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案例分析:螺母冷镦后为什么开裂了?(附图)

中国机械工业联合会机经网  发布时间:2018-05-09 11:12:44  来源:金蜘蛛紧固件网


关键词: 案例分析    螺母冷镦    开裂   

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。

  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)。

  

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  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:

  

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  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:

  

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  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。

  

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  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:

  

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  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:

  

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  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。

  

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  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。

  

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  (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)。

  

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  (4)同一批开裂成品螺母的裂纹及夹杂物状况(图九):

  

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  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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  本文为金蜘蛛紧固件网专稿,转载请注明来源。

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