ML40Cr冷鐓螺栓法蘭外圈表面開裂原因分析

王小忠,朱文凱,安鵬達,王 濤

(中天鋼鐵集團有限公司，江蘇 常州 213011)

ML40Cr盤條作為常規10.9級螺栓標準件原材料，廣泛應用于機械、電氣、汽車、交通運輸、航空航天等領域[1]。一批ML40Cr鋼Φ10 mm熱軋盤條在冷鐓螺栓時出現密集性開裂現象，開裂比例高達到50%以上。螺栓制造工藝流程：盤條球化退火→酸洗磷化→拉拔至Φ8.81 mm→冷鐓六角頭及法蘭→搓絲→調質→發黑。

1 理化檢驗

1.1 宏觀分析

螺栓開裂是在冷鐓六角頭及法蘭時產生的。裂紋出現在螺栓的六角頭法蘭外圈表面，整個圓周方向均有分布，裂紋方向均與螺栓軸向呈45°角，傾斜方向不一致，部分裂紋呈“X”字型交叉宏觀形貌，如圖1、圖2所示。將有裂紋螺栓經15%～30%工業鹽酸水溶液酸洗后肉眼觀察，在螺栓六角頭側面、桿部表面均未發現有折疊、裂紋等原材料冶金缺陷存在。

圖1 螺栓形貌

圖2 螺栓六角頭法蘭外圈表面裂紋形貌

1.2 化學成分分析

在螺栓上取樣，使用德國超譜公司QSN750型直讀光譜儀進行化學成分分析，結果見表1，可知螺桿的化學成分符合《GB/T28906-2012冷鐓鋼熱軋盤條》標準對ML40Cr鋼的成分要求。

表1 螺栓樣品的化學成分與標準對照 單位：%

1.3 金相組織分析

1.3.1 開裂螺栓法蘭處組織

選取開裂螺栓法蘭處橫截面進行金相檢驗，法蘭處基體組織為球狀珠光體組織，碳化物呈球狀，比較均勻地分布于基體中，整體球化效果明顯，見圖3。但是在法蘭處外圈表層組織則為片狀珠光體+鐵素體，球化效果非常差，表層片狀珠光體層深度約為0.12 mm，有部分裂紋僅產生于片狀珠光體層，見圖4～圖6。

圖3 法蘭處基體組織(500X)

圖4 法蘭處表層及基體組織(50X)

圖5 法蘭處外圈表層組織(200X)

圖6 法蘭外圈表面組織為片狀珠光體+鐵素體(500X)

1.3.2 開裂螺栓桿部組織

選取開裂螺栓桿部取橫截面樣品金相檢驗，其基體組織為球狀珠光體組織，整體球化效果良好(與圖3相同)。螺栓桿部表層組織也是片狀珠光體+鐵素體，表面片狀珠光體層深度約為0.11 mm，見圖7～圖8。

圖7 桿部表層及基體組織(50X)

圖8 桿部表面組織(500X)

1.3.3 未開裂螺栓桿部組織

選取未開裂螺栓桿部取橫截面樣品金相檢驗，其表層及基體組織均為球狀珠光體組織，整體球化效果良好，圖9～圖10。

圖9 未開裂螺栓桿部表面組織(500X)

圖10 未開裂螺栓桿部基體組織(500X)

1.4 冷頂鍛試驗驗證

為了驗證螺栓六角頭法蘭外圈表面出現的45°斜向裂紋及“X”字型交叉裂紋是否與其表層存在的片狀珠光體有關，分別取開裂螺栓和未開裂螺栓的桿部進行1/4冷頂鍛試驗。試驗結果表明，開裂螺栓的桿部冷頂鍛試驗后出現與螺栓生產廠家冷鐓時相同的斜向45°開裂，而未開裂螺栓的桿部表面沒有出現任何開裂形貌，見圖11-1、圖11-2。

圖11 開裂螺栓桿部冷鐓結果

圖12 未開裂螺栓桿部冷鐓結果

2 分析與討論

(1)螺栓化學成分符合《GB/T28906-2012冷鐓鋼熱軋盤條》標準中ML40Cr鋼的規范要求。

(2)螺栓開裂出現在六角頭法蘭外圈表面，整個圓周方向均有分布，開裂方向均與螺栓軸向呈45°角，傾斜方向不一致，部分裂紋呈“X”字型交叉形貌。將有裂紋螺栓經15～30%工業鹽酸水溶液酸洗后觀察，在螺栓六角頭側面與桿部表面均未發現折疊、裂紋等原材料冶金缺陷。螺栓冷鐓出現45°斜向開裂，特別是呈“X”字型交叉形貌特征，一般都與盤條表面劃傷、折疊等質量缺陷無關，經由裂紋螺栓酸洗檢驗證實。

