40CrNiMoA高強(qiáng)度螺栓斷裂分析及控制

楊瑞瑞,岳戰(zhàn)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(qiáng)度螺栓為熱壓力加工無發(fā)紋鋼,該材料在40CrMoA的基礎(chǔ)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(qiáng)度(抗拉強(qiáng)度≥980 MPa)、高塑性和高韌性,同時(shí)具有良好的抗疲勞性能、良好的淬透性和抗過熱的穩(wěn)定性。但在鍛造成型過程中易出現(xiàn)鍛件斷裂問題[1],本文對感應(yīng)加熱過程中的加熱參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證,研究了不同加熱參數(shù)對40CrNiMoA高強(qiáng)度螺栓的影響。并將加熱工藝參數(shù)應(yīng)用于生產(chǎn)過程中,解決了高強(qiáng)度螺栓的質(zhì)量問題。

1 斷裂原因分析

1.1 螺栓結(jié)構(gòu)分析

40CrNiMoA高強(qiáng)度螺栓毛坯圖如圖1所示。該產(chǎn)品為帶法蘭的外六方頭高強(qiáng)度螺栓[2],鍛件結(jié)構(gòu)相對簡單,技術(shù)要求為未注圓角R2;表面缺陷深度應(yīng)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(cuò)模量不大于0.4。整個(gè)毛坯圖滿足設(shè)計(jì)要求,鍛件結(jié)構(gòu)合理,符合標(biāo)準(zhǔn)HB 5013—1996、GB 145—2001、GJB 3376—1998等的要求,并且經(jīng)過多年的實(shí)際生產(chǎn),因此40CrNiMoA高強(qiáng)度螺栓鍛件斷裂不是結(jié)構(gòu)原因造成的。

圖1 40CrNiMoA高強(qiáng)度螺栓毛坯圖

1.2 鍛造工藝分析

但鍛造加熱環(huán)節(jié)只對加熱溫度進(jìn)行要求規(guī)定,未明確感應(yīng)加熱設(shè)備的加熱參數(shù),而感應(yīng)爐加熱參數(shù)不合理會導(dǎo)致材料受熱不均勻的現(xiàn)象。

1.3 生產(chǎn)過程分析

鍛件原材料為40CrNiMoA鋼,規(guī)格為φ16 mm,原材料廠家依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GJB 1951—94進(jìn)行力學(xué)性能檢測,結(jié)果均合格,見表1。

表1 故障件高強(qiáng)度螺栓原材料廠家檢測報(bào)告

本批鋼棒按標(biāo)準(zhǔn)GJB1951—94《航空用優(yōu)質(zhì)結(jié)構(gòu)鋼棒規(guī)范》要求進(jìn)行了復(fù)驗(yàn),檢測項(xiàng)目包括化學(xué)成分、機(jī)械性能(抗拉、彎曲)、金相組織(高、低倍),檢測結(jié)果均合格,見表2。

表2 故障件高強(qiáng)度螺栓原材料復(fù)驗(yàn)報(bào)告

原材料廠家檢測和復(fù)檢結(jié)果都表明材料滿足鍛造標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求,符合鍛造條件。

2 理化分析

在對工藝過程復(fù)查分析的同時(shí),對40CrNiMoA高強(qiáng)度螺栓鍛件進(jìn)行失效分析[3]。

2.1 金相分析

對40CrNiMoA高強(qiáng)度螺栓斷裂部位取樣,經(jīng)過預(yù)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(xì)小均勻,未見過熱過燒等組織缺陷,如圖2所示。金相試驗(yàn)報(bào)告見表3。

表3 金相試驗(yàn)報(bào)告

圖2 非金屬夾雜物形貌

2.2 斷口分析

40CrNiMoA高強(qiáng)度螺栓斷裂位置位于高強(qiáng)度螺栓外圓處,斷口如圖3、4所示?？梢钥闯?斷面較平齊,局部可見裂紋擴(kuò)展棱線,斷面無宏觀塑性變形,未見明顯機(jī)加缺陷;斷口出現(xiàn)在鍛件的軸心部分,氧化現(xiàn)象嚴(yán)重,部分?jǐn)嗫诔势瑢訝頪4],表明鍛件在熱處理前就發(fā)生了開裂[5],局部撕裂形貌是在機(jī)械加工時(shí)由于受到外力而撕裂的二次裂紋。

圖3 40CrNiMoA高強(qiáng)度螺栓宏觀斷口

圖4 40CrNiMoA高強(qiáng)度螺栓斷口形貌

2.3 超聲波探傷分析

對40CrNiMoA高強(qiáng)度螺栓進(jìn)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(jìn)行確認(rèn),超聲波探傷判斷標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)

