30Ni4CrMoA鐓制螺栓內部開裂原因分析

河南航天精工制造有限公司 （信陽 464000） 許永春 馮德榮

30Ni4CrMoA鋼是一種調質鋼，相當于法國材料牌號30NCD16。該鋼具有良好的淬透性，經調質處理后，可以獲得均勻的高強度、高塑性和高韌性配合，并且冷脆轉變溫度低，缺口敏感性小，高的抗疲勞性能，適用于制造截面較大的重要受力構件，如各種軸類、螺栓、齒輪等。螺栓作為一種重要的結構件，其失效故障造成的危害極大。本文研究了熱鐓螺栓內部裂紋，由于其存在于螺栓內部，在后續的加工及檢測中很難被發現，服役后將對產品造成極大的危害。

該批次螺栓的加工工藝為：下料→磨光→熱鐓→車削→熱處理→噴砂→滾螺紋→表面處理等，發現內部存在缺陷的工序為熱鐓之后的金相檢查。通過剖開，發現螺栓內部在熱影響區存在兩條較為明顯的裂紋，如圖1所示。

圖1

從圖1中可以看出：圖1a裂紋粗大，較為明顯；圖1b裂紋細小。圖1中在裂紋周圍并未發現對裂紋產生有明顯影響的非金屬夾雜物，非金屬夾雜物種類及尺寸均符合遼新5－0008－2003《30Ni4CrMoA(30NCD16)結構鋼棒技術條件》中的要求。

1.理化檢驗

（1）化學成分分析 針對該批次螺栓，截取一段進行電感耦合等離子發射光譜儀（ICP）化學成分分析，結果見表1。從表1中可以看出：各種主要元素含量均符合遼新5-0008-2003《30Ni4CrMoA(30NCD16)結構鋼棒技術條件》對30Ni4CrMoA鋼成分的技術要求。

表1 材料化學成分（質量分數）（%）

（2）金相分析 對該螺栓的裂紋處進行了顯微組織分析，如圖2所示。

圖2

從圖2中可以看出：圖2a為100×下的裂紋處顯微組織形貌，表面呈現暗紅色；圖2b為500×下的裂紋形貌特征，裂紋沿晶界延伸至頭下圓角處，有微小的開裂；圖2c為500×下的顯微組織，其組織構成為絕大部分的低碳板條馬氏體、少量的針狀馬氏體和極少量的殘留奧氏體；圖2d為該螺栓熱影響區處的晶粒組織，根據GB/T6394－2002《金屬平均晶粒度測定方法》，其晶粒度等級為6.5級，而根據遼新5－0008－2003《30Ni4CrMoA(30NCD16)結構鋼棒技術條件》的要求，其原材料晶粒度應大于7級，允許個別5級晶粒存在，熱影響區的晶粒度比標準值大半級。

（3）力學性能試驗 對該螺栓熱影響區進行了維氏硬度試驗，其結果見表2。

表 2

從表2中的數據可以看出：數據偏差較大，最大值與最小值差別52個維氏硬度單位；該螺栓熱影響區裂紋周圍的顯微組織均為馬氏體組織。

2.綜合分析

該批次螺栓原材料顯微組織如圖3所示。從圖3中可以看出：圖3a為100×的顯微組織特征，圖3b為500×下的顯微組織形貌，其組織構成為鐵素體基體上均勻分布著極為細小的珠光體。原材料顯微組織狀態為正火態，符合其交貨的狀態。

30Ni4CrMoA具有良好的淬透性，淬火后水冷至室溫，其殘留奧氏體含量與Ms點溫度和淬火后溫度Tq有關，由下公式計算：

式中：Vγ為殘留奧氏體含量；Ms為馬氏體相變溫度；Tq為淬火后溫度。熱膨脹法測定30Ni4CrMoA的Ms點為320℃。由上式計算得，淬火冷卻至15℃時，殘留奧氏體含量為3.5%（體積分數）。

圖3

綜上所述，亞共析鋼一般選擇Ac3以上40～70℃作為淬火溫度，30Ni4CrMoA一般選擇850℃油淬。該批次螺栓由于熱鐓時高頻加熱溫度過高，保溫時間較長，組織完全奧氏體化。由于頭部變形量較大，進行了較為充分的動態再結晶，而沒有產生較大的晶粒；熱影響區屬于加熱范圍，并且沒有變形，導致晶粒長大；由于操作工人違反操作規程，把剛鐓制的產品還沒有冷卻，就直接投入到水槽中，致使螺栓發生了水淬，產生了板條束狀馬氏體和個別針狀馬氏體及極少量的殘留奧氏體組織，水冷速度大于油冷速度，來不及釋放馬氏體形變所產生的應力，從而導致螺栓內部熱影響區應力集中產生裂紋，并沿晶界擴展至螺栓頭下圓角處。

3.結語

（1）該批次螺栓由于熱鐓加熱溫度過高，保溫時間較長，以及工人違反操作規程等多種因素共同導致了螺栓內部開裂。

（2）應選擇合理的熱鐓工藝參數，根據零件的尺寸和狀態，適當降低加熱溫度和保溫時間，減少晶粒長大的傾向，找出最合適的加工工藝參數，避免過熱現象的產生。

（3）建議生產車間針對不同的材料制訂嚴格的規章制度，杜絕由于違規操作所導致的產品缺陷。（20131102）