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緊固件熱處理常見缺陷

瀏覽次數(shù):1264 發(fā)布時間:2023-11-19

緊固件調(diào)質(zhì)熱處理工藝中淬火缺陷最為常見,如硬度不足、變形、開裂等。產(chǎn)生缺陷的原因很多,需從各方面檢查分析,金相檢驗是常用的方法,占重要地位。



1

淬火裂紋

淬火時在緊固件中引起的內(nèi)應力是造成變形與開裂的根本原因。當內(nèi)應力超過材料的屈服強度時,便引起變形;當內(nèi)應力超過材料的斷裂強度時,便造成開裂。只有拉應力是使裂紋萌生和擴展的必要條件。分析淬火裂紋原因,可以從兩方面來考慮,一是有哪些因素造成了較大的應力;二是材質(zhì)有沒有缺陷,至使強度和韌性降低。


Ⅰ、淬火裂紋的特征


(1)多數(shù)情況下裂紋由表面向心部擴展,宏觀形態(tài)較平直,圖1。

(2)從宏觀與微觀看裂紋兩側(cè)均無脫碳,但如果在氧化性氣氛中進行過高溫回火,則淬火裂紋兩側(cè)會有明顯氧化層。


▲ 圖1  裂紋宏觀形態(tài)較平直


Ⅱ、顯微組織無異常現(xiàn)象,內(nèi)應力增大


(1)緊固件設(shè)計不合理,如有尖角、截面突然變化,易引起應力集中;

(2)冷卻太強烈,應該用快速淬火油,而選擇了水溶液,不該冷透時而冷透了等等;

(3)淬火時冷卻方式不當,或淬火后未及時回火。


Ⅲ、組織存在缺陷引起淬火裂紋


(1)淬火溫度偏高,奧氏體晶粒粗大,淬火后形成較粗大的馬氏體,容易開裂。特別是粗大的高碳馬氏體,常伴有顯微裂紋;

(2)鋼材存在著網(wǎng)狀碳化物等脆性相,在淬火時易沿著脆性碳化物網(wǎng)處開裂。在晶界處有沿晶界分布的碳化物網(wǎng)絡(luò),磨削時也容易磨裂;

(3)鋼材有折疊或粗大夾雜物等缺陷,淬火時易沿此缺陷形成裂紋;

(4)鋼材中存在嚴重偏析,淬火后組織不均勻,內(nèi)應力較大或不均勻,易開裂;

(5)緊固件表面脫碳,淬火時表層體積膨脹小,受到兩向應力形成龜裂,圖2。


▲ 圖2   裂紋兩側(cè)均有脫碳


2

淬火硬度不足

緊固件淬火硬度不足,形成原因可從以下幾方面考慮:

(1)加熱溫度不足。冷卻時形成屈氏體,當屈氏體很少時,硬度上無明顯變化,但金相組織上容易鑒別;

(2)淬火冷卻速度不足。淬火組織中除了馬氏體外,還有屈氏體或貝氏體組織。屈氏體或貝氏體越多,硬度越低;

(3)表層脫碳。淬火時不易形成馬氏體、鐵素體和低碳馬氏體或形成低碳馬氏體,圖3。



▲圖3  鐵素體和低碳馬氏體(×200)


(4)淬火過熱。過熱組織馬氏體粗大,殘余奧氏體量明顯增多,硬度也降低。


緊固件淬火回火后性能達不到技術(shù)要求,影響因素可以是多方面的,對其進行質(zhì)量分析,是一個復雜的過程。這里只是強調(diào)金相檢驗時應該注意有無影響強韌性的不利因素,諸如晶粒粗大、非金屬夾雜物、網(wǎng)狀滲碳體、網(wǎng)狀鐵素體、淬火組織中的非馬氏體組織以及低倍檢測中的顯微偏析造成的組織不均勻性等。


 二、非金屬夾雜物對性能的影響

鋼中的非金屬夾雜物從各個方面影響鋼的力學性能,其影響的程度取決于夾雜物的性質(zhì)、大小、數(shù)量及分布狀態(tài)。


1

對緊固件力學性能的影響

大量的非金屬夾雜物存在于鋼中,嚴重地降低鋼的力學性能和使用性能。


非金屬夾雜物所造成的鋼的組織不均勻性,作拉伸試驗時,斷裂也多發(fā)生于夾雜物叢集處。常可在拉伸及沖擊試樣的斷口上,發(fā)現(xiàn)沒有金屬光澤的夾雜物存在。


2

對鋼的切削性能的影響

當鋼中非金屬夾雜物較多時,使緊固件的表面光潔度降低,特別是對加工精度要求較高的緊固件,往往由于非金屬夾雜物自加工而剝落出現(xiàn)撕裂狀裂紋的缺陷。在加工螺紋時,常會因非金屬夾雜物剝落使螺紋表面粗糙,以至構(gòu)成廢品。


