緊固件金相制樣的開裂判別

陸柯杰，張玉煥

威睿電動(dòng)汽車技術(shù)(寧波)有限公司 浙江寧波 315336

1 序言

高強(qiáng)度緊固件需要經(jīng)過(guò)熱處理達(dá)到性能要求，通常使用網(wǎng)帶爐進(jìn)行熱處理，作為質(zhì)量控制，淬火件和回火件都需要檢測(cè)。淬火件一般需要檢測(cè)馬氏體級(jí)別、馬氏體量、淬火硬度；回火件一般需要檢測(cè)回火硬度、表面硬度、抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度以及螺紋未脫碳層高度、全脫碳層深度等[1]。金相檢測(cè)需要對(duì)試樣進(jìn)行切割和鑲嵌，切割過(guò)程會(huì)使用虎鉗夾持試樣，如果夾持力過(guò)大會(huì)使試樣變形甚至開裂。本文通過(guò)對(duì)一個(gè)具體開裂試樣的分析，闡述了分析裂紋的過(guò)程及方法。

2 問(wèn)題描述

緊固件材料為SCr440（對(duì)應(yīng)國(guó)產(chǎn)牌號(hào)：40Cr）的一批次M8×20的螺栓，熱處理前已經(jīng)滾絲，檢驗(yàn)員例行檢查淬火件金相，經(jīng)切割、鑲嵌、拋光后發(fā)現(xiàn)有裂紋。切割方法為沿徑向截取一段圓柱，再沿軸向切割4等分，然后鑲嵌觀察軸向狀況，開裂試樣在鑲塊上的形態(tài)如圖1所示。

圖1 開裂試樣（25×）

3 初步分析

觀察裂紋形態(tài)，與淬火裂紋特有的紋路和尾端尖細(xì)的特征相符。

使用3%的硝酸酒精溶液腐蝕試樣，觀察裂紋處的開裂形態(tài)，如圖2所示。

圖2 開裂形態(tài)（200×）

裂紋兩側(cè)無(wú)氧化增碳、脫碳現(xiàn)象，符合淬火開裂的特征。因?yàn)殚_裂發(fā)生在奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變的過(guò)程中，SCr440的Ms點(diǎn)為355℃，在此溫度下，即使產(chǎn)生裂紋，也不會(huì)發(fā)生增碳、脫碳和明顯氧化，所以淬火開裂的兩側(cè)不會(huì)有氧化、增碳、脫碳現(xiàn)象，否則肯定不是淬火裂紋。

再對(duì)鑲塊上的試樣進(jìn)行尺寸確認(rèn)，發(fā)現(xiàn)試樣夾持的兩面不平行，靠近螺紋邊緣厚度為2491μm，中心部位厚度為2382μm（見圖3），說(shuō)明夾持時(shí)受力不均勻，螺紋端受力大。

此產(chǎn)品為常規(guī)件，之前生產(chǎn)過(guò)程未發(fā)現(xiàn)過(guò)開裂。

圖3 試樣尺寸測(cè)量

4 熱處理工藝回顧

熱處理前材料經(jīng)過(guò)球化退火，組織為球狀珠光體。使用三永SY-805-6型加熱爐，其共分6個(gè)區(qū)，獨(dú)立控溫，甲醇滴注，爐內(nèi)裂解后作為稀釋氣，丙烷為富碳?xì)?，通過(guò)氧探頭控制碳勢(shì)。淬火冷卻介質(zhì)使用德潤(rùn)寶 ISOMAX 169淬火油，具體熱處理工藝見表1。

表1 熱處理工藝

5 淬火開裂常見原因分析

5.1 低溫冷卻速度過(guò)快

淬火過(guò)程中的組織應(yīng)力對(duì)產(chǎn)品的變形和開裂影響明顯，在奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體組織時(shí)，體積膨脹，冷卻速度過(guò)快使應(yīng)力得不到釋放，從而使產(chǎn)品變形甚至開裂。按GB/T 30823—2014（同ISO 9950：1995）標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)淬火油的冷卻速度進(jìn)行測(cè)量，未發(fā)現(xiàn)異常，見圖4、表2。

