ml35b盘条制内六角螺栓开裂原因分析

ml35b盘条制内六角螺栓开裂原因分析

内六角螺钉是一种特殊的拆卸结构。在冷焊工艺中，金属的承载能力比普通螺钉差得多。对钢的表面质量、内部纯度和塑料薄度有严格的要求，否则很容易开裂。为满足紧固件行业制造内六角螺栓的需求,杭钢研制生产了专用于加工8.8级强度等级的内六角螺栓的冷镦钢,即ML35(B)钢。其生产工艺流程为:80tUHP电弧炉冶炼→LF精炼→VD真空脱气处理→连铸→铸坯磁粉探伤和机械修磨→摩根型高线机组轧制→冷镦钢盘条成品→检验合格→出厂。1螺栓开裂原因分析国内一家内六角螺栓的专业制造厂在使用杭钢ML35(B)冷镦钢盘条加工内六角螺栓时,出现了批量性的开裂,造成大量的螺栓成品报废,笔者对导致螺栓开裂的原因进行了分析。用ML35(B)盘条钢镦制的内六角螺栓,开裂形貌如图1所示:在发生开裂的炉批号中,开裂比例占5%～26%不等,如表1所示。把冷镦内六角螺栓出现开裂的ML35(B)盘卷改为冷镦普通螺栓,则开裂状况明显减轻,开裂比例显著下降。2试验和分析2.1进行试验和分析在自动冷镦成型机镦制内六角螺栓过程中发生开裂的ML35(B)钢盘条上截取试样(以下简称问题试样),进行试验和分析。另外,还从质量状况正常、未发生冷镦开裂的ML35(B)钢炉号中截取试样(以下简称正常试样),进行对比分析。由于情况比较复杂,笔者采用排除法进行分析和推断,将导致盘条冷镦开裂的各种可能的因素一一列出,逐项试验,逐一排除,最终找出ML35(B)钢盘条冷镦开裂的真正原因。2.2试验结果及分析如果冷镦钢盘条的强度过高,塑性不足,冷变形性能就比较差,材料在冷镦成型过程中就有可能开裂,根据有关资料的介绍,冷镦钢的断面收缩率不应小于50%。从力学性能试验结果(表2)看,问题试样的强度和塑性指标全部达到了杭钢内部技术要求,其中断面收缩率指标也均在50%以上,同正常试样的性能数据也很接近,未发现有异常的地方。因此,可以排除力学性能的因素。2.3钢中裂纹频繁如果冷镦钢的内在纯净度较差,残留在钢中的全氧含量较高,夹杂物含量级别较高,在钢中会形成裂纹源,在冷镦应力的作用下发展为裂纹,致使螺栓报废。从内在纯净度检测结果(表3)看,问题试样的全氧含量与夹杂物级别并不算高,同正常试样的水平相当,未发现有异常的地方。因此,可以排除内在纯净度的因素。2.4螺栓成品开裂如果冷镦钢盘条表面存在缺陷,则镦制螺栓时表面缺陷将在冷变形应力作用下延伸和扩展,导致螺栓成品的开裂。对所有的问题试样在酸洗后进行表面质量检查,未发现有表面缺陷,因此,可以排除盘条表面质量的因素。2.5材料的冷顶锻试验结果冷顶锻试验是杭钢ML35(B)冷镦钢的常规检验项目,对所有问题试样重新进行1∶3冷顶锻试验(试样冷顶锻后与冷顶锻前的高度之比为1∶3),结果所有的冷顶锻试样均未发现有开裂现象。由于冷镦内六角螺栓时材料的变形量、变形速度和变形应力大于1∶3冷顶锻试验,ML35(B)冷镦钢盘条通过了1∶3冷顶锻试验,并不能说明在冷镦内六角螺栓时就没问题。2.6.连铸坯横截面分布对问题试样进行金相组织检查,发现组织中存在偏析线(图2)。所有问题试样的组织中均有偏析线,偏析线的数量为1～4条不等,长度约为盘条半径的1/3～1/2。偏析线的一端离盘条表面0.5～1.5mm(根据盘条直径不同而定),另一端指向盘条的中心。如果偏析线的数量超过1条的,则在金相试样的横截面圆周上呈90°或180°分布(图3)。冷镦内六角螺栓出现开裂的ML35(B)钢盘条,炉号从DL02100416至DL02100419,从DL02110386至DL02110389,冶炼生产是集中在80t电炉炼钢厂的2个连铸浇次进行的。查验当时的生产作业记录、检验数据以及留存试样,发现该2个浇次的连铸坯横截面酸浸低倍试片中有多块存在严重的内部裂纹缺陷(图4)。裂纹的一端位于连铸坯皮下3～8mm,靠近角顶,另一端指向连铸坯的中心,裂纹的数量为1～4条不等。ML35(B)钢连铸坯内的角部裂纹的数量和分布形态,与ML35(B)钢盘条中的偏析线的数量和分布形态存在着很强的对应关系。对所有的ML35(B)钢盘条正常试样进行金相组织检查,均未发现内部有类似的偏析线。对所有ML35(B)钢盘条正常试样的炉号查验留存的连铸坯横截面酸浸低倍试片,也均未发现有类似严重的角部裂纹存在。2.7角部裂纹的检验综合上述的试验和分析,螺栓开裂存在如下的关系链:连铸坯内角部裂纹→盘条内的偏析线→冷镦内六角螺栓开裂。据此,可以推断出ML35(B)冷镦钢盘条镦制内六角螺栓时裂纹的形成机制。由于ML35(B)钢连铸坯内存在角部裂纹,但裂纹尚未延伸到铸坯的表面,高线轧制时在高温和大压缩比轧制的条件下,这些皮下的角部裂纹焊合了,但并不是裂纹两侧组织的完全熔合,在焊合之处留下了连铸坯原始内部裂纹的“痕迹”,即盘条内部的偏析线。偏析线两侧组织间的结合强度自然低于基体组织,对存在这种偏析线缺陷的ML35(B)钢材进行常规的冷顶锻试验及用于加工普通螺栓时,由于此时的冷变形应力尚未超出偏析线缺陷处组织所能承受的极限,因而材料不易开裂。但如果用于加工内六角螺栓,由于内六角螺栓的外形比较复杂,冷镦过程中的变形应力要大大高于冷顶锻试验及用于加工普通螺栓时的冷变形应力,超过了偏析线缺陷处组织所能承受的极限,此时金属就会沿偏析线方向撕开,导致螺栓的开裂。3u2004工艺缺陷连铸坯内的角裂一般是由于连铸设备的不正常运行和不恰当的工艺操作参数引起的,追溯这批发生质量问题的ML35(B)冷镦钢的连铸生产原始记录,发现其主要问题是;①连铸拉速过高,按工艺技术规程的要求,ML35(B)钢的正常拉速应为2.4～2.8m/min(结晶器断面150mm×150mm),而当时的拉速高达3.0～3.2m/min;②钢水的过热度偏高;③结晶器铜管质量不好,使用寿命未到即已出现严重磨损和下口尺寸超标的现象。这些问题纠正后,ML35(B)钢连铸坯内的裂纹缺陷大幅度减少,ML35(B)冷镦钢盘条的开裂缺陷基本消除。4盘条内部偏析线缺陷(1)ML35(B)冷