緊固件鎖緊螺母斷裂例子分析及解決措施

1、緊固件鎖緊螺母制造工藝及斷裂圖

緊固件鎖緊螺母在進行制造工藝過程中,常見的失效形式就是斷裂,一般情況下,緊固件鎖緊螺母制造工藝為:材料改制-冷鐓-車頭部、倒角、打中心孔-鉆螺紋底孔-去毛刺-攻螺紋-去磷、熱處理-磨螺紋坯徑-滾螺紋-(酸洗)氧化處理-探傷、退磁-(酸洗)氧化處理-涂膠、檢驗、包裝入庫。下面圖1為斷裂件、模擬斷裂件和完好件;圖2為斷裂件斷口的宏觀形貌。

圖1斷裂件和模擬斷裂件

圖2斷裂件斷口的宏觀形貌圖

2、緊固件鎖緊螺母斷裂問題分析

引起緊固件鎖緊螺母斷裂的原因,可能來源于材料、組織方面,也可能是本身強度等方面。為此,根據其工藝,結合材料方面的知識,采用放大鏡、顯微鏡金相和硬度等方面的分析。

(1)斷口分析

借助低倍放大鏡和高位顯示鏡觀察斷口的宏觀和微觀形貌,并結合工程實踐經驗和利用金屬材料和微觀形貌,并結合工程實踐經驗和利用金屬材料知識來進行斷口分析。

圖1所示為斷裂件斷口宏觀形貌,1#件斷口較為平整,無明顯塑性變形痕跡,斷口外側邊緣剪切唇為新鮮斷口,呈淺灰色(如圖短箭頭所示),其余區域基本已氧化發黑(如圖長箭頭所示);2#斷裂件的宏觀形貌,與1#斷裂件類似,斷口無明顯塑性變形痕跡,外圈邊緣為剪切唇,呈淺灰色,為新鮮斷口(如圖1短箭頭所示),其余區域表面基本已氧化發黑(如圖1長箭頭所示)。

通過觀察1#件斷口黑色區域的微觀形貌2,可見斷面存在明顯的氧化腐蝕,但仍可見冰糖狀結晶形貌,且晶間有二次裂紋。由于斷面存在氧化腐蝕現象3,無法確定品面是否存在雞爪形發紋;斷口外側邊緣的微觀形貌4,為韌窩形貌,該區域為終斷區。

通過觀察2#件斷口黑色區域除邊緣剪切唇外斷口微觀形貌,可見冰糖狀沿晶斷口,晶間有二次裂紋;斷口外側邊緣的微觀形貌,為等軸韌窩形貌。

(2)金相分析

借助金相分析儀觀察送檢完好件和1#斷裂件的芯部和斷口附近金相組織,并結合熱處理知識進行對比分析5%。

通過分析觀察都為均勻的回火索氏體,無異常。如圖3所示。

圖3完好件和1#斷裂件芯部金相組織

(3)硬度分析

對完好件和斷裂件進行硬度試驗,結果如表1所示,斷裂件表面硬度偏高,不滿足12.9級緊固件的硬度要求。

(4)化學成分分析

失效零件為裝配時斷裂,斷面呈明顯黑色和新鮮斷口兩個區域(如圖2.圖4、圖5所示),黑色區域表面氧化嚴重,新鮮斷口表面無氧化,這說明兩個區域并非在同一時間產生。斷口黑色區域呈沿品斷裂形貌,并伴有晶間二次裂紋,具有氫脆斷裂特征17。斷面外側邊緣的新鮮斷口區域為韌窩形貌。沿晶斷口表面已基本被氧化腐蝕,僅邊緣終斷區無大量明顯的氧化腐蝕產物,說明送檢零件在后期表面氧化處理前已存在裂紋。送檢零件金相組織和化學成分均無異常。

圖41#斷口微觀形貌

圖52#斷口微觀形貌

采用直讀光譜法對完好件和斷裂件進行化學成分分析,結果如表2所示。根據“JISG4053-2008”,其化學成分符合標準中對SCM435鋼的要求。

抽取使用過的完好件和斷裂件各1件進行氫含量檢測,結果如表3所示,可見送檢試驗氫含量較高。而氫含量過高,易導致氫脆現象,為此,為了進一步確認氫脆的影響,抽取使用過的完好件和斷裂件各10件再次進行氫含量檢測,結果如表4所示,

氫脆是由于氫滲入金屬內部而產生的損傷,導致零件在低于材料屈服極限的靜應力作用下斷裂,無征兆、具有突發性。零件內部的氫來源途徑通常包括:原材料、熱處理、表面處理(如酸洗,電鍍)環境腐蝕等幾個環節。零件的氫脆敏感性不盡相同,含氫量越高,強度、硬度及所受張應力越大,則氫脆敏感性越高。

該零件熱處理后再滾螺紋,其頭部存在較深的內六角孔且桿部還攻有螺紋孔,這種結構容易在滾壓外螺紋時在內六角底部產生較大的內應力;零件在滾壓外螺紋后,在表面氧化處理過程中又采用酸

洗的方式去油、除銹,從而導致氫滲人零件(根據氫含量檢測,螺母氫含量高達6~7ppm),同時斷裂件硬度較高,氫脆敏感性大。于是,零件在氫及內應力共同作用下首先在應力集中的內六角底部產生氫致裂紋,并在后續的氧化發黑過程中裂紋表面被腐蝕氧化。氫致裂紋的產生不僅引起嚴重的應力集中,而且使零件承力面積減小,導致零件在裝配應力作用下發生斷裂,而裝配時斷裂的斷面即為新鮮斷面,其表面為韌窩形貌且無氧化腐蝕。

(5)解決措施

送檢零件斷裂原因是存在原始裂紋,原始裂紋為氫致裂紋,氫來源于氧化發黑前的酸洗。建議采取以下措施:

采用堿性電解去油、除銹,若不能避免酸洗,則應滾壓外螺紋后采取去應力處理,并在表面處理后四小時內進行驅氫處理。

該批零件氫含量硬度較高,存在較高的氫脆風險,不排除已裝配的零件后續發生氫致開裂的可能,如果在使用過程中發生斷裂會對系統運行造成較大安全隱患,所以建議全部召回并更換新工藝零件。