摘 要:在加工某型45鋼螺帽時(shí),數(shù)控車過(guò)程中發(fā)現(xiàn)有2個(gè)螺帽發(fā)生斷裂。采用宏觀觀察、化 學(xué)成分分析、掃描電鏡及能譜分析、金相檢驗(yàn)、硬度測(cè)試和熱處理工藝分析等方法,研究了螺帽斷裂 的原因。結(jié)果表明:螺帽斷裂處存在淬火裂紋;螺帽毛坯孔壁的厚度處于淬火裂紋敏感厚度的區(qū)間 內(nèi),且底孔與內(nèi)壁的過(guò)渡圓弧較小,產(chǎn)生了應(yīng)力集中,并形成了淬火裂紋,裂紋沿晶擴(kuò)展,最終在數(shù) 控車過(guò)程中螺帽發(fā)生斷裂。

關(guān)鍵詞:45鋼;螺帽;數(shù)控車;熱處理工藝;淬火裂紋

中圖分類號(hào):TB31;V461 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B 文章編號(hào):1001-4012(2023)03-0038-04

45鋼是優(yōu)質(zhì)中碳結(jié)構(gòu)鋼,該鋼淬硬性較高但淬 透性較差,一般在正火狀態(tài)下使用,具有良好的切削 加工性能,經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后可獲得較高的強(qiáng)度以及一 定的韌性和塑性,而且價(jià)格低,易采購(gòu),常用于制作 交變載荷下使用的螺栓、螺母等緊固件、齒輪及軸類 零件等[1]。

材料為45鋼,規(guī)格為22mm×30mm(外螺紋直 徑×長(zhǎng)度),內(nèi)孔直徑為13mm 的某型螺帽,其加工 工藝為:下料→普車→車底孔→熱處理→數(shù)控車→攻 絲→表面處理等。根據(jù)排查結(jié)果發(fā)現(xiàn),熱處理工序后 共報(bào)廢了6個(gè)螺帽,并在現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)1個(gè)開裂螺帽毛 坯,數(shù)控車過(guò)程中有2個(gè)螺帽發(fā)生斷裂。筆者對(duì)斷裂 螺帽進(jìn)行了一系列理化檢驗(yàn),找出了螺帽斷裂的原 因,并提出了相關(guān)建議,以提升產(chǎn)品的質(zhì)量和安全性。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀觀察

對(duì)開裂螺帽毛坯和數(shù)控車斷裂螺帽進(jìn)行宏觀觀 察,結(jié)果如圖1所示。由圖1可知:開裂螺帽毛坯和 數(shù)控車斷裂螺帽的裂紋源均位于孔底與內(nèi)壁相交處 邊緣,數(shù)控車斷裂螺帽斷口較為平齊,呈黑灰色,無(wú) 銹蝕現(xiàn)象,斷面與軸線夾角約呈45°,靠近外壁部分 存在少量撕裂棱線;開裂螺帽毛坯內(nèi)孔底部存在粗 大的車刀紋痕跡。

1.2 化學(xué)成分分析

對(duì)數(shù)控車斷裂螺帽取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析,結(jié) 果如表1所示,可見(jiàn)螺帽的主要化學(xué)成分滿足 GJB 1951—94《航空用優(yōu)質(zhì)結(jié)構(gòu)鋼棒規(guī)范》對(duì)45鋼的 要求。

1.3 掃描電鏡(SEM)及能譜分析

在數(shù)控車斷裂螺帽的斷口處取樣,經(jīng)無(wú)水乙醇 超聲清洗后,進(jìn)行SEM 分析,結(jié)果如圖2所示,由 于斷口表面被黑色物質(zhì)覆蓋,所以無(wú)法看清斷口特 征。經(jīng)能譜分析可知黑色覆蓋物主要含有 O、Fe等 元素,應(yīng)為高溫作用下形成的氧化產(chǎn)物。

將原始斷口用10%(體積分?jǐn)?shù))H2SO4 水溶液 +緩蝕劑超聲清洗后,進(jìn)行SEM 分析,結(jié)果如圖3 所示,可見(jiàn)斷裂源區(qū)和擴(kuò)展區(qū)斷面有少量氧化產(chǎn)物 未被完全去除,清洗干凈部位的斷口主要呈沿晶+ 少量準(zhǔn)解理形貌。

1.4 金相檢驗(yàn)

