紧固件表面淬火裂纹、扭矩超限和氢脆实现原因及改进措施

紧固件是作紧固连接用且应用极为广泛的一类机械零件。紧固件被广泛的用于各行各业,在各种机械、设备、车辆、铁路等方面,均可看到各式各样的紧固件,是应用最广泛的机械基础件之一。它的特点是品种规格繁多,性能用途各异,而且标准化、系列化、通用化的程度也极高。紧固件一旦失效会造成严重的影响。因此,要加强分析紧固件失效的原因,并找到相应的改进措施。中华标准件网根据对紧固件知识的了解,分享如下:

1、表面淬火裂纹

表面淬火裂纹是指在淬火过程中或在淬火后室温放置过程中产生的裂纹,后者又叫时效裂纹。在淬火过程中,当淬火产生的应力大于材料本身的强度并超过塑性变形极限时,便会导致裂纹产生。淬火裂纹往往是在马氏体转变开始后不久产生的,裂纹的分布没有一定的规律,但一般容易在工件的尖角、截面突变处形成。在马氏体转变区冷却过快而引起的淬火裂纹,往往是穿晶分布,而且裂纹较直,周围没有分支的小裂纹。

因淬火加热温度过高而引起的淬火裂纹,都是沿晶分布,裂纹尾端尖细,并呈现过热特征,结构钢中可观察到粗针状马氏体,工具钢中可观察到共晶或角状碳化物。表面脱碳的高碳钢工件,淬火后更容易形成网状裂纹,这是因为表面脱碳层在淬火冷却时的体积膨胀比未脱碳的心部小,表面材料受心部膨胀的作用而被拉裂呈网状。表面存在的淬火裂纹会引起螺栓的突然断裂,而此类断裂的断裂源位于表面。

2、扭矩超限

扭矩报警常见发生在通过角度法控制扭矩的螺栓装配过程中。

造成紧固件扭矩超限失效模式及原因有:

(1)在装配完成后,零件的最终扭矩,高于控制上限或低于控制下限。原因为零件的装配扭矩控制范围不合理,表现为设定控制范围过小、控制范围往上或往下偏移。

(2)没有预紧到预设角度,扭矩达到上限报警。原因是零件本身摩擦系数超上限,零件配合摩擦系数超上限,零件之间干涉,造成装配扭矩急剧上升。

(3)正常安装,扭矩下限报警。原因为零件本身摩擦系数超下限或零件配合摩擦系数超下限,零件拧入时贴合扭矩大于初始扭矩(也即拧入力矩消耗过大),常见于锁紧螺母的拧紧。

3、氢脆

紧固件易出现氢脆的情况,氢脆是引起紧固件断裂的主要原因。氢脆是氢原子进入并扩散到整个材料基体时的现象。氢原子进入材料基体时,材料基体产生晶格畸变,破坏了原来的平衡状态,受到外力很容易开裂。当外负荷施加到螺钉时,氢原子迁移到应力高度集中区,造成晶体界边缘之间极大的应力,导致紧固件晶体颗粒间破裂。当紧固件在安装前就含有临界状态的氢时,它会在24h以内产生断裂。当氢进入紧固件后不可能预测到什么时间会产生断裂。

4、改进措施

4.1、防止表面淬火裂纹的措施:

(1)合理调整感应淬火器与工件间隙,严格按照工艺要求选用合适的中频电源参数和淬火工艺参数,保证产品圆周升温均匀,防止局部温度过高,超过正常淬火温度。

(2)改进淬火感应器结构,将感应器上端及尾端圆形截面结构改为矩形截面结构,降低端部及尾部感应器加热速度,防止端部及尾部升温较快,超出工艺控制温度,发生过烧现象,从而产生裂纹。

(3)减少淬火结束过渡区域淬火感应器的导磁体的数量,适当减少该处的热量。

(4)采用预热一加热一冷却淬火方式,使产品加热温度均匀。

(5)适当延长中频加热后延时冷却时间。

(6)实行自回火。严格按照工艺技术参数, 合理控制淬火冷却液压力、流量、温度和冷却时间,停止喷液后,利用工件余热使硬化层温度回升,从而进行自回火,以保持较高的表面硬度和良好的耐磨性,及时使淬火组织趋于稳定,降低拉应力峰值。

4.2、扭矩制

扭矩控制法是先将螺栓拧到一个不大的扭矩,一般会是拧紧力矩的40%~60% (由工艺验证后制定),再从此点开始,拧一个规定转角的控制方法。这种方法是基于一定转角,是螺栓产生一定轴向伸长及连接件被压缩了。这样做的目的是将螺栓拧到紧密接触面上,并克服了一些表面凹凸不平等不均匀因素,而后面所需求的轴向夹紧力由转角产生。在计算转角之后,摩擦阻力对轴向夹紧力的影响不复存在,所以其精度比单纯的扭矩控制法要高,扭矩控制法的要点就是测量转角的起点,一旦这个转角确定下来就可以获得相当高拧紧精度。

4.3氢脆的防止措施

(1)正常电镀,严格除氢。利用氢在金属中的可逆性,对电镀后的螺栓进行除氢处理,是减缓氢脆或者消除氢脆的重要方法。处理时,将电镀后的钢螺栓置于烘箱加热。烘烤温度约200°C左右,烘烤时间根据钢的强度不同而不同,强度越高,烘烤的时间越长。螺栓材料中的氢在高温下形成氢气溢出,达到除氢目的。

(2)低氢脆电镀。低氢脆电镀是上世纪六七十年代针对飞机零件氢脆研究发展起来的工艺,包括低氢脆镀镉、低氢脆镀镉钛、低氢脆镀锌等。低氢脆电镀要求镀前进行消除应力回火,不能用强酸进行酸洗,而是用喷砂去除氧化皮和表面污物,或者采用真空热处理不产生氧化皮。在电镀过程中,一方面调整镀液配方,另一方面通过降低电压,严格控制电流密度,减小氢粒子的吸附量。后续工序同样要求严格烘烤除氢,除氢时间至少在18h以上。