锻钢曲轴探伤磁痕本质研究

芦强强 谢丽颖 刘柯军 夏广明 130011) (中国第一汽车集团有限公司研发总院新能源开发院,长春

Automobile Technology & Material - - WORKSHOP SOLUTION - 1993—), , , ,作者简介:芦强强( 男助理工程师硕士学位研究方向为汽车动力总成用金属材料。

摘要:为探究磁粉探伤时多发生在锻钢曲轴连杆轴颈内弯角处的非相关磁痕本质,对两个典型曲轴磁痕样品进行分析,探究其磁痕区与非磁痕区在金相组织、显微结构等方面的差异,发现磁痕区存在着明显的合金元素偏析带状组织;曲轴锻造成形过程中原本在棒材心部的合金元素偏析区流动到了曲轴连杆轴颈表面,偏析区与非偏析区的磁性能差异导致探伤时在空气中形成漏磁场吸引磁粉形成非相关磁痕。关键词:磁痕 曲轴 合金元素偏析 磁粉探伤TG247 B Doi:10.19710/j.cnki.1003-8817.20170124中图分类号: 文献标识码: 1 前言

锻钢曲轴成品在磁粉探伤时,经常会发现磁痕问题。在对待磁痕曲轴的问题上,多数主机厂要求对磁痕的位置、长度和数量进行分类,对于出现在重要部位,例如连杆轴颈与平衡块过度圆角处,和磁痕长度及数量超过一定标准时,该曲轴按报废处理。为此给曲轴行业带来了巨大的经济损失,也造成了资源的浪费。

关于锻钢曲轴磁粉探伤磁痕的本质,行业上目前还没有统一的看法。根据磁粉探伤的原理,聚磁粉区的磁性能与基体有明显的差别,因此凡是能引起磁性能突变的因素都可能在探伤时聚集磁粉形成磁痕。传统的看法认为裂纹可以引起磁痕,裂纹区的空气与钢的基体的磁导率差200倍[1],在工件磁化时导致空气中产生漏磁场吸引磁粉, 此类磁痕也称为相关磁痕。一些研究者认为曲轴磁痕的形成还和非金属夹杂物的聚集有关[2- 4],非金属夹杂物的磁性能与钢铁也有较大的差距。最新的一些研究成果倾向于把曲轴磁痕与合金元素的偏析联系起来[5- 7],曲轴毛坯在锻造成型过程中将原材料心部的合金元素偏析带挤压到了曲轴轴颈表面,偏析带与基体二者磁性能的差别导致了漏磁场的产生,漏磁场吸引磁粉形成磁痕。后两种磁痕也常被称为非相关磁痕。

在实际生产过程中非相关磁痕常出现在曲轴连杆轴颈内弯角处,通过对典型的探伤磁痕曲轴样品进行分析,研究锻钢曲轴非相关磁痕形成的原因。

2 磁痕样品概况

本研究分析的磁痕曲轴样品来源于两家不同1# 2# 1#的曲轴厂,对这两个曲轴样品分别编号 、 。42Crmo,曲轴样品材料为 毛坯调质处理,表面感应2# 38MNSIVS,淬火; 曲轴样品材料为非调钢 毛坯正

火态,表面感应淬火。这两个曲轴样品的磁粉探1,伤结果见图 磁痕的位置均在连杆轴颈内弯角分模面处。1在磁痕位置处取如图 左下角所示的带轴颈表面的方形样品,对此方形样品进行探伤可以清晰地看到磁痕。