將數(shù)控車斷裂螺帽沿軸向切開,經(jīng)鑲嵌、磨制及 拋光后,用光學(xué)顯微鏡進(jìn)行觀察,然后用4%(體積 分?jǐn)?shù))硝酸乙醇溶液對(duì)試樣進(jìn)行腐蝕,再用光學(xué)顯微 鏡進(jìn)行觀察,結(jié)果如圖4可知。由圖4可知:斷口表 面存在氧化現(xiàn)象,深度約為0.07mm;非金屬夾雜物 主要為球狀氧化物,依據(jù)GB/T10561—2005《鋼中 非 金屬夾雜物含量的測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖顯微檢驗(yàn)法》,可評(píng)為D類細(xì)系0.5級(jí),撕裂棱線處存在少量 二次裂紋,呈沿晶擴(kuò)展形貌;斷口處未見(jiàn)脫碳現(xiàn)象, 顯微組織為回火索氏體,存在少量帶狀組織偏析現(xiàn) 象,依據(jù)GB/T13299—1991《鋼的顯微組織評(píng)定方 法》,可評(píng)為 A3C類2級(jí),未見(jiàn)過(guò)熱、過(guò)燒等缺陷。

1.5 硬度測(cè)試

將腐蝕后的金相試樣重新磨制、拋光后,進(jìn)行硬 度測(cè)試,并依據(jù) GB/T1172—1999《黑色金屬硬度 及強(qiáng)度換算值》進(jìn)行換算,結(jié)果如表2所示,可見(jiàn)斷 裂螺帽的硬度較為均勻,未見(jiàn)明顯差別,滿足 GB/T 1172—1999的要求。

1.6 熱處理工藝分析

通過(guò)查找加工記錄發(fā)現(xiàn),該批螺帽進(jìn)行了兩次熱處理,第一次為淬火油冷+回火處理,第二次為淬 火水冷+回火處理。第一次熱處理后螺帽的硬度測(cè) 試結(jié)果如表3所示,可見(jiàn)螺帽的硬度不均勻,且有2 個(gè)試樣的硬度低于GB/T1172—1999的要求。

對(duì)硬度不滿足要求的螺帽(1# 試樣和3# 試樣) 進(jìn)行金相檢驗(yàn),結(jié)果如圖5所示,可知螺帽的顯微組 織為回火索氏體+少量上貝氏體[2]。說(shuō)明第一次熱 處理過(guò)程中,45鋼經(jīng)完全奧氏體化后,未完全形成 馬氏體,而形成了少量上貝氏體組織,從而導(dǎo)致回火 后硬度較小。

第二次熱處理后螺帽的硬度測(cè)試結(jié)果如表4所示,可見(jiàn)螺帽的硬度均勻,且均滿足 GB/T1172- 1999的要求。對(duì)第二次熱處理后的螺帽進(jìn)行金相 檢驗(yàn),結(jié)果如圖6所示,可見(jiàn)螺帽的顯微組織為回火 索氏體,未見(jiàn)上貝氏體等非馬氏體組織。

2 綜合分析

由上述理化檢驗(yàn)結(jié)果可知:斷裂螺帽的主要化 學(xué)成分滿足標(biāo)準(zhǔn)要求,碳元素含量接近標(biāo)準(zhǔn)上限;裂 紋起源于螺帽內(nèi)壁與孔底相交處,沿內(nèi)壁向外壁呈 圓弧狀擴(kuò)展;斷口呈黑灰色,說(shuō)明存在陳舊性裂紋; 數(shù)控車斷裂螺帽斷口表面存在氧化現(xiàn)象,經(jīng)清洗后 觀察斷口表面主要呈沿晶特征;斷口表面未見(jiàn)脫碳 現(xiàn)象,顯微組織為回火索氏體結(jié)構(gòu),未見(jiàn)過(guò)熱、過(guò)燒 等缺陷,存在少量帶狀組織偏析,非金屬夾雜物為D 類細(xì)系0.5級(jí);數(shù)控車斷裂螺帽的硬度滿足標(biāo)準(zhǔn)要 求,但接近標(biāo)準(zhǔn)上限。如果材料存在原始裂紋,則熱 處理后,裂紋周圍會(huì)有氧化圓點(diǎn)和明顯的氧化脫碳 現(xiàn)象[3],而開裂螺帽毛坯和數(shù)控車斷裂螺帽的裂紋 均與圓環(huán)呈45°夾角,且斷口表面未見(jiàn)明顯脫碳現(xiàn) 象,故排除原材料存在開裂問(wèn)題的情況。

