干货，多年经验总结：锻钢曲轴典型磁痕辨析
作者：马静芬、张云天
单位：一汽解放有限公司无锡柴油机厂
来源：《金属加工（热加工）》杂志
曲轴是柴油机的重要零部件之一，为了保证曲轴质量，曲轴成品后100%进行探伤，各大发动机厂家一般都有自己的曲轴探伤标准，在探伤过程中，经常出现形式多样、原因复杂，解决起来又比较困难的各种磁痕，对于磁痕类型的判断通常是以探伤工经验判断，尤其是磨削裂纹的判断，为了探伤观察方便，一般曲轴生产厂家都是磨加工之后，再进行磁粉探伤，一旦出现裂纹，冷、热加工各执一词，常有争议。
通过多年生产实践和分析，现对感应淬火曲轴的几种典型探伤磁痕进行总结，为更科学的现场判断提供依据。
1.锻钢曲轴工艺路线
下料→锻造→正火、调质→粗加工→去应力→半精加工→感应淬火回火→精加工→检验入库
2.曲轴表面缺陷的检测方法
目前对曲轴表面缺陷探测常用的方法是采用荧光磁粉探伤试验机检测或肉眼观察。
3.表面缺陷磁痕
表面缺陷是磁粉探伤后，擦净磁悬液时，在良好的照明下，用肉眼可见的缺陷，该类缺陷的磁痕为表面缺陷磁痕。
锻钢曲轴常见的表面缺陷有：原材料及锻造裂纹、热处理裂纹、磨削裂纹和外露的非金属夹杂物。
（1）原材料裂纹及锻造折叠裂纹表现和鉴别
原材料裂纹与锻造折叠裂纹在锻造毛坯面上一般比较细小，如不仔细观察和认真检查是难以发现的，但这些裂纹经过加工、感应淬火后都会有所发展。如果是小零件，有时在内应力作用下，严重的会将零件一分为二。
原材料裂纹一般与轴线平行，笔直地延伸，时有断续，如图1所示。
图1 原材料裂纹
锻造折叠是锻造过程中操作不当引起的夹层，其形状、位置不定，经淬火引伸发展后，裂纹比较大，如图2所示，在某些主开口部位有时能看见卷入的氧化皮。
图2 锻造折叠
对于产生龟裂的锻件见图3。粗略分析可能是：
①由于过烧。
②由于易溶金属渗入基体金属(如铜渗人钢中)。
③应力腐蚀裂纹。
④锻件表面严重脱碳。
这可以从工艺过程调查和组织分析中进一步判别。例如在加热钢以后加热钢料或两者混合加热或钢中含铜量过高时，则有可能是铜脆。从显微组织上看，铜脆开裂在晶界，除了能找到裂纹外，还能找到亮的铜网，而在单纯过烧的晶界只能找到氧化物。应力腐蚀开裂是在酸洗后出现，在高倍观察时，裂纹的扩展呈树枝状形态。锻件严重脱碳时，在试片上可以观察到一层较厚的脱碳层。
图3 锻造龟裂
原材料裂纹与锻造裂纹，我们只要在垂直于裂纹取样，在金相观察时能发现裂纹两侧有脱碳，时而有氧化物夹于其间。
（2）淬火裂纹的表现和鉴别
曲轴淬火裂纹一般出现在尺寸突变、有效厚度较薄或表面粗糙度不好的地方，在淬火区域内存在台阶、端头、尖角、键槽、孔洞和油道等结构，感应淬火时会引起该部位感应电流集中而导致局部过热、硬化层过深产生淬火裂纹。淬火裂纹一般有两种表现形态，在光滑的圆柱面上或有效厚度较薄的凸台附近出现的淬火裂纹，均以圆周向分布，尺寸相对较大，如图4所示。另一种裂纹为油孔裂纹，如图5、图6所示。
图4 连杆颈上止点凸台裂纹
图5 油孔口放射状裂纹
图6 油孔内壁横向小裂纹
曲轴油孔附近除了放射状裂纹外，有时在油孔口下方的内壁3～8mm区域出现横向小裂纹，或孔洞附近的轴颈表面上还会出现“C”形裂纹，它一般出现在斜油道之上，距离孔边缘10～20mm呈圆弧形。
这类裂纹是由于斜油道的内壁到轴颈表面的厚度各不相同，在最薄的地方极易淬透，而且该处的淬硬层深度相对略深，当淬火工艺不当时，在油道孔壁薄而淬透的地方就出现孔内横向小裂纹。若该类裂纹以薄片形式向表面扩展，与表面贯穿时，则形成孔口“C”形裂纹。
淬火裂纹在金相显微镜下观察，与原材料裂纹、锻造裂纹相比是有明显区别的，裂纹内无脱碳和氧化物，尾端尖细。若加热温度过高而引起的淬火裂纹，都是沿晶分布，并可观察到粗针状马氏体等过热特征；因在马氏体转变区的冷却过快而引起的淬火裂纹，往往是穿晶分布，而且裂纹较直，线条刚健有力，周围没有分枝的小裂纹，主裂纹附近金相组织一般表现为回火马氏体比较细。
（3）磨削裂纹的表现和鉴别
