40CrNiMoA高強度螺栓斷裂分析及控制

楊瑞瑞,岳戰國,何正文,王亞安,解豪杰

(西安航空制動科技有限公司,陜西 興平 713100)

40CrNiMoA高強度螺栓為熱壓力加工無發紋鋼,該材料在40CrMoA的基礎上增加了Ni元素,淬透性得到明顯提高,熱處理后可獲得高強度(抗拉強度≥980 MPa)、高塑性和高韌性,同時具有良好的抗疲勞性能、良好的淬透性和抗過熱的穩定性。但在鍛造成型過程中易出現鍛件斷裂問題[1],本文對感應加熱過程中的加熱參數進行驗證,研究了不同加熱參數對40CrNiMoA高強度螺栓的影響。并將加熱工藝參數應用于生產過程中,解決了高強度螺栓的質量問題。

1 斷裂原因分析

1.1 螺栓結構分析

40CrNiMoA高強度螺栓毛坯圖如圖1所示。該產品為帶法蘭的外六方頭高強度螺栓[2],鍛件結構相對簡單,技術要求為未注圓角R2;表面缺陷深度應保證鍛件留有1/3的名義加工余量;分模面處允許存在毛邊;錯模量不大于0.4。整個毛坯圖滿足設計要求,鍛件結構合理,符合標準HB 5013—1996、GB 145—2001、GJB 3376—1998等的要求,并且經過多年的實際生產,因此40CrNiMoA高強度螺栓鍛件斷裂不是結構原因造成的。

圖1 40CrNiMoA高強度螺栓毛坯圖

1.2 鍛造工藝分析

但鍛造加熱環節只對加熱溫度進行要求規定,未明確感應加熱設備的加熱參數,而感應爐加熱參數不合理會導致材料受熱不均勻的現象。

1.3 生產過程分析

鍛件原材料為40CrNiMoA鋼,規格為φ16 mm,原材料廠家依據標準GJB 1951—94進行力學性能檢測,結果均合格,見表1。

表1 故障件高強度螺栓原材料廠家檢測報告

本批鋼棒按標準GJB1951—94《航空用優質結構鋼棒規范》要求進行了復驗,檢測項目包括化學成分、機械性能(抗拉、彎曲)、金相組織(高、低倍),檢測結果均合格,見表2。

表2 故障件高強度螺栓原材料復驗報告

原材料廠家檢測和復檢結果都表明材料滿足鍛造標準規范要求,符合鍛造條件。

2 理化分析

在對工藝過程復查分析的同時,對40CrNiMoA高強度螺栓鍛件進行失效分析[3]。

2.1 金相分析

對40CrNiMoA高強度螺栓斷裂部位取樣,經過預磨、拋光、腐蝕后,置于金相顯微鏡下觀察組織形貌。斷口附近存在微裂紋,裂紋長直,無明顯分叉,金相組織與基體組織無明顯差異,組織細小均勻,未見過熱過燒等組織缺陷,如圖2所示。金相試驗報告見表3。

表3 金相試驗報告

圖2 非金屬夾雜物形貌

2.2 斷口分析

40CrNiMoA高強度螺栓斷裂位置位于高強度螺栓外圓處,斷口如圖3、4所示。可以看出,斷面較平齊,局部可見裂紋擴展棱線,斷面無宏觀塑性變形,未見明顯機加缺陷;斷口出現在鍛件的軸心部分,氧化現象嚴重,部分斷口呈片層狀[4],表明鍛件在熱處理前就發生了開裂[5],局部撕裂形貌是在機械加工時由于受到外力而撕裂的二次裂紋。

圖3 40CrNiMoA高強度螺栓宏觀斷口

圖4 40CrNiMoA高強度螺栓斷口形貌

2.3 超聲波探傷分析

對40CrNiMoA高強度螺栓進行超聲波探傷,采取單晶探頭檢測鍛件有無缺陷,采用雙晶探頭對存在缺陷鍛件的缺陷位置進行確認,超聲波探傷判斷標準見表4。探測顯示單晶探頭檢測底波良好,雙晶探頭檢測無缺陷波存在為合格品;探測顯示單晶探頭檢測無底波存在,雙晶探頭檢測缺陷波存在為不合格品。

