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緊固件熱處理常見(jiàn)缺陷

瀏覽次數(shù)：1068 發(fā)布時(shí)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(jiàn)，如硬度不足、變形、開(kāi)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(yàn)是常用的方法，占重要地位。



1

淬火裂紋

淬火時(shí)在緊固件中引起的內(nèi)應(yīng)力是造成變形與開(kāi)裂的根本原因。當(dāng)內(nèi)應(yīng)力超過(guò)材料的屈服強(qiáng)度時(shí)，便引起變形；當(dāng)內(nèi)應(yīng)力超過(guò)材料的斷裂強(qiáng)度時(shí)，便造成開(kāi)裂。只有拉應(yīng)力是使裂紋萌生和擴(kuò)展的必要條件。分析淬火裂紋原因，可以從兩方面來(lái)考慮，一是有哪些因素造成了較大的應(yīng)力；二是材質(zhì)有沒(méi)有缺陷，至使強(qiáng)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(kuò)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(wú)脫碳，但如果在氧化性氣氛中進(jìn)行過(guò)高溫回火，則淬火裂紋兩側(cè)會(huì)有明顯氧化層。


▲ 圖1  裂紋宏觀形態(tài)較平直


Ⅱ、顯微組織無(wú)異?，F(xiàn)象，內(nèi)應(yīng)力增大


（1）緊固件設(shè)計(jì)不合理，如有尖角、截面突然變化，易引起應(yīng)力集中；

（2）冷卻太強(qiáng)烈，應(yīng)該用快速淬火油，而選擇了水溶液，不該冷透時(shí)而冷透了等等；

（3）淬火時(shí)冷卻方式不當(dāng)，或淬火后未及時(shí)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(kāi)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(shí)易沿著脆性碳化物網(wǎng)處開(kāi)裂。在晶界處有沿晶界分布的碳化物網(wǎng)絡(luò)，磨削時(shí)也容易磨裂；

（3）鋼材有折疊或粗大夾雜物等缺陷，淬火時(shí)易沿此缺陷形成裂紋；

（4）鋼材中存在嚴(yán)重偏析，淬火后組織不均勻，內(nèi)應(yīng)力較大或不均勻，易開(kāi)裂；

（5）緊固件表面脫碳，淬火時(shí)表層體積膨脹小，受到兩向應(yīng)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(shí)形成屈氏體，當(dāng)屈氏體很少時(shí)，硬度上無(wú)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(shí)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(guò)熱。過(guò)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(dá)不到技術(shù)要求，影響因素可以是多方面的，對(duì)其進(jìn)行質(zhì)量分析，是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程。這里只是強(qiáng)調(diào)金相檢驗(yàn)時(shí)應(yīng)該注意有無(wú)影響強(qiáng)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(cè)中的顯微偏析造成的組織不均勻性等。


 二、非金屬夾雜物對(duì)性能的影響

鋼中的非金屬夾雜物從各個(gè)方面影響鋼的力學(xué)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(duì)緊固件力學(xué)性能的影響

大量的非金屬夾雜物存在于鋼中，嚴(yán)重地降低鋼的力學(xué)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(yàn)時(shí)，斷裂也多發(fā)生于夾雜物叢集處。?？稍诶旒皼_擊試樣的斷口上，發(fā)現(xiàn)沒(méi)有金屬光澤的夾雜物存在。


2

對(duì)鋼的切削性能的影響

當(dāng)鋼中非金屬夾雜物較多時(shí)，使緊固件的表面光潔度降低，特別是對(duì)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(shí)，常會(huì)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(duì)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(huì)因非金屬夾雜物過(guò)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(shí)起著局部缺口的作用，也是導(dǎo)致淬火裂紋的原因之一。當(dāng)這些鋼中非金屬夾雜物處在淬火緊固件的截面突變處時(shí)，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(yàn)取樣淬火裂紋的起始部分或在淬火裂紋的斷口上，常?？梢?jiàn)到此類特征。在實(shí)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(duì)于鋼中非金屬夾雜物引起的裂紋，?？砂l(fā)現(xiàn)鋼中夾雜物要比正常情況下嚴(yán)重。


 三、緊固件熱處理后力學(xué)性能不合格

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


1

鋼材的性能指標(biāo)

鋼的力學(xué)性能與化學(xué)成分和工藝方法一定時(shí)，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(jiàn)表1。

