12.9級M16×290螺栓掉頭問題的解決

易貞峰

寧波群力緊固件制造有限公司 浙江寧波 315205

1 序言

近期在生產(chǎn)現(xiàn)場，材料為SCM435的DIN 912 M16×290 12.9級規(guī)格的螺栓在進(jìn)行抗拉試驗(yàn)時(shí)發(fā)生掉頭現(xiàn)象，掉頭比例約在20%，質(zhì)量部判定為不合格。為解決此問題，進(jìn)行了試驗(yàn)與分析。

2 試驗(yàn)與分析

影響螺栓掉頭的因素很多，如原材料缺陷、冷鐓工藝、螺栓頭部與桿部結(jié)合處圓角R的大小、前期球化退火質(zhì)量、淬回火后螺栓表面增碳及氫脆等?？紤]到近期時(shí)有發(fā)生球化退火過程中螺栓盤圓材料表面增碳現(xiàn)象，決定先對調(diào)質(zhì)處理（淬火、回火）和球化退火兩個(gè)過程進(jìn)行查驗(yàn)，如這兩個(gè)過程無問題再查驗(yàn)其他方面的因素。首先確定多用爐淬火、回火生產(chǎn)過程中各項(xiàng)參數(shù)調(diào)用及實(shí)際值有無異常；然后查詢爐內(nèi)氣氛是否存在異常；再對球化處理和淬回火后的產(chǎn)品分別進(jìn)行金相組織分析，希望通過這幾個(gè)方面的查詢及檢測找到問題所在。

2.1 熱處理淬回火過程測試

該批產(chǎn)品的淬火、回火過程是在多用爐中完成的，爐次為2021.6.20-7，熱處理工藝參數(shù)見表1。

表1 熱處理工藝參數(shù)

1）在多用爐記錄上查詢該批次螺栓生產(chǎn)過程，發(fā)現(xiàn)爐內(nèi)溫度在整個(gè)淬火加熱過程中正常，爐內(nèi)溫度在進(jìn)入保溫段后穩(wěn)定在±5℃內(nèi)，爐內(nèi)碳勢在進(jìn)入保溫段10min后穩(wěn)定在（0.35±0.03）%，如果碳勢系統(tǒng)正常，在淬火加熱過程中不會造成增碳（碳勢系統(tǒng)正常與否可通過定碳操作來確定）?；鼗鸪鰻t后直接進(jìn)入發(fā)黑爐進(jìn)行發(fā)黑處理，回火脆性影響的可能性不大。綜上所述，生產(chǎn)過程無異常。

2）按照CQI—9[1]熱處理評估體系，要求多用爐每天均進(jìn)行定碳操作并記錄。定碳方法有箔片法和三氣分析法，平常定碳時(shí)用三氣分析法，但是每周必須使用一次箔片法以驗(yàn)證三氣分析法的準(zhǔn)確性，且此時(shí)箔片法和三氣分析法必須在同一時(shí)間段內(nèi)進(jìn)行。在定碳操作過程中，只要碳控儀表顯示的結(jié)果與定碳操作的結(jié)果兩者的差值在±0.03%內(nèi)就可以接受，否則須對碳控儀表進(jìn)行修正，直至差值在允許范圍內(nèi)。另外，碳控儀表的碳勢顯示值只要處于碳勢設(shè)置值±0.05%內(nèi)則認(rèn)為無問題。在定碳相關(guān)記錄中可查到該爐次正好進(jìn)行了兩種方法的定碳，定碳數(shù)據(jù)見表2、表3。定碳過程中箔片法箔片清洗、箔片的加熱時(shí)間、箔片的取放及相關(guān)數(shù)據(jù)的計(jì)算，均按照J(rèn)B/T 10312—2001《鋼箔測定碳勢法》[2]規(guī)定進(jìn)行，稱量用天平選用1/10000的電子天平，三氣分析法使用的設(shè)備為馬拉松Furnace Doctor-Pro三氣分析儀。

由表2、表3可知，兩種定碳方法測出來的差值為0.016%，在允許的±0.03%內(nèi)。碳控儀上的表顯碳勢值與定碳結(jié)果相差分別為0.01%、0.006%，測試結(jié)果表明，定碳過程沒有問題，同時(shí)碳控儀表的顯示也沒有問題。這說明多用爐碳控系統(tǒng)是穩(wěn)定的，螺栓產(chǎn)品在這種環(huán)境下進(jìn)行加熱淬火不會造成螺栓表面增碳或是脫碳。

表2 箔片法定碳數(shù)據(jù)

表3 三氣分析法定碳數(shù)據(jù) （%）

3）對掉頭的部位和掉頭部位下桿部進(jìn)行金相檢測，金相組織如圖1、圖2所示。由圖1、圖2可以看出，掉頭部位有0.037mm的增碳，螺栓桿部有0.056mm的增碳。

圖1 掉頭部位頭下R處（軸向500×）

圖2 掉頭部位下桿部（軸向500×）

4）按照GB/T 3098.1—2010《緊固件機(jī)械性能 螺栓、螺釘和螺柱》[3]規(guī)定，用硬度法對掉頭螺栓進(jìn)行增碳脫碳檢測。檢測樣件取上面掉頭金相樣件，螺紋處三點(diǎn)位置分布如圖3所示，檢測結(jié)果見表4。