曲轴感应淬火后，表面硬度高，内应力很大，在磨削参数不当时，会出现磨削裂纹。磨削裂纹的产生过程实际是淬火过程，在高速磨削时，砂轮与工件接触的局部区域温度在奥氏体化温度以上，当向砂轮与工件喷射切削液时，就相当于又进行了一次淬火。当材料中含有某种增加淬火裂纹倾向的微量合金元素时，会加大磨削裂纹出现的概率。
磨削裂纹出现在磨削光滑表面，在轴颈上比较典型的磨削裂纹形状有：龟裂状裂纹（呈日字形、口字型、井字形），如图7所示，单条直线裂纹、多条平行的点条裂纹或一堆点条状裂纹，如图8所示。单条直线裂纹或多条平行的点条裂纹都是以轴线方向分布，与磨削方向垂直。在侧面凸台上一般呈放射状，如图9所示。
图7 龟裂状裂纹
图8 多条平行的点条裂纹或一堆点条状裂纹
图9 侧面放射状裂纹
如果垂直于该类裂纹取样，在金相显微镜下观察能看见二次淬火组织，二次淬火层从外至内的金相特点是白亮层、黑灰色回火层（屈氏体）、感应淬火层（回火马氏体），从白亮层的硬度压痕大小可见，其硬度特别高，见图10、图11。有时只看得见回火屈氏体层，看不见二次淬火的白亮层，二次回火层非常之薄，对金相试样的制样要求较高，如果制样不好也有可能看不到白亮层。
图10 磨削裂纹二次淬火层的金相组织图
图11 磨削裂纹二次淬火层的硬度压痕对比图
（4）外露的非金属夹杂物的表现和鉴别
夹杂物一般分为金属夹杂物和非金属夹杂物两种。金属夹杂一般都是外来的，只要加强管理，严格操作，完全可以避免。
非金属夹杂物是冶炼时钢中气体与脱氧剂及合金元素的反应产物，以及混入钢中的耐火材料碎片。冶炼时，主要通过钢液充分沸腾，在盛钢桶内经充分镇定，以使夹杂物充分上浮，排入渣内。
非金属夹杂物出现的位置不固定，有单一的或断续的几条。由于非金属物质是无磁性的，它的存在破坏了材料的连续性，如果夹杂物已露头或近表面长度较长时，磁粉探伤就会出现磁粉聚集——磁痕；非金属夹杂物距表面距离不同，其表现形式也有所不同，离表面越近，磁痕显示越明显。为此，有时夹杂物磁痕表现为断断续续。曲轴锻造后非金属夹杂物一般也是沿轴向分布，其磁痕的线条显得柔软，尾端圆秃。当夹杂物经加工外露时，则为开口缺陷。见图12。
图12 单条开口夹杂物及放大的形貌
该试样垂直于裂纹取样，在金相显微镜下观察，深度不深且底部较圆，见图13。
图13 未经腐蚀横截面图
4.非表面缺陷磁痕的表现和鉴别
磁粉探伤后，擦净磁悬液时，在良好的照明下，用肉眼（正常视力）观察，无任何缺陷的为非表面缺陷磁痕。
（1）锻造流线
锻造零件在锻造过程中，金属按一定的方向流动，如果解剖，经腐蚀后宏观观察，就能看到锻造流线，见图14。
图14 经5%硝酸酒精腐蚀后的宏观图片
在正常工艺规范下探伤，一般不显示锻造流线磁痕或磁痕显示非常之淡，见图15。只有当磁场过强或伴有偏析、一定量的夹杂物时，才会明显显示出来。
图15 曲轴前端流线
（2）偏析及夹杂物
钢种化学成分的不均匀性称为偏析，根据偏析形成原因不同及表现形式不同，一般分为树枝状偏析、方形偏析、点状偏析等。这些偏析处一般夹杂物也较多，在铸锭中不可避免，尤其在中碳铬钼、铬镍钼钢大锻件最为普遍。合金钢由于合金元素的加入常会降低钢液的流动性，因此，其比碳钢非金属夹杂物更不易去除，更容易造成偏析或夹杂物。
对于合金钢曲轴而言，曲轴在加工过程中，金属从中心流向分模面，所以偏析（带状物）及夹杂物一般在切边处相对严重且趋于表面。即使这些在切边处夹杂物未外露，只要接近表面且有一定长度，探伤时就会出现流线磁痕，详见图16。
图16 立体分模曲轴切边处流线及5%硝酸宏观腐蚀后表面呈现的带状偏析
由于合金钢的淬透性较高，有这种冶金缺陷的钢材，冷却时较易产生组织的不均匀性（带状组织），加上合金钢导热性相对也较差，这些都会增加钢中的残余应力，磨削时工艺略有不当就易在这些区域产生磨削裂纹。
5.结语
曲轴探伤如何正确判断各类磁痕，除了认识上的统一外，还需要探伤工长期的现场实践。目前各发动机厂都有自己的曲轴探伤标准，对于曲轴圆角与轴颈上的非表面缺陷磁痕对曲轴疲劳性能的影响，各专业厂家认识不一，这方面工作还有待于同行进一步探索。