摘 要:在加工某型45钢螺帽时,数控车过程中发现有2个螺帽发生断裂。采用宏观观察、化 学成分分析、扫描电镜及能谱分析、金相检验、硬度测试和热处理工艺分析等方法,研究了螺帽断裂 的原因。结果表明:螺帽断裂处存在淬火裂纹;螺帽毛坯孔壁的厚度处于淬火裂纹敏感厚度的区间 内,且底孔与内壁的过渡圆弧较小,产生了应力集中,并形成了淬火裂纹,裂纹沿晶扩展,最终在数 控车过程中螺帽发生断裂。

关键词:45钢;螺帽;数控车;热处理工艺;淬火裂纹

中图分类号:TB31;V461 文献标志码:B 文章编号:1001-4012(2023)03-0038-04

45钢是优质中碳结构钢,该钢淬硬性较高但淬 透性较差,一般在正火状态下使用,具有良好的切削 加工性能,经调质处理后可获得较高的强度以及一 定的韧性和塑性,而且价格低,易采购,常用于制作 交变载荷下使用的螺栓、螺母等紧固件、齿轮及轴类 零件等[1]。

材料为45钢,规格为22mm×30mm(外螺纹直 径×长度),内孔直径为13mm 的某型螺帽,其加工 工艺为:下料→普车→车底孔→热处理→数控车→攻 丝→表面处理等。根据排查结果发现,热处理工序后 共报废了6个螺帽,并在现场发现1个开裂螺帽毛 坯,数控车过程中有2个螺帽发生断裂。笔者对断裂 螺帽进行了一系列理化检验,找出了螺帽断裂的原 因,并提出了相关建议,以提升产品的质量和安全性。

1 理化检验

1.1 宏观观察

对开裂螺帽毛坯和数控车断裂螺帽进行宏观观 察,结果如图1所示。由图1可知:开裂螺帽毛坯和 数控车断裂螺帽的裂纹源均位于孔底与内壁相交处 边缘,数控车断裂螺帽断口较为平齐,呈黑灰色,无 锈蚀现象,断面与轴线夹角约呈45°,靠近外壁部分 存在少量撕裂棱线;开裂螺帽毛坯内孔底部存在粗 大的车刀纹痕迹。

1.2 化学成分分析

对数控车断裂螺帽取样进行化学成分分析,结 果如表1所示,可见螺帽的主要化学成分满足 GJB 1951—94《航空用优质结构钢棒规范》对45钢的 要求。

1.3 扫描电镜(SEM)及能谱分析

在数控车断裂螺帽的断口处取样,经无水乙醇 超声清洗后,进行SEM 分析,结果如图2所示,由 于断口表面被黑色物质覆盖,所以无法看清断口特 征。经能谱分析可知黑色覆盖物主要含有 O、Fe等 元素,应为高温作用下形成的氧化产物。

将原始断口用10%(体积分数)H2SO4 水溶液 +缓蚀剂超声清洗后,进行SEM 分析,结果如图3 所示,可见断裂源区和扩展区断面有少量氧化产物 未被完全去除,清洗干净部位的断口主要呈沿晶+ 少量准解理形貌。

1.4 金相检验

将数控车断裂螺帽沿轴向切开,经镶嵌、磨制及 抛光后,用光学显微镜进行观察,然后用4%(体积 分数)硝酸乙醇溶液对试样进行腐蚀,再用光学显微 镜进行观察,结果如图4可知。由图4可知:断口表 面存在氧化现象,深度约为0.07mm;非金属夹杂物 主要为球状氧化物,依据GB/T10561—2005《钢中 非 金属夹杂物含量的测定标准评级图显微检验法》,可评为D类细系0.5级,撕裂棱线处存在少量 二次裂纹,呈沿晶扩展形貌;断口处未见脱碳现象, 显微组织为回火索氏体,存在少量带状组织偏析现 象,依据GB/T13299—1991《钢的显微组织评定方 法》,可评为 A3C类2级,未见过热、过烧等缺陷。

1.5 硬度测试

将腐蚀后的金相试样重新磨制、抛光后,进行硬 度测试,并依据 GB/T1172—1999《黑色金属硬度 及强度换算值》进行换算,结果如表2所示,可见断 裂螺帽的硬度较为均匀,未见明显差别,满足 GB/T 1172—1999的要求。

