42CrMo钢螺杆开裂原因分析及改进措施.pdf

4 2 C r M o 钢螺杆开裂原因分析及改进措施 王菲，张鹏 ( 巨力索具股份有限公司，河北保定0 7 2 5 5 0 ) 摘要：对4 2 C r M o 螺杆两种形态的裂纹进行了宏观断口及显微组织分析。结果表明，内六方处裂纹是由于热冲内 六方后未经正火，原材料中存在带状偏析及粗大的魏氏体组织，在淬火加热和冷却时，原魏氏体组织遗传引起过 热及带状偏析使马氏体相变产生不等时性，使工件产生了较大的组织应力而开裂。螺纹处开裂是由于工件在热 镀锌酸洗时，氢渗入工件产生氢脆和水曝应力所致，并对氢脆裂纹产生的原因进行了试验和分析。提出了增加正 火、机械抛丸和水曝光后1 5 0 消除应力工序，上述两种形态的裂纹得到了彻底根除。 关键词：4 0 C r M o 钢螺杆；开裂；组织应力；氢脆；改进措施 中图分类号：T G l5 7文献标识码：B 文章编号：0 2 5 4 - 6 0 5 1 ( 2 0 0 8 ) 0 4 - 0 1 0 5 - 0 4 C r a cka n a ly s isa n dim p r o v in gm e a s u r e sf o rs cr e wr o dm a d eo f4 2C r M os t e e l W A N GF e i，Z H A N GP e n g ( J u li S lin gC o ，L t d ，B a o d in gH e b e i0 7 2 5 5 0 ，C h in a ) A b s t r a ct ：T w ocr a ck in gp a t t e r n so fs cr e wr o dm a d eo f4 2 C r M os t e e lw e r ein v e s t ig a t e db ym a cr o s t r u ct u r ea n dm icr o s t r u c- t u r ea n a ly s e s ，t h ee f f e ct iv em e t h o d sf o ra v o id in gcr a ck sw e r ep r o p o s e d T h er e s u lt ss h o wt h a tt h er e a s o n sw h ichca u s et h e cr a ckinin n e rh e x a g o na r ea sf o llo w s F ir s t ly ，t h er o disn o tn o r m a liz e da f t e rh o tb la n k in g S e co n d ly ，t h eb a n d e ds t r u ct u r e ( s e g r e g a t io n ) a n dla r g ew id m a n s t a t t e ns t r u ct u r ee x is tinr a wm a t e r ia ls W h e nt h er o dish e a t e dt oh ig ht e m p e r a t u r e ，t h e s t r u ct u r ein h e r it a n ceca u s e db yw id m a n s t a t t e ns t r u ct u r er e s u lt sino v e r h e a t ，w h e nt h er o disq u e n ch e d ，t h em a r t e n s it ed e - f o r m a t io nO ccu r sn o n s y n ch r o n o u s lyb e ca u s eo fb e n ds e g r e g a t io n ，S Ot h a tt h ecr a cko ccu r r e db ys t r u ct u r es t r e s s W h e nt h e r o dW a sp ick le db e f o r eh o td ipg a lv a n iz in g ，cr a ck sO Hs cr e wo ccu r r e d T h er e a s o nca u s in gcr a ckist h a tw h e nb e in gp ick lin g ，t h eh y d r o g e na t o mp e n e t r a t e sin t ot h es cr e w ，t h e nt h es u r f a ceisb r it t le d T