GH3044螺栓擴(kuò)口裂紋原因分析

焦文建 王繼成 李東輝 吳業(yè)瓊

摘要：GH3044螺栓擴(kuò)口時(shí)常出現(xiàn)批量性裂紋，本文通過對(duì)裂紋件本身和多批次螺栓的金相組織觀察和試驗(yàn)驗(yàn)證，得出結(jié)果：GH3044螺栓擴(kuò)口時(shí)出現(xiàn)裂紋與螺栓碳化物析出數(shù)量、尺寸和分布方式存在極大關(guān)系；控制GH3044螺栓熱處理保溫溫度、保溫時(shí)間和冷卻速度，能控制MC和WCr、M23C6等相的析出，達(dá)到有效防止螺栓擴(kuò)口裂紋產(chǎn)生的目的。

關(guān)鍵詞：GH3044螺栓；擴(kuò)口裂紋；熱處理

Keywords： GH3044 bolt；flaring crack；heat treatment

0 引言

GH3044是固溶強(qiáng)化鎳基抗氧化合金，在900℃以下具有高塑性和中等熱強(qiáng)性，并具有優(yōu)良的抗氧化性和良好的沖壓、焊接工藝性能，適宜制造在900℃以下長(zhǎng)期工作的航空發(fā)動(dòng)機(jī)主燃燒室和加力燃燒室零部件以及隔熱屏、導(dǎo)向葉片等。

某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)裝配在加力燃燒室內(nèi)的GH3044螺栓為修理必?fù)Q件，其主要用作加力燃油總管及穩(wěn)定器的連接螺栓，起固定作用。該螺栓裝配后要對(duì)螺栓螺紋端擴(kuò)口，起到限制螺帽在工作中松動(dòng)的作用。此種擴(kuò)口螺栓在擴(kuò)口過程中均有不同比例的裂紋現(xiàn)象，通常在20%左右，偶有批次擴(kuò)口裂紋量超過20%，甚至超過60%，裝配時(shí)返工量很大，也給飛行帶來安全隱患。我公司生產(chǎn)的GH3044擴(kuò)口螺栓也存在裂紋現(xiàn)象。

采用φ14mm的GH3044圓鋼加工螺栓，螺栓的螺紋端φ4.5mm內(nèi)孔需擴(kuò)口，零件的加工工序?yàn)椋簷C(jī)加成型→熱處理→成檢并入庫→領(lǐng)用擴(kuò)口。其中，熱處理工藝為：800℃以上入爐，升溫至1150℃以下，保溫80min以上，空冷。

本文通過對(duì)比分析裂紋件、正常件和熱處理工藝優(yōu)化件的力學(xué)性能、金相組織，主要探討了造成擴(kuò)口破裂的主要影響因素，從而為解決此類質(zhì)量問題提供參考。

1 試驗(yàn)過程與結(jié)果

1.1 化學(xué)成分分析

入廠復(fù)驗(yàn)合格的四個(gè)批次GH3044棒材化學(xué)成分分析結(jié)果見表1。材料中合金元素均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。四個(gè)批次材料分別為兩個(gè)螺栓擴(kuò)口裂紋材料1629和0249，另外兩個(gè)是作對(duì)比的試驗(yàn)材料批次0028和0029，材料供貨標(biāo)準(zhǔn)為Q/3B1190-2000，直徑14mm，供貨狀態(tài)：熱軋后不經(jīng)熱處理。

1.2 力學(xué)性能及低倍組織

4個(gè)批次的GH3044鋼棒力學(xué)性能及低倍組織入廠復(fù)驗(yàn)結(jié)果見表2，高溫力學(xué)性能按Q/3B1190-2000規(guī)定的熱處理制度處理（1150℃保溫50min后空冷），試驗(yàn)溫度為900℃。因該螺栓是在室溫下裝配并出現(xiàn)擴(kuò)口裂紋，為了說明問題，參照GJB3165-98的要求，補(bǔ)充測(cè)試了室溫力學(xué)性能試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果均符合標(biāo)準(zhǔn)要求（見表3），試樣熱處理制度為1150℃保溫50min后空冷。

1.3 金相組織觀察和硬度測(cè)試

對(duì)兩個(gè)批次的擴(kuò)口裂紋件和同批次的正常件（見圖1）以及進(jìn)口原裝產(chǎn)品實(shí)物（無擴(kuò)口裂紋）的金相組織進(jìn)行觀察和硬度測(cè)試，結(jié)果見表4。

1.4螺栓熱處理工藝優(yōu)化試驗(yàn)

根據(jù)GH3044材料的冶金特性和組織轉(zhuǎn)變機(jī)理，對(duì)螺栓固溶處理制度進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后熱處理制度為：加熱到1150℃以上，保溫時(shí)間少于30min，特殊冷卻。因螺栓形狀尺寸原因，按制造工藝要求，采用了隨爐試樣進(jìn)行室溫力學(xué)性能測(cè)試，4批次力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果未見明顯差異，見表5。

2 試驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 優(yōu)化熱處理工藝處理的螺栓擴(kuò)口試驗(yàn)

采用以上四個(gè)批次φ14mm的GH3044棒材加工螺栓，機(jī)加成型后，按優(yōu)化熱處理工藝對(duì)零件進(jìn)行熱處理，零件數(shù)量各50件，共200件。200件螺栓在發(fā)動(dòng)機(jī)螺栓裝配專用工裝上裝配并擴(kuò)口，目視和體視顯微鏡放大20倍檢查，未發(fā)現(xiàn)裂紋。螺栓金相組織為奧氏體+碳化物，MC和WCr、M23C6彌散分布，較多聚集，數(shù)量較多、尺寸較小，TiN夾雜較細(xì)小，數(shù)量少，金相組織如圖8～圖11所示。

