摘 要:在加工某型45鋼螺帽時,數(shù)控車過程中發(fā)現(xiàn)有2個螺帽發(fā)生斷裂。采用宏觀觀察、化 學成分分析、掃描電鏡及能譜分析、金相檢驗、硬度測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)壁的過渡圓弧較小,產(chǎn)生了應力集中,并形成了淬火裂紋,裂紋沿晶擴展,最終在數(shù) 控車過程中螺帽發(fā)生斷裂。

關鍵詞:45鋼;螺帽;數(shù)控車;熱處理工藝;淬火裂紋

中圖分類號:TB31;V461 文獻標志碼:B 文章編號:1001-4012(2023)03-0038-04

45鋼是優(yōu)質(zhì)中碳結(jié)構鋼,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度以及一 定的韌性和塑性,而且價格低,易采購,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 共報廢了6個螺帽,并在現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)1個開裂螺帽毛 坯,數(shù)控車過程中有2個螺帽發(fā)生斷裂。筆者對斷裂 螺帽進行了一系列理化檢驗,找出了螺帽斷裂的原 因,并提出了相關建議,以提升產(chǎn)品的質(zhì)量和安全性。

1 理化檢驗

1.1 宏觀觀察

對開裂螺帽毛坯和數(shù)控車斷裂螺帽進行宏觀觀 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 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 化學成分分析

對數(shù)控車斷裂螺帽取樣進行化學成分分析,結(jié) 果如表1所示,可見螺帽的主要化學成分滿足 GJB 1951—94《航空用優(yōu)質(zhì)結(jié)構鋼棒規(guī)范》對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)無水乙醇 超聲清洗后,進行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,應為高溫作用下形成的氧化產(chǎn)物。

將原始斷口用10%(體積分數(shù))H2SO4 水溶液 +緩蝕劑超聲清洗后,進行SEM 分析,結(jié)果如圖3 所示,可見斷裂源區(qū)和擴展區(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+ 少量準解理形貌。

1.4 金相檢驗

將數(shù)控車斷裂螺帽沿軸向切開,經(jīng)鑲嵌、磨制及 拋光后,用光學顯微鏡進行觀察,然后用4%(體積 分數(shù))硝酸乙醇溶液對試樣進行腐蝕,再用光學顯微 鏡進行觀察,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定標準評級圖顯微檢驗法》,可評為D類細系0.5級,撕裂棱線處存在少量 二次裂紋,呈沿晶擴展形貌;斷口處未見脫碳現(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《鋼的顯微組織評定方 法》,可評為 A3C類2級,未見過熱、過燒等缺陷。

1.5 硬度測試

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

1.6 熱處理工藝分析

通過查找加工記錄發(fā)現(xiàn),該批螺帽進行了兩次熱處理,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 試結(jié)果如表3所示,可見螺帽的硬度不均勻,且有2 個試樣的硬度低于GB/T1172—1999的要求。

對硬度不滿足要求的螺帽(1# 試樣和3# 試樣) 進行金相檢驗,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]。說明第一次熱 處理過程中,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,從而導致回火 后硬度較小。

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

2 綜合分析

由上述理化檢驗結(jié)果可知:斷裂螺帽的主要化 學成分滿足標準要求,碳元素含量接近標準上限;裂 紋起源于螺帽內(nèi)壁與孔底相交處,沿內(nèi)壁向外壁呈 圓弧狀擴展;斷口呈黑灰色,說明存在陳舊性裂紋; 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;斷口表面未見脫碳 現(xiàn)象,顯微組織為回火索氏體結(jié)構,未見過熱、過燒 等缺陷,存在少量帶狀組織偏析,非金屬夾雜物為D 類細系0.5級;數(shù)控車斷裂螺帽的硬度滿足標準要 求,但接近標準上限。如果材料存在原始裂紋,則熱 處理后,裂紋周圍會有氧化圓點和明顯的氧化脫碳 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,且斷口表面未見明顯脫碳現(xiàn) 象,故排除原材料存在開裂問題的情況。

45鋼的淬透性差,在油淬過程中常出現(xiàn)非馬氏 體組織[4],造成產(chǎn)品的硬度較低,難以滿足標準要 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,又對該批螺帽進行了第 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,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)合處過渡圓弧較小,工件上的缺口、尖角、溝 槽等都是淬火內(nèi)應力集中的地方,是淬裂的危險 源[6]。該批螺母材料碳元素含量較高,提升了淬火 時獲得馬氏體的能力[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 沿晶擴展,在隨后的高溫熱處理過程中,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 處理工序被挑出報廢,未完全斷開的螺帽在后續(xù)的 數(shù)控車過程中發(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 冷過程中,淬火裂紋在螺帽孔底與孔壁相交處產(chǎn)生, 并沿晶擴展,數(shù)控車過程中,有2個螺帽最終發(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:

[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,等.45鋼淬火裂紋分析及改 進[J].航天制造技術,2015(5):50-52.

[3] 丁禮權,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(物理分冊),2014,50(10): 767-769.

[4] 尹德軍,康學勤,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.

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