單顆粒球狀非金屬夾雜物對(duì)螺栓性能影響

王 利

(富奧汽車零部件股份有限公司緊固件分公司，吉林 吉林 132012)

隨著汽車工業(yè)技術(shù)發(fā)展，緊固件的機(jī)械性能越來(lái)越被重視，常規(guī)的緊固件機(jī)械性能包括拉力載荷、硬度、脫碳、疲勞壽命等，其中疲勞壽命能夠直觀反應(yīng)緊固件在外部載荷作用下的物理特性[1-2]。本文選取兩組單顆粒球狀非金屬夾雜物(Ds類夾雜物)水平差異較大的材料，通過(guò)相同的生產(chǎn)工藝加工成螺栓，在金相組織、拉力載荷、硬度相近情況下對(duì)比疲勞壽命，從而為緊固件的選材提供一定參考依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料

選取某鋼廠生產(chǎn)直徑φ23 mm的ML40Cr熱軋材料兩組，化學(xué)成分見表1，脫碳均控制在0.10 mm之內(nèi)，表面無(wú)劃傷、裂紋等缺陷，冷頂鍛1/2無(wú)裂紋產(chǎn)生，組織均為熱軋態(tài)鐵素體+珠光體，無(wú)貝氏體等異常組織；兩組材料偏析不超過(guò)1級(jí)，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。第一組材料未見明顯夾雜物，如圖1(a)所示；第二組材料檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)尺寸0.05 mm×0.05 mm的Ds類非金屬夾雜物，評(píng)定達(dá)到2級(jí)，如圖1(b)所示；第二組材料復(fù)檢存在尺寸0.04 mm×0.04 mm 的Ds類非金屬夾雜物，評(píng)定級(jí)別達(dá)到2級(jí)[3]，如圖1(c)所示。

表1 ML40Cr材料化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

(a)第一組材料；(b)第二組材料；(c)第二組材料復(fù)檢圖1 ML40Cr材料非金屬夾雜物(a)the first group of material；(b)the second group of material； (c)recheck for the second group of materialFig.1 Non-metallic inclusions in ML40Cr materials

2 試驗(yàn)方法

緊固件的生產(chǎn)過(guò)程為材料球化退火→酸洗磷皂化→冷拔→冷鐓成型→螺紋加工→調(diào)質(zhì)熱處理→表面處理，生產(chǎn)螺栓規(guī)格為M20×1.5。球化退火后的材料碳化物呈球狀分布于基體，可以改變材料冷變形工藝性能；酸洗磷皂化和冷拔后材料尺寸精度高，可用于冷鐓成各類螺栓。研究表明螺紋成型好壞對(duì)螺栓疲勞性能有較大影響，牙底滾絲折疊缺陷是導(dǎo)致其早期多源疲勞斷裂的主要原因，因此應(yīng)避免此類缺陷的產(chǎn)生。螺栓通過(guò)調(diào)質(zhì)熱處理可以達(dá)到要求的機(jī)械性能，調(diào)質(zhì)熱處理將極大影響螺栓的最終性能，對(duì)于10.9級(jí)螺栓采用870 ℃淬火保溫80 min和510 ℃回火保溫85 min的熱處理工藝[4-5]。

將調(diào)質(zhì)后的螺栓試樣進(jìn)行切割和拋光，制備成金相試樣，采用4%硝酸酒精溶液對(duì)試樣進(jìn)行腐蝕，利用金相顯微鏡進(jìn)行金相組織觀察，參照標(biāo)準(zhǔn)JB/T 7293.3—2014進(jìn)行組織評(píng)級(jí)。

采用小于25 mm/min的加載速度對(duì)螺栓施加軸向載荷，分析承載能力，并測(cè)定螺栓芯部洛氏硬度。

使用高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行疲勞性能分析，最大平均實(shí)驗(yàn)力可達(dá)±300 N，振幅可達(dá)150 kN，設(shè)定加載軸向靜載荷為0.63×Rm，加載不同幅度軸向動(dòng)載荷循環(huán)至失效斷裂或到11×106次為止。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 金相組織

