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SWRCH22A十字头螺钉断裂分析

2011-12-29 10:42| 发布者: editorche| 查看: 5622| 评论: 0|原作者: 王文瀚,何毅,诸葛宇明,金玉静

摘要: SWRCH22A盘条生产的十字有螺钉在进行扭力和攻速测试时发生断裂。通过对盘条和螺钉的组织和断口进行分析,探讨了断裂的原因。结果表明:在螺钉生产的搓丝过程中形成的齿间严重表面裂纹是造成螺钉断裂的根本原因。此外 ...

摘要:SWRCH22A盘条生产的十字头螺钉在进行扭力和攻速测试时发生断裂。通过对盘条和螺钉的组织和断口进行分析,探讨了断裂的原因。结果表明:在螺钉生产的搓丝过程中形成的齿间严重表面裂纹是造成螺钉断裂的根本原因。此外,盘条冷镦前球化退火工艺不良造成表面严重脱碳并形成粗大的铁素体,而后表面过度渗碳处理致使螺钉表面严重脆化,并在渗碳层下形成铁素体+马氏体过渡层组织和沿晶渗碳体,螺钉表面裂纹在最大剪切应力作用下通过沿晶断裂最终导致螺钉失效。

关键词:螺钉;脱碳;沿晶断裂;渗碳处理

    某工厂使用SWRCH22A热轧盘条(Φ5.5mm)生产的M4mm×80mm的十字螺头在成品扭力和攻速性能检测中多次出现断裂失效现象。螺钉的加工工艺过程为:热轧盘条→粗条→球化退火→精拉→墩头→搓丝→表面渗碳→淬火→回火→(镀锌)→成品检验→入库。为查明螺钉断裂的原因,笔者对其进行了检验和分析,并提出了改进措施。

1理化分析

1.1宏观检验

    在扭力和攻速测试时发生断裂失效螺钉的宏观形貌如图1所示。断裂部位均发生在螺纹总长度的中部位置,而在螺钉的无螺纹杆部均未发生断裂。观察发现,断裂螺钉的每个螺纹齿间底部均存在严重的形似压入折叠和碎裂凹坑状表面缺陷,这些缺陷呈螺旋状连续分布在螺钉纹牙之间。在螺钉断口上也可见断口边缘呈碎屑状,另外在部分断口中心处发现有小空洞。

 

1.2化学成分分析

    在加工原盘条和螺钉上分别取样进行化学成分分析,结果如表1所示,可见两者的化学成分一致,均符合JIS G 3507-1:2005SWRCH22A冷镦钢的要求。

 

1.3金像分析

    SWRCH22A热轧盘条的显微组织如图2所示,可见为均匀的铁素体+珠光体,铁素体晶粒度为910级,盘条表面没有发现脱碳现象。

 

    断裂螺钉横截面的微观形貌如图3所示,可见由表面渗碳层、近表面脱碳层和心部基体组织三部分组成。观察发现螺钉表面渗碳严重,渗碳层深度已达到约300μm;渗碳层内存在许多微裂纹,有的裂纹深度已达到500μm,且随着这些裂纹深入基体,沿裂纹边缘也发现有渗碳层深入基体,(如图34中箭头所指位置),因此推测,这些裂纹是先于渗碳处理已在螺钉表面形成。在整过螺钉截面渗碳层下仍然保留一圈脱碳层,即图3中的白亮区域,这说明螺钉渗碳处理前有严重的脱碳,尤其是牙顶部脱碳深度达到12mm,以至于渗碳处理无法使脱碳层完全渗碳,最后在螺钉表面形成的渗碳层(图4,在心部形成回火马氏体(图5),在中间区域形成马氏体+铁素体的过渡层(图6),且铁素体晶粒尺寸较基体的粗大。对于不同区域的显微硬度进行测试,结果显示表面渗碳层的硬度达到681HV0.1,脱碳层的硬度仅为160 HV0.1,而心部回火马氏体的硬度达到490 HV0.1

    对搓丝后热处理前螺钉纵剖面的形貌进行观察,结果如图7所示。由图7a)可见,螺钉纵剖面螺纹牙齿间和牙齿上均存在表面凹坑和大量微裂纹,裂纹深度以达到360μm以上,且这些微裂纹向心部扩展。然而,在螺杆无螺纹部位的纵剖面上可见良好球化退火的铁素体和球状珠光体组织,表面无微裂纹但存在严重的脱碳层,厚度达到400μm,见图7b)。因此可以确定在螺钉加工工艺中,球化退火导致盘条表面严重脱碳,且随后的不良搓丝工序导致螺钉齿间表层形成大量微裂纹。

 

