紧固件锁紧螺母断裂例子分析及解决措施

1、紧固件锁紧螺母制造工艺及断裂图

紧固件锁紧螺母在进行制造工艺过程中,常见的失效形式就是断裂,一般情况下,紧固件锁紧螺母制造工艺为:材料改制-冷镦-车头部、倒角、打中心孔-钻螺纹底孔-去毛刺-攻螺纹-去磷、热处理-磨螺纹坯径-滚螺纹-(酸洗)氧化处理-探伤、退磁-(酸洗)氧化处理-涂胶、检验、包装入库。下面图1为断裂件、模拟断裂件和完好件;图2为断裂件断口的宏观形貌。

图1断裂件和模拟断裂件

图2断裂件断口的宏观形貌图

2、紧固件锁紧螺母断裂问题分析

引起紧固件锁紧螺母断裂的原因,可能来源于材料、组织方面,也可能是本身强度等方面。为此,根据其工艺,结合材料方面的知识,采用放大镜、显微镜金相和硬度等方面的分析。

(1)断口分析

借助低倍放大镜和高位显示镜观察断口的宏观和微观形貌,并结合工程实践经验和利用金属材料和微观形貌,并结合工程实践经验和利用金属材料知识来进行断口分析。

图1所示为断裂件断口宏观形貌,1#件断口较为平整,无明显塑性变形痕迹,断口外侧边缘剪切唇为新鲜断口,呈浅灰色(如图短箭头所示),其余区域基本已氧化发黑(如图长箭头所示);2#断裂件的宏观形貌,与1#断裂件类似,断口无明显塑性变形痕迹,外圈边缘为剪切唇,呈浅灰色,为新鲜断口(如图1短箭头所示),其余区域表面基本已氧化发黑(如图1长箭头所示)。

通过观察1#件断口黑色区域的微观形貌2,可见断面存在明显的氧化腐蚀,但仍可见冰糖状结晶形貌,且晶间有二次裂纹。由于断面存在氧化腐蚀现象3,无法确定品面是否存在鸡爪形发纹;断口外侧边缘的微观形貌4,为韧窝形貌,该区域为终断区。

通过观察2#件断口黑色区域除边缘剪切唇外断口微观形貌,可见冰糖状沿晶断口,晶间有二次裂纹;断口外侧边缘的微观形貌,为等轴韧窝形貌。

(2)金相分析

借助金相分析仪观察送检完好件和1#断裂件的芯部和断口附近金相组织,并结合热处理知识进行对比分析5%。

通过分析观察都为均匀的回火索氏体,无异常。如图3所示。

图3完好件和1#断裂件芯部金相组织

(3)硬度分析

对完好件和断裂件进行硬度试验,结果如表1所示,断裂件表面硬度偏高,不满足12.9级紧固件的硬度要求。

(4)化学成分分析

失效零件为装配时断裂,断面呈明显黑色和新鲜断口两个区域(如图2.图4、图5所示),黑色区域表面氧化严重,新鲜断口表面无氧化,这说明两个区域并非在同一时间产生。断口黑色区域呈沿品断裂形貌,并伴有晶间二次裂纹,具有氢脆断裂特征17。断面外侧边缘的新鲜断口区域为韧窝形貌。沿晶断口表面已基本被氧化腐蚀,仅边缘终断区无大量明显的氧化腐蚀产物,说明送检零件在后期表面氧化处理前已存在裂纹。送检零件金相组织和化学成分均无异常。

图41#断口微观形貌

图52#断口微观形貌

采用直读光谱法对完好件和断裂件进行化学成分分析,结果如表2所示。根据“JISG4053-2008”,其化学成分符合标准中对SCM435钢的要求。

抽取使用过的完好件和断裂件各1件进行氢含量检测,结果如表3所示,可见送检试验氢含量较高。而氢含量过高,易导致氢脆现象,为此,为了进一步确认氢脆的影响,抽取使用过的完好件和断裂件各10件再次进行氢含量检测,结果如表4所示,

氢脆是由于氢渗入金属内部而产生的损伤,导致零件在低于材料屈服极限的静应力作用下断裂,无征兆、具有突发性。零件内部的氢来源途径通常包括:原材料、热处理、表面处理(如酸洗,电镀)环境腐蚀等几个环节。零件的氢脆敏感性不尽相同,含氢量越高,强度、硬度及所受张应力越大,则氢脆敏感性越高。

该零件热处理后再滚螺纹,其头部存在较深的内六角孔且杆部还攻有螺纹孔,这种结构容易在滚压外螺纹时在内六角底部产生较大的内应力;零件在滚压外螺纹后,在表面氧化处理过程中又采用酸

洗的方式去油、除锈,从而导致氢渗人零件(根据氢含量检测,螺母氢含量高达6~7ppm),同时断裂件硬度较高,氢脆敏感性大。于是,零件在氢及内应力共同作用下首先在应力集中的内六角底部产生氢致裂纹,并在后续的氧化发黑过程中裂纹表面被腐蚀氧化。氢致裂纹的产生不仅引起严重的应力集中,而且使零件承力面积减小,导致零件在装配应力作用下发生断裂,而装配时断裂的断面即为新鲜断面,其表面为韧窝形貌且无氧化腐蚀。

(5)解决措施

送检零件断裂原因是存在原始裂纹,原始裂纹为氢致裂纹,氢来源于氧化发黑前的酸洗。建议采取以下措施:

采用碱性电解去油、除锈,若不能避免酸洗,则应滚压外螺纹后采取去应力处理,并在表面处理后四小时内进行驱氢处理。

该批零件氢含量硬度较高,存在较高的氢脆风险,不排除已装配的零件后续发生氢致开裂的可能,如果在使用过程中发生断裂会对系统运行造成较大安全隐患,所以建议全部召回并更换新工艺零件。