3

對鋼的壓力加工性能的影響

鋼中非金屬夾雜物降低鋼的塑性與韌性,也必然使鋼的冷變形性能變壞,在冷拉、冷鐓、冷擠壓和冷沖壓中,不僅會因非金屬夾雜物過多引起裂紋,且降低緊固件產(chǎn)品的表面質(zhì)量以至損壞模具,可在斷裂試樣處發(fā)現(xiàn)呈網(wǎng)狀分布的非金屬夾雜物。


4

鋼中非金屬夾雜物引起的淬火裂紋

鋼中大塊狀的非金屬夾雜物,淬火時起著局部缺口的作用,也是導致淬火裂紋的原因之一。當這些鋼中非金屬夾雜物處在淬火緊固件的截面突變處時,更易引起淬火裂紋的可能性增大,圖4。由于鋼中冶金缺陷及非金屬夾雜物引起的淬火裂紋,起始部分必然與這些缺陷保持一定的聯(lián)系。



▲ 圖4  裂紋兩側(cè)有非金屬夾雜物(×100)


金相檢驗取樣淬火裂紋的起始部分或在淬火裂紋的斷口上,常常可見到此類特征。在實際生產(chǎn)中,淬裂緊固件的形狀及裂紋很不規(guī)則,受取樣的限制及斷口或淬火介質(zhì)及其他雜物污染,往往不易發(fā)現(xiàn)。但對于鋼中非金屬夾雜物引起的裂紋,常可發(fā)現(xiàn)鋼中夾雜物要比正常情況下嚴重。


 三、緊固件熱處理后力學性能不合格

緊固件力學性能試驗是必不可少的生產(chǎn)檢驗項目之一。緊固件熱處理后力學性能不合格,主要有選用材料不當,技術(shù)要求不合格、試驗工作方面、鋼的化學成分偏差及熱處理工藝不當?shù)鹊鹊脑颉?/a>


1

鋼材的性能指標

鋼的力學性能與化學成分和工藝方法一定時,還要受尺寸的影響。同樣成分及熱處理狀態(tài)下,由于鋼材截面不同所得的性能可以存在很大的差異。不同直徑螺栓淬火后的表面硬度HRC,見表1。

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鋼的淬透性是指鋼在淬火時可以獲得的淬硬層的深度。對于緊固件螺紋截面心部淬火后要求獲得約90% 馬氏體,不同成分的鋼的淬硬層深度是不一樣的。雖然隨著鋼的含碳量及合金化程度提高,鋼的淬硬層的深度有所增加,但對于大多數(shù)合金結(jié)構(gòu)鋼來說,淬硬層的深度是有所限的。


隨著緊固件尺寸的增大,鋼的力學性能降低,這種情況叫做“尺寸效應”。構(gòu)成尺寸效應的原因主要有兩方面,一是鋼的淬透性的大小;二是當大尺寸時,鋼的內(nèi)部產(chǎn)生冶金缺陷,如偏析、疏松、非金屬夾雜物的機會就多,冷鐓鍛后鋼的組織也不如小尺寸的致密。后一方面的原因主要是影響鋼的塑性與沖擊韌度。


20MnTiB、10B33和35VB 、35CrMo鋼屬于低淬透性合金鋼,前者油淬臨界直徑一般不大于?24mm, 后者油淬臨界直徑一般不大于?30mm,而42CrMo、B7和40CrNiMo鋼,在截面很大時仍有較高的性能。B7化學成分相當于42CrMo鋼,42CrMo鋼的油淬臨界直徑為?45mm,40CrNiMo鋼的油淬臨界直徑為?48mm,常用的合金結(jié)構(gòu)鋼超過截面直徑需用水溶液淬火。


為了保證緊固件在使用中安全可靠,適當?shù)陌踩禂?shù)當然是必要的。一般地講高強度緊固件熱處理后的實際強度,控制在比標準要求高10%是實際生產(chǎn)合理規(guī)范。根據(jù)我們的工作實踐,發(fā)現(xiàn)許多高強度緊固件抗拉強度過高,造成強度與沖擊韌性不能兼顧的問題。


2

熱處理工藝不當

不言而喻當熱處理工藝不正確,必然會使緊固件熱處理后的力學性能不合格。淬火溫度偏低回火后強度也低于要求,且伴隨塑韌性的降低。


加熱不均勻而造成的力學性能不均勻,也可以在回火過程中發(fā)生,特別是當加熱時網(wǎng)帶爐堆積較多或緊固件回火時堆積量大的情況下更易出現(xiàn)。


3

回火不足

緊固件調(diào)質(zhì)后回火不足,反映在力學性能上,有兩種情況。


①強度高于要求較多,但塑性與沖擊韌性低于要求,系回火溫度偏低所致。

②強度高于要求不多,塑性與沖擊韌性低于要求也不多,這種情況系回火不充分造成。


第一類情況,多采用提高回火溫度的方法重新回火,見表2。

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第二類情況,可在原回火溫度下,再補充回火一次,見表3。

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根據(jù)GB/T3098.1-2010和GB/T229-2020標準規(guī)定,對螺紋公稱直徑≥16mm的8.8級與10.9級螺栓、螺釘、螺柱成品進行低溫夏比V型缺口試驗,風電機組高強度10.9級沖擊能量吸收Kv2≥27J(-45℃±2℃)。


