4340钢零件热处理后磁粉检测试验

(航空工业陕西飞机工业(集团)有限公司，汉中 723213)

4340合金结构钢的淬透性好、强度较高、综合力学性能良好，已广泛应用于高载荷的轴类、连杆，以及高负荷的紧固件等关键、重要零件中。

图1 4340钢制零件外观和磁痕显示

某批次4340钢制零件外观如图1(a)所示，其在热处理后的磁粉检测时，表面出现了磁痕显示[见图1(b)]，无法合格交付。

该零件的机械加工及热处理工艺均参考ASTM(美国材料与试验协会)规范制定的成熟工艺。先对同炉批号原材料进行化学成分、增脱碳、机械性能、金相组织等检测，结果均满足材料标准。为了确定零件磁痕产生的原因，选用有磁痕显示的同炉批号的4340板材和4340锻件，采用与有磁痕显示的零件相同的机械加工工艺、热处理工艺及磁粉检测工艺进行了对比试验，分析磁痕产生的原因。

1 试验方案及方法

1.1 对比试验

在零件机械加工后、热处理之前增加磁粉检测，具体试验流程如图2所示，热处理工艺参数见表1。

图2 零件的试验流程

工艺试验的热处理工艺参数均按零件规定的抗拉强度要求,即1 103 MPa～1 241 MPa(硬度值为HRC36～40)进行制定，具体热处理工艺参数见表1。

表1 热处理工艺参数

1.2 零件破坏试验方法

对产生磁痕的4340板材零件的磁痕部位采用硬度、金相、晶粒度测试、增脱碳测试等方法进行检测。

2 试验结果

2.1 磁粉检测结果

对4340板材试验件和4340锻件试验件在热处理前后均进行了磁粉检测，检测结果如表2所示。4340板材试验件热处理后的磁粉检测磁痕显示如图3所示。

表2 4340板材和锻件试验件的磁粉检测结果

图3 4340板材试验件热处理后磁粉检测磁痕显示

2.2 4340板材试验件破坏试验检测结果

对磁粉检测后有磁痕显示的4340板材试验件进行破坏试验后的磁痕检测，检测结果如表3所示。

表3 4340板材试验件的破坏试验检测结果

图4 4340板材试验件破坏试验检测结果

3 讨论分析

通过对4340板材试验件及4340锻件试验件分别进行机械加工、热处理及磁粉检测，发现板材试验件的热处理工序前的磁粉检测无磁痕显示，热处理工序后“问题”零件和板材试验件的磁粉检测均有磁痕显示；而锻件试验件的热处理工序前的磁粉检测无磁痕显示，热处理工序后的磁粉检测也无磁痕显示。因此，可以判定零件生产的机械加工过程、热处理过程及磁粉检测过程均符合工艺要求，问题可能存在于该4340板材本身。

从试验件及“问题”零件破坏后的低倍试样检查、裂纹检查、高倍组织检查、晶粒度检查以及增脱碳检查等可以看出，所有检查项目均合格，未发现材料有疏松、夹杂等冶金缺陷。原材料入厂复验记录的清查结果显示，4340板材试验件和4340锻件试验件的原材料复验的化学成分、增脱碳、机械性能、金相组织等均满足材料标准。因此，基本可以看出4340板材原材料品质合格。

以上结果表明，出现磁痕的4340板材试验件表面的磁痕显示并非由裂纹引起，可能是材料热处理后出现的伪磁痕现象。

4 结果分析

对出现磁痕的试验件进行了荧光渗透检测，表面无裂纹显示。说明该材料表面无开口裂纹，进一步说明出现磁痕的4340板材试验件表面的磁痕显示并非裂纹。

为了确定该磁痕显示的性质，在不同磁粉检测设备的不同电流强度下，对板材试验件进行磁粉检测，检测结果如图5，6所示。图5分别为CDG-XD6000型设备电流为1 000,500 A时的磁痕显示照片。图6分别为CEW-2000型设备电流为800,400 A时的磁痕显示照片。从图5中可以看出，当电流下降50%时，磁痕显示明显减弱，而图6中CEW-2000型设备在电流下降50%时，磁痕有所减弱，但减弱幅度较小。

图5 CDG-XD6000型设备电流为1 000,500 A时的磁痕显示照片

图6 CEW-2000型设备电流为800，400 A时的磁痕显示照片

磁粉检测时，非金属夹杂或合金偏析通常都能引起磁痕显示[1]，但特征不同，具体表现为：

(1)非金属夹杂表现为相对短的、间断且平行于晶粒方向的线条显示；其显示可能分布于整个零件，但通常分布在零件一个特定区域；显示通常在剩磁下出现并且在放大镜下观察时呈现连续状。

(2)合金偏析表现为许多平行于晶粒方向的直线显示，并且可能分布于整个零件；显示通常在剩磁下不出现。此外，合金偏析的显示通常随磁化电流的增加而更加明显。有的显示模糊或呈宽阔状，在放大镜下观察时表现为连续的显示。

因此，基本可以断定该磁痕显示是由于4340板材存在一定程度的合金偏析引起的。文献[2]中指出合金中某些化学成分的含量对合金磁性的影响较大，例如碳含量增大会导致钢的磁导率下降，使漏磁场增大；Cr、Cu含量的减少会使漏磁场增大，造成磁粉检测过程中的缺陷显示。

5 改进建议

根据试验结果以及分析，为了避免热处理零件反复出现磁痕，提出以下改进建议：

(1)用4340板材加工的零件，在热处理后磁粉检测显示的磁痕并非裂纹，而是由合金偏析引起的，可以在尺寸公差允许的范围内进行打磨消除。

(2)对4340板材加工的重要零件，建议在热处理前增加均匀化处理工序，以减小合金偏析。

(3)根据上述试验可知，原材料为锻件的试验件无此“磁痕显示”现象，建议该零件采用4340锻件制造。