45鋼的淬透性差,在油淬過(guò)程中常出現(xiàn)非馬氏 體組織[4],造成產(chǎn)品的硬度較低,難以滿足標(biāo)準(zhǔn)要 求。為了提升該批螺帽的淬透能力,在熱處理之前 鉆取了直徑為12mm,壁厚約為5mm 的底孔。該 批螺帽經(jīng)過(guò)兩次熱處理,第一次淬火后油冷處理,發(fā) 現(xiàn)螺帽存在非馬氏體組織,又對(duì)該批螺帽進(jìn)行了第 二次淬火后水冷處理。螺帽毛坯孔壁厚度約為 5mm,45鋼的淬火裂紋敏感厚度為5~8mm [5],螺帽毛坯孔壁厚度正處于該區(qū)間范圍內(nèi)。螺帽為盲孔 結(jié)構(gòu),盲孔底部與孔壁相交處為尺寸突變處;盲孔加 工方式為車削成型,表面較為粗糙,且在盲孔底部與 孔壁結(jié)合處過(guò)渡圓弧較小,工件上的缺口、尖角、溝 槽等都是淬火內(nèi)應(yīng)力集中的地方,是淬裂的危險(xiǎn) 源[6]。該批螺母材料碳元素含量較高,提升了淬火 時(shí)獲得馬氏體的能力[7],且原材料中存在少量碳化 物帶狀偏析,裂紋在內(nèi)壁與盲孔底部交接處產(chǎn)生并 沿晶擴(kuò)展,在隨后的高溫?zé)崽幚磉^(guò)程中,裂紋表面氧 化,回火后裂紋表面發(fā)黑。完全斷開的螺帽已在熱 處理工序被挑出報(bào)廢,未完全斷開的螺帽在后續(xù)的 數(shù)控車過(guò)程中發(fā)生斷裂。

3 結(jié)論及建議

45鋼螺帽毛坯存在盲孔,孔底存在較大車刀 紋,孔底與孔壁相接處過(guò)渡圓弧較小,該處為尺寸突 變處,且壁厚為45鋼淬火裂紋敏感厚度,同時(shí)材料 存在少量碳化物帶狀偏析,在第二次熱處理淬火水 冷過(guò)程中,淬火裂紋在螺帽孔底與孔壁相交處產(chǎn)生, 并沿晶擴(kuò)展,數(shù)控車過(guò)程中,有2個(gè)螺帽最終發(fā)生 斷裂。

建議將螺帽的加工工藝調(diào)整為:下料→普車→ 熱處理→車底孔→數(shù)控車→攻絲→表面處理,以避 免產(chǎn)生淬火裂紋。

參考文獻(xiàn):

[1] 顧培育,程全士,竇建偉,等.45鋼雙頭螺柱斷裂失效 分析[J].金屬加工(熱加工),2020(6):56-57.

[2] 李亞紅,鄭淑麗,朱偉強(qiáng),等.45鋼淬火裂紋分析及改 進(jìn)[J].航天制造技術(shù),2015(5):50-52.

[3] 丁禮權(quán),范植金,葉巍,等.45鋼齒輪軸零件淬火開裂 原因分析[J].理化檢驗(yàn)(物理分冊(cè)),2014,50(10): 767-769.

[4] 尹德軍,康學(xué)勤,劉云峰,等.行星架調(diào)質(zhì)開裂原因分 析[J].兵器材料科學(xué)與工程,2018,41(2):94-97.

[5] 邊晉榮,趙瑞,李志廣,等.45 # 鋼熱處理淬火裂紋控 制[J].機(jī)械管理開發(fā),2007,22(增刊1):105-106, 108.

[6] 劉宗昌.鋼件的淬火開裂及防止方法[M].北京:冶金 工業(yè)出版社,2008.

[7] 王長(zhǎng)健.45鋼錐套淬火裂紋失效分析[J].金屬熱處 理,2017,42(4):204-207.

<文章來(lái)源> 材料與測(cè)試網(wǎng) > 期刊論文 > 理化檢驗(yàn)－物理分冊(cè) > 59卷 > 3期 (pp:38-41)>