圖2為ML40Cr螺栓的金相組織，兩組螺栓的金相組織均以回火索氏體為主。按JB/T 7293.3—2014中第二級(jí)別圖評(píng)定為3級(jí)，在規(guī)定的條件下碳化物顆粒基本溶解在奧氏體中，因此均在合格范圍內(nèi)，通過(guò)控制碳勢(shì)使螺栓表面脫碳E=0.80、G=0。螺紋牙底無(wú)開裂、折疊等影響疲勞性能的缺陷[6]。

(a)第一組螺栓金相組織；(b)第二組螺栓金相組織；(c)第一組螺栓脫碳；(d)第二組螺栓脫碳圖2 ML40Cr螺栓金相組織及脫碳(a)Microstructure for the first group of bolts；(b)Microstructure for the second group of bolts；(c)decarburization for the first group of bolts；(d)decarburization for the secondgroup of boltsFig.2 Microstructure and decarburization of ML40Cr bolt

3.2 拉力載荷及硬度

兩組螺栓拉力載荷及硬度試驗(yàn)結(jié)果見表2。螺栓拉力載荷及硬度方差分析結(jié)果表明，兩組螺栓硬度和拉力載荷結(jié)果均沒(méi)有明顯差異，見表3、表4。分析認(rèn)為，材料中單顆粒球狀非金屬夾雜物直徑在50 μm左右，夾雜物的有效截面積相對(duì)于M20×1.5規(guī)格的螺栓很小，對(duì)緊固件拉力載荷的影響微乎其微，因此不會(huì)對(duì)拉伸強(qiáng)度產(chǎn)生影響。另外，拉伸過(guò)程中大顆粒夾雜物的存在雖然會(huì)萌生裂紋，但隨后裂紋擴(kuò)展至裂紋的空間尺寸大于夾雜物的尺寸時(shí)，夾雜物的影響也隨即消失[7]。

表2 螺栓拉力載荷及硬度試驗(yàn)結(jié)果

表3 螺栓拉力載荷方差分析

表4 螺栓硬度方差分析

3.3 疲勞性能

兩組螺栓疲勞試驗(yàn)結(jié)果見表5、表6。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果采用數(shù)據(jù)分析軟件進(jìn)行曲線擬合(見圖3)及疲勞壽命計(jì)算，第一組、第二組螺栓條件疲勞極限分別為39.9 MPa和31.1 MPa，在相同服役條件下第一組螺栓疲勞性能優(yōu)于第二組。通常認(rèn)為夾雜物是鋼疲勞破壞的起源，尺寸大的脆性?shī)A雜物和球狀不變形夾雜物對(duì)疲勞性能影響大，而且強(qiáng)度越高,危害性越大[8-9]。非金屬夾雜來(lái)源于原材料、脫氧產(chǎn)物、熔渣、熔體各元素與爐氣等介質(zhì)反應(yīng)產(chǎn)生的氧化物和氮化物以及帶入鋼材中的耐火材料殘?jiān)蜌埩羧蹌┑?，因此為了改善鋼鐵材料的疲勞性能，應(yīng)嚴(yán)格控制緊固件用鋼的非金屬夾雜[10]。

表5 第一組螺栓疲勞數(shù)據(jù)

表6 第二組螺栓疲勞數(shù)據(jù)

(a)第一組螺栓；(b)第二組螺栓圖3 疲勞強(qiáng)度曲線(a)the first group of bolts；(b)the second group of boltsFig.3 Fatigue strength curve

4 結(jié)論

在相同服役條件下第一組螺栓疲勞性能優(yōu)于第二組。通常認(rèn)為夾雜物是鋼疲勞破壞的起源，尺寸大的脆性?shī)A雜物和球狀不變形夾雜物對(duì)疲勞性能影響大，而且強(qiáng)度越高,危害性越大。

2級(jí)單顆粒球狀非金屬夾雜物不會(huì)對(duì)螺栓熱處理金相組織、硬度及拉力載荷造成顯著影響，但疲勞強(qiáng)度較無(wú)明顯非金屬夾雜物材料生產(chǎn)的螺栓降低約22%。