4.8级半园头方颈螺栓开裂掉头原因分析

宋 强,孙 山,方 燕,刘 维（马鞍山钢铁股份有限公司,安徽 马鞍山243000）

4.8级半园头方颈螺栓开裂掉头原因分析

宋 强,孙 山,方 燕,刘 维
（马鞍山钢铁股份有限公司,安徽 马鞍山243000）

摘 要：通过对4.8级半园头方颈螺栓冷镦成型后样品的纵剖面不同部位的金相分析，以及裂纹区域扫描电镜和能谱分析，发现的Ca、Zn、C的复合氧化物属于冷变形加工后外来复合夹杂，认为是深加工工艺流变强度、塑性变形超过了材料的承受能力，导致螺栓头部与直杆部交界处在冷加工过程中产生裂纹缺陷。

关键词：冷镦变形；裂纹；复合氧化物

1　前言

4.8级半园头方颈螺栓通常选用低碳冷镦钢热轧盘条，如10B08热轧盘条。经酸洗（鳞化）→拉拔→冷镦（搓丝）→表面处理→包装工艺流程进行半园头方颈螺栓制作。充分发挥低碳冷镦钢强度低、面缩率高、冷镦性能好的特点，生产出的半园头方颈螺栓机械性能达到4.8级要求，广泛应用于各类机械连接部位。但由于该螺栓半园头部位冷镦变形量较大，同时颈部为方形， 冷镦加工时极易造成半园头与方颈结合部应力集中，如果工艺控制不当，容易导致用户使用该螺栓过程中发生螺栓开裂掉头的现象，本文通过对批量工业生产过程中，发现的开裂掉头半园头方颈螺栓进行金相和裂口断裂源扫描观察，能谱分析，研究了半园头方颈螺栓开裂掉头的产生原因，以指导生产过程中的工艺控制。

2　10B08钢成分控制及力学性能

10B08冷镦钢化学成分控制见表1。工业化大批量生产的Φ10规格10B08热轧盘条力学性能见表2。

表1　10B08钢化学成分（%）

表2　Φ10规格10B08热轧盘条力学性能

3　半园头方颈螺栓检验结果

10B08热轧盘条经酸洗（鳞化）→拉拔→冷镦（搓丝）→表面处理→包装工艺流程进行半园头方颈螺栓制作。螺栓头部镦粗变形后，选取一定比例样品进行敲弯试验，以检查冷镦成形后螺栓有无裂纹等缺陷。部分样品敲弯后半圆头部与方颈杆部交界处出现裂纹，其中个别样品头部与杆部完全裂开。图1为编号44-1、44-2二件螺栓敲弯后纵向剖面图。为了了解敲弯试验开裂的原因，对试样进行了裂口断裂源扫描观察，能谱分析，头部横向组织及纵向剖面组织检验。

3.1 纵剖面组织检验结果

分别对图1中44-1、44-2二件试样中a、b、c、d、e、f、g七个部位进行组织检验，结果见图2和图3。 44-1试样f区和g区变形严重且存在裂纹，说明螺栓成形后2边已经出现裂纹，敲弯只是促使一边裂纹扩展。44-2样品f区和g区与44-1样品基本一致。

3.2 试样断裂源扫描电镜观察、能谱分析

断裂样品断裂源特征基本一致。编号44-1试样头部裂开处断裂源形貌见图4，断面上异物能谱见图5，从图4可见，敲弯断开前试样已经有裂纹。从图5可见，异物夹杂不仅仅局限在断裂源处，能谱分析发现异物夹杂为Ca、Zn、C的复合氧化物，说明异物夹杂不是盘条本身固有的，而是在后续深加工过程中带来的外来异物夹杂。

4　讨论分析

低碳冷镦钢10B08A热轧盘条成分、性能控制良好，按酸洗（鳞化）→拉拔→冷镦（搓丝）→表面处理→包装工艺流程进行半园头方颈螺栓制作，加工过程正常，但有部分样品出现开裂、甚至掉头缺陷。为找出原因，我们在冷镦加工后取的样品进行敲弯，部分样品开裂掉头。对开裂掉头样品进行断口扫描电镜观察发现，螺栓敲弯断开前试样已经有裂纹，螺栓敲弯时原有裂纹导致头部断开。对断口进行能谱分析发现，裂开处存在Ca、Zn、C的复合氧化物，该复合氧化物与盘条冶炼、轧制过程无关，是盘条后续深加工过程中带来的。从裂纹形貌来看也与该复合氧化物无关[1]。

从金相检验结果图2、图3可见，螺栓组织为铁素体+少量珠光体，不同部位组织变形程度不同。检测发现，螺栓半圆头部与方颈直杆部交界处区域均观察到裂纹，且裂纹变形严重，组织变形严重，说明敲弯之前交界处已经存在裂纹，组织变形严重并伴随着裂纹的扩展。也与半园头方颈螺栓实物表面肉眼可见的半圆头部与方颈直杆四角部交界处都有裂纹[2]。

5　结论

低碳冷镦钢10B08A热轧盘条成分、组织、性能正常，符合标准要求。制作的半园头方颈螺栓，少量样品在螺栓半圆头部与方颈直杆部交界处发现裂纹严重时出现掉头的主要原因，是深加工工艺流变强度、塑性变形超过了材料的承受能力，螺栓头部与直杆部交界处在冷加工过程中产生裂纹缺陷，在裂纹源及其附近区域发现的Ca、Zn、C的复合氧化物属于冷变形加工后外来复合夹杂。

参考文献：

[1]李静媛,章为夷,魏成富,李平等著.钢中夹杂物与钢的性能及断裂[M].北京:冶金工业出版社,2012:512.

[2]龚桂仙,陈士华,蒲绍康,吴立新主编.钢铁产品缺陷与失效实例分析图谱[M].北京:冶金工业出版社,2012:190.

作者简介：宋强(1962-)男，上海人，教授级高工，长期从事高速线材产品开发研究。