9 月份一批35K 材料, 冷镦后造成毛坯开裂. 经过一系列检测, 发现在开裂裂口附近, 夹杂物成片, 成串分布, 夹杂物大小, 数量超过了标准范围要求, 严重影响了材料的连续性, 一致性. 冷镦时, 在外力与内部缺陷的共同作用下, 造成产品开裂.
造成冷镦产品开裂的原因多种多样:
材料的中碳及合金元素的增加, 原材料硬度及强度比较高会引起产品开裂;
原材料材料组织状况比较差, 存在材料偏析, 退火组织不良, 给产品冷镦变形增加难度, 增加了引起产品开裂的可能性;
紧固件形状复杂程度的增加, 也会给变形带来一定的难度, 也增加了产品开裂的风险;
此外, 设备, 模具不匹配, 产品开裂的可能性会增大;
其中材料中夹杂物增多, 夹杂物个体增大, 超过标准等级范围要求, 是造成冷镦开裂的最重要原因之一.
一, 螺母开裂状况:
公司在2015年9月进来的一批35K 材料, 在冷镦凸缘螺母毛坯时, 产品产生开裂, 模具消耗量比较大, 尽管开裂的毛坯在3% 左右的比例, 但是给公司的生产带来了不少麻烦. 不但毛坯出现开裂现象, 少量漏网的螺母经过各道工序加工, 在产品成品后, 发现少量开裂螺母, 给公司带来不少麻烦. (毛坯开裂见图一A, 螺母开裂见图一B).
毛坯开裂影响到产品的质量和成品率;没有挑出的开裂螺母不但给下道工序带来麻烦, 而且一些开裂的螺母没有挑出(见图一B), 发给用户, 给产品质量带来很大的隐患, 直接影响公司的声誉, 开裂螺母必须在成品出厂前全部排除, 否则流出公司会后患无穷.
二, 常规检测分析:
1. 成分分析:
从材料成分来看, 这批线材符合35K 材料的成分要求.
2. 硬度分析:
公司线材原材料硬度平均值为HRB84.3, 符合硬度平均值≤ HRB85 的公司规范要求;螺母坯硬度的平均值为HRB98.2, 达到硬度平均值≤ HRB100 的技术规范要求.
3. 材料组织的金相图片.
从图二退火的金相组织的图片来看, 组织中珠光体比较细小, 分散, 均匀, 剩余相铁素体组织没有成片, 成块的出现, 是比较理想的退火组织, 级别评定为退火组织五级, 原材料组织正常.
三, 裂纹分析:
1. 宏观分析:
个别凸缘螺母开裂情况比较严重, 毛坯开裂从缘口开始, 开口处间隙很大, 形成喇叭口, 裂纹从凸缘边口一直裂到凸缘底边内圆.
2. 裂口金相分析:
裂纹状态分析:
(1)从图四开裂毛坯裂纹依次划分为A, B, C, D 四个区域;将四个区域左转90°, 放大后成分各个区域, 夹杂物分布及形状可以看得比较清楚.
(2)从图四开裂毛坯裂纹的放大图可以看出: 沿裂开螺纹边线, 可以看到沿线不整齐, 存在许多坑坑洼洼, 呈现出来不规则的缺口, 曲线;缺口形状为不规则的半圆及弧线, 都是夹杂物形成的.
(3)这些斑点是材料中夹杂物密集分布的区域, 是材料夹杂物集中区域, 材料的塑性下降, 连续性被打破, 在外力增加形态下, 夹杂物集中区域, 受不了产品变形时巨大的变形挤压力, 夹杂物集中沿线的区域首先撕裂, 造成裂纹, 许多成串区域, 形成坑坑洼洼的曲线, 导致毛坯开裂. 夹杂物集中的区域是原材料薄弱环节, 是形成裂纹的区域.
(4)从上面图四中裂纹各个分段分区域分析(见图五):
① 图五A 图中, 可以看到沿断裂线, 形成不规则曲线及弧形线, 裂纹边际线下面紧密地分布一串夹杂物.
② 图五B 图裂纹线二边, 夹杂物串联排列, 裂纹沿线坑坑洼洼程度更加严重, 右边裂纹线弯曲程度尤其明显, 右边裂纹线下面的夹杂物分布更加密集.
③ 图五C 两边裂纹线不整齐, 不规则的, 裂纹线条坑坑洼洼, 曲折程度非常严重, 其中裂纹线中有椭圆形状的弯口和树枝状丫口, 是典型的夹杂物连续分布的区域.
④ 图五D 接C 区的下方, 形状类似图五C, 夹杂物连续分布的杂乱无章, 并且有分支状出现.
