輪轂螺栓在加工過(guò)程中斷裂的原因

范德國(guó)

(濰坊特鋼集團(tuán)有限公司， 濰坊 261201)

輪轂螺栓用于汽車外輪轂殼與輪胎之間較輕扭力的連接，一般與輪轂螺母配套使用。輪轂螺栓一般選用高強(qiáng)度的合金鋼，局部高頻加熱后，通過(guò)鍛造形成法蘭環(huán)，冷卻后經(jīng)過(guò)車削加工而成。其主要工藝流程為：冷拔→剪切→樣品中部加熱至1 000 ℃以上鍛造法蘭→車削→滾絲。

某廠生產(chǎn)的40Cr鋼輪轂螺栓在車削工序中出現(xiàn)小批量斷裂事故，斷裂輪轂螺栓的宏觀形貌如圖1所示，可見(jiàn)斷裂發(fā)生于靠近法蘭環(huán)的桿部。為找出輪轂螺栓的斷裂原因，筆者對(duì)其進(jìn)行了一系列檢驗(yàn)和分析，以期此類事故不再發(fā)生。

圖1 斷裂螺栓宏觀形貌Fig.1 Macro morphology of the fractured bolt

1 理化檢驗(yàn)

1.1 斷口分析

斷裂螺栓的斷口宏觀形貌如圖2所示，可見(jiàn)斷口平齊、粗糙，無(wú)明顯塑性變形。斷面呈現(xiàn)不同取向的無(wú)金屬光澤的灰白色顆粒狀斷裂特征。

圖2 斷裂螺栓斷口宏觀形貌Fig.2 Macro morphology of fracture of the fractured bolt

將螺栓清洗后，使用EVO18型蔡司鎢燈絲掃描電鏡(SEM)觀察斷口的微觀形貌。圖3所示為靠近斷口邊緣處的SEM形貌，可見(jiàn)斷面存在晶界熔融特征，未發(fā)現(xiàn)典型的斷口學(xué)特征。圖4所示為斷口心部SEM形貌，可見(jiàn)明顯的沿晶斷裂特征，晶粒圓鈍，并存在晶間二次裂紋。

對(duì)斷裂螺栓的斷口進(jìn)行能譜(EDS)分析，分析位置如圖5所示，分析結(jié)果見(jiàn)表1，可見(jiàn)晶界處存在磷和硫元素。

圖3 斷口邊緣SEM形貌Fig.3 SEM morphology of fracture edge

圖4 斷口心部SEM形貌Fig.4 SEM morphology of fracture center

圖5 斷裂螺栓的斷口EDS分析位置Fig.5 EDS analysis location of fracture of the fractured bolt

表1 斷裂螺栓的斷口EDS分析結(jié)果Tab.1 EDS analysis results of fracture of the fractured bolt %

1.2 化學(xué)成分分析

在斷口附近取樣，制成滿足尺寸要求的光譜試樣，依據(jù)GB/T 4336—2016《碳素鋼和中低合金鋼 多元素含量的測(cè)定 火花放電原子發(fā)射光譜法(常規(guī)法)》，采用SPECTRO型直讀光譜儀分析斷裂螺栓的化學(xué)成分，結(jié)果見(jiàn)表2?？梢?jiàn)其化學(xué)成分符合GB/T 3077—2015《合金結(jié)構(gòu)鋼》對(duì)40Cr鋼的成分要求。

1.3 金相檢驗(yàn)