盤條表面質量引起的冷鐓開裂，基本沿軋制方向分布，表現形式規則，開裂深度、寬度一致，裂口外翻張開，新金屬外露嚴重[2]。冷鐓鋼經冷鐓出現斜向開裂及呈“X”字型交叉開裂形貌，常被認為是組織異常引起。

(3)金相檢驗表明，開裂螺栓基體組織為球化珠光體，碳化物呈球狀，較均勻分布在基體中，整體球化效果較好。但在螺栓六角頭法蘭外圈表面及螺栓桿部表層均有片狀珠光體層，區域深度約為0.12 mm。本次冷鐓開裂螺栓，其冷鐓螺栓六角頭法蘭之前的材料為拉拔盤條，冷鐓時螺栓桿部沒有受到變形作用，基本上仍是拉拔盤條原貌。而桿部表面存在片狀珠光體層，說明這是由拉拔盤條帶來的。

在相同應力下，球狀珠光體裂紋擴展速率遠低于片狀珠光體，細小均勻、圓形碳化物分布在鐵素體基體，使材料耐磨性、接觸疲勞強度、抗斷裂韌性得到改善與提高。珠光體型的不同顯微組織，其冷鐓性能從優到劣排列次序為粒狀珠光體、索氏體、細片狀珠光體、片狀珠光體[3]。由于拉拔盤條基體組織為球化效果較好的球狀珠光體組織，滲碳體呈球狀顆粒，彌散分布在鐵素體基體上，塑性較好，冷變形能力好。拉拔盤條表層組織為片狀珠光體組織，塑性較低，冷變形能力差，因此深度冷鐓容易出現內部變形不均勻，內應力集中，導致開裂。

(4)根據工藝流程分析，開裂螺栓冷鐓之前的材料為拉拔盤條，而拉拔盤條是原材料熱軋盤條經球化退火后拉拔而來，因此拉拔盤條表層存在片狀珠光體組織與球化退火過程有關。ML40Cr屬于中碳合金鋼，其熱軋線材組織為鐵素體+片狀珠光體，具有這種組織的線材強度、硬度偏高，斷面收縮率低，不適合直接冷鐓，在冷鐓前一般要對盤條進行球化退火處理，得到球狀珠光體組織。這種組織硬度低，冷加工時工件變形和開裂傾向小，可提高盤條的冷加工變形能力。

球化退火工藝根據其工作原理，主要分為亞溫球化退火、緩慢冷卻/等溫或周期循環球化退火( 也稱為雙相區球化退火)、淬火+高溫回火、形變球化退火等[4]。大多數螺栓生產廠家均采用雙相區球化退火，其原理是將片層狀珠光體迅速加熱到鐵素體+奧氏體雙相區，使片狀滲碳體快速熔斷，然后快速冷卻到Ar1點以下保溫，使熔斷的滲碳體聚集呈球狀。采用雙相區球化退火工藝時，雙相區的保溫溫度、保溫時間及隨后的冷卻速度對球化組織影響很大，如果球化后出現片狀珠光體組織，則可能與球化退火時的保溫溫度過高或保溫時間過長、降溫冷卻速度過快以及加熱時速度過快等因素有關。

若是保溫溫度過高或保溫時間過長，會導致滲碳體溶解，碳化物全部溶解于奧氏體中，在隨后的冷卻過程中有利于形成片狀珠光體組織，而不是球化組織。如果雙相區退火后的冷卻速度過快，超過臨界冷卻速度，也會導致在保溫時形成的奧氏體向片狀珠光體轉變[5]。出現兩種現象應是盤條整個截面組織球化不良，而非僅表面出現片狀珠光體。由此認為拉拔盤條表層出現片狀珠光體層應與盤條球化退火時加熱時速度過快有關。

(5)球化退火在接近保溫溫度時，因加熱速度過快會產生一定的升溫慣性，并出現沖溫現象[6]。如果保溫溫度設定過高，則沖溫使溫度升至接近奧氏體區，致使表層形成極少量鐵素體+奧氏體的狀態，奧氏體成分比較均勻化，即使隨后溫度回落至設定的奧氏體+鐵素體兩相區，但表層奧氏體仍會保持成分均勻化這一狀態，此時冷卻后表層就會形成相當于中碳鋼完全退火的組織，即鐵素體+片狀珠光體。

3 結論

ML40Cr鋼Φ10 mm盤條生產10.9級螺栓時，在冷鐓六角頭法蘭時，法蘭外圈表面出現大量密集性、斜向、“X”字型交叉裂紋宏觀形貌。這是由于冷鐓用拉拔盤條的表層存在片狀珠光體，這種組織塑性較低，冷變形能力差，致使在冷鐓螺栓六角頭法蘭時因變形量較大而出現外圈表面開裂現象，而拉拔盤條表層存在片狀珠光體層是由于原材料熱軋盤條在球化退火時加熱溫度過快及保溫溫度過高而產生沖溫現象所引起的。