什么是緊固件材料折疊缺陷?
 

這里的折疊指的是在金屬變形流動過程中,由已氧化過的金屬匯合在一起而形成的,往往出現(xiàn)在金屬鍛件、軋件的表面上。常見形狀是存在于軋件一側(cè)的貫穿材料全長的折疊;在軋件兩邊相對稱的側(cè)面上貫穿全長的折疊;或存在于鍛軋件全長上的、斷續(xù)的、分散折疊等。
 

折疊對于緊固件來說是一種內(nèi)患,它縮小了零件的承載面積,而且工作時(shí)此處產(chǎn)生應(yīng)力集中,常常成為裂紋源或疲勞源口。

下面中華標(biāo)準(zhǔn)件網(wǎng)從30CrMnSiA六角自鎖螺母、1Crl8Ni9Ti螺柱、GH4169螺栓、TAl鉚釘4種材料零件折疊缺陷導(dǎo)致的緊固件失效的案例中來分析折疊對緊固件的危害。
 

1、30CrMnSiA六角自鎖螺母開裂分析

30CrMnSiA為一種中高強(qiáng)度特種調(diào)質(zhì)鋼,淬火高溫回火狀態(tài)下具有較高的強(qiáng)度和足夠的韌性,同時(shí)具有良好的加工性能,加工變形微小,抗疲勞性能好,因此30CrMnSiA被認(rèn)為是航空航天工業(yè)領(lǐng)域中廣泛用來制造重要螺栓的首選材料之一。并且30CrMnSiA作為緊固件使用時(shí),表面鍍鋅、鍍鎘是其防止大氣腐蝕的主要防護(hù)手段。

本案例中30CrMnSiA六角白鎖螺母規(guī)格為M5,生產(chǎn)流程為:六角料-車工-鉗工-沖壓-熱處理(淬火+高溫回火)-表面處理鍍鎘。表面處理后發(fā)現(xiàn)10165件中有10件存在開裂現(xiàn)象。裂紋沿縱向分布,且在壁厚方向裂透。螺母斷面內(nèi)外壁邊緣與螺母表面鍍鎘層顏色一致,如圖1所示,能譜分析主要含有鎘元素,與正常表面鍍層成分一致,斷面中心發(fā)黑氧化嚴(yán)重,由此可見,在表面處理之前螺母已經(jīng)開裂。

 

螺母橫截面金相檢查可見裂紋耦合性差,除開裂的主裂紋外還存在其他線性缺陷,且主裂紋和線性缺陷兩側(cè)存在明顯脫碳現(xiàn)象,縫隙內(nèi)有高溫氧化物,裂紋兩側(cè)存在著部分脫碳鐵素體組織,且該處晶粒較為粗大,如圖2、圖3所示,這些是含碳鋼原材料折疊缺陷的典型特征。

 

因?yàn)橐话阏郫B缺陷是兩側(cè)金屬原始表面被擠壓進(jìn)入基體內(nèi)部形成的,在熱處理過程中氧通過折疊裂紋向基體內(nèi)部傳遞、擴(kuò)散從而導(dǎo)致高溫氧化及脫碳口。而螺母正常位置為回火索氏體組織,如圖4所示,并且斷面中心發(fā)黑區(qū)域未見沿晶形貌,綜上認(rèn)為,六角自鎖螺母裂紋起源為原材料,此缺陷在六角自鎖螺母后續(xù)沖壓過程中擴(kuò)展開裂。

 

2、1Crl8Ni9Ti螺柱線性缺陷分析

緊固件行業(yè)一般只使用奧氏體型不銹鋼和馬氏體型不銹鋼,1Crl8Ni9Ti為奧氏體型不銹鋼,耐蝕性比馬氏體型不銹鋼好,組織穩(wěn)定,不可熱處理強(qiáng)化,主要用于耐蝕性要求較高或要求無磁性的非承力件。

本案例中1Crl8Ni9Ti螺柱規(guī)格為西10 mm×35 mm,其生產(chǎn)工藝流程為:棒料(西10 mm)-車工-磨工-滾絲-清洗-表面處理-試驗(yàn)-成檢。
 

