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高強度螺栓

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表面滲鋅雙頭螺栓斷裂原因分析




部分表面滲鋅雙頭螺栓在安裝過程中斷裂。通過對斷裂螺栓、同批螺栓及調質處理后待加工的同批棒料進行理化檢驗,發現斷裂螺栓所用材料為45Cr鋼,而非規定的40Cr鋼;材料中硅酸鹽夾雜多且呈塊狀集中分布;在螺栓縱、橫面有多處顯微縮孔,顯微組織出現半網狀鐵素體和針狀鐵素體,同時材料強度和硬度值偏高,而塑性和韌性值偏低;斷裂螺栓斷口及高倍金相檢查均發現有明顯腐蝕產物及腐蝕特征。分析認為,腐蝕造成組織間結合力降低是螺栓斷裂的主要原因,調質處理工藝不當,材料冶金缺陷是造成螺栓斷裂的次要原因。提出了相應的改進及預防建議。

1、斷面分析

從化學成分分析結果看,該批螺栓材料碳含量高于40Cr鋼,屬于45Cr鋼成分范圍,產生原因可能是鋼廠誤發或進貨后混料所致。上述檢驗結果表明,斷裂螺栓及其棒料強度偏高,斷面收縮率及沖擊值偏低,硬度值偏高。根據螺栓斷裂面及顯微組織形態,螺栓棒料在淬火中空冷時間較長,致使有部分鐵素體析出,而在回火處理中 實際回火溫度偏低70℃左右,使整根棒料處于高應力狀態;螺栓經機加工成形后,造成螺紋處特別是螺紋根部應力集中。滲鋅處理更加劇了螺栓的應力不均衡性,使螺紋根部成為最易斷裂處。真空滲鋅前螺栓表面經硝酸鹽酸水溶液(1份硝酸+3份鹽酸+·483·李定森等:表面滲鋅雙頭螺栓斷裂原因分析50%水)浸泡清洗(對機加工余量較大的螺栓,為了減少加工余量,浸泡時間更長),然后再用清水長時間清洗后對螺栓進行120~150℃長時間烘干處理。隨后螺栓裝入真空滲鋅爐,經200℃×2h去氫處理,再在真空條件下經340℃滲鋅處理后自然冷卻到100℃以下出爐。由于螺栓材料中硅酸鹽夾雜呈塊狀集中分布,并存在多處顯微縮孔,螺栓表面在浸泡清洗的同時,清洗液經硅酸鹽溶解所形成的空隙及顯微縮孔進入螺栓內部對其組織造成腐蝕。在已斷螺栓的斷面都存在不同程度的腐蝕痕跡,最嚴重的腐蝕面積已達2/3以上,證實了表面清洗對螺栓內部組織已造成了腐蝕。經腐蝕的斷裂面基本上無形變現象,斷面未發現氫脆形態。清洗溶液對材料的腐蝕進一步增加了冶金缺陷對材料性能產生的不利影響,隨后在調質處理和滲鋅處理所造成的殘余應力及裝配外力的共同作用下,引發了螺栓的脆性斷裂。

2、結論及建議

表面滲鋅的雙頭螺栓因材料存在集中分布的塊 狀硅酸鹽夾雜及顯微縮孔等冶金缺陷, 表面清洗時 , 清洗溶液對螺栓內部組織造成腐蝕 ,降低了組織間 的結合力 ,又在裝配過程中的施加外力和材料組織 應力的共同作用下 ,使螺栓螺紋根部或中部發生了 脆性斷裂 。真空滲鋅前螺栓表面長時間的清洗處理 加重了材料中已存在的缺陷對其綜合性能的影響, 是螺栓產生斷裂的主要因素 。調質處理工藝不當, 材料冶金缺陷也是造成螺栓斷裂的原因。 為防止再次發生滲鋅螺栓脆性斷裂事故,建議: (1)加強對金屬材料的檢驗和管理, 防止混料 及有嚴重缺陷的材料進入生產程序。 (2)嚴格執行熱處理工藝, 做好熱處理控溫和 計時工作 。 (3)機加工時應根據滲鋅層和粘附鋅層對螺栓 螺紋尺寸的影響, 安排適當的加工余量 ,以防止滲鋅 前長時間的清洗對螺栓造成的不利影響。

(1)加強對金屬材料的檢驗和管理, 防止混料及有嚴重缺陷的材料進入生產程序。

(2)嚴格執行熱處理工藝, 做好熱處理控溫和 計時工作 。

(3)機加工時應根據滲鋅層和粘附鋅層對螺栓螺紋尺寸的影響, 安排適當的加工余量, 以防止滲鋅前長時間的清洗對螺栓造成的不利影響。

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