1.6 热处理工艺分析

通过查找加工记录发现,该批螺帽进行了两次热处理,第一次为淬火油冷+回火处理,第二次为淬 火水冷+回火处理。第一次热处理后螺帽的硬度测 试结果如表3所示,可见螺帽的硬度不均匀,且有2 个试样的硬度低于GB/T1172—1999的要求。

对硬度不满足要求的螺帽(1# 试样和3# 试样) 进行金相检验,结果如图5所示,可知螺帽的显微组 织为回火索氏体+少量上贝氏体[2]。说明第一次热 处理过程中,45钢经完全奥氏体化后,未完全形成 马氏体,而形成了少量上贝氏体组织,从而导致回火 后硬度较小。

第二次热处理后螺帽的硬度测试结果如表4所示,可见螺帽的硬度均匀,且均满足 GB/T1172- 1999的要求。对第二次热处理后的螺帽进行金相 检验,结果如图6所示,可见螺帽的显微组织为回火 索氏体,未见上贝氏体等非马氏体组织。

2 综合分析

由上述理化检验结果可知:断裂螺帽的主要化 学成分满足标准要求,碳元素含量接近标准上限;裂 纹起源于螺帽内壁与孔底相交处,沿内壁向外壁呈 圆弧状扩展;断口呈黑灰色,说明存在陈旧性裂纹; 数控车断裂螺帽断口表面存在氧化现象,经清洗后 观察断口表面主要呈沿晶特征;断口表面未见脱碳 现象,显微组织为回火索氏体结构,未见过热、过烧 等缺陷,存在少量带状组织偏析,非金属夹杂物为D 类细系0.5级;数控车断裂螺帽的硬度满足标准要 求,但接近标准上限。如果材料存在原始裂纹,则热 处理后,裂纹周围会有氧化圆点和明显的氧化脱碳 现象[3],而开裂螺帽毛坯和数控车断裂螺帽的裂纹 均与圆环呈45°夹角,且断口表面未见明显脱碳现 象,故排除原材料存在开裂问题的情况。

45钢的淬透性差,在油淬过程中常出现非马氏 体组织[4],造成产品的硬度较低,难以满足标准要 求。为了提升该批螺帽的淬透能力,在热处理之前 钻取了直径为12mm,壁厚约为5mm 的底孔。该 批螺帽经过两次热处理,第一次淬火后油冷处理,发 现螺帽存在非马氏体组织,又对该批螺帽进行了第 二次淬火后水冷处理。螺帽毛坯孔壁厚度约为 5mm,45钢的淬火裂纹敏感厚度为5~8mm [5],螺帽毛坯孔壁厚度正处于该区间范围内。螺帽为盲孔 结构,盲孔底部与孔壁相交处为尺寸突变处;盲孔加 工方式为车削成型,表面较为粗糙,且在盲孔底部与 孔壁结合处过渡圆弧较小,工件上的缺口、尖角、沟 槽等都是淬火内应力集中的地方,是淬裂的危险 源[6]。该批螺母材料碳元素含量较高,提升了淬火 时获得马氏体的能力[7],且原材料中存在少量碳化 物带状偏析,裂纹在内壁与盲孔底部交接处产生并 沿晶扩展,在随后的高温热处理过程中,裂纹表面氧 化,回火后裂纹表面发黑。完全断开的螺帽已在热 处理工序被挑出报废,未完全断开的螺帽在后续的 数控车过程中发生断裂。

3 结论及建议

45钢螺帽毛坯存在盲孔,孔底存在较大车刀 纹,孔底与孔壁相接处过渡圆弧较小,该处为尺寸突 变处,且壁厚为45钢淬火裂纹敏感厚度,同时材料 存在少量碳化物带状偏析,在第二次热处理淬火水 冷过程中,淬火裂纹在螺帽孔底与孔壁相交处产生, 并沿晶扩展,数控车过程中,有2个螺帽最终发生 断裂。

建议将螺帽的加工工艺调整为:下料→普车→ 热处理→车底孔→数控车→攻丝→表面处理,以避 免产生淬火裂纹。

参考文献:

[1] 顾培育,程全士,窦建伟,等.45钢双头螺柱断裂失效 分析[J].金属加工(热加工),2020(6):56-57.

[2] 李亚红,郑淑丽,朱伟强,等.45钢淬火裂纹分析及改 进[J].航天制造技术,2015(5):50-52.

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[6] 刘宗昌.钢件的淬火开裂及防止方法[M].北京:冶金 工业出版社,2008.

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<文章来源> 材料与测试网 > 期刊论文 > 理化检验－物理分册 > 59卷 > 3期 (pp:38-41)>