曲轴磁粉探伤不合格原因分析

丘先堂，董凤奎，何龙日，周成宏，杨伟光，刘海文，张雪莉

（1.宝钢特钢韶关有限公司，广东 韶关 512123；2.宝武集团广东韶关钢铁有限公司，广东 韶关 512123）

曲轴在制造过程一般可简单分为下料→锻造→粗加工→精加工→磁粉探伤→成品，由于对其质量要求非常严格，磁粉探伤可以测量工件表面和近表面的缺陷，是曲轴质量检验的一种主要手段。它利用了裂纹、夹渣、发纹、偏析等位置磁导率和钢铁磁导率的差异，在缺陷处形成磁粉堆积成的磁痕，在适当的光照条件下，显现出缺陷位置和形状。

随着曲轴生产的增加和销量的增大，磁粉探伤发现的磁痕缺陷也相应的增加，有些磁痕显著影响曲轴性能，有些磁痕对曲轴性能没有明显的影响，为此查找磁痕产生原因，明确原材料和曲轴加工的影响因素，我们对这些磁痕进行了金相及电镜能谱等分析，找到了这些磁痕的产生原因，并提出了相应的改进建议，对钢材生产和曲轴加工的改进提供一定的技术支持。

1 检验分析

1.1 残余奥氏体引起的磁痕

对磁痕明显的曲轴连杆部位进行定位解剖。去除磁粉后，磁痕处未发现明显缺陷。重新进行人工磁粉探伤，磁痕形貌明显。对存在磁痕的表面进行弧面研磨和抛光后，显微镜下观察，磁痕处未见裂纹和异常的非金属夹杂物，浸蚀后，发现磁痕处有明显异常的马氏体+残余奥氏体组织沿磁痕线分布，正常处组织为马氏体。对磁痕处与正常区域进行成分分析，磁痕处Mn元素相对于正常区域偏高。

磁痕处发现存在较明显的残余奥氏体，而正常区域中未发现明显的残余奥氏体，由此判断磁痕的产生与残余奥氏体存在必然的联系。不同的金相组织磁导率不同，铁素体、珠光体、回火马氏体、未回火马氏体磁导率依次减少，而残余奥氏体是无磁相[1]。因此在对组织为马氏体的曲轴表面进行磁化时，无磁性的残余奥氏体形成漏磁场，导致磁痕的产生[2]。

通过能谱分析可知，磁痕处存在元素偏析现象，合金元素Mn较正常区域明显偏高，磁痕处较高的合金元素含量降低了钢的Ms点，致使其产生较多的残余奥氏体，最终导致探伤时出现明显的磁痕。由曲轴锻造过程中的金属流动分析[3]可知，偏心锻造使心部钢材移至连杆近表面[4]，即磁痕处的元素偏析实际为原材料的心部合金元素偏析。正是钢材的心部偏析组织在锻造过程中移至连杆近表面，在后续磨削过程中刚好暴露到表面，致使曲轴连杆在磁粉探伤过程中出现磁痕。

1.2 碳偏析引起的磁痕

在磁痕处取样，去除磁痕观察试样表面，未见裂纹。对试样进行表面曲面抛光和横向抛光腐蚀，在试样表面发现纵向长条状偏析线，且在纵截面发现对应的偏析线。使用显微镜观察磁痕区域未见裂纹和异常长条状夹杂物，磁痕区域组织主要为珠光体组织，正常区域组织为珠光体+网状铁素体组织。

宏观观察发现磁痕处未见裂纹，显微镜下磁痕处未见异常长条状夹杂物，腐蚀后磁痕处有黑色偏析线，因此判断磁痕产生与黑色偏析线有关。样品横向观察发现偏析线对应的位置有珠光体偏析带。由曲轴锻造过程中的金属流动分析可知，偏心锻造使心部钢材移至连杆颈内侧近表面。正是钢材的心部珠光体偏析组织在锻造过程中迁移至连杆颈内侧近表面，并在其后的机加工过程中暴露到连杆颈内侧表面，致使曲轴连杆颈内侧表面在磁粉探伤过程中出现磁痕。

1.3 表面划伤引起的磁痕

目视观察发现曲轴表面存在一条贯穿整个曲轴的表面裂纹，体视显微镜下观察发现裂纹较浅，可见底部且底部圆滑。在裂纹处截取横向样磨抛后，金相显微镜下观察裂纹深约60μm，宽约340μm，裂纹底部圆滑，裂纹内及附近未见异常夹杂物，腐蚀后发现裂纹位于脱碳层内，裂纹处未见组织变形现象，基体组织为珠光体+铁素体。