表4 超聲波探傷判斷標準

3 試驗探究及分析

針對40CrNiMoA高強度螺栓斷裂問題,選取25件原料進行分組對比試驗。螺栓鍛造成形主要包括鍛造、熱處理兩個工序,鍛造工序可分為取料、感應加熱和模鍛,在鍛造加熱過程中存在不可控現象。加熱坯料的長短和感應爐加熱參數的調節都會對高強度螺栓的生產產生影響,所以本次問題復現試驗圍繞鍛造過程中的加熱工序開展,采用正交分解法進行驗證,具體方案見表5。并采用雙晶探頭進行超聲波探傷,結果見表6。

表5 40CrNiMoA高強度螺栓試驗方案

表6 試驗件超聲波檢測結果

對比A組、B組試驗,在加熱振蕩電流相同、加熱坯料長度一致的條件下,加熱時間為8～11 s時鍛件的底波損失接近于80%,加熱時間為12～16 s時鍛件的底波損失接近于40%。這是因為加熱時間為8～11 s時,鍛件內部并未完全熱透,鍛件產生外熱內冷現象,內外塑性差異較大;加熱時間為12～16 s時,鍛件內部熱透性較好,鍛件內外塑性差異小。A1組與B1組、C組與D組、C1組與D1組對比試驗同理。結果表明,加熱過程中鍛件外熱內冷會導致鍛件開裂[6]。

對比B組、B1組試驗,在加熱振蕩電流相同、加熱時間相同的條件下,加熱坯料長度為50 mm時鍛件的底波損失接近于40%,加熱坯料長度為30 mm時鍛件的底波損失超過50%。這是因為鍛件在溫度高的區域膨脹大,溫度低的區域往往膨脹小,溫度高的部位會對溫度低的部位產生拉應力。A組與A1組、C組與C1組、D組與D1組對比試驗同理。結果表明,鍛件加熱尺寸過短時會在鍛件的冷熱分界處產生開裂。

對比A組、A1組和B組試驗,發現鍛件外冷內熱對底波影響要大于加熱坯料長度。因此鍛件的外熱內冷為高強度螺栓開裂的主要因素,加熱坯料長度過短為開裂的次要因素。

4 模擬仿真驗證

4.1 棒料模擬加熱

通過對φ16 mm棒料進行模擬加熱,控制加熱參數觀察鍛件內外加熱狀況。設置坯料加熱溫度為1150 ℃,加熱時間為12 s,環境溫度為30 ℃,網格劃分為15萬,頭部50 mm采取區域網格細化;在空氣中傳熱階段設置傳熱時間為5 s,環境溫度為30 ℃(從感應加熱爐至模具型腔時間)。圖5為不同加熱時間下坯料的溫度變化情況。

(a)1 s;(b)4 s;(c)8 s;(d)13 s

4.2 螺栓各部位溫度模擬

通過對螺栓鍛造成形流程進行仿真分析,結果如圖6所示,未出現溫度過高,故螺栓不會出現過熱、過燒情況。

(a)頭部頂端溫度1050 ℃;(b)芯部溫度1140 ℃;(c)六方頭部與法蘭R角處溫度1140 ℃;(d)桿部與法蘭R角處溫度1140 ℃;(e)螺栓頭部溫度分布情況

4.3 螺栓成形流線模擬

通過對螺栓鍛造成形整體流線進行仿真分析,在鐓制過程中鍛件的整體流線形態規整,無異常,如圖7所示。

(a)圓坯料流線形態圖;(b)截取鐓制過程中流線形態圖;(c)最終流線形態圖

4.4 組織觀察

在本批無問題螺栓產品中選取兩件進行組織分析,經研磨、拋光后,采用金相顯微鏡觀察非金屬夾雜物,如圖8所示。兩件螺栓鍛件的金相組織與基體組織無明顯差異,組織細小均勻,未見過熱、過燒等組織缺陷。

圖8 正常螺栓的金相組織 500×

5 結論

1)鍛造加熱過程中感應加熱裝置振蕩電流過大,加熱時間過短,會引起鍛件外熱內冷,導致鍛件內部塑性低,內外變形程度較大,從而造成鍛造后高強度螺栓頭部出現開裂現象。

2)在加熱過程中鍛件加熱尺寸過短時,溫度高的區域膨脹大,溫度低的區域膨脹小,溫度低膨脹小的中心部位因受到溫度高膨脹大的表層拉伸作用而產生拉應力,會在鍛件的冷熱分界處產生裂紋。

3)經過試驗驗證,確定不同規格40CrNiMoA高強度螺栓坯料的感應爐加熱參數:φ11～φ13 mm規格的坯料,振蕩電流設置為400±40 A,加熱時間為11～15 s;φ14～φ16 mm規格的坯料,振蕩電流設置為440±40 A,加熱時間為12～16 s。