活塞销内孔磁粉检测特殊磁痕的探讨

2016年 增刊1
359
冷加工
无损检测技术
活塞销内孔磁粉检测特殊磁痕的探讨
中车戚墅堰机车有限公司 （江苏常州 213011） 沈科 贺安龙 马赟
【摘要】对磁粉检测出现异常磁痕的活塞销内孔不同深度部位进行不同条件的磁粉检测，结合金相分析结果，确定磁痕是由于内孔组织带状偏析引起。

结合活塞销部分失效和检修发现裂纹缺陷与带状偏析引起疲劳性能下降的部位方向一致的特点，建议对活塞销内孔进行偏析控制，从而提高产品可靠性。

同时提出特定磁粉检测参数下磁痕情况，一定程度上反映了偏析的严重程度。

关键词：活塞销；偏析；磁粉检测；磁痕
1. 概述
活塞销连接活塞和连杆是内燃机动力组中的重要基础零件，运行工作温度较高，同时需承受非对称交变载荷和冲击载荷，受力极不均匀，它的质量好坏对内燃机的质量保证起着关键作用。

以往的产品制造中往往考虑较多的是活塞销外部较高的强度、刚度及表面硬度，以保证其足够的耐磨性、冲击韧性和疲劳强度，对其心部内孔的要求较少。

近年来, 公司生产的柴油机活塞销在应用过程中发生了多起失效事故，其中有部分是使用过程中从内孔产生纵向疲劳裂纹使活塞销纵向开裂的。

考虑磁粉检测灵敏度高，缺陷位置、大小直观，结果可靠。

于是开展了对新制活塞销内孔的磁粉检测, 用以保证柴油机运行的可靠性和安全性。

在活塞销内孔按照标准工艺进行荧光磁粉检测时，发现公司新制活塞销大量的存在内孔纵向较细微线性磁痕聚集现象，如图1所示，该类磁痕聚集现象在活塞销内孔再次加工后仍有存在，即在靠近活塞销内孔的一定体积范围内都有引起磁痕聚集的特殊不连续性。

由于同一活塞销在其外表面检测过程中，即使采用极严格的磁化规范也未发现该类磁痕，于是有了此类特殊磁痕聚集对应材料上的变化组织特征是什么，检测这类磁痕对应的工艺要求是
什么？这种材料的变化存在的体积范围大小、严重程度等一系列的问题。

图1 活塞销内孔特殊磁痕聚集
2. 试验前期准备
试验用CEW —2000型磁粉探伤机采用中心置导体交流电连续单向荧光磁化的方式对活塞销内孔纵向缺陷进行磁粉检测试验。

首先挑选具有典型磁痕特征的活塞销，其次考虑方便观察内孔的磁痕，便于后续的加工研究比对，将活塞销分切成四段如图2所示。

图2 切分试验用活塞销
2016第二届轨道交通先进金属加工及检测技术交流会
2016年 增刊1
360
冷加工
3. 试验情况
由于内孔表面磁场强度H 与通电电流I 成正比（H=I ／2πr ，r 为内孔半径），因此磁化电流的大小直接影响内表面磁场强度大小，从而决定磁化规
范及检测灵敏度。

对该活塞销不连续性在不同工艺参数条件下的磁痕特征进行试验，期间对活塞销内孔不同的加工深度位置，设置了不同的内表面切向磁场强度和载液浓度进行了检测，如附表所示。

不同工艺参数下组织变化引起特殊磁痕的显示情况
序号磁化电流/A 磁场强度/A·m
-1
内孔直径φ50mm
内孔直径φ60mm
浓度0.1mL/100mL 浓度
0.2 mL/100mL
浓度
0.3 mL/100mL
浓度
0.3 mL/100mL
12001240不显示不显示不显示不显示23001893不显示弱弱不显示34002510不显示一般一般不显示45003140不显示清晰清晰不显示58005020不显示清晰清晰不显示69005695弱清晰清晰不显示7
1000
6315
清晰清晰
清晰
不显示
对典型的不同严重程度的特殊磁痕部位进行了低倍金相试验，如图3、图4所示，结合磁粉检测时不同部位磁痕聚集的严重程度比对发现，磁粉检测磁痕非裂纹类缺陷，其严重程度和材料中偏析的严重程度成对应关系。

磁粉检测磁痕的严重程度对应合金中各组成元素在结晶时分布不均匀现象的严重程度。

图3 活塞销试样接近内圆孔位置金相组织 500×
图4 活塞销试样内圆孔表面金相组织 500×
随着磁化电流值的逐步增加，材料偏析引起的特殊磁痕从不显示到较弱显示直至清晰显示效果越来越清晰，但磁化电流增大到一定值后，显示
效果不再明显变化。

对活塞销内孔进行逐层机械加工，每次单边加工量分别为1mm 、1mm 、0.5mm 、0.5mm ，每次机加工后均进行磁粉检测，前三次均发现特殊磁痕的存在，且磁痕显示未有明显变化。

第四次加工后表面检测结果与外表面一致，即严格的磁粉检测工艺条件也不会产生特殊磁痕。

在接近内孔约3mm 范围的组织偏析能够引起明显的磁粉检测磁痕的显示和与偏析严重程度对应的变化。

4. 讨论分析
通过试验表明，活塞销的组织偏析如果达到一定程度会在标准检测工艺条件下引起明显的磁痕指示。

活塞销使用过程中，内孔出现纵向疲劳破坏与
应力最大部位及计算疲劳强度因子最大的部位不符，内孔纵向开裂方向也与活塞销使用过程中的最大受力方向不对应。

显然，带状偏析会引起疲劳性能下降，活塞销内孔纵向带状偏析导致材料产生各向异性，与其使用后在内孔沿纵向开裂部位和方向一致，有明显的相关性。

活塞销断裂事故，不仅影响安全生产，而且还会造成明显的经济损失。

笔者建议采取措施控制活塞销内孔偏析，从而在一定程度上提高活塞销内孔质量，提高产品的可
靠性和使用寿命。

而将特定材料的金相偏析情况和既定磁粉检测工艺条件下磁痕显示情况建立对应关系，在一定范围内对高要求零件的偏析情况进行控制是一个值得拓展的新方向。