緊固件金相制樣的開裂判別

陸柯杰，張玉煥

威睿電動汽車技術(寧波)有限公司 浙江寧波 315336

1 序言

高強度緊固件需要經過熱處理達到性能要求，通常使用網帶爐進行熱處理，作為質量控制，淬火件和回火件都需要檢測。淬火件一般需要檢測馬氏體級別、馬氏體量、淬火硬度；回火件一般需要檢測回火硬度、表面硬度、抗拉強度、屈服強度以及螺紋未脫碳層高度、全脫碳層深度等[1]。金相檢測需要對試樣進行切割和鑲嵌，切割過程會使用虎鉗夾持試樣，如果夾持力過大會使試樣變形甚至開裂。本文通過對一個具體開裂試樣的分析，闡述了分析裂紋的過程及方法。

2 問題描述

緊固件材料為SCr440（對應國產牌號：40Cr）的一批次M8×20的螺栓，熱處理前已經滾絲，檢驗員例行檢查淬火件金相，經切割、鑲嵌、拋光后發現有裂紋。切割方法為沿徑向截取一段圓柱，再沿軸向切割4等分，然后鑲嵌觀察軸向狀況，開裂試樣在鑲塊上的形態如圖1所示。

圖1 開裂試樣（25×）

3 初步分析

觀察裂紋形態，與淬火裂紋特有的紋路和尾端尖細的特征相符。

使用3%的硝酸酒精溶液腐蝕試樣，觀察裂紋處的開裂形態，如圖2所示。

圖2 開裂形態（200×）

裂紋兩側無氧化增碳、脫碳現象，符合淬火開裂的特征。因為開裂發生在奧氏體向馬氏體轉變的過程中，SCr440的Ms點為355℃，在此溫度下，即使產生裂紋，也不會發生增碳、脫碳和明顯氧化，所以淬火開裂的兩側不會有氧化、增碳、脫碳現象，否則肯定不是淬火裂紋。

再對鑲塊上的試樣進行尺寸確認，發現試樣夾持的兩面不平行，靠近螺紋邊緣厚度為2491μm，中心部位厚度為2382μm（見圖3），說明夾持時受力不均勻，螺紋端受力大。

此產品為常規件，之前生產過程未發現過開裂。

圖3 試樣尺寸測量

4 熱處理工藝回顧

熱處理前材料經過球化退火，組織為球狀珠光體。使用三永SY-805-6型加熱爐，其共分6個區，獨立控溫，甲醇滴注，爐內裂解后作為稀釋氣，丙烷為富碳氣，通過氧探頭控制碳勢。淬火冷卻介質使用德潤寶 ISOMAX 169淬火油，具體熱處理工藝見表1。

表1 熱處理工藝

5 淬火開裂常見原因分析

5.1 低溫冷卻速度過快

淬火過程中的組織應力對產品的變形和開裂影響明顯，在奧氏體轉變為馬氏體組織時，體積膨脹，冷卻速度過快使應力得不到釋放，從而使產品變形甚至開裂。按GB/T 30823—2014（同ISO 9950：1995）標準，對淬火油的冷卻速度進行測量，未發現異常，見圖4、表2。

圖4 冷卻曲線

表2 冷卻曲線數據

5.2 淬火冷卻介質中水含量過高

水的冷卻速度遠大于淬火油，油中含水時會導致產品軟點、開裂。檢測淬火油運動黏度及水分，未發現異常，見表3。

表3 淬火油中黏度及水分

5.3 原材料缺陷

鋼件內部存在的發紋、皮下氣泡，以及較嚴重的偏析、帶狀非金屬夾雜等，在淬火過程中易在缺陷處產生裂紋。檢查開裂處未發現異常材料缺陷。

5.4 熱處理前原始金相組織

鋼件的原始組織對加熱的奧氏體晶粒度及其長大有影響，與球狀珠光體相比，片狀珠光體在加熱溫度偏高時易引起奧氏體晶粒粗化，傾向于過熱，得到粗大馬氏體。查找熱處理前的檢測記錄，材料為球狀珠光體組織，球化5級，如圖5所示。

圖5 球化組織

5.5 表面脫碳

脫碳后的組織強度低，同時表面脫碳層的馬氏體比體積小，會形成較大拉應力，使表面開裂。檢查產品表面組織，未見脫碳現象，如圖6所示。

圖6 表面金相組織

經過對工件產生淬火開裂的原因分析，未發現熱處理過程異常，懷疑裂紋不是淬火時產生的。同時，分析試樣裂紋的形態，此裂紋與螺栓外徑接近相切，不符合淬火應力導致的開裂形態。工件淬火冷卻時，如果瞬時應力超過工件的斷裂強度，將產生淬火裂紋。如在工件完全淬透的情況下，因組織應力過大，在表面拉應力作用下會產生沿軸向由表面向心部的縱向裂紋；在未淬透的大型工件上，常由熱應力引起由內往外的橫向裂紋或弧形裂紋，這是由于在淬透層向非淬透層的過渡區出現最大拉應力所致[2]。此產品組織完全淬透，若是淬火開裂，形態應沿軸向從外到內，如圖7所示。因此，懷疑開裂可能是切割時夾具夾持力過大引起的。

圖7 經磁粉檢測的淬火開裂

6 試樣表面觀察

把試樣從鑲塊中取出觀察被夾持的2個面，發現2個面都有明顯的變形和開裂，如圖8、圖9所示。

觀察圖8、圖9，證實了開裂為切割時造成。金相試樣切割時，為防止試樣移動，使用虎鉗夾持住試樣，由于不能設定夾持力，至手柄擰到不能轉動為止，因此導致壓力過大而開裂。

圖8 一個夾持面

圖9 另一個夾持面

7 結束語

開裂形態多種多樣，有些具有迷惑性，但都會遵循規律，用理論知識去分析問題，善于觀察，就能快速解決問題。淬火件切割時夾持力要適當，淬火速度不能快，振動要小，冷卻要充分，才能制備出反映真實組織的試樣。