2.2 原熱處理工藝處理的螺栓擴(kuò)口試驗(yàn)

采用0028、0029兩個(gè)批次φ14mm棒材加工螺栓，機(jī)加成型后，按原熱處理工藝熱處理零件，零件數(shù)量各50件，共100件。100件螺栓在發(fā)動(dòng)機(jī)螺栓裝配專用工裝上裝配螺栓并擴(kuò)口，目視和體視顯微鏡放大20倍檢查，發(fā)現(xiàn)存在擴(kuò)口裂紋的0028批次12件，占24%；0029批次11件，占22%。螺栓金相組織為奧氏體+碳化物，MC和WCr、M23C6細(xì)小、彌散分布，數(shù)量多；TiN夾雜細(xì)小，數(shù)量多。金相組織如圖12、圖13所示。

3 分析與討論

1629、0249兩個(gè)批次螺栓原材料化學(xué)成分、力學(xué)性能和低倍組織等均符合標(biāo)準(zhǔn)要求，檢查兩個(gè)批次螺栓熱處理工藝，保溫溫度及保溫時(shí)間均符合工藝要求。

1629、0249兩個(gè)批次裂紋件、同批次未裂件與進(jìn)口原裝螺栓的金相組織對(duì)比、分析結(jié)果表明，所有螺栓基體組織均是MC和WCr固溶體，并且含有少量TiN夾雜、沿晶界分布的M23C6型碳化物等析出物，MC和WCr固溶體彌散分布在晶內(nèi)和晶界處。1629批次與0249批次裂紋件、正常件相比，金相組織無明顯差異；1629批次、0249批次與進(jìn)口原裝螺栓實(shí)物相比，金相組織差異明顯，主要表現(xiàn)為1629批次和0249批次的MC和WCr固溶體、M23C6等析出相數(shù)量明顯多且尺寸小、TiN夾雜少且尺寸小。

從三個(gè)批次的金相組織對(duì)比中可以發(fā)現(xiàn)，0249和1629批次螺栓較進(jìn)口原裝螺栓析出物的尺寸小且數(shù)量多，析出物增多會(huì)引起材料強(qiáng)度升高，塑性降低，當(dāng)析出相沿晶界析出、呈網(wǎng)狀分布時(shí)，塑性降低效果尤為明顯，從而導(dǎo)致螺栓在擴(kuò)口時(shí)容易出現(xiàn)裂紋。硬度測(cè)試結(jié)果也從另外一個(gè)角度證明了細(xì)小、彌散分布的析出相能顯著提高螺栓硬度，從而造成材料塑性的降低。

相關(guān)資料顯示，GH3044材料及其制品經(jīng)1200℃固溶后，基本上是單奧氏體和少量的MC和M23C6型碳化物，經(jīng)700℃～900℃長(zhǎng)期時(shí)效后，MC變化不大，M23C6呈鏈狀分布在晶界，隨時(shí)效時(shí)間的增加，析出量增多，顆粒長(zhǎng)大；同時(shí)在晶界和晶內(nèi)又有WCr固溶體補(bǔ)充析出，呈顆粒狀，隨時(shí)效時(shí)間的增加，數(shù)量逐漸增加，尺寸不斷長(zhǎng)大；材料的冶金質(zhì)量越好，雜質(zhì)含量就越少，冷卻過程中碳化物等析出相也越少。從某種意義上說，保溫結(jié)束后出爐冷卻過程也是一個(gè)短暫的時(shí)效過程，冷卻速度越慢，時(shí)效時(shí)間就越長(zhǎng)，析出相就越多。因此，從原理上說明，控制冷卻速度能夠?qū)崿F(xiàn)減少碳化物析出相產(chǎn)生的可能。

GH3044螺栓擴(kuò)口時(shí)出現(xiàn)裂紋破裂的影響因素較多，與原材料質(zhì)量、熱處理工藝、擴(kuò)口工藝、擴(kuò)口操作者水平均有關(guān)系，但出現(xiàn)批次性縱向破裂必與原材料和熱處理工藝有關(guān)。四個(gè)批次的原材料均按標(biāo)準(zhǔn)復(fù)驗(yàn)合格，按原熱處理工藝進(jìn)行熱處理的螺栓擴(kuò)口時(shí)均出現(xiàn)批量裂紋，優(yōu)化熱處理后，四個(gè)批次材料制造的螺栓擴(kuò)口時(shí)均未出現(xiàn)裂紋，表明可以通過調(diào)整GH3044材料及螺栓固溶熱處理溫度、保溫時(shí)間以及采取特殊冷卻方式來控制MC和WCr、M23C6等相的析出，有效防止螺栓擴(kuò)口裂紋的產(chǎn)生。

4 結(jié)論與建議

1）GH3044螺栓擴(kuò)口時(shí)出現(xiàn)裂紋與鋼的冶金質(zhì)量存在關(guān)聯(lián)關(guān)系。

2）GH3044螺栓擴(kuò)口時(shí)出現(xiàn)裂紋與螺栓碳化物析出數(shù)量、尺寸和分布方式存在極大關(guān)系。

3）控制GH3044螺栓熱處理保溫溫度、保溫時(shí)間和冷卻速度，能控制MC和WCr、M23C6等相析出，達(dá)到有效防止螺栓擴(kuò)口裂紋產(chǎn)生的目的。

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