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鋼的淬透性是指鋼在淬火時(shí)可以獲得的淬硬層的深度。對(duì)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(duì)于大多數(shù)合金結(jié)構(gòu)鋼來(lái)說(shuō)，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(xué)性能降低，這種情況叫做“尺寸效應(yīng)”。構(gòu)成尺寸效應(yīng)的原因主要有兩方面，一是鋼的淬透性的大?。欢钱?dāng)大尺寸時(shí)，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(jī)會(huì)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(shí)仍有較高的性能。B7化學(xué)成分相當(dāng)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(guò)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(dāng)?shù)陌踩禂?shù)當(dāng)然是必要的。一般地講高強(qiáng)度緊固件熱處理后的實(shí)際強(qiáng)度，控制在比標(biāo)準(zhǔn)要求高10%是實(shí)際生產(chǎn)合理規(guī)范。根據(jù)我們的工作實(shí)踐，發(fā)現(xiàn)許多高強(qiáng)度緊固件抗拉強(qiáng)度過(guò)高，造成強(qiáng)度與沖擊韌性不能兼顧的問(wèn)題。


2

熱處理工藝不當(dāng)

不言而喻當(dāng)熱處理工藝不正確，必然會(huì)使緊固件熱處理后的力學(xué)性能不合格。淬火溫度偏低回火后強(qiáng)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(xué)性能不均勻，也可以在回火過(guò)程中發(fā)生，特別是當(dāng)加熱時(shí)網(wǎng)帶爐堆積較多或緊固件回火時(shí)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(xué)性能上，有兩種情況。


①?gòu)?qiáng)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(qiáng)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(jiàn)表2。

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第二類情況，可在原回火溫度下，再補(bǔ)充回火一次，見(jiàn)表3。

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根據(jù)GB/T3098.1-2010和GB/T229-2020標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，對(duì)螺紋公稱直徑≥16mm的8.8級(jí)與10.9級(jí)螺栓、螺釘、螺柱成品進(jìn)行低溫夏比V型缺口試驗(yàn)，風(fēng)電機(jī)組高強(qiáng)度10.9級(jí)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(shuō)明回火時(shí)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(qiáng)度及沖擊韌性則符合要求。


補(bǔ)充回火后沖擊韌性仍不合格，應(yīng)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(bǔ)救方法就是重新淬火，并降低回火溫度。


 四、金相組織對(duì)低溫沖擊吸收能量的影響

為了得到金相組織對(duì)低溫沖擊吸收能量的影響規(guī)律，對(duì)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(duì)其金相組織和低溫沖擊吸收能量進(jìn)行了檢查，結(jié)果見(jiàn)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(yàn)》標(biāo)準(zhǔn)，參照評(píng)定圖，對(duì)1～6#試樣進(jìn)行金相組織評(píng)級(jí)。


從表4可以看出，隨著金相組織級(jí)別的增大，低溫沖擊吸收能量降低。2級(jí)金相組織為約95%的回火索氏體組織，且組織細(xì)小，圖5。3級(jí)金相組織為回火索氏體+少量鐵素體。4級(jí)金相組織為回火索氏體+條狀及少量塊狀鐵素體，圖6。6級(jí)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(jí)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(jí)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(jí)（×500）


▲ 圖6 回火索氏體4級(jí)（×500）


從金相組織照片可以看出，當(dāng)金相組織超過(guò)6級(jí)時(shí)，組織中存在數(shù)量較多的鐵素體（條狀及塊狀），當(dāng)金相組織大于7級(jí)時(shí)，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(xì)片狀，其韌性指標(biāo)遠(yuǎn)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(dǎo)致性能不均勻；大量的鐵素體還將導(dǎo)致局部硬度低，力學(xué)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(jí)（×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(xué)性能和低溫沖擊吸收能量。當(dāng)調(diào)質(zhì)組織達(dá)到或接近1級(jí)別時(shí)，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(jí)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(duì)高強(qiáng)度螺栓要求金相組織不大于4級(jí)為佳，最多達(dá)到或接近5級(jí)。

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GB/T38720～2020中對(duì)應(yīng)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(zhǔn)，金相組織可以量化按1～6級(jí)評(píng)定，適用于8.8級(jí)和10.9級(jí)且相近等級(jí)合金結(jié)構(gòu)鋼調(diào)質(zhì)處理的高強(qiáng)度螺栓。被評(píng)定的調(diào)質(zhì)組織在7～10級(jí)之間時(shí)，則判為不合格產(chǎn)品。


生產(chǎn)實(shí)踐表明，在低溫環(huán)境下服役的緊固件，1～5級(jí)為驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。如果在評(píng)級(jí)時(shí)有爭(zhēng)議，可以參考力學(xué)性能檢驗(yàn)結(jié)果進(jìn)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(diǎn)，組織中存在較多的二次碳化物，當(dāng)碳化物分布不利時(shí)，呈網(wǎng)狀分布或呈嚴(yán)重的帶狀偏析時(shí)，使鋼產(chǎn)生很大的脆性，淬火時(shí)發(fā)展的內(nèi)應(yīng)力不能為材料的塑性變形抵消，因而引起淬火緊固件開(kāi)裂，并且裂紋多見(jiàn)于碳化物偏析最嚴(yán)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(guò)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(dāng)嚴(yán)重的中心疏松存在時(shí)，也可能因此使鐓鍛、軋件或熱處理淬火產(chǎn)生內(nèi)部破裂。