圖3 螺紋處三點(diǎn)位置分布

表4 掉頭螺栓硬度法三點(diǎn)位置檢測數(shù)據(jù) （HV0.3）

由表4的檢測結(jié)果可知，螺栓符合GB/T 3098.1—2010《緊固件機(jī)械性能 螺栓、螺釘和螺柱》規(guī)定的增碳要求。

實(shí)際上，在同一產(chǎn)品同一切面不同點(diǎn)處的硬度值代表了碳含量的高低，第1點(diǎn)和第3點(diǎn)的硬度值差達(dá)到27HV0.3，已接近GB/T 3098.1—2010規(guī)定的門檻值30HV0.3，說明第3點(diǎn)的碳含量比第1點(diǎn)高，螺栓表面產(chǎn)生了輕微的增碳，正如金相測試中所看到一樣。這說明雖然多用爐碳勢系統(tǒng)沒問題，但產(chǎn)品表面卻產(chǎn)生了增碳，說明增碳的源頭可能在前面工序就已產(chǎn)生了。

2.2 球化退火過程測試

該批次M16×290螺栓在流轉(zhuǎn)至熱處理車間進(jìn)行淬火、回火前，進(jìn)行的主要工序有：球化退火、校直下料、沖床下料、熱鐓、剝頭及滾絲等，除了球化退火，其他工序不會產(chǎn)生螺栓表面增碳、脫碳。為此查驗(yàn)了淬回火前的螺栓也即球化退火后的螺栓金相組織，結(jié)果如圖4～圖6所示。

圖4 頭部（軸向 100×）

圖6 桿部心部（500×）

由圖4、圖5可知，球化退火過程產(chǎn)品表面產(chǎn)生了增碳，增碳層深約0.065mm，這與前面淬回火后桿部的層深基本吻合，而淬回火后掉頭部位的增碳層低于桿部，這有可能是在熱鐓過程產(chǎn)生了脫碳。由圖6可知，球化組織沒問題。

圖5 螺紋部位（軸向100×）

至此可以得出結(jié)論，增碳是在球化退火過程中產(chǎn)生的，那么，從金相上看到的輕微增碳，到底對螺栓掉頭有沒有影響？為確認(rèn)這個(gè)問題，我們在發(fā)生螺栓掉頭現(xiàn)象這批產(chǎn)品里隨機(jī)抽取一部分產(chǎn)品，嘗試用熱處理的方法將產(chǎn)品表面的增碳脫去，然后進(jìn)行抗拉試驗(yàn)，如果這些樣品同樣發(fā)生掉頭現(xiàn)象，則說明增碳并未影響到該螺栓的掉頭；如試樣螺栓不掉頭，則說明增碳導(dǎo)致了該批螺栓的掉頭。

3 脫碳試驗(yàn)

為達(dá)到將螺栓表面增碳層碳脫掉的目的，設(shè)計(jì)的脫碳處理工藝參數(shù)見表5。設(shè)備選用同一臺多用爐。

試驗(yàn)產(chǎn)品為在該批次中隨機(jī)抽取5支，按表5工藝進(jìn)行熱處理，結(jié)束后進(jìn)行金相檢測、拉伸試驗(yàn)及表面增碳脫碳試驗(yàn)。

表5 脫碳處理工藝參數(shù)

3.1 金相檢測

由圖7、圖8知，螺栓頭下R部和螺紋處無增碳，即產(chǎn)品表面無增碳。由圖9知淬火組織無異常。

圖7 螺紋處（100× ）

圖8 頭下R處（ 100×）

圖9 心部組織（500×）

3.2 拉伸試驗(yàn)

拉伸試驗(yàn)結(jié)果見表6。

表6 拉伸試驗(yàn)檢測數(shù)據(jù)

由表6可知，5支試驗(yàn)樣件抗拉強(qiáng)度合格，沒有一支掉頭，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

3.3 增碳脫碳試驗(yàn)

表面增碳脫碳試驗(yàn)結(jié)果見表7。

表7 螺紋處三點(diǎn)位置增碳脫碳試驗(yàn)數(shù)據(jù) （HV0.3）

由表7可以看到，第1點(diǎn)和第3點(diǎn)的硬度值差由以前的最大27HV0.3降低到了最大10HV0.3，說明新的熱處理工藝對螺栓成功進(jìn)行了脫碳，第3點(diǎn)的碳含量基本接近第1點(diǎn)的碳含量。

4 解決方案

基于上述的各項(xiàng)檢測及試驗(yàn)結(jié)果，對于現(xiàn)場同樣批次的M16×290螺栓，進(jìn)行了以下操作。

1）對球化退火后未進(jìn)行淬火、回火處理的螺栓，直接使用上述試驗(yàn)的脫碳工藝進(jìn)行熱處理。

2）對已進(jìn)行了淬火、回火處理的螺栓，則用上述試驗(yàn)的脫碳工藝進(jìn)行返工處理。

經(jīng)質(zhì)量部對上述兩種狀態(tài)的螺栓再次進(jìn)行抽樣檢測后發(fā)現(xiàn)，全部能達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)的要求，螺栓未出現(xiàn)掉頭現(xiàn)象。

3）由于在球化退火過程中對螺栓表面產(chǎn)生了增碳，對球化退火過程工藝參數(shù)的碳勢（PF值）進(jìn)行了降低調(diào)整，以避免后面的產(chǎn)品在球化退火過程中發(fā)生類似的輕微增碳，從而導(dǎo)致后期螺栓掉頭。

5 結(jié)束語

該規(guī)格的螺栓，掉頭的主要原因是由于螺栓表面產(chǎn)生增碳，且螺栓增碳是在球化退火過程中產(chǎn)生的。為此，將碳勢調(diào)整為0.2%，對該規(guī)格螺栓在多用爐中進(jìn)行脫碳處理后，解決了掉頭問題。