螺纹滚丝模失效分析和锻造与强化处理研究

machao521444

　　研究了Cr12MoV电炉钢制紧固件螺纹滚丝模早期失效分析；选用Cr12MoV电渣钢与科学合理锻造和进行真空零保温淬火强化处理等改进措施。消除了该模具早、中期失效，使用寿命显著提高。
1 u& `; y3 h2 l* h& ]& C% T　　一、前言
- |/ m; L$ T) \2 x# W　　为确保螺纹紧固件与高强螺栓精度和提高螺纹抗疲劳强度，宜采用滚压螺纹工艺制造滚丝模。常规热处理滚丝模因电炉钢存在较多冶金组织缺陷，由锻裂及热处理、冷加工与操作使用不当等因素，易导致滚丝模牙纹破损等早、中期失效，既严重影响了生产进程与产品质量又增大了生产成本，因此，提高滚丝模寿命成为当务之急。
6 M$ p1 _6 F1 D" b　　螺纹滚丝模是在常温下滚压加工紧固件螺纹，不是切削刀具，如图1所示。无需过高硬度及高红硬性；服役时工作螺纹(牙齿)承受小能量多次冲击力和强烈摩擦力作用，应具有高强度、高耐磨、适中硬度和一定韧性。技术条件：洛氏硬度59~61HRC，碳化物级别1~2级，晶粒度10.5~11.0级，滚丝模工作面不得有显微裂纹、磕痕、锈迹和磨削烧伤等缺陷。滚丝模宽度误差≯0.12~0.14mm，两端面相对中心线的不垂直度≯0.02mm，外径尺寸公差≯±0.06mm，中径尺寸公差≯±0.015mm。

　　新工艺流程为：热轧圆钢下料→锻造与锻热调质预处理→精加工→反滚压成形→真空淬火、→硝盐回火→磨内孔→抛光成品。锻热调质预处理回火索氏体组织与最终淬火马氏体比容和晶格位移方向接近，淬火畸变微小，在允许公差范围内。锻热调质预处理后需100%检查硬度，布氏硬底240~260HB，按相同级别硬度进行配对滚压加工，球痕直径差≯1.10mm。Cr12MoV电渣钢具有纯洁度高、杂质少、晶粒细、碳化物小，化学成分与组织均匀、锻造性能较好、等向性能优等特点。合理选材，正确设计，科学锻造，采用先进热处理技术和严格的操作程序，确保冷加工设备精度等措施，能有效消除早、中期失效，提高螺纹滚丝模使用寿命。
, F( C8 Q3 j6 X; d　　二、滚丝模主要失效形式分析
8 W* Z) f8 t+ ^9 N" b2 u: h　　1.滚丝模齿形采用反滚棒滚压成形，可避免对锻造金属维维流线分布发生切断破坏。采用反滚工艺。滚丝模的牙扣成形是关键工序，而牙高及牙型取决于反滚棒，必须确保反滚棒质量，如表1所示，方可承受小能量冲击力与强烈摩擦力，避免牙高超差和牙峰呈尖角与防止淬火加热发生脱碳、晶粒粗化及淬火冷却时发生畸变等缺陷。
　　滚丝模主要冷加工缺陷：双牙尖与夹皮——因反滚棒制牙型时，滚丝模坯料对位不正，滚制时发生错位和螺纹反挤压成形超过两次与滚压时间过长出现包角、花丝、折迭、双牙尖、夹皮等冷加工缺陷，导致螺纹牙齿抗冲击、抗疲劳、抗磨损及综合机械力学性能急剧降低，脆性大，服役时造成牙型整片剥落等早期失效，是滚丝模寿命的致命伤。

　　其次，牙型乱扣一因反挤压成形时滚丝模发生轴向位移，由于螺旋升角不对造成螺旋线扭曲，滚压生产出产品无法使用，千百万极大浪费和经济损失。
& u+ ^8 w! F& q9 k6 a  \* S　　2、滚丝模热处理缺陷
　　A、脱碳(C)—滚丝模牙纹热处理后不再加工，脱碳降低牙纹表面硬度、耐磨性、疲劳强度和形成淬火软点，服役时导致例牙、崩牙、堆牙、磨损与剥落等早期损坏形式。钢表面脱碳因氧化作用使钢表面含碳量降低，变高碳钢为低碳钢(表面脱碳层部位)。脱碳形成的铁素体晶粒组织有柱状晶粒脱碳和粒状晶粒脱碳两种形式。钢件加热时，因加热炉内存在O2、CO2、H2O等气体与钢表面碳发生化学反应，使滚丝模表面脱碳。
7 ~4 [/ v+ v* h5 x　　B、奥氏体晶粒粗大—滚丝模要求晶粒度为10.5-11.0级，淬火后获得隐晶淬火马氏体。钢的奥氏体晶粒分为13级：1级最粗。13级最细。晶粒愈细，钢的强韧性愈高。反之，晶粒愈粗，钢的强韧性愈差。实践证明，奥氏体形成后，随着淬火温度升高和保温时间延长，奥氏体晶粒急剧长大。当淬火加热温度一定时，快速加热奥氏体晶粒较细，慢速加热奥氏体晶粒较粗。慢速加热奥氏体晶粒较粗。模具钢最终淬火前未经预处理(如退火、正火和调质细化组织)，则奥氏体晶粒粗大，淬火得到脆性大的粗马氏体，强韧性低，晶粒之间结合力差，导致滚丝模服役时发生崩齿失效。其次，滚丝模钢中碳化物不均匀度必须达到1~2级，呈细、小、匀、圆弥散分布于钢基体，尤其是工作牙纹部位。滚丝模严禁用轧制原制材料圆钢直接加工，因原材料碳化物沿制方向呈带状、网状和链状分布，其机械力学性能有明显方向性，纵向性能高于横向性能，脆性大，且易引起淬火畸变，无法达到碳化物1~2级技术条件。当钢中碳化物呈带状、网状、链状、大颗粒状、□状和堆集状分布于钢基体时便割裂基体，破坏基体组织连续性，削弱晶粒间结合力，淬火时易应力集中，成为裂纹与畸变源，此时的碳化物为脆性相；但当钢中碳化物达到1~2级，呈细、小、匀、圆分布于钢基体时，为强化相，变碳化物脆性相为强化相发生质的飞跃，有利提高滚丝模使用寿命。因大于3级以上碳化物，碳化物偏析堆集处碳和合金元素富集，降低碳化物堆集处熔点，正常加热温度下，此处易过热、晶粒粗大、过烧和易引起应力集中，成为淬火裂纹源。碳化物不均匀分布，引起淬火晶粒细大小不均，降低钢的强韧性，因碳化物堆集处在淬火加热时有大量未溶解碳化物阻碍奥氏体晶粒长大，则此处晶粒细。
! X5 V) z' ~7 p; ^7 j( Y4 H文章关键词： 螺纹滚丝模   失效分析