体视显微镜下观察发现裂纹较浅，可见裂纹底部，金相检测显示裂纹底部圆滑，裂纹内及附近未见异常夹杂物，裂纹位于脱碳层内，未见组织变形现象，由此可知此缺陷为锻造前钢材表面划伤造成的。

1.4 非金属夹杂物引起的磁痕

在紫外线的照射下目视观察发现曲轴连杆轴颈处存在亮白色的纵向磁痕，去除磁粉后在体视显微镜下观察，试样表面上原磁痕所在区域存在一条长约0.42mm的长条状缺陷。使用扫描电子显微镜对试样上的磁痕区域进行微观形貌，试样上长条状缺陷为长条状非金属夹杂物，使用能谱进行微区成分分析发现其主要成分为O、Al、Na、K、Si、Ca、Mg、Ti等元素。

磁痕处发现与磁痕形貌一致的长条状缺陷，由此推测磁痕的产生与试样上的长条状缺陷有关。电镜能谱分析发现长条状缺陷为含Na、K氧化铝类非金属夹杂物。Na、K元素是结晶器保护渣中的特有元素，由此推测非金属夹杂物来源于连铸过程结晶器保护渣卷渣[5-8]。

由于连铸过程结晶器保护渣卷渣使钢材内部存在严重的夹渣，在后续的锻造过程中严重的夹渣流变到连杆轴颈近表面，在车削后显露到连杆轴颈表面，由于非金属夹杂物与钢基体磁导率相差较大，因此在外加磁场的作用下，在非金属夹杂物处形成漏磁场，致使荧光磁粉在此聚集形成磁痕。对于连杆轴颈表面存在夹渣的曲轴，由于夹渣破坏了基体的连续性，在曲轴运行过程中，在交变载荷的作用下，曲轴容易在夹渣部位产生疲劳裂纹，严重影响曲轴的使用寿命。在钢材的生产过程中，钢厂需加强夹杂物上浮控制并防止卷渣，另外在钢材出厂前应使用超声探伤等方式对钢材内部缺陷进行检测，防止存在严重夹渣的钢材流入到市场中。

1.5 淬火裂纹引起的磁痕

使用体视显微镜对曲轴试样表面进行观察，发现试样表面存在一条纵向裂纹，裂纹曲折断续，末端尖细。对裂纹处横剖面制备成金相试样后进行检测。金相显微镜下观察裂纹深约455μm，裂纹呈锯齿状从钢材表面向内扩展，起始部位较宽，末端尖细，裂纹内部分区域可见灰色夹杂物，裂纹位于偏析区域内，裂纹两侧未见脱碳现象，其组织为马氏体组织。能谱分析发现裂纹内和其四周基体中均存在大量硫化锰类非金属夹杂物。

试样表面存在一条曲折断续的纵向裂纹，由此可知，曲轴连杆颈开口磁痕是表面纵向裂纹造成的。裂纹呈锯齿状从钢材表面向内扩展，末端尖细，裂纹附近组织均为马氏体且裂纹两侧未见脱碳现象，由此推测此裂纹为淬火裂纹。由裂纹位于组织偏析区域内且裂纹内多处存在硫化物夹杂推测在曲轴连杆颈淬火时，连杆颈表面存在组织偏析现象，致使此区域淬火开裂倾向增加，硫化物的存在促进了钢材开裂，最终在此偏析区域产生淬火裂纹。淬火裂纹破坏了基体的连续性，磁粉探伤时，磁粉在裂纹处聚集形成磁痕。

2 结论

（1）曲轴磁痕缺陷种类繁多，只要存在磁导率和钢铁磁导率存在差异的因素，均可造成磁痕缺陷，部分磁痕去除后表面未见异常开口缺陷，另一部分磁痕去除后表面存在裂纹、非金属夹杂物、划伤等开口缺陷。

（2）开口缺陷造成的磁痕，由于曲轴表面存在划伤、夹杂等缺陷，在曲轴的运行过程中易在此类缺陷处产生应力集中，致使曲轴较早的产生疲劳断裂，因此此类缺陷是不允许存在的缺陷，钢厂在生产过程中应加强非金属夹杂物的去除，曲轴生产客户应对加工过程进行严控，避免产生开口缺陷。