3 試驗(yàn)探究及分析

針對40CrNiMoA高強(qiáng)度螺栓斷裂問題,選取25件原料進(jìn)行分組對比試驗(yàn)。螺栓鍛造成形主要包括鍛造、熱處理兩個(gè)工序,鍛造工序可分為取料、感應(yīng)加熱和模鍛,在鍛造加熱過程中存在不可控現(xiàn)象。加熱坯料的長短和感應(yīng)爐加熱參數(shù)的調(diào)節(jié)都會對高強(qiáng)度螺栓的生產(chǎn)產(chǎn)生影響,所以本次問題復(fù)現(xiàn)試驗(yàn)圍繞鍛造過程中的加熱工序開展,采用正交分解法進(jìn)行驗(yàn)證,具體方案見表5。并采用雙晶探頭進(jìn)行超聲波探傷,結(jié)果見表6。

表5 40CrNiMoA高強(qiáng)度螺栓試驗(yàn)方案

表6 試驗(yàn)件超聲波檢測結(jié)果

對比A組、B組試驗(yàn),在加熱振蕩電流相同、加熱坯料長度一致的條件下,加熱時(shí)間為8～11 s時(shí)鍛件的底波損失接近于80%,加熱時(shí)間為12～16 s時(shí)鍛件的底波損失接近于40%。這是因?yàn)榧訜釙r(shí)間為8～11 s時(shí),鍛件內(nèi)部并未完全熱透,鍛件產(chǎn)生外熱內(nèi)冷現(xiàn)象,內(nèi)外塑性差異較大;加熱時(shí)間為12～16 s時(shí),鍛件內(nèi)部熱透性較好,鍛件內(nèi)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(yàn)同理。結(jié)果表明,加熱過程中鍛件外熱內(nèi)冷會導(dǎo)致鍛件開裂[6]。

對比B組、B1組試驗(yàn),在加熱振蕩電流相同、加熱時(shí)間相同的條件下,加熱坯料長度為50 mm時(shí)鍛件的底波損失接近于40%,加熱坯料長度為30 mm時(shí)鍛件的底波損失超過50%。這是因?yàn)殄懠跍囟雀叩膮^(qū)域膨脹大,溫度低的區(qū)域往往膨脹小,溫度高的部位會對溫度低的部位產(chǎn)生拉應(yīng)力。A組與A1組、C組與C1組、D組與D1組對比試驗(yàn)同理。結(jié)果表明,鍛件加熱尺寸過短時(shí)會在鍛件的冷熱分界處產(chǎn)生開裂。

對比A組、A1組和B組試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)鍛件外冷內(nèi)熱對底波影響要大于加熱坯料長度。因此鍛件的外熱內(nèi)冷為高強(qiáng)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(yàn)證

4.1 棒料模擬加熱

通過對φ16 mm棒料進(jìn)行模擬加熱,控制加熱參數(shù)觀察鍛件內(nèi)外加熱狀況。設(shè)置坯料加熱溫度為1150 ℃,加熱時(shí)間為12 s,環(huán)境溫度為30 ℃,網(wǎng)格劃分為15萬,頭部50 mm采取區(qū)域網(wǎng)格細(xì)化;在空氣中傳熱階段設(shè)置傳熱時(shí)間為5 s,環(huán)境溫度為30 ℃(從感應(yīng)加熱爐至模具型腔時(shí)間)。圖5為不同加熱時(shí)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(jìn)行仿真分析,結(jié)果如圖6所示,未出現(xiàn)溫度過高,故螺栓不會出現(xiàn)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(jìn)行仿真分析,在鐓制過程中鍛件的整體流線形態(tài)規(guī)整,無異常,如圖7所示。

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

4.4 組織觀察

在本批無問題螺栓產(chǎn)品中選取兩件進(jìn)行組織分析,經(jīng)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(xì)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(jié)論

1)鍛造加熱過程中感應(yīng)加熱裝置振蕩電流過大,加熱時(shí)間過短,會引起鍛件外熱內(nèi)冷,導(dǎo)致鍛件內(nèi)部塑性低,內(nèi)外變形程度較大,從而造成鍛造后高強(qiáng)度螺栓頭部出現(xiàn)開裂現(xiàn)象。

2)在加熱過程中鍛件加熱尺寸過短時(shí),溫度高的區(qū)域膨脹大,溫度低的區(qū)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(chǎn)生拉應(yīng)力,會在鍛件的冷熱分界處產(chǎn)生裂紋。

3)經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證,確定不同規(guī)格40CrNiMoA高強(qiáng)度螺栓坯料的感應(yīng)爐加熱參數(shù):φ11～φ13 mm規(guī)格的坯料,振蕩電流設(shè)置為400±40 A,加熱時(shí)間為11～15 s;φ14～φ16 mm規(guī)格的坯料,振蕩電流設(shè)置為440±40 A,加熱時(shí)間為12～16 s。