(5)分析小结:
钢中非金属夹杂物多, 形状怪, 分布密集, 尺寸大, 分布成串, 而且夹杂物树支状, 与点球状形成串连成片, 是造成紧固件冷镦开裂的一个主要的原因.
尤其是非金属夹杂物中D 类(球状氧化物), Ds(单颗球状氧化物)夹杂物, 密集分布, 杂乱无章, 成串珠连状, 阻断了原材料的一致性, 连续性, 使材料内部组织产生阻断, 塑性下降;破坏了材料应有的连续性, 在外力作用下, 容易产生里应外合的作用, 造成产品断裂现象;而且夹杂物距线材表面近, 危害性极大;在冷镦技术标准中, 要求各类夹杂物;B 类, D 类夹杂物2 级以内;Ds 夹杂物的级别一般控制不大于2 级的标准, 这样不但可以减少冷镦开裂的风险, 而且还可以减少热处理淬火裂缝的可能性, 达到产生预防性开裂的效果.
目前, 开裂产品夹杂物分布密集度程度类似于D 类, 同时, 颗粒大小却超过了Ds 类, 这是标准不允许存在的, 这样材料的连续性严重阻断, 以致造成冷镦时开裂. 从上面图片可以清晰地看到裂口周围夹杂物密集, 断口坑坑洼洼, 验证了由超标的夹杂物在冷镦外力下造成产品开裂情形.
再看夹杂物的大小: 左图六1 裂纹收口区域明显存在大颗粒的夹杂物, 对图片中8 个明显的夹杂物进行了具体的测量, 夹杂物直径大小分别为: (1)35.20μm;(2)55.46μm ;(3)60.98 μm;
(4)32.94μm;(5) 长: 111.24μm 宽: 44.68μm ;(6) 长: 124.42μm宽: 51.64 μm;(7)52.27μm ;(8)85.39μm . 具体见右图六B2. 其中最大的夹杂物: 长: 124.42μm 宽: 51.64 μm;最小的夹杂物也达到: 32.94μm.
按照GB/T10561-2005《钢中非金属夹杂物含量的测定 标准评级图显微检验法》单个夹杂物最高等级3 级, 夹杂物最大直径为76μm, 图六2(5) 111.24μm, (6)124.42μm, (8)85.39μm, 全部超过标准中最高级别3 级的要求;最小的夹杂物为32.94μm, 也达到2 级标准;而且分布密集程度也超过D 类(球状氧化物)夹杂物的标准要求.
3. 同一批开裂螺母制造后的成品:
(1)成品开裂螺母形状: 同一批材料, 在螺母冷镦后没有挑出的螺母坯, 经过调质, 表面处理后, 裂纹扩展了(见图七).
(2)开裂螺母金相组织(见图八):
按照调质组织评级要求(GB/T13320——2007), 尽管存在裂纹, 但是调质后的组织状况良好, 基本上是回火曲氏体+回火曲氏体组织中剩余相——铁素体组织, 分布均匀, 细小, 没有大块, 成片存在. 总体而言, 组织状态良好, 按调质组评级为二级, 组织比较理想. 说明材料成分及其他工艺没有问题.
(3)调质后成品硬度: 平均值达到HRC29.1, 达到10 级螺母的标准, 而且硬度是在下偏差的范围, 按理来说产品开裂可能性小(见下面表格).
(4)同一批开裂成品螺母的裂纹及夹杂物状况(图九):
漏网毛坯成品后开裂的螺母, 低倍组织裂纹中的夹杂物, 同样存在夹杂物分布凌乱, 数量多, 颗粒大的状况, 而且开裂部分集中分布;同时可以看到在裂缝区域存在不规则的许多圆弧, 半圆(如图九);其余区域夹杂物斑点很多, 与冷镦毛坯开裂状况如出一辙.
四, 分析结论:
1. 裂纹是由材料不良引起的, 主要是材料中夹杂物分布面广, 颗粒大, 分布密集, 均超过了技术要求的标准.
2. 这些斑点是材料中夹杂物密集分布的区域, 夹杂物集中区域的材料, 打破了材料本来固有的一致性, 连续性, 材料可塑性严重下降, 当外力增加形态下, 夹杂物集中区域, 接受不了产品变形时巨大的挤压力, 在夹杂物沿线连续性破坏, 应力集中分布区域——材料的薄弱环节, 首先撕裂, 形成成品开裂现象.
3. 材料中超标的夹杂物是造成开裂的原因.
参考文献
1, GB/T13320——2007《钢质模锻件金相组织评级图及评定方法》
2, GB/T10561-2005《钢中非金属夹杂物含量的测定 标准评级图显微
检验法》◆
作者: 金蜘蛛紧固件网顾问专家 阎振中, 上海底特精密紧固件有限公司 程平
本文原刊登于第44期金蜘蛛《紧固件》季刊
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