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冷鐓鋼螺母,冷鐓開裂的原因分析

冷鐓鋼盤條是用于制造螺栓、鉚釘?shù)染o固件的原材料。冷鐓過程采用一次或多次沖擊加載,通過材料的冷作硬化提高工件的抗拉強度,改善材料的使用性能,其要求冷鐓用鋼具有良好的冷頂鍛性能。


為此,本文針對此問題對產(chǎn)品進行質(zhì)量分析,找出冷鐓開裂的主要原因,以期望提高產(chǎn)品性能。

 

 

宏觀試樣

ML08AL冷鐓盤條所生產(chǎn)的螺母出現(xiàn)的質(zhì)量問題,具有代表性的墩裂試樣,如圖1、圖2所示。

 

分析加工螺釘常規(guī)工藝,導(dǎo)致開裂的原因主要有四個方面:原料鋼絲表面裂紋、化學(xué)成分、夾雜物及顯微組織。

 

冷鐓盤條在出廠中均要逐批進行1/3級別以上的冷頂鍛和嚴(yán)格的表面質(zhì)量檢驗,100%合格方可交貨,基本可以排除原料鋼絲表面裂紋。本文主要針對其他三個方面進行檢驗分析。

 

圖1鐓頭開裂樣

 

圖2掃描電鏡下觀察鐓頭開裂的宏觀試樣

 

原因分析

 

2.1 化學(xué)成分分析

 

鋼材的化學(xué)成分是決定鋼材性能的基本因素,通過影響顯微組織影響鋼材性能。對生產(chǎn)的冷鐓鋼盤條進行化學(xué)成分檢驗,結(jié)果如表1所示。

 

s是鋼中的有害元素,使鋼產(chǎn)生熱脆性,它還能降低緊固件的疲勞強度和動載強度,任何種類的冷鐓鋼的含硫量都要盡可能低。

 

P也是鋼中的有害元素,存在于鋼中,會導(dǎo)致鋼冷變形脆性,同時作為雜質(zhì)元素,會沿晶界偏析,引起晶界脆化,損害鋼的性能,所以應(yīng)盡可能的低。從表1可以看出,生產(chǎn)的盤條化學(xué)各項成分均符合要求,且S、P含量遠低于要求上限。

 

表一盤條化學(xué)成分

 

2.2 鋼中非金屬夾雜物

 

鋼中非金屬夾雜含量高是造成標(biāo)準(zhǔn)件冷鐓開裂的一個重要因素。文獻表明,非金屬夾雜物是造成冷鐓開裂的主要原因之一。

 

其中,非金屬夾雜中B類和D類夾雜危害最大。Al2O3夾雜物的尺寸、距鋼材表面的距離對形成裂紋產(chǎn)生影響,夾雜物的尺寸越大,距鋼材表面越近則危害也越大。一般認為,表面層(2mm)的B類夾雜不應(yīng)大于10~15。

 

將墩裂試樣放人丙酮溶液中,經(jīng)過超聲波清洗以后,在掃描電鏡下觀察,可以在墩裂的裂紋處看見大量夾雜物存在,如圖3所示。

 

圖3掃描電鏡下觀察墩裂試樣的宏觀裂紋

 

應(yīng)的能譜分析,如表2所示。

 

表2宏觀裂紋附近的掃描結(jié)果

 

通過圖3發(fā)現(xiàn),裂紋處存在很多非金屬夾雜物,尺寸大小基本在10斗m以上。然后進行能譜分析,然后將墩裂試樣的橫截面磨平、拋光,在掃描電鏡下觀察。在裂紋附近,同樣發(fā)現(xiàn)了大量的夾雜物存在,如圖4所示。對應(yīng)的能譜分析如表3所示。

 

圖4掃描電鏡下觀察到裂紋處存在的夾雜物

 

表3鐓裂處電鏡掃描結(jié)果分析

 