1.4断口分析

    用扫描电镜观察断裂螺钉的断口,发现断口外表面有约0.3mm厚的脆性碎裂区域以及大量微裂纹,如图8和图9所示。对图9中表层脆性断裂区以下的方框区域局域放大,可见呈现明显的冰糖状沿晶断裂特征,如图10所示。沿断口表层向心部观察,发现断裂形貌逐渐由沿晶断裂向韧窝转变,断口中心处存在孔洞,其附近均为塑性韧窝断裂形貌,且中心空洞内未发现夹杂物,见图11.断口的SEM分析结果表明,在螺钉扭力测试中断裂均起源于螺钉表面的碎裂层,并沿碎裂层下的脆性层沿晶扩展,最终导致螺钉断裂失效。

2分析与讨论

     自供螺钉通常是低碳钢冷镦成型并辅以表面渗碳硬化处理加工而成,这样即确保螺钉心部具有良好的韧性,同时表面又有很高的硬度以保证其穿透能力。在螺钉性能检测中,最重要的是扭力、攻速、表面硬度和心部硬度四项指标。在扭力、攻速检测是发生扭力不达标而出现螺钉早期断裂失效据相关分析认为存在以下一些原因,如原材料铸坯中心疏松、螺钉热处理回火温度过低、淬火裂纹以及氢滞裂纹等。

    通过对SWRCH22A盘条、断裂螺钉以及加工过程中的螺钉的组织形貌分析表明,螺钉断裂失效是由于后续加工过程所致,即盘条表面球化退火时严重脱碳,表面硬度降低,塑性增加,在搓丝过程中受到强烈的挤压扭转变形,同时摩擦生热进一步导致表面软化而已发生塑性变形,甚至与搓丝板发生粘结;再加上如搓丝时动板、静板的匹配不良,以及发生粘结后表面不光滑,搓丝时润滑不充分等原因,即可使螺钉牙间形成严重的表面缺陷,如图1和图7a)所示。这些螺纹牙间表面的凹坑和大量的裂纹几乎贯穿整个渗碳层深度,在后续扭力和攻速测试中受到扭转变形时,这些原始裂纹成为螺钉断裂的裂纹源,并向心部扩展最终导致断裂。

    发生失效断裂的另一个原因是对螺钉进行过渡渗碳处理由于螺钉表面存在大量微裂纹,碳易沿裂纹扩散而使渗碳层增厚,且导致表层硬度过高而严重脆化(图3和图4)。此外,由于盘条在球化退火处理时脱碳严重,并形成很厚的脱碳层(400μm)。尽管在随后的渗碳工艺处理中,最外的脱碳层完全转变为渗碳层,但在稍靠内部的脱碳区域仍为完全渗碳。而在渗碳过程中,碳首先并主要沿脱碳后的粗大铁素体晶界扩散。故淬火后在渗碳层与基体之间的过渡区域形成沿晶渗碳体(图6)。过渡层内的沿晶渗碳体在扭转时导致脆性沿晶断裂(图10)。断口分析中观察到的发生沿晶断裂的位置与螺钉组织分析中观察到的过渡层的位置也是一致的。

    在扭转加载情况下,应力穿过圆形横截面柱棒的分布与半径呈线性关系,在圆柱心部剪切应力为零,而在圆柱表面剪切应力最大。可见,断裂螺钉的表层渗碳层以及过渡层在扭力和攻速测试中承受了最大剪切应力,而心部空洞或疏松处所承受的剪切应力几乎为零。结合断口分析表明,螺钉中心均为良好的韧性断裂,而非裂纹源,且只有部分螺钉断口存在中心孔洞或疏松。因此螺钉表面严重缺陷是导致断裂的真正原因,而非中心孔洞或疏松引起螺钉断裂。

3结论及建议

    螺钉搓丝时形成牙间严重表面裂纹是螺钉扭力和攻速测试时断裂失效的根本原因。

    球化退火造成盘条表面严重脱碳,后续过度渗碳处理使螺钉表面严重脆化,并在渗碳层与心部回火马氏体基体间形成铁素体和马氏体并带有沿晶渗碳体的过渡层。螺钉表层在最大剪切应力作用下,脆化的渗碳层内裂纹极易沿晶扩展穿越过渡层,并最终导致螺钉断裂失效。

    为提高螺钉性能,防止断裂,可采取如下措施:①保持搓丝板模具状态良好,表面光滑无毛刺或粘结,或调整加工工艺以消除搓丝时在螺纹牙间形成的微裂纹和凹坑;②避免盘条球化退火时表面脱碳,杜绝后续渗碳时形成过渡层(马氏体+铁素体)组织,防止沿晶开裂;③避免过度渗碳导致表层渗碳层脆化。


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