緊固件表面淬火裂紋、扭矩超限和氫脆實現(xiàn)原因及改進措施

緊固件是作緊固連接用且應(yīng)用極為廣泛的一類機械零件。緊固件被廣泛的用于各行各業(yè),在各種機械、設(shè)備、車輛、鐵路等方面,均可看到各式各樣的緊固件,是應(yīng)用最廣泛的機械基礎(chǔ)件之一。它的特點是品種規(guī)格繁多,性能用途各異,而且標準化、系列化、通用化的程度也極高。緊固件一旦失效會造成嚴重的影響。因此,要加強分析緊固件失效的原因,并找到相應(yīng)的改進措施。中華標準件網(wǎng)根據(jù)對緊固件知識的了解,分享如下:

1、表面淬火裂紋

表面淬火裂紋是指在淬火過程中或在淬火后室溫放置過程中產(chǎn)生的裂紋,后者又叫時效裂紋。在淬火過程中,當淬火產(chǎn)生的應(yīng)力大于材料本身的強度并超過塑性變形極限時,便會導致裂紋產(chǎn)生。淬火裂紋往往是在馬氏體轉(zhuǎn)變開始后不久產(chǎn)生的,裂紋的分布沒有一定的規(guī)律,但一般容易在工件的尖角、截面突變處形成。在馬氏體轉(zhuǎn)變區(qū)冷卻過快而引起的淬火裂紋,往往是穿晶分布,而且裂紋較直,周圍沒有分支的小裂紋。

因淬火加熱溫度過高而引起的淬火裂紋,都是沿晶分布,裂紋尾端尖細,并呈現(xiàn)過熱特征,結(jié)構(gòu)鋼中可觀察到粗針狀馬氏體,工具鋼中可觀察到共晶或角狀碳化物。表面脫碳的高碳鋼工件,淬火后更容易形成網(wǎng)狀裂紋,這是因為表面脫碳層在淬火冷卻時的體積膨脹比未脫碳的心部小,表面材料受心部膨脹的作用而被拉裂呈網(wǎng)狀。表面存在的淬火裂紋會引起螺栓的突然斷裂,而此類斷裂的斷裂源位于表面。

2、扭矩超限

扭矩報警常見發(fā)生在通過角度法控制扭矩的螺栓裝配過程中。

造成緊固件扭矩超限失效模式及原因有:

(1)在裝配完成后,零件的最終扭矩,高于控制上限或低于控制下限。原因為零件的裝配扭矩控制范圍不合理,表現(xiàn)為設(shè)定控制范圍過小、控制范圍往上或往下偏移。

(2)沒有預(yù)緊到預(yù)設(shè)角度,扭矩達到上限報警。原因是零件本身摩擦系數(shù)超上限,零件配合摩擦系數(shù)超上限,零件之間干涉,造成裝配扭矩急劇上升。

(3)正常安裝,扭矩下限報警。原因為零件本身摩擦系數(shù)超下限或零件配合摩擦系數(shù)超下限,零件擰入時貼合扭矩大于初始扭矩(也即擰入力矩消耗過大),常見于鎖緊螺母的擰緊。

3、氫脆

緊固件易出現(xiàn)氫脆的情況,氫脆是引起緊固件斷裂的主要原因。氫脆是氫原子進入并擴散到整個材料基體時的現(xiàn)象。氫原子進入材料基體時,材料基體產(chǎn)生晶格畸變,破壞了原來的平衡狀態(tài),受到外力很容易開裂。當外負荷施加到螺釘時,氫原子遷移到應(yīng)力高度集中區(qū),造成晶體界邊緣之間極大的應(yīng)力,導致緊固件晶體顆粒間破裂。當緊固件在安裝前就含有臨界狀態(tài)的氫時,它會在24h以內(nèi)產(chǎn)生斷裂。當氫進入緊固件后不可能預(yù)測到什么時間會產(chǎn)生斷裂。

4、改進措施

4.1、防止表面淬火裂紋的措施:

(1)合理調(diào)整感應(yīng)淬火器與工件間隙,嚴格按照工藝要求選用合適的中頻電源參數(shù)和淬火工藝參數(shù),保證產(chǎn)品圓周升溫均勻,防止局部溫度過高,超過正常淬火溫度。

(2)改進淬火感應(yīng)器結(jié)構(gòu),將感應(yīng)器上端及尾端圓形截面結(jié)構(gòu)改為矩形截面結(jié)構(gòu),降低端部及尾部感應(yīng)器加熱速度,防止端部及尾部升溫較快,超出工藝控制溫度,發(fā)生過燒現(xiàn)象,從而產(chǎn)生裂紋。

(3)減少淬火結(jié)束過渡區(qū)域淬火感應(yīng)器的導磁體的數(shù)量,適當減少該處的熱量。

(4)采用預(yù)熱一加熱一冷卻淬火方式,使產(chǎn)品加熱溫度均勻。

(5)適當延長中頻加熱后延時冷卻時間。

(6)實行自回火。嚴格按照工藝技術(shù)參數(shù), 合理控制淬火冷卻液壓力、流量、溫度和冷卻時間,停止噴液后,利用工件余熱使硬化層溫度回升,從而進行自回火,以保持較高的表面硬度和良好的耐磨性,及時使淬火組織趨于穩(wěn)定,降低拉應(yīng)力峰值。

4.2、扭矩制

扭矩控制法是先將螺栓擰到一個不大的扭矩,一般會是擰緊力矩的40%~60% (由工藝驗證后制定),再從此點開始,擰一個規(guī)定轉(zhuǎn)角的控制方法。這種方法是基于一定轉(zhuǎn)角,是螺栓產(chǎn)生一定軸向伸長及連接件被壓縮了。這樣做的目的是將螺栓擰到緊密接觸面上,并克服了一些表面凹凸不平等不均勻因素,而后面所需求的軸向夾緊力由轉(zhuǎn)角產(chǎn)生。在計算轉(zhuǎn)角之后,摩擦阻力對軸向夾緊力的影響不復存在,所以其精度比單純的扭矩控制法要高,扭矩控制法的要點就是測量轉(zhuǎn)角的起點,一旦這個轉(zhuǎn)角確定下來就可以獲得相當高擰緊精度。

4.3氫脆的防止措施

(1)正常電鍍,嚴格除氫。利用氫在金屬中的可逆性,對電鍍后的螺栓進行除氫處理,是減緩氫脆或者消除氫脆的重要方法。處理時,將電鍍后的鋼螺栓置于烘箱加熱。烘烤溫度約200°C左右,烘烤時間根據(jù)鋼的強度不同而不同,強度越高,烘烤的時間越長。螺栓材料中的氫在高溫下形成氫氣溢出,達到除氫目的。

(2)低氫脆電鍍。低氫脆電鍍是上世紀六七十年代針對飛機零件氫脆研究發(fā)展起來的工藝,包括低氫脆鍍鎘、低氫脆鍍鎘鈦、低氫脆鍍鋅等。低氫脆電鍍要求鍍前進行消除應(yīng)力回火,不能用強酸進行酸洗,而是用噴砂去除氧化皮和表面污物,或者采用真空熱處理不產(chǎn)生氧化皮。在電鍍過程中,一方面調(diào)整鍍液配方,另一方面通過降低電壓,嚴格控制電流密度,減小氫粒子的吸附量。后續(xù)工序同樣要求嚴格烘烤除氫,除氫時間至少在18h以上。