h es t r e s sr e s u lt e df r o mw a t e rb la s t in gca n a ls oca u s ecr a cko nt h es cr e w I no r d e rt oa v o idt h ecr a ck s ，n o r m a liz in gisa d d e da f t e rh o tb la n k in g T h es h o tb la s t in gis u s e din s t e a do fp ick lin ga n d1 5 0 s t r e s sr e lie fisr e co m m e n d e d K e yw o r d s ：4 0 C r M os t e e lr o d ；cr a ck ；s t r u ct u r es t r e s s ；h y d r o g e nb r it t le ；im p r o v e dm e a s u r e 巨力索具股份有限公司冶金机械分公司加工一批 出口到荷兰的螺杆( 材质4 2 C r M o ，尺寸6 8 0m m 2 5 0 m m ) ，经调质及热镀锌后，发现螺杆表面存在大量裂 纹。有4 0 0 支螺杆沿螺纹根处存在1 0 0 的裂纹，其 中内六方处裂纹约占产品数量的6 0 ，造成工件全部 报废。 1 试验材料与方法 工件表面出现螺纹齿根处裂纹和内六方处裂纹 的，宏观形貌见图1 所示。据反映，工件镀锌后未发现 裂纹，但在镀锌3 - 4h 以后沿螺纹根处出现了大量的 裂纹，见图2 所示，螺纹处裂纹呈现延迟开裂的特性。 原工艺流程为：下料_ 粗加工一热冲内六方一调 质_ 精加工螺纹- 酸洗一热镀锌- + 水曝光_ 水清洗。 作者简介：王菲( 1 9 5 5 一) ，男，河北保定人，工程师，主要从事 金属热处理工艺技术、热处理产品的质量控制及失效分析工 作，已发表论文9 篇，1 9 8 6 年获全国机械系统“缺陷分析”二、 三等奖，1 9 9 7 年获河北省科技成果奖。联系电话：1 3 7 3 1 0 5 8 8 6 0 E m a il：w a n g q 8 8 0 5 y a h o o co in ca 收稿日期：2 0 0 7 - 1 2 - 1 7 图1 螺杆裂纹示意图 F ig 1 S ch e m eo fcr a ck so nt h es cr e wr o d 图2 螺纹根处的裂纹形貌 F ig 2 C r a ck so nt h eb o t t o mo fs cr e w 金属热处理) 2 0 0 8 年第3 3 卷第4 期 局部放大图 1 0 5 力学性能要求为：抗拉强度R 。 9 0 0M P a ；屈服强度温度偏高奥氏体晶粒粗化和特定冷却速度的条件下， R 。lI 6 5 0M P a ；伸长率A 1 2 ；冲击值A 。9 3 5J ( 2 0先共析铁素体沿奥氏体位向呈粗大针状或羽毛状铁素 o C ) 。螺杆原调质工艺为：8 5 0 2 5h 淬火，油冷；体插入在晶粒内部的产物，这两种显微组织均具有典 5 3 0o C 3 5h 回火，水冷。 型的缺陷组织特征 。 从裂纹螺杆4 , 8 0m m 圆1 4 直径处，取纵向4 , 1 0 m m 标准短静拉试棒及1 0m m 1 0m m 5 5m m 标准 夏比V 型缺口冲击试块。静拉伸试验在N E W - 2 0 0 k N 微机自动采集数据处理万能试验机上进行试验；冲击 试验在J B - 3 0 B 型( 冲击能量1 5 0 3 0 0J ) 冲击试验机上 进行；采用O L Y M P U SP M E 一1 型金相显微镜观察分析 断口及裂纹处的显微组织，螺杆的宏观裂纹检测在 C J E 一1 磁粉探伤机上进行。 2 裂纹分析及改进措施图4 带状组织及硫化物形态 2 1 内六方处裂纹的分析及改进措施 F ig 4 B a n d e ds t r u ct u r ea n ds u lp h id em o r p h o lo g y 从螺杆内六方裂纹处取样对宏观断口及金相组织 2 1 3 内六方处裂纹分析与结论 讲行了分析。 从金相组织中可以看出，未经正火直接淬火调质 2 1 1 宏观断口 的工件索氏体组织较粗，心部仍然存在粗大的针状铁 裂纹处的宏观断面较为粗糙呈现脆性结晶状，断 素体即呈魏氏体粗大晶粒，金相组织呈现过热状态。 口边缘有l。2m m 明显的渗锌层遗留痕迹，断口表面 经核查仪表及原始记录，加热温度和保温时间均符合 呈现高温氧化色，见图3 所示。从宏观断口外貌特征 工艺规定要求，未发现操作上有超温、超时的现象。在 表明，裂纹是在热镀锌前产生的。 