉檢測時呈密集平行狀的線性磁痕并非真實缺陷所致。此類線性磁痕是材料的微觀帶狀組織偏析引起材料組織的磁導率差異，從而導致的非相關線性磁痕顯示。

(2) 軋制棒料組織從表面到芯部微觀偏析遞增，這是鑄錠組織遺傳所致。由于螺桿表面加工量較大，內部偏析組織得以顯現，進一步促進了非相關磁痕的顯示。

(3) 磁粉檢測具有較高靈敏度，除能檢測材料的真實缺陷外，還能顯示材料的組織差異。