某彈體頭螺內(nèi)孔缺陷原因分析

褚小菲 楊有才 石 燕 柯美武 馮軍海 毛 永 張 然

(豫西工業(yè)集團(tuán)河南北方紅陽機(jī)電有限公司，河南474678)

頭螺是炮彈彈體與其它重要部件的連接件，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，尺寸精度和綜合力學(xué)性能要求高，其生產(chǎn)質(zhì)量的好壞直接影響著炮彈的打擊效果[1]。某彈體頭螺在進(jìn)行磁粉檢測(cè)時(shí)先后發(fā)現(xiàn)有5件半成品毛坯有疑似裂紋的缺陷，為了查明缺陷產(chǎn)生原因，進(jìn)行了以下檢驗(yàn)分析。

1 故障分析及定位

結(jié)合頭螺加工過程，按故障樹分析法，對(duì)其磁粉檢測(cè)不合格進(jìn)行分析，列出故障樹見圖1。

1.1 人員

操作人員經(jīng)培訓(xùn)考核，做到了持證上崗。

1.2 設(shè)備

C41-750空氣錘、250 kg空氣錘、C13-1蒸空錘、室式燃煤加熱爐等工藝設(shè)備，均處于完好狀態(tài)，并經(jīng)計(jì)量機(jī)構(gòu)定期校檢合格。

1.3 原材料

原材料為管料30CrMnSiA-?108 mm×15 mm，材料進(jìn)廠復(fù)驗(yàn)合格。

1.4 工藝

頭螺胎模鍛工藝編制于2004年6月，自2004年8月以來一直指導(dǎo)生產(chǎn)，沿用至今，工藝參數(shù)合理、有效。工藝流程為：生產(chǎn)前準(zhǔn)備→上料→一次加熱→出料→墩粗→二次加熱→收口摔外形→三次加熱→終鍛成形→熱態(tài)檢驗(yàn)→冷卻→退火→冷態(tài)檢驗(yàn)→涂爐號(hào)標(biāo)記→堆放，墩粗和終鍛成形采用胎模成形，收口摔外形則利用形砧和芯棒成形。

頭螺熱處理工藝編制于2004年6月，自2004年8月以來一直指導(dǎo)生產(chǎn)，沿用至今，工藝參數(shù)合理、有效。淬火工藝為880℃±15℃保溫1 h，油冷；回火工藝為540℃±20℃保溫2 h，油冷。

1.5 故障定位

經(jīng)過以上排查，排除了設(shè)備、材料和工藝可能存在的問題，基本確定頭螺缺陷是由于鍛造過程中操作不當(dāng)造成的缺陷。

2 理化檢驗(yàn)

從5件缺陷頭螺中挑選缺陷最嚴(yán)重的一件進(jìn)行理化檢驗(yàn)。

2.1 宏觀觀察

某彈體頭螺進(jìn)行磁粉檢測(cè)后發(fā)現(xiàn)有疑似裂紋的缺陷，位置均在內(nèi)孔?41 mm處，裂紋位置如圖2所示，缺陷位置宏觀形貌如圖3所示?？梢娏鸭y位于工件底部距內(nèi)孔臺(tái)階端面約133 mm處，裂紋由內(nèi)孔臺(tái)階表面向工件內(nèi)部延伸，其余部位未見異常。

圖3 缺陷宏觀樣貌
Figure 3 Macroscopic appearance of defect

表1 缺陷頭螺化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 Chemical composition of defective head screw (mass fraction,%)

表2 缺陷頭螺與無缺陷頭螺的硬度試驗(yàn)結(jié)果(HRC)Table 2 Hardness test results of defective and non-defective head screws(HRC)

2.2 化學(xué)成分分析

為確定頭螺化學(xué)成分是否合格，采用直讀光譜儀對(duì)彈體頭螺裂紋附近區(qū)域取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見表1。可見該頭螺各元素含量均符合GBT 3077—1999《合金結(jié)構(gòu)鋼》對(duì)30CrMnSiA鋼成分的技術(shù)要求。

2.3 硬度檢驗(yàn)

對(duì)該缺陷頭螺及同批次5件無缺陷的頭螺進(jìn)行硬度試驗(yàn)，5件無缺陷頭螺所用材料、熱處理工藝均與缺陷頭螺一致。對(duì)試驗(yàn)面加工后，采用HRD-150洛氏硬度計(jì)進(jìn)行硬度試驗(yàn)，結(jié)果見表2。可見該缺陷頭螺與5件無缺陷頭螺的硬度均符合產(chǎn)品的技術(shù)要求。