正常的淬火加热条件下，造成组织过热的原因有两种： 第一，淬火前原始组织存在着严重过热，淬火后原始过 热组织未能得到根本的细化而仍然保存下来，使原始 粗大过热的组织发生了遗传口1 ；第二，由于原材料存 在有较严重的带状组织偏析，故在相同的加热条件下， 碳当量C E 较高的偏析区域引起奥氏体加热转变温度 A c。临界点下降，使实际局部加热温度偏高，增大了组 织过热的倾向和敏感性H 刮；严重的带状偏析组织易造 成奥氏体化成分极不均匀，而引起马氏体相变点M s 图3 内六方处裂纹断口形貌 发生了显著的变化，在淬火冷却时造成了马氏体相变 F ig 3 F r a ct u r ea p p e a r e n ceo f t h ecr a ckinin n e rh e x a g o n 的不等时性，使工件产生较大的组织应力而开裂【1 引。 2 1 2 金相组织分析由于上述原因，使工件在淬火冷却时沿内六方应力集 从内六方裂纹纵向断口处取样观察金相组织，为中处开裂。 较粗大并保持马氏体位向的回火索氏体+ 少量针状铁2 1 4 改进措施 素体，心部存在粗大的针状铁素体呈魏氏体特征；晶粒合金结构钢原料通常是以热轧或热锻状态交货， 度参照G B T6 3 9 4 - - 2 0 0 2 ( 金属平均晶粒度测定方法 一般组织中常有带状偏析存在，经热冲内六方后会使 评定为6 5 级，较为粗大，金相组织呈现过热态；并存晶粒粗化出现魏氏体过热组织。所以淬火前必须选用 在较严重的带状偏析，带状组织参照G B T1 3 2 9 9 一 适合的正火温度来消除或减轻带状偏析及原始过热组 1 9 9 1 钢的显微组织评定方法评定为3 5 级；在带状 织带来的有害影响，以期获得均匀细小的珠光体和铁 组织偏析区中间还伴随有条状的硫化物夹杂，按G B 素体接近平衡态的组织，为淬火工序作好预先的组织 T1 0 5 6 1 - - 2 0 0 5 ( ( 钢中非金属夹杂物含量的测定J K 标 准备工作。正火可以细化晶粒、均匀组织，减少淬火变 准评级图评定A 类硫化物为2 5 级，见图4 所示。带形和开裂，并且提高调质后材料的综合力学性能心刮。 状组织是由于浇铸时材料微观成分偏析，合金元素富针对内六方处裂纹在热冲内六方之后增加正火工 集区及贫乏区沿轧制方向变形所致；魏氏体是在加热序。 1 0 6 金属热处理) 2 0 0 8 年第3 3 卷第4 期 2 2 螺纹处裂纹分析及改进措施 2 2 1 金相组织分析 裂纹沿螺纹齿根部向里扩展深度约为2 5 3 0 m m ，裂纹两侧为回火索氏体组织一致，从显微镜下观 察裂纹呈曲折锯齿状沿晶界向内延伸，裂纹内部未见 高温回火氧化物及镀锌痕迹，见图5 所示。可以初步 确认，螺纹齿根部裂纹是在镀锌后产生的。 图5 螺纹裂纹两侧的显微组织 F ig 5 M icr o s t r u ct u r eo fb o t hs id e so ft h eS C I e Wcr a ck 从金相组织中表明，热处理工艺操作正常，实测随 炉试棒抗拉强度尺。为9 8 0M P a ；屈服极限尺。l为7 8 0 M P a ；伸长率A 为1 4 ；A 。v 为3 7J ( 2 0 ) 常规性能符 合图纸要求。初步推断，裂纹是酸洗引起的氢脆所导 致的，这还需要有相关试验来证明。 2 2 2 裂纹起因的试验及分析 ( 1 ) 去应力处理试验G B T1 3 9 1 2 - - 2 0 0 2 ( 金属 覆盖层钢铁制件热浸锌层技术要求及试验方法中指 出，“应在酸洗热镀锌前进行去应力处理”。作者对精 加工的螺杆增加了2 0 0 8h 去应力工序，但热镀锌 后仍然有裂纹出现，这说明去应力工序对消除氢脆裂 纹无效。 ( 2 ) 酸洗试验为了减少氢脆对钢的不利影响， 减少酸洗浸泡时间的试验。 方法：第一组2 支，酸洗4 0m in 一热镀锌_ 2 0 N H 。C 1 ( 8 0 ) 水溶液水曝光_ 热水清洗。 第二组2 支，酸洗2m in 一热镀锌一2 0 N H 。C 1 ( 8 0 ) 水溶液水曝光- + 热水清洗。 试验结果：两组共4 支未发现裂纹，但经过3 4 h 后均沿老地方螺纹齿根部开裂。 试验表明酸洗时间无论长短，在螺纹齿根尖角处 均产生了氢脆裂纹，氢脆裂纹呈现延迟开裂的特性。 ( 3 ) 抛丸代替酸洗试验为了彻底排除酸洗氢 脆引起的裂纹，采用机械抛丸处理代替酸洗。 方法：第一组2 支。机械抛丸_ 热镀锌_ 2 0 N H 。C 1 ( 8 0 ) 水溶液水曝光时间5 一1 0s _ 热水清 洗。 第二组2 支。机械抛丸_ + 热镀锌一2 0 N H 。C 1 ( 8 0 ) 水溶液水曝光时间l- 4s 一热水清洗。 