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9SiCr钢搓丝板早期崩牙分析

 

范允昕 蒋清亮

  摘 要 本文着重从力学、热处理质量两方面分析了9SiCr钢搓丝板早期崩牙的原因。讨论了失效形式与材料强韧性能及显微组织之间的关系,认为预先热处理及淬火的效果是影响搓丝板寿命的关键。
   关键词 9SiCr钢 搓丝板 崩牙

Analysis o f Early Break Tooth in 9SiCr Steel Screw Plate

Fan Yunxin Jiang Qin gliang

  Abstract This paper gives emphasis to analyze the reas ons for early break tooth in 9SiCr steel screw plate based on the mechanical pro perties and heat treatment quality.The relationship of the failure form,strength and toughness of material and microstructure was discussed.It is found that the results of pre-heat treatment and quenching are a key influencing the life of t he screw plate.
   Key Words 9SiCr Steel,Screw Plate,Break Tooth.

  搓丝板是螺纹加工中不可缺少的模具之一,大量使用于螺钉及小规格螺栓的生产中。与其它各类滚压螺纹的工具一样,它所面临的最严重的问题是早期崩牙失效。本文针对西安第三机床厂生产的搓丝板在使用中发生的大量早期崩牙问题,从其服役条件入手,进行失效分析。

1 搓丝板的服役条件及失效形式

1.1 搓丝板的服役条件
   搓丝板加工螺纹的过程是一个旋转碾压的过程,通过与工件相互滚压,使之发生塑性变形 而轧压出螺纹。因此搓丝板工作面上的每个齿牙都要受到来自工件的挤压抗力。图1所示为搓丝板受力示意图。正压力N作用于螺牙两侧,分解出径向压力P和轴向压力F。在正常工作的情况下,工作面中间部分的齿牙上两侧的轴向压力基本平衡,即f1=f2,主 要承受径向压力P的作用;但在工作面两头部分(边牙与工作螺纹最后一扣接触的齿牙),齿 牙仅一侧受力,f力不平衡,对齿牙产生弯矩。另一方面,由于相对工件的滚动和滑动,在 搓丝板和工件之间存在一定的摩擦作用,使齿牙两侧表面承受相当大的摩擦力S。因此搓丝 板在工作时所处的应力状态主要是齿根的弯曲应力、齿牙的剪切应力、三向不等压应力及齿 面的摩擦力和接触应力等。

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图1 搓丝板受力示意图

1.2 搓丝板的失效形式
   搓丝板的正常失效主要是表面磨损和齿尖麻点剥落。造成磨损的原因是在摩擦力的作用下,工件表面硬度不足而引起的材质损耗;齿牙麻点剥落是接触疲劳所致。而早期崩牙则属于非正常失效,是搓丝板在其使用寿命范围内,过早从齿牙根部萌生裂纹而断裂,这种失效对搓丝板的寿命危害最大。

2 现场调查及样品检验

2.1 热处理工艺
   西安第三机床厂的 搓丝板产品材质为9SiCr钢,经锻造→球化退火→机加工→淬火(回火)后使用。热处理工艺 如图2所示。为了减少变形,在淬火加热和冷却时,采用两块搓丝板背靠背的形式。加热时 间按单块厚度的两倍计算。

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a               b

图2 搓丝板热处理工艺曲线
a-球化退火   b-淬火回火

2.2 化学成分及硬度检验
   对早期崩牙的搓丝板进行化学成分分析,结果符合国家标准GB 1299-85《合金工具钢技术条件》规定范围。
   据统计,搓丝板硬度值在HRC 57~60范围内 ,使用寿命最长。对该厂各种规格的搓丝板进行现场抽样硬度检验,发现实际硬度都偏于上 限。大规格M16和M12搓丝板的硬度超限达HRC62~64,而崩牙损坏则主要发生在这两种规格 当中。且崩牙大多在使用1000次~2000次之间发生,属典型的早期非正常失效。

2.3 宏观断口
   图3是一个M12搓丝板崩牙失效的实物照,是典型的崩牙失效。断裂位置起始于工作面上成型段末尾部分的两头齿牙根部。断面上有些部分向一侧凹进,呈斜沟形并有光泽,为弯曲疲劳断口。有些部位较平,较粗糙,表现为脆性特征。另外在工作面中部的一些齿面上,有些齿顶部有小块崩牙现象,是脆性断裂。

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图3 M12搓丝板宏观崩牙断口全貌

2.4 金相显微组织
   经抽样检查,搓丝板 的原始球化退火组织中,存在粗片状的珠光体,碳化物的均匀性、形态都较差,球化效果不 理想(见图4)。但用试样重复进行球化退火工艺处理后效果很好,说明工艺本身并无问题。 将西安第三机床厂的搓丝板和上海工具厂的同类产品(材质相同)淬火回火后的金相组织进行 比较,如图5和图6所示。西安第三机床厂产品的组织中马氏体明显粗大,针片较长,碳化物 大小和分布的均匀性差;上海工具厂产品的组织中马氏体细小、密集,碳化物也较小,分布 均匀。结合两者的使用情况分析,西安第三机床厂的产品预先热处理和淬火组织不理想是导 致早期崩牙的主要原因。