在滾絲過程中發(fā)現(xiàn)表面存在裂紋,隨后檢查未滾絲的也有個(gè)別存在表面裂紋,裂紋均沿螺柱縱向分布,且貫穿整個(gè)螺柱長度方向,如圖5所示。螺柱橫截面金相觀察表明,裂紋由外圓表面切線呈300角向螺柱內(nèi)部延伸,裂紋尖端比較圓鈍,且中間存在樹根狀分支,如圖6所示,為典型折疊缺陷形貌。腐蝕后觀察可見,裂紋附近及尖端存在異常條帶組織,能譜分析表明,該處含有較高的鉻元素,如圖7所示,而螺柱正常位置主元素與1 Crl 8N i9Ti牌號相符,組織為正常的孿晶組織,如圖8所示,綜上認(rèn)為,螺柱開裂處為原材料的折疊缺陷,并伴隨著原材料鉻偏析。這種鉻元素偏析問題往往是原材料熔煉不均勻或不純凈導(dǎo)致,且易在鋼錠表面出現(xiàn),后續(xù)工序使表面金屬向基體內(nèi)部折疊,最終遺傳到產(chǎn)品上。

 

3、GH4169六角螺栓頭部線性缺陷分析

用于生產(chǎn)緊固件的高溫合金均為變形高溫合金,以鎳基、鐵基材料為主,高溫合金緊固件通常用于發(fā)動機(jī)等高溫服役的環(huán)境中,GH4169在一253~700℃具有良好的綜合性能,并且具有良好的抗疲勞、抗輻射、抗氧化、耐腐蝕性能和強(qiáng)韌性配合,能夠承受各種復(fù)雜應(yīng)力條件而不發(fā)生失效。

本案例中GH4169普通螺紋六角螺栓規(guī)格為M6×42,生產(chǎn)工藝流程為:≯6.5 mm圓棒-車工-磨工-熱鐓-噴砂-熱處理-車工-鉗工-熱處理-噴砂-鉗工斗滾絲-熒光檢測-表面處理-成檢。其六角頭部發(fā)現(xiàn)縱向線性缺陷,徑向深度較淺,如圖9所示。金相檢查螺栓頭部橫截面可見線性缺陷,底部尖端圓鈍,深度約為0.17 mm。其螺栓頭部顯微組織可見表面區(qū)域組織粗大,晶粒度為5級;芯部細(xì)小,晶粒度為10級,均符合材料標(biāo)準(zhǔn)GJB713--1989。缺陷處放大觀察,可見缺陷底部組織存在明顯的流線擠壓痕跡,具體形貌如圖10所示,這應(yīng)與原材料的熱軋或后續(xù)的熱鐓成型有關(guān),原材料在熱軋或熱鐓成型過程中受力不均造成金屬流線偏離軸線形成變形不對稱,造成兩個(gè)相反方向的變形交界處形成明顯的折疊裂紋。

 

4、 TAl鉚釘表面線性缺陷分析

鈦合金具有低密度、高比強(qiáng)度、耐高溫、抗腐蝕等優(yōu)異的綜合性能,在常溫下為密排六方的α相,在883℃時(shí)發(fā)生同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變,變?yōu)轶w心立方的β相,目前各種類型的鈦合金在緊固件上都有應(yīng)用,其中純鈦主要用于制造各類鉚釘、墊圈等。

本案例中TAl純鈦鉚釘規(guī)格為Φ3.5 mm×8 mm,其生產(chǎn)工藝流程為:棒料潤滑-冷鐓-普車-清洗-退火-藍(lán)色陽極化-成檢,1 000件成品中發(fā)現(xiàn)3件開裂。鉚釘外壁裂紋沿軸向分布,貫穿整個(gè)鉚釘長度方向,如圖11所示;裂紋由基體表面呈450角以穿晶方式向內(nèi)部延伸,且缺陷尖端圓鈍,如圖12所示,能譜分析表明,鉚釘裂紋兩側(cè)壁均發(fā)現(xiàn)有鈦的氧化物存在,如圖13所示,而基體組織為正常單相Ⅱ組織。由生產(chǎn)車間知悉鉚釘光桿部分為原材料絲材原始表面,可見鉚釘表面裂紋為原材料表面折疊缺陷所致。