30Ni4CrMoA鐓制螺栓內(nèi)部開裂原因分析

河南航天精工制造有限公司 （信陽 464000） 許永春 馮德榮

30Ni4CrMoA鋼是一種調(diào)質(zhì)鋼，相當于法國材料牌號30NCD16。該鋼具有良好的淬透性，經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后，可以獲得均勻的高強度、高塑性和高韌性配合，并且冷脆轉(zhuǎn)變溫度低，缺口敏感性小，高的抗疲勞性能，適用于制造截面較大的重要受力構(gòu)件，如各種軸類、螺栓、齒輪等。螺栓作為一種重要的結(jié)構(gòu)件，其失效故障造成的危害極大。本文研究了熱鐓螺栓內(nèi)部裂紋，由于其存在于螺栓內(nèi)部，在后續(xù)的加工及檢測中很難被發(fā)現(xiàn)，服役后將對產(chǎn)品造成極大的危害。

該批次螺栓的加工工藝為：下料→磨光→熱鐓→車削→熱處理→噴砂→滾螺紋→表面處理等，發(fā)現(xiàn)內(nèi)部存在缺陷的工序為熱鐓之后的金相檢查。通過剖開，發(fā)現(xiàn)螺栓內(nèi)部在熱影響區(qū)存在兩條較為明顯的裂紋，如圖1所示。

圖1

從圖1中可以看出：圖1a裂紋粗大，較為明顯；圖1b裂紋細小。圖1中在裂紋周圍并未發(fā)現(xiàn)對裂紋產(chǎn)生有明顯影響的非金屬夾雜物，非金屬夾雜物種類及尺寸均符合遼新5－0008－2003《30Ni4CrMoA(30NCD16)結(jié)構(gòu)鋼棒技術(shù)條件》中的要求。

1.理化檢驗

（1）化學成分分析 針對該批次螺栓，截取一段進行電感耦合等離子發(fā)射光譜儀（ICP）化學成分分析，結(jié)果見表1。從表1中可以看出：各種主要元素含量均符合遼新5-0008-2003《30Ni4CrMoA(30NCD16)結(jié)構(gòu)鋼棒技術(shù)條件》對30Ni4CrMoA鋼成分的技術(shù)要求。

表1 材料化學成分（質(zhì)量分數(shù)）（%）

（2）金相分析 對該螺栓的裂紋處進行了顯微組織分析，如圖2所示。

圖2

從圖2中可以看出：圖2a為100×下的裂紋處顯微組織形貌，表面呈現(xiàn)暗紅色；圖2b為500×下的裂紋形貌特征，裂紋沿晶界延伸至頭下圓角處，有微小的開裂；圖2c為500×下的顯微組織，其組織構(gòu)成為絕大部分的低碳板條馬氏體、少量的針狀馬氏體和極少量的殘留奧氏體；圖2d為該螺栓熱影響區(qū)處的晶粒組織，根據(jù)GB/T6394－2002《金屬平均晶粒度測定方法》，其晶粒度等級為6.5級，而根據(jù)遼新5－0008－2003《30Ni4CrMoA(30NCD16)結(jié)構(gòu)鋼棒技術(shù)條件》的要求，其原材料晶粒度應(yīng)大于7級，允許個別5級晶粒存在，熱影響區(qū)的晶粒度比標準值大半級。

（3）力學性能試驗 對該螺栓熱影響區(qū)進行了維氏硬度試驗，其結(jié)果見表2。

表 2

從表2中的數(shù)據(jù)可以看出：數(shù)據(jù)偏差較大，最大值與最小值差別52個維氏硬度單位；該螺栓熱影響區(qū)裂紋周圍的顯微組織均為馬氏體組織。

2.綜合分析

該批次螺栓原材料顯微組織如圖3所示。從圖3中可以看出：圖3a為100×的顯微組織特征，圖3b為500×下的顯微組織形貌，其組織構(gòu)成為鐵素體基體上均勻分布著極為細小的珠光體。原材料顯微組織狀態(tài)為正火態(tài)，符合其交貨的狀態(tài)。

30Ni4CrMoA具有良好的淬透性，淬火后水冷至室溫，其殘留奧氏體含量與Ms點溫度和淬火后溫度Tq有關(guān)，由下公式計算：

式中：Vγ為殘留奧氏體含量；Ms為馬氏體相變溫度；Tq為淬火后溫度。熱膨脹法測定30Ni4CrMoA的Ms點為320℃。由上式計算得，淬火冷卻至15℃時，殘留奧氏體含量為3.5%（體積分數(shù)）。

圖3

綜上所述，亞共析鋼一般選擇Ac3以上40～70℃作為淬火溫度，30Ni4CrMoA一般選擇850℃油淬。該批次螺栓由于熱鐓時高頻加熱溫度過高，保溫時間較長，組織完全奧氏體化。由于頭部變形量較大，進行了較為充分的動態(tài)再結(jié)晶，而沒有產(chǎn)生較大的晶粒；熱影響區(qū)屬于加熱范圍，并且沒有變形，導致晶粒長大；由于操作工人違反操作規(guī)程，把剛鐓制的產(chǎn)品還沒有冷卻，就直接投入到水槽中，致使螺栓發(fā)生了水淬，產(chǎn)生了板條束狀馬氏體和個別針狀馬氏體及極少量的殘留奧氏體組織，水冷速度大于油冷速度，來不及釋放馬氏體形變所產(chǎn)生的應(yīng)力，從而導致螺栓內(nèi)部熱影響區(qū)應(yīng)力集中產(chǎn)生裂紋，并沿晶界擴展至螺栓頭下圓角處。

3.結(jié)語

（1）該批次螺栓由于熱鐓加熱溫度過高，保溫時間較長，以及工人違反操作規(guī)程等多種因素共同導致了螺栓內(nèi)部開裂。

（2）應(yīng)選擇合理的熱鐓工藝參數(shù)，根據(jù)零件的尺寸和狀態(tài)，適當降低加熱溫度和保溫時間，減少晶粒長大的傾向，找出最合適的加工工藝參數(shù)，避免過熱現(xiàn)象的產(chǎn)生。

（3）建議生產(chǎn)車間針對不同的材料制訂嚴格的規(guī)章制度，杜絕由于違規(guī)操作所導致的產(chǎn)品缺陷。（20131102）