冷鐓鋼B7法蘭螺栓斷裂原因分析與改進

林作津

(蕪湖新興鑄管有限責任公司,安徽 蕪湖 241002)

1 前 言

高強度B7冷鐓鋼是美標ASTMA193中一種高強度冷鐓標準件用鋼的牌號,主要用于制作10.9、12.9級標準件[1],制造風電機組、石油管道、汽車、工業設備等產品中常用這一類緊固件產品[2]。客戶反饋某批Φ10mm的B7熱軋盤條做成法蘭面螺栓用在割草機上出現斷裂。客戶加工流程:酸洗→磷化→皂化→一次拉拔→退火→二次拉拔→球化退火→冷鐓→調質→表面處理→包裝、出庫。

圖1 法蘭螺栓

2 檢 驗

2.1 化學成分

在斷裂樣品螺栓取樣做化學成分分析,檢測結果如表1所示,化學成分滿足ASTMA193—2017的要求。

表1 B7法蘭螺栓化學成分 %

2.2 體視顯微觀察

螺栓在螺桿與螺紋的交接部分發生斷裂(見圖2),體視顯微鏡宏觀端口觀察,該處存在多條裂紋,斷口處可以看到裂紋從邊緣擴展到內部(見圖3)。螺栓斷裂是由于表面存在多條裂紋,在使用過程中受力導致裂紋的擴展,引起螺栓斷裂。

圖2 螺栓臺階存在多條裂紋

圖3 斷口處裂紋擴展

2.3 金相顯微分析

斷裂螺栓樣品進行縱剖檢驗金相。試樣拋光后使用3%的硝酸酒精溶液侵蝕后觀察,試樣基體組織為回火索氏體,如圖4所示。試樣表面存在全脫碳層和晶間氧化、高溫氧化物,如圖5、圖6所示,全脫碳及晶界氧化通常產生于材料冷鐓前的退火過程,與退火時爐氣碳勢控制較低有關[3]。

圖4 螺栓基體組織

圖5 螺栓表層脫碳

圖6 高溫氧化物

2.4 能譜分析

使用Oxford能譜分析儀對高溫氧化物成分進行能譜分析,高溫氧化物組分Cr、Mn等合金氧化物(見圖7)。

圖7 能譜分析

3 分 析

B7螺栓臺階處存在裂紋是導致螺栓開裂的主要原因。由于退火過程氣氛控制不當,材料表面產生全脫碳層及晶間氧化缺陷。全脫碳層的形成導致其中的鐵素體晶界抗氧化性降低,從而在B7鋼表面形成大量沿鐵素體晶界擴展的裂紋,從而導致B7鋼在冷鐓過程中開裂[4-9]。冷鐓過程產生多條裂紋,后續淬火過程裂紋向內擴展,致使螺栓使用過程受力導致螺栓斷裂。

4 改進建議

盤條退火的脫碳層控制主要通過氧勢和碳勢因子(CPF)值進行監控。CPF值是決定線材在熱處理期間是否脫碳的關鍵參數[10],退火期間通過輸入裂解氣(RX氣體)作為保護氣體保證CPF數值。客戶退火期間適當輸入RX氣體作為保護氣體控制氣氛碳勢,從而可有效避免冷鐓鋼線材在退火期間脫碳。