3 磁痕部位显微组织分析 3.1 磁痕部位扫描电镜分析

对探完伤的磁痕样品的轴颈面进行扫描电镜2分析,二次电子成像如图 所示,左上角是放大倍数更大的成像。延磁痕分布方向未发现开口裂纹。曲轴轴颈的磨削刀痕方向与磁痕分布方向像10 μm垂直,截面直径在 量级,而且此刀痕没有聚集磁粉的能力。 1#对 样品的磁痕区和非磁痕区的元素含量进3 A C行能谱分析,结果见图 所示,图中 点、 点位于B D磁痕区, 点、 点位于非磁痕区。从图中可以看1# Si Mo Cr Mn出, 样品的磁痕区的 、 、 、 合金元素的2#含量均远高于非磁痕区。采用非调质钢的 样4 4a 2#品,能谱分析结果如图 所示。图 为 样品轴颈面经过抛光制成金相样品后的二次电子成像, A磁痕区相对于非磁痕区发暗;磁痕区 点和非磁B 4b, Cr Mn痕区 点的元素含量见图 磁痕区的 、 合Cr金元素含量要高于非磁痕区,其中 的含量相差40%达到了 。合金元素的含量对钢的磁性有很大Co的影响,除 以外,绝大多数的合金元素都将降低钢的饱和磁感应强度[1]。

3.2 磁痕部位金相组织

对上述磁痕样品抛光腐蚀后进行金相组织分5,析,轴颈面的金相照片见图两种样品磁痕区均为白马氏体组织,结合上文对于磁痕区和非磁痕区的合金元素含量的分析,可以得出磁痕区为合金元素偏析造成的白马氏体组织,且未见明显的大块非金属夹杂。 2#样品垂直于与轴颈面的截面的金相组织如6图所示,截面的金相组织也有白马氏体的存在,说明整个磁痕区的合金元素偏析是一个空间分布,也只有如此才能在磁粉探伤时阻断工件磁场的连续性,在空气中形成漏磁场。虽然在合金元素偏析区通常会伴随着非金属夹杂物,但非金属夹杂的空间尺寸较小且不是连续分布,对曲轴内部的磁力线阻碍作用较大块连续的合金元素偏析区不明显,因此更倾向于将此非相关磁痕和合金

元素偏析联系起来。

1#取曲轴样品同批次的曲轴毛坯,保留位于内弯角处的飞边,取连杆轴颈截面精磨腐蚀,其金

7属流线分布如图 所示。流线代表着合金元素的偏析区的分布,对于圆柱状的锻坯来说,其心部等轴晶区的合金元素偏析较为严重,在经过锻造成形之后心部的偏析带被挤压成片状随金属流动而转移到飞边处,在切除飞边后,连杆轴颈内弯角表 面处将有流线,也就是合金元素的带状偏析区将露出曲轴表面,这些片状的合金元素偏析带较基体的饱和磁感应强度大幅下降,探伤时在大气中形成漏磁场,吸引磁粉形成磁痕。

4 磁痕位置与基体组织磁性能的差异

2#对非调质钢材料的 磁痕样品进行磁力显微镜分析,该样品在分析前经过磁化,在基体区(黑马氏体)、中间过渡区、在磁痕区(白马氏体)分别

30 ×30 μm 8取 的区域进行分析,所得结果见图 。基体黑马氏体区剩磁分布均匀,白马氏体区的磁场分布起伏较大且相对于黑马氏体区磁场强度较高。二者的过渡区磁场分布和强度介于基体黑马氏体和磁痕区白马氏体区之间。白马氏体区和基体黑马氏体区相比有明显的磁性能的差异。

5 结束语

通过对调质钢、非调质的两个曲轴磁痕样品进行分析,探究了锻钢曲轴磁粉探伤连杆轴颈内弯角处非相关磁痕的成形原因。主要结论如下。a.成品锻钢曲轴出现非相关磁痕的原因主要和原材料的合金元素偏析有关,在锻造过程中原本出现在棒材心部的合金元素偏析区流动到了曲轴表面,锻造毛坯经过精加工和感应淬火后合金元素偏析区形成白马氏体,较基体的黑马氏体的磁性能下降,阻碍磁力线通过形成漏磁场吸引磁粉显示磁痕。b.虽然合金元素偏析区常常伴随着非金属夹杂,但夹杂物的尺寸较小且分布不连续,对磁力线的阻碍作用不如大块连续的合金元素偏析区,故更倾向于将非相关磁痕和合金元素偏析联系起来。

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图3 1#磁痕样品磁痕区和非磁痕区的元素含量

图2 磁痕样品带磁粉的扫描电镜照片

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