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图4 搓丝板球化组织 ×600

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图5 西安第三机床厂搓丝板淬火(回火)组织×1000

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图6  上海工具厂搓丝板淬火(回火)组织×1000

2.5 电镜断口
   用国产XD-302透射电子显微镜对搓丝板齿根断 口进行复膜透射观察,在类似疲劳断口,发现有些区域呈条痕状,见图7。条痕较短、清晰 、间距较宽,既有平行特征,又掺杂一些交叉的痕迹,与疲劳辉纹貌似。但从高碳钢疲劳断 口大量资料来看,在疲劳扩展区很难出现辉纹,即使出现也不可能象图7所示的那样清晰明显。其次从条痕间距的宽度与搓丝板崩牙前的使用次数及裂纹扩展长度之间的对应关系来推断,也与辉纹的特征不符。图8所示为在断口的其它区域观察到的微观断口形貌。其中以晶间断裂为主,并具有准解理形态。因此从宏观断口、失效特点和使用寿命综合来看,其断裂为疲劳性质是可信的,图7所示的条痕很可能是在裂纹扩展区因裂纹面受高应力挤合,张开时,反复的摩擦作用而产生的摩擦痕迹。以弯曲疲劳为依据,还可以解释宏观断口的形貌,如弯曲疲劳裂纹是在垂直于主应力的方向上扩展的,因此在齿根就必然形成凹状断面。由于反复挤合、张开,摩擦而使断面发亮等。

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   图7 电镜断口--摩擦痕×3000

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图8 电镜断口- -晶间断裂+准解理断裂×5000

  综合以上分析,可确定早期崩牙为一种弯曲疲劳断裂。对9SiCr材料,裂纹一旦产生就扩展很快,大部分是最后瞬断区。

3 原因分析

3.1 崩牙的力学分析
   从搓丝板的受力分析可知,由于工作面两头部分的齿牙仅一侧受力,而且工件成型时两端的延伸作用使这部分齿牙还承受附加的轴向力,因此这两处的齿牙,应该最容易发生崩刃。但是为什么崩牙位置却发生在工作面的周向中部,即成型段的末尾部分呢?分析搓丝板的工作过程可知,因为搓丝板静块两端有梢度,使工件塑性成型时吃刀由浅到深,另一方面,工件随着变形增大引起的加工硬化效应也逐渐增强,使得工件对模具的挤压抗力也不断加大,至成型段末尾时达到最大,因此这里的齿牙承受了最大的弯曲应力,是崩牙断裂的最薄弱处。齿牙一旦在这里崩掉,就 逐渐开始向后成段发展,造成如图3所示的断裂形象。现场调查的结果有力地证实了这一分析。由此可见,在保证材料强度的前提下,提高其塑性、韧性是防止这类断裂的关键所在。

3.2 热处理质量分析
   预先热处理对9SiCr钢淬火回火后的塑性、韧性有着非常重要的作用。文献[1]认为,高碳钢中直径大于1μm的碳化物经常是裂纹源。西安第三机床厂搓丝板球化退火组织中粗片状的碳化物,不仅使钢的强韧性配合变差,而且往往直接成为钢破断时的裂纹源。另外由于钢中的碳化物与基体之间在力学及热力学方面有较大差异,在淬火 冷却及外力作用时,两者之间存在着一定的应力作用。如果碳化物大小、形态及分布不理想,则会在某些局部的微观区域产生较大的应力集中,这将进一步加剧裂纹的形成和扩展 [2、3]。西安第三机床厂搓丝板原始组织球化不良的原因主要是工艺操作时一次装炉量太大,炉温控制不严所致。另外9SiCr钢脱碳敏感性较大,该厂球化退火时脱碳防护不好,处理后刨削加工时操作不规范,加工后搓丝板工作面刨量不足,也是导致不良球化组织的一个原因。
   淬火组织中马氏体粗大,碳化物大小不均,形状不规则是导致钢脆化的主要组织 因素[4]。图5淬火组织恶化的原因有二,其一是原始组织不良的影响;其二是淬火 加热温度高,保温时间过长所致。该厂搓丝板采用两块背靠背的加热方法,以单块厚度的两 倍计算加热时间明显存在较大误差。举M16搓丝板为例,其宽度为70mm,厚45mm,单块加热 时间为22min30s,它的两倍为45min。但在背靠背加热的条件下,有效的厚度不应是2×45mm ,而应是70mm,所以正确的加热时间应为35min。该厂多年沿用的工艺实际加热时间一直超 出规定10min,越是大规格的搓丝板,这一失误造成的影响越大。这就很好地解释了为什么 大规格的搓丝板,硬度超限较多的原因。由于高温加热时间延长,加之原始组织球化不良, 过热倾向增大,晶粒变粗,马氏体的含碳量升高,形态基本全部为粗大片状的孪晶体,这种孪晶使滑移系减少,而且能够直接感生微裂纹,是导致钢韧性变差的直接原因。用该厂原工艺按正确加热时间淬火后,组织虽有明显改善,但效果仍不理想,说明常规淬火工艺有待改善 。

4 结论

4.1 9SiCr钢大规格搓丝板早期崩牙失效是一种弯曲疲 劳断裂。这种断裂是因为材料的强韧性能配合不好所致。

4.2 预先热处理及淬火质量是 影响搓丝板寿命的关键。原始组织球化效果不良,淬火组织中粗大片状的马氏体孪晶则是导 致搓丝板早期崩牙的直接原因。

4.3 从改善9SiCr钢中的碳化物存在形态入手,提高预先 热处理的质量,改进淬火工艺,保证获得晶粒细小,含碳较低,板条比例较高的马氏体组织 ,提高钢的强韧性配合水平,是防止搓丝板早期崩牙的有效途径。

作者单位:西安仪表工业学校,陕西710000

参考文献

 1 黄理统.轴承钢的组织及强韧性.金属热处理.1982,3
  2 杨道明.金属力学性能与失效分析.北京:冶金工业出版社.1991
  3 胡世炎.破断故障金相分析.北京:国防工业出版社.
  4 美国金属学会.金属手册,8版.10卷.1993

(1999年 3月31日收稿)

 
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