2.4 低倍組織形貌分析

在裂紋處截取橫向低倍試樣，經(jīng)酸浸后進(jìn)行試樣表面低倍組織形貌觀察，可見試樣表面沿圓周分布數(shù)條裂紋，最深一條約2.6 mm，裂紋縫隙較大，裂紋周圍存在明顯脫碳現(xiàn)象，未發(fā)現(xiàn)其它嚴(yán)重破壞金屬連續(xù)性的材料缺陷。

2.5 顯微組織分析

在裂紋處切取橫向金相試樣，經(jīng)磨制拋光、侵蝕后在光學(xué)顯微鏡下進(jìn)行觀察，圖4(a)是裂紋未侵蝕的顯微組織形貌，裂紋表面開口較大，呈一定角度由外向內(nèi)延伸；圖4(b)是裂紋侵蝕后的顯微組織形貌，裂紋內(nèi)存在氧化物，尾端圓鈍，尾部以斷續(xù)氧化物的形態(tài)向內(nèi)延伸，延伸形態(tài)基本與裂紋的走向相同，裂紋和氧化物周圍存在嚴(yán)重的脫碳現(xiàn)象，有數(shù)條細(xì)小的裂紋沿氧化物走向向內(nèi)部延伸；圖4(c)是頭螺基體顯微組織形貌，基體顯微組織為中等粗細(xì)的、均勻的回火屈氏體。

沿裂紋區(qū)域取樣磨拋成縱向金相試樣，采用光學(xué)顯微鏡進(jìn)行觀察。依據(jù)GBT 10561—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》對(duì)非金屬夾雜物含量進(jìn)行評(píng)定，結(jié)果為A(細(xì))0.5級(jí)，B 0級(jí)，C(細(xì))0.5級(jí)，D(細(xì))0.5級(jí)。

3 驗(yàn)證復(fù)現(xiàn)試驗(yàn)

準(zhǔn)備9件鍛坯進(jìn)行復(fù)現(xiàn)試驗(yàn)。大進(jìn)給量3件，15～20錘完成收口摔外形；中進(jìn)給量3件，20～25錘完成收口摔外形；小進(jìn)給量3件，25～30錘完成收口摔外形。

4 分析與討論

缺陷頭螺的化學(xué)成分、硬度等均符合相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)文件，通過對(duì)缺陷頭螺裂紋的顯微組織觀察，裂紋開口較大，與試樣表面呈一定角度，尾部圓鈍，裂紋兩側(cè)有脫碳現(xiàn)象，是典形的鍛造折疊形貌。

經(jīng)排查、綜合分析后認(rèn)為，該鍛造缺陷產(chǎn)生于收口摔外形工序。頭螺在收口摔外形工序中，當(dāng)司錘工落錘時(shí)，收口摔形工邊轉(zhuǎn)動(dòng)工件邊往前進(jìn)給。當(dāng)進(jìn)給量小且均勻時(shí)，變形平穩(wěn)，不會(huì)形成口部不圓的現(xiàn)象；當(dāng)進(jìn)給量較大或進(jìn)給不均勻時(shí)均易形成階梯狀缺陷，造成口部不圓，繼而在成形工序中導(dǎo)致折疊。

復(fù)現(xiàn)結(jié)果顯示：大進(jìn)給量、15～20錘易造成進(jìn)給不均勻，折疊最嚴(yán)重；小進(jìn)給量、30錘左右進(jìn)給較均勻，折疊最輕微；小進(jìn)給量、35錘以上完成收口摔外形后沒有發(fā)現(xiàn)折疊。以上結(jié)果表明折疊的產(chǎn)生與進(jìn)給量和錘打數(shù)量有很大的關(guān)系。折疊缺陷系操作工操作不當(dāng)，使收口摔外形工序中金屬流動(dòng)不合理。

5 結(jié)論及建議

(1)彈體頭螺缺陷是由于工件在沖拔收口摔外形過程中，進(jìn)給不均勻及錘打數(shù)量偏少造成金屬流動(dòng)不合理導(dǎo)致的折疊。

(2)對(duì)摔形工再次進(jìn)行培訓(xùn)，嚴(yán)格控制進(jìn)給量和錘打次數(shù)，避免再次出現(xiàn)此類問題。

(3)加強(qiáng)質(zhì)量管理，在冷檢工序?qū)?nèi)孔100%外觀檢驗(yàn)，熱處理前(粗車后)增加超聲檢測(cè)，避免帶缺陷工件流入下道工序。