從金相組織上看是由于回火溫度偏低,回火索氏體仍保留明顯的淬火馬氏體的位向,說明回火時基體尚未完全再結(jié)晶,經(jīng)提高回火溫度獲得均勻的回火索氏體,強度及沖擊韌性則符合要求。


補充回火后沖擊韌性仍不合格,應從其他方面分析原因,鋼的成分偏差、鋼中夾雜物、淬火狀態(tài)不佳、回火脆性等因素所致。唯一補救方法就是重新淬火,并降低回火溫度。


 四、金相組織對低溫沖擊吸收能量的影響

為了得到金相組織對低溫沖擊吸收能量的影響規(guī)律,對42CrMoA鋼M42×240試樣采取了5種不同的調(diào)質(zhì)工藝,試樣處理后對其金相組織和低溫沖擊吸收能量進行了檢查,結(jié)果見表4。


根據(jù)GB/T38720~2020《中碳鋼與中碳合金結(jié)構(gòu)鋼淬火金相組織檢驗》標準,參照評定圖,對1~6#試樣進行金相組織評級。


從表4可以看出,隨著金相組織級別的增大,低溫沖擊吸收能量降低。2級金相組織為約95%的回火索氏體組織,且組織細小,圖5。3級金相組織為回火索氏體+少量鐵素體。4級金相組織為回火索氏體+條狀及少量塊狀鐵素體,圖6。6級金相組織為回火索氏體+部分淬火屈氏體+條狀及塊狀鐵素體。7級金相組織為回火索氏體+部分淬火屈氏體+條狀及塊狀鐵素體。8級金相組織為馬氏體位向的回火索氏體+部分淬火屈氏體+較多條狀及塊狀鐵素體。



▲ 圖5  回火索氏體2級(×500)


▲ 圖6 回火索氏體4級(×500)


從金相組織照片可以看出,當金相組織超過6級時,組織中存在數(shù)量較多的鐵素體(條狀及塊狀),當金相組織大于7級時,組織中除了存在鐵素體外,而且還有淬火屈氏體組織,圖7。由于淬火屈氏體中碳化物呈細片狀,其韌性指標遠低于回火索氏體組織;組織中的大量條狀及塊狀鐵素體,造成組織不均勻,導致性能不均勻;大量的鐵素體還將導致局部硬度低,力學性能差,低溫沖擊吸收能量大幅度降低。

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圖8 回火索氏體8級(×500)


在調(diào)質(zhì)鋼中的諸多組織中,回火索氏體具有良好的綜合力學性能和低溫沖擊吸收能量。當調(diào)質(zhì)組織達到或接近1級別時,組織中的回火索氏體所占比例最大,接近100%。隨著金相組織級別的增大,低溫沖擊吸收能量降低。為此,考慮各種因素的影響,對高強度螺栓要求金相組織不大于4級為佳,最多達到或接近5級。

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GB/T38720~2020中對應調(diào)質(zhì)緊固件淬火組織+600℃回火的顯微組織,以90%回火索氏體為基準,金相組織可以量化按1~6級評定,適用于8.8級和10.9級且相近等級合金結(jié)構(gòu)鋼調(diào)質(zhì)處理的高強度螺栓。被評定的調(diào)質(zhì)組織在7~10級之間時,則判為不合格產(chǎn)品。


生產(chǎn)實踐表明,在低溫環(huán)境下服役的緊固件,1~5級為驗收標準。如果在評級時有爭議,可以參考力學性能檢驗結(jié)果進行判定。


五、其他因素

1

鋼中碳化物偏析引起的淬火裂紋

合金鋼成分的特點,組織中存在較多的二次碳化物,當碳化物分布不利時,呈網(wǎng)狀分布或呈嚴重的帶狀偏析時,使鋼產(chǎn)生很大的脆性,淬火時發(fā)展的內(nèi)應力不能為材料的塑性變形抵消,因而引起淬火緊固件開裂,并且裂紋多見于碳化物偏析最嚴重處。


2

鋼中低倍組織缺陷的影響

鋼中可能出現(xiàn)的低倍組織缺陷的種類很多。疏松、一般疏松、中心疏松。


一般情況下,鋼件緊固件經(jīng)過熱壓力加工、鐓鍛、軋制以后,可使鋼材的疏松程度減輕,提高鋼的致密度。但當嚴重的中心疏松存在時,也可能因此使鐓鍛、軋件或熱處理淬火產(chǎn)生內(nèi)部破裂。