從斷口中心處進(jìn)行縱向切割(見(jiàn)圖6)，將試樣進(jìn)行磨制→拋光→浸蝕(采用體積分?jǐn)?shù)為4%的硝酸酒精溶液進(jìn)行浸蝕)。采用Imager.M2m型蔡司金相顯微鏡觀察試樣，圖7所示為斷口附近表面的拋光態(tài)形貌及其顯微組織形貌，可見(jiàn)其上存在明顯的臺(tái)階狀車削加工痕跡，車削表面存在明顯的金屬變形層。臺(tái)階根部可見(jiàn)明顯的橫向穿晶裂紋，裂紋兩側(cè)無(wú)明顯氧化、脫碳現(xiàn)象。圖8所示為斷口處的拋光態(tài)形貌及其顯微組織形貌，可見(jiàn)該部位晶粒粗大，根據(jù)GB/T 6394—2017《金屬平均晶粒度測(cè)定方法》判定，晶粒度為3.5級(jí)；該部位顯微組織為珠光體+網(wǎng)狀鐵素體，并存在明顯的晶間裂紋，裂紋兩側(cè)無(wú)明顯氧化或脫碳現(xiàn)象。

表2 斷裂螺栓的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.2 Chemical compositions of the fractured bolt (mass fraction) %

圖6 金相試樣縱剖面形貌Fig.6 Profile morphology of metallographic sample

圖7 斷口附近表面拋光態(tài)形貌和顯微組織形貌Fig.7 The a) polished morphology and b) microstructure morphology of surface near fracture

圖8 斷口處拋光態(tài)形貌和顯微組織形貌Fig.8 The polished morphology and microstructure morphology of fracture: a) polished state; b) microstructure at low magnification; c) microstructure at high magnification

1.4 硬度測(cè)試

按照GB/T 4340.1—2009《金屬材料 維氏硬度試驗(yàn) 第1部分：試驗(yàn)方法》，采用HV-1000型顯微維氏硬度計(jì)對(duì)斷裂螺栓的斷口進(jìn)行顯微維氏硬度測(cè)試，測(cè)試打點(diǎn)位置如圖9所示，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3，可知螺栓斷裂位置的硬度較高。

圖9 硬度測(cè)試位置Fig.9 Hardness test locations

2 分析與討論

由以上理化檢驗(yàn)結(jié)果可知，該斷裂螺栓的化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)要求。螺栓斷裂發(fā)生于法蘭環(huán)附近的桿部，斷口宏觀形貌顯示斷裂特征為脆性斷裂，斷面粗糙，并可見(jiàn)灰白色的顆粒狀斷裂特征。斷口微觀形貌可見(jiàn)明顯的沿晶斷裂特征，晶粒圓鈍，存在晶間二次裂紋，呈現(xiàn)典型的過(guò)燒特征。金相檢驗(yàn)結(jié)果表明，斷口附近表面存在明顯的橫向穿晶擴(kuò)展裂紋，裂紋方向與斷面平行。斷口處顯微組織晶粒粗大，并存在明顯的晶間裂紋，同樣呈現(xiàn)典型的過(guò)燒特征。斷裂部位為高頻加熱區(qū)域，且該部位硬度較高，推測(cè)加熱爐可能存在溫度異常情況，導(dǎo)致螺栓發(fā)生過(guò)燒。在較高溫度下，硫、磷等低熔點(diǎn)元素首先在晶界發(fā)生偏聚，降低晶界熔點(diǎn)，晶界發(fā)生氧化和熔化，形成沿晶過(guò)燒裂紋[2-3]。過(guò)燒使得晶界熔化區(qū)域變寬，同時(shí)在晶界處出現(xiàn)氧化物，削弱了晶界位置的強(qiáng)度，造成螺栓承載能力下降[4]。因此判斷該輪轂螺栓的斷裂模式為過(guò)燒引起的過(guò)載斷裂。

3 結(jié)論及建議

螺栓在加熱爐中發(fā)生局部過(guò)燒，使得該部位晶間結(jié)合力降低，導(dǎo)致螺栓在車削過(guò)程中發(fā)生脆性斷裂。

建議優(yōu)化高頻加熱工藝，嚴(yán)格控制加熱溫度及時(shí)間；定期檢查加熱設(shè)備各部件是否正常，加熱線圈是否變形。