试验结果：两组无酸洗镀锌试验，经探伤3 支未发 现裂纹，但其中1 支经3 4h 后在螺纹齿根处又开裂 了，发现开裂的螺纹齿根部R 角较小。螺杆不酸洗镀 锌后的水曝光和热水清洗也能产生裂纹，这是原来没 有想到的。 工件不酸洗镀锌后经水曝光和热水清洗也存在着 开裂的危险性。 2 2 3 螺纹处裂纹分析与结论 ( 1 ) 氢脆的影响酸洗时氢原子渗入工件表面， 在一定条件下形成氢分子2 H + + 2 e _ H ，t 或氢原子 与钢中的碳原子反应形成甲烷4 H + + c。_ cH 。t 气 体逸出，由此产生巨大的高压，使金属表面变脆产生裂 纹”J 。有资料介绍，在热镀锌加热时，金属表面的氢 原子沿晶界迅速向内扩散，在随后的冷却过程中( 一 1 0 0 1 5 0 ) ，氢原子转变成为氢分子产生巨大压力， 破坏了晶界的连续性使金属沿晶界开裂而产生氢 脆。 ( 2 ) 水曝光的影响热镀锌后为了使表面得到 均匀、光亮的工件，须趁热把工件浸入2 0 N H 。C 1 ( 8 0 ) 的水溶液中，时间为l一5s ，曝光后工件立即转入 流动的清水中清洗。水曝光时瞬间对螺纹齿面产生了 巨大的冲击力和齿部急冷所产生的体积收缩应力，使 螺纹根部向两侧产生了瞬间巨大的拉应力，加速和诱 发螺纹根部裂纹的形成。 ( 3 ) 尖角应力的影响螺纹齿根部及尖角处圆 角较小，易产生应力集中引发裂纹。尖角造成的应 力集中，增大了酸洗氢脆产生裂纹的敏感性和危险 性。 上述3 种因素是造成螺纹齿根处开裂的主要原 因。 2 2 4 改进措施 ( 1 ) 将酸洗工序改为机械抛丸，以彻底消除因氢 脆对钢产生的不利影响。 ( 2 ) 严格控制水曝光时间在3 5s 内，尽量减少 水曝光时产生的瞬间内应力。 ( 3 ) 因氢脆和水曝光后产生的裂纹均存在有延 迟开裂特性，故在水曝光后立即用1 5 0 左右热油浸 泡l一2h ，消除因水曝光冷却时产生的冲击力及体积 收缩所造成的残留应力，取消清水洗工序。 ( 4 ) 增大螺纹根部及尺寸厚薄过度区的圆角，减 少工件的尖角应力集中，圆角度增加可以有效抑制裂 纹的产生。 金属热处理) ) 2 0 0 8 年第3 3 卷第4 期1 0 7 3 改进后新工艺流程 对原工艺进行改进后，新工艺流程为：下料- 热冲 内六方一+ 正火- + 粗车_ 淬火、回火_ 机械抛丸_ 精加 工螺纹一热镀锌_ 水曝光_ 消除残余应力1 5 0 2 h 热油浸泡。 4 生产实践效果 改变生产工艺后，经过半年多时间的生产实践验 证，螺杆螺纹齿根处裂纹及内六方处的裂纹得到了彻 底解决，从原来1 0 0 裂纹到零废品，共生产了1 1 6 0 支工件经磁粉探伤检验全部合格，上述两种形态的裂 纹均得到了有效的控制。由于采用无酸洗、无废酸排 放的新工艺，对环保及改善生产环境具有重要的意义， 经济和社会效益十分显著。 5结语 通过分析、试验和大批量生产实践证明，4 2 C r M o 钢高强度( R 。= 7 8 0M P a ) 调质零件因氢脆和水曝光引 起的裂纹得到了根本解决。本文对高强度钢种调质后 热镀锌工艺具有普遍的指导意义和一定的实用价值。 并对G B T1 3 9 1 2 中提出的镀锌前“去应力处理”的说 法进行了验证，认为对消除氢脆裂纹不起作用，从而纠 正了标准中对热镀锌工艺的模糊看法。 参考文献： 1 上海市机械制造工艺研究所金相分析技术 M 上海： 科学技术文献出版社，1 9 8 7 ：3 0 6 - 3 0 8 2 中国机械工程学会热处理学会编委会热处理手册( 第3 版，第4 卷) M 北京：机械工业出版社，2 0 0 1 ：3 0 ，3 8 ， 4 0 ，1 7 5 ，4 2 0 3 王广生，曹敏达，等金属热处理缺陷分析及案例( 第2 版) M 北京：机械工业出版社，2 0 0 7 ：1 5 4 ，1 5 5 ，2 8 8 2 9 1 4 孙智，等失效分析一基础与应用 M 北京：机械工 业出版社，2 0 0 5 ：1 2 8 1 3 2 致谢：由巨力索具股份有限公司副总工程师教授级高工丁得刚 审阅修改了本稿，并承担了摘要的英文撰写工作，谨致谢意! 参加部分试验工作的还有张更生、殷宝明，在此表示感谢! j - L j I L 舢址 L L L 4 L 舢也I L L L J 止I L 舢j 址址址舢舢J 吣4 L - L 4 L 址j - L J I L 4 L j L 4 L 止I L 止J I 址址址舢皿址“J 也I L 止也 新版热处理手册( 1 - 4 卷) ( 第4 版) 在京出版发行 近年来，中国钢铁、制造业等都在迅速发展，为了适应行业发展的需要，中国机械工程学会热处理学会组织近 百名专家学者，历经三年，对热处理手册这一经典工具书进