由于ML08Al盤條規(guī)格在①8mm以下,加工過程拉拔減面率極大,原位于盤條內(nèi)部的夾雜物隨著拉拔鋼絲絲徑減小逐漸移至近表面,雖然未形成鋼絲表面裂紋,但是在下一步冷鐓工序中也會導(dǎo)致螺釘開裂。

 

2.3 顯微組織

 

冷鐓盤條的顯微組織應(yīng)該為鐵素體+粒狀珠光體(F+P),標(biāo)準(zhǔn)一般都規(guī)定組織為2~4級,不得有片狀珠光體和貝氏體。珠光體球的尺寸和分布是影響冷鐓性能的主要因素,理想組織是珠光體球粒大小相近并均勻分布在鐵素體基體上。

 

珠光體不同顯微組織性能從好到壞的排列順序為:粒狀珠光體、索氏體、細片狀珠光體、片狀珠光體。金屬形變最突出的特點是其不均勻性14】。

 

當(dāng)組織中存在一定的魏氏體組織時,會加劇拉拔變形過程中的形變不均勻性,從而導(dǎo)致應(yīng)力集中。應(yīng)力集中導(dǎo)致局部拉應(yīng)力超過材料的強度極限,材料產(chǎn)生斷裂。緊固件技術(shù)人才都在螺絲知道。為此,通過試驗來觀察冷鐓鋼試樣的組織形貌和晶粒大小。

 

將鐓裂的試樣和正常樣分別標(biāo)記為a和b。將試樣清洗后,在2%硝酸酒精溶液中浸蝕,然后在金相顯微鏡下放大200及500倍觀察組織并拍照,如圖5、圖6所示。

 

過圖5、圖6所示的冷鐓鋼金相組織可以發(fā)現(xiàn),兩者的基體組織都是網(wǎng)狀鐵素體+珠光體。

 

冷鐓開裂試樣中的金相組織由于受到頂鍛壓力的作用,組織形狀發(fā)生變形,這屬于正?,F(xiàn)象。同時兩者的晶粒尺寸并沒有發(fā)生明顯的變化,也沒有出現(xiàn)如魏氏組織、馬氏體等脆性相。

 

圖5200倍下觀察的試樣金相組織

 

圖6500倍下觀察的試樣金相組織

 

小結(jié)

通過化學(xué)成分分析可知,ML08AL的各項元素指標(biāo)均在標(biāo)準(zhǔn)范圍之內(nèi),且有害元素S、P的含量遠低于要求上限,因此化學(xué)成分不是造成產(chǎn)品冷鐓開裂的原因。

 

由螺栓工件的形狀可知,帽檐處直徑最大,因此,冷鐓加工過程中帽檐處金屬的塑性應(yīng)變最大,所承受的拉應(yīng)力最大,最容易產(chǎn)生開裂缺陷。

 

加工過程拉拔減面率極大,原位于盤條內(nèi)部的夾雜物隨著拉拔鋼絲絲徑減小逐漸移至近表面,雖然未形成鋼絲表面裂紋,但是在下一步冷鐓工序中就會導(dǎo)致螺釘開裂。在裂紋附近發(fā)現(xiàn)的夾雜物正好成為裂紋源,因此,認為夾雜物是產(chǎn)生裂紋的主要原因。

 

過對顯微組織的分析可知,鐓裂試樣和正常試樣的顯微組織均為網(wǎng)狀鐵素體+珠光體,沒有出現(xiàn)如魏氏組織、馬氏體等脆性相,故可以說明金相組織不是試樣開裂的主要原因。

 

解決措施

針對夾雜物的產(chǎn)生原因,通過制定嚴(yán)格控制轉(zhuǎn)爐下渣、優(yōu)化精煉渣系、全程保護澆注等措施,鋼中夾雜物數(shù)量及尺寸有了明顯改善,產(chǎn)品質(zhì)量得到了保證。


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