2Cr13鋼屬于馬氏體不銹鋼,淬火后經高溫回火處理,該鋼具有良好的抗弱腐蝕介質能力和綜合力學性能,因而被廣泛應用于航空、航天以及船舶等各領域,其中也應用于航天緊固件產品。開槽圓柱頭螺栓,材料牌號為2Cr13,在成檢前發(fā)現(xiàn)5件桿部存在軸向裂紋,此批螺栓共計366件,現(xiàn)對其中1件開裂螺栓進行原因分析。該批零件由規(guī)格為φ20mm的2Cr13棒材加工制造,其生產工藝流程為:車→銑→鉗→熱處理→磨→滾絲→清洗→表面處理→試驗→成檢。
1.試驗過程與結果
(1)宏觀檢查 開槽圓柱頭螺栓開裂宏觀形貌如圖1所示,可見螺栓表面裂紋沿軸向分布,較平直,裂紋從頭部臺階處到螺紋端頭,總長約35.1mm,肉眼觀察,裂紋深度較淺,螺栓外表面未見明顯機械損傷。
圖1 開槽圓柱頭螺栓開裂宏觀形貌
(2)金相檢查
由于螺栓較長,分段截取進行鑲嵌試樣。截取開裂螺栓桿部縱截面、橫截面進行金相檢查,宏觀形貌如圖2所示。根據GB/T10561試驗方法,對開裂螺栓桿部縱截面進行非金屬夾雜評級,A類0.5級,B類2級,C類0級,D類0級,DS0級。經4 %硝酸酒精水溶液腐蝕后,螺栓頭部發(fā)現(xiàn)尺寸約(長4.9mm×寬0.6mm)的條帶區(qū)域(見圖2),沿軸向分布,內部為晶粒清晰的等軸晶(見圖3),明顯區(qū)別于基體,且對應于開裂位置的延伸線。橫向截取開裂螺栓螺紋處腐蝕后,開裂位置未見脫碳現(xiàn)象(見圖4),條帶區(qū)深約0.3mm。基體組織為回火索氏體組織(見圖5)。
圖2 開裂螺栓桿部截面宏觀形貌
圖3 開裂螺栓縱截面形貌
圖4 開裂螺栓橫截面形貌
圖5 螺栓正常位置組織
(3)能譜分析
分別對圖3中基體和條帶區(qū)域進行能譜成分分析(EDS),表1為兩區(qū)域能譜成分的半定量分析數據。
表1 螺栓基體及條帶區(qū)域能譜成分(重量百分比)結果(%)
位置 | Fe | Cr | Mn | Si | C |
基體 | 84.27 | 13.70 | 0.50 | 0.34 | 1.19 |
條帶區(qū)域 | 97.05 | 1.29 | 0.47 | 0.10 | 1.09 |
可以看出,基體主要成分為Fe(84.27%)、Cr(13.70%)、Si等元素,主要成分符合Cr13型不銹鋼要求。條帶區(qū)域主要成分為Fe(97.05%)、Cr(1.29%)、Si等元素,但Fe、Cr元素明顯區(qū)別于基體成分。
(4)硬度測試
分別對異常條帶區(qū)域及基體進行顯微硬度測試,測試結果如表2所示。螺栓硬度滿足設計要求(26~28.5HRC),偏下限,條帶區(qū)域的硬度明顯偏低。
表2 顯微硬度測試結果
測試點 | 維氏硬度HV0.2 | 換算為HRC | ||||
1點 | 2點 | 3點 | 4點 | 5點 | ||
條帶區(qū)域 | 95 | 93 | 95 | 98 | 85 | — |
基體 | 260 | 258 | 260 | 259 | 258 | 26.0 |
2.開裂原因分析
對螺栓橫、縱截面金相檢查表明,開裂位置存在沿軸向分布條帶缺陷。對條帶缺陷及正常位置進行能譜成分分析,結果表明條帶缺陷區(qū)域能譜成分明顯區(qū)別于基體成分。雖然能譜分析誤差較大,通常適用于定性分析,不適合精確的定量分析,但已能夠說明問題。從顯微硬度結果表明條帶區(qū)域硬度明顯低于基體,從而說明兩者存在明顯區(qū)別。從金相組織看缺陷部位的組織與基體組織明顯不同,正常基體為回火索氏體組織,而缺陷位置組織為等軸晶,且具有金屬特征。條帶異常區(qū)域周圍未見脫碳現(xiàn)象,未見非金屬夾雜聚集現(xiàn)象,故綜合分析認為條帶區(qū)域是異金屬夾雜。
經了解,此原材料棒材為電渣鋼,在冶煉過程中合金料未完全熔化,或者不慎混入其他未熔化金屬均有可能形成異金屬夾雜,微觀上表現(xiàn)為異金屬部位組織與基體組織有明顯的界線,且自身的硬度與基體的硬度存在明顯差異。綜合分析認為此缺陷應是材料電渣熔煉過程中有異金屬混入所致。由于該缺陷沿軸向分布,破壞了螺栓整體組織的完整性,降低了金屬的塑性和強度,且位于零件表面,在后續(xù)機加工過程中因強度不足造成表面開裂。
3.結語
通過以上分析得出,原材料異金屬夾雜導致開槽圓柱頭螺栓在機加過程中開裂;對于本批已生產的零件:螺栓表面開裂的直接剔除,其余螺栓建議采用X射線等無損檢測手段進行挑選;而對于車間剩余未加工的建議加嚴原材料檢測,進而確定能否使用。為了盡可能降低此批原材料中的異金屬夾雜,應該從冶煉抓起,建議聯(lián)系廠家,提高冶煉技術,保障供應合格的原材料。
作者:徐宋娟,洪媛媛,馬芳,顏明禮,馬方園
單位:首都航天機械公司計量理化所國家國防重點實驗室
來源:《金屬加工(熱加工)》雜志
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