圖4 冷卻曲線

表2 冷卻曲線數(shù)據(jù)

5.2 淬火冷卻介質(zhì)中水含量過(guò)高

水的冷卻速度遠(yuǎn)大于淬火油，油中含水時(shí)會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品軟點(diǎn)、開裂。檢測(cè)淬火油運(yùn)動(dòng)黏度及水分，未發(fā)現(xiàn)異常，見表3。

表3 淬火油中黏度及水分

5.3 原材料缺陷

鋼件內(nèi)部存在的發(fā)紋、皮下氣泡，以及較嚴(yán)重的偏析、帶狀非金屬夾雜等，在淬火過(guò)程中易在缺陷處產(chǎn)生裂紋。檢查開裂處未發(fā)現(xiàn)異常材料缺陷。

5.4 熱處理前原始金相組織

鋼件的原始組織對(duì)加熱的奧氏體晶粒度及其長(zhǎng)大有影響，與球狀珠光體相比，片狀珠光體在加熱溫度偏高時(shí)易引起奧氏體晶粒粗化，傾向于過(guò)熱，得到粗大馬氏體。查找熱處理前的檢測(cè)記錄，材料為球狀珠光體組織，球化5級(jí)，如圖5所示。

圖5 球化組織

5.5 表面脫碳

脫碳后的組織強(qiáng)度低，同時(shí)表面脫碳層的馬氏體比體積小，會(huì)形成較大拉應(yīng)力，使表面開裂。檢查產(chǎn)品表面組織，未見脫碳現(xiàn)象，如圖6所示。

圖6 表面金相組織

經(jīng)過(guò)對(duì)工件產(chǎn)生淬火開裂的原因分析，未發(fā)現(xiàn)熱處理過(guò)程異常，懷疑裂紋不是淬火時(shí)產(chǎn)生的。同時(shí)，分析試樣裂紋的形態(tài)，此裂紋與螺栓外徑接近相切，不符合淬火應(yīng)力導(dǎo)致的開裂形態(tài)。工件淬火冷卻時(shí)，如果瞬時(shí)應(yīng)力超過(guò)工件的斷裂強(qiáng)度，將產(chǎn)生淬火裂紋。如在工件完全淬透的情況下，因組織應(yīng)力過(guò)大，在表面拉應(yīng)力作用下會(huì)產(chǎn)生沿軸向由表面向心部的縱向裂紋；在未淬透的大型工件上，常由熱應(yīng)力引起由內(nèi)往外的橫向裂紋或弧形裂紋，這是由于在淬透層向非淬透層的過(guò)渡區(qū)出現(xiàn)最大拉應(yīng)力所致[2]。此產(chǎn)品組織完全淬透，若是淬火開裂，形態(tài)應(yīng)沿軸向從外到內(nèi)，如圖7所示。因此，懷疑開裂可能是切割時(shí)夾具夾持力過(guò)大引起的。

圖7 經(jīng)磁粉檢測(cè)的淬火開裂

6 試樣表面觀察

把試樣從鑲塊中取出觀察被夾持的2個(gè)面，發(fā)現(xiàn)2個(gè)面都有明顯的變形和開裂，如圖8、圖9所示。

觀察圖8、圖9，證實(shí)了開裂為切割時(shí)造成。金相試樣切割時(shí)，為防止試樣移動(dòng)，使用虎鉗夾持住試樣，由于不能設(shè)定夾持力，至手柄擰到不能轉(zhuǎn)動(dòng)為止，因此導(dǎo)致壓力過(guò)大而開裂。

圖8 一個(gè)夾持面

圖9 另一個(gè)夾持面

7 結(jié)束語(yǔ)

開裂形態(tài)多種多樣，有些具有迷惑性，但都會(huì)遵循規(guī)律，用理論知識(shí)去分析問(wèn)題，善于觀察，就能快速解決問(wèn)題。淬火件切割時(shí)夾持力要適當(dāng)，淬火速度不能快，振動(dòng)要小，冷卻要充分，才能制備出反映真實(shí)組織的試樣。