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        30Ni4CrMoA鐓制螺栓內(nèi)部開裂原因分析

        2014-10-08 11:38:24河南航天精工制造有限公司信陽464000許永春馮德榮
        金屬加工(熱加工) 2014年1期
        關(guān)鍵詞:裂紋影響

        河南航天精工制造有限公司 (信陽 464000) 許永春 馮德榮

        30Ni4CrMoA鋼是一種調(diào)質(zhì)鋼,相當(dāng)于法國材料牌號30NCD16。該鋼具有良好的淬透性,經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后,可以獲得均勻的高強(qiáng)度、高塑性和高韌性配合,并且冷脆轉(zhuǎn)變溫度低,缺口敏感性小,高的抗疲勞性能,適用于制造截面較大的重要受力構(gòu)件,如各種軸類、螺栓、齒輪等。螺栓作為一種重要的結(jié)構(gòu)件,其失效故障造成的危害極大。本文研究了熱鐓螺栓內(nèi)部裂紋,由于其存在于螺栓內(nèi)部,在后續(xù)的加工及檢測中很難被發(fā)現(xiàn),服役后將對產(chǎn)品造成極大的危害。

        該批次螺栓的加工工藝為:下料→磨光→熱鐓→車削→熱處理→噴砂→滾螺紋→表面處理等,發(fā)現(xiàn)內(nèi)部存在缺陷的工序為熱鐓之后的金相檢查。通過剖開,發(fā)現(xiàn)螺栓內(nèi)部在熱影響區(qū)存在兩條較為明顯的裂紋,如圖1所示。

        圖1

        從圖1中可以看出:圖1a裂紋粗大,較為明顯;圖1b裂紋細(xì)小。圖1中在裂紋周圍并未發(fā)現(xiàn)對裂紋產(chǎn)生有明顯影響的非金屬夾雜物,非金屬夾雜物種類及尺寸均符合遼新5-0008-2003《30Ni4CrMoA(30NCD16)結(jié)構(gòu)鋼棒技術(shù)條件》中的要求。

        1.理化檢驗

        (1)化學(xué)成分分析 針對該批次螺栓,截取一段進(jìn)行電感耦合等離子發(fā)射光譜儀(ICP)化學(xué)成分分析,結(jié)果見表1。從表1中可以看出:各種主要元素含量均符合遼新5-0008-2003《30Ni4CrMoA(30NCD16)結(jié)構(gòu)鋼棒技術(shù)條件》對30Ni4CrMoA鋼成分的技術(shù)要求。

        表1 材料化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))(%)

        (2)金相分析 對該螺栓的裂紋處進(jìn)行了顯微組織分析,如圖2所示。

        圖2

        從圖2中可以看出:圖2a為100×下的裂紋處顯微組織形貌,表面呈現(xiàn)暗紅色;圖2b為500×下的裂紋形貌特征,裂紋沿晶界延伸至頭下圓角處,有微小的開裂;圖2c為500×下的顯微組織,其組織構(gòu)成為絕大部分的低碳板條馬氏體、少量的針狀馬氏體和極少量的殘留奧氏體;圖2d為該螺栓熱影響區(qū)處的晶粒組織,根據(jù)GB/T6394-2002《金屬平均晶粒度測定方法》,其晶粒度等級為6.5級,而根據(jù)遼新5-0008-2003《30Ni4CrMoA(30NCD16)結(jié)構(gòu)鋼棒技術(shù)條件》的要求,其原材料晶粒度應(yīng)大于7級,允許個別5級晶粒存在,熱影響區(qū)的晶粒度比標(biāo)準(zhǔn)值大半級。

        (3)力學(xué)性能試驗 對該螺栓熱影響區(qū)進(jìn)行了維氏硬度試驗,其結(jié)果見表2。

        表 2

        從表2中的數(shù)據(jù)可以看出:數(shù)據(jù)偏差較大,最大值與最小值差別52個維氏硬度單位;該螺栓熱影響區(qū)裂紋周圍的顯微組織均為馬氏體組織。

        2.綜合分析

        該批次螺栓原材料顯微組織如圖3所示。從圖3中可以看出:圖3a為100×的顯微組織特征,圖3b為500×下的顯微組織形貌,其組織構(gòu)成為鐵素體基體上均勻分布著極為細(xì)小的珠光體。原材料顯微組織狀態(tài)為正火態(tài),符合其交貨的狀態(tài)。

        30Ni4CrMoA具有良好的淬透性,淬火后水冷至室溫,其殘留奧氏體含量與Ms點(diǎn)溫度和淬火后溫度Tq有關(guān),由下公式計算:

        式中:Vγ為殘留奧氏體含量;Ms為馬氏體相變溫度;Tq為淬火后溫度。熱膨脹法測定30Ni4CrMoA的Ms點(diǎn)為320℃。由上式計算得,淬火冷卻至15℃時,殘留奧氏體含量為3.5%(體積分?jǐn)?shù))。

        圖3

        綜上所述,亞共析鋼一般選擇Ac3以上40~70℃作為淬火溫度,30Ni4CrMoA一般選擇850℃油淬。該批次螺栓由于熱鐓時高頻加熱溫度過高,保溫時間較長,組織完全奧氏體化。由于頭部變形量較大,進(jìn)行了較為充分的動態(tài)再結(jié)晶,而沒有產(chǎn)生較大的晶粒;熱影響區(qū)屬于加熱范圍,并且沒有變形,導(dǎo)致晶粒長大;由于操作工人違反操作規(guī)程,把剛鐓制的產(chǎn)品還沒有冷卻,就直接投入到水槽中,致使螺栓發(fā)生了水淬,產(chǎn)生了板條束狀馬氏體和個別針狀馬氏體及極少量的殘留奧氏體組織,水冷速度大于油冷速度,來不及釋放馬氏體形變所產(chǎn)生的應(yīng)力,從而導(dǎo)致螺栓內(nèi)部熱影響區(qū)應(yīng)力集中產(chǎn)生裂紋,并沿晶界擴(kuò)展至螺栓頭下圓角處。

        3.結(jié)語

        (1)該批次螺栓由于熱鐓加熱溫度過高,保溫時間較長,以及工人違反操作規(guī)程等多種因素共同導(dǎo)致了螺栓內(nèi)部開裂。

        (2)應(yīng)選擇合理的熱鐓工藝參數(shù),根據(jù)零件的尺寸和狀態(tài),適當(dāng)降低加熱溫度和保溫時間,減少晶粒長大的傾向,找出最合適的加工工藝參數(shù),避免過熱現(xiàn)象的產(chǎn)生。

        (3)建議生產(chǎn)車間針對不同的材料制訂嚴(yán)格的規(guī)章制度,杜絕由于違規(guī)操作所導(dǎo)致的產(chǎn)品缺陷。(20131102)

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