高强度螺栓

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表面渗锌双头螺栓断裂原因分析




部分表面渗锌双头螺栓在安装过程中断裂。通过对断裂螺栓、同批螺栓及调质处理后待加工的同批棒料进行理化检验,发现断裂螺栓所用材料为45Cr钢,而非规定的40Cr钢;材料中硅酸盐夹杂多且呈块状集中分布;在螺栓纵、横面有多处显微缩孔,显微组织出现半网状铁素体和针状铁素体,同时材料强度和硬度值偏高,而塑性和韧性值偏低;断裂螺栓断口及高倍金相检查均发现有明显腐蚀产物及腐蚀特征。分析认为,腐蚀造成组织间结合力降低是螺栓断裂的主要原因,调质处理工艺不当,材料冶金缺陷是造成螺栓断裂的次要原因。提出了相应的改进及预防建议。

1、断面分析

从化学成分分析结果看,该批螺栓材料碳含量高于40Cr钢,属于45Cr钢成分范围,产生原因可能是钢厂误发或进货后混料所致。上述检验结果表明,断裂螺栓及其棒料强度偏高,断面收缩率及冲击值偏低,硬度值偏高。根据螺栓断裂面及显微组织形态,螺栓棒料在淬火中空冷时间较长,致使有部分铁素体析出,而在回火处理中 实际回火温度偏低70℃左右,使整根棒料处于高应力状态;螺栓经机加工成形后,造成螺纹处特别是螺纹根部应力集中。渗锌处理更加剧了螺栓的应力不均衡性,使螺纹根部成为最易断裂处。真空渗锌前螺栓表面经硝酸盐酸水溶液(1份硝酸+3份盐酸+·483·李定森等:表面渗锌双头螺栓断裂原因分析50%水)浸泡清洗(对机加工余量较大的螺栓,为了减少加工余量,浸泡时间更长),然后再用清水长时间清洗后对螺栓进行120~150℃长时间烘干处理。随后螺栓装入真空渗锌炉,经200℃×2h去氢处理,再在真空条件下经340℃渗锌处理后自然冷却到100℃以下出炉。由于螺栓材料中硅酸盐夹杂呈块状集中分布,并存在多处显微缩孔,螺栓表面在浸泡清洗的同时,清洗液经硅酸盐溶解所形成的空隙及显微缩孔进入螺栓内部对其组织造成腐蚀。在已断螺栓的断面都存在不同程度的腐蚀痕迹,最严重的腐蚀面积已达2/3以上,证实了表面清洗对螺栓内部组织已造成了腐蚀。经腐蚀的断裂面基本上无形变现象,断面未发现氢脆形态。清洗溶液对材料的腐蚀进一步增加了冶金缺陷对材料性能产生的不利影响,随后在调质处理和渗锌处理所造成的残余应力及装配外力的共同作用下,引发了螺栓的脆性断裂。

2、结论及建议

表面渗锌的双头螺栓因材料存在集中分布的块 状硅酸盐夹杂及显微缩孔等冶金缺陷, 表面清洗时 , 清洗溶液对螺栓内部组织造成腐蚀 ,降低了组织间 的结合力 ,又在装配过程中的施加外力和材料组织 应力的共同作用下 ,使螺栓螺纹根部或中部发生了 脆性断裂 。真空渗锌前螺栓表面长时间的清洗处理 加重了材料中已存在的缺陷对其综合性能的影响, 是螺栓产生断裂的主要因素 。调质处理工艺不当, 材料冶金缺陷也是造成螺栓断裂的原因。 为防止再次发生渗锌螺栓脆性断裂事故,建议: (1)加强对金属材料的检验和管理, 防止混料 及有严重缺陷的材料进入生产程序。 (2)严格执行热处理工艺, 做好热处理控温和 计时工作 。 (3)机加工时应根据渗锌层和粘附锌层对螺栓 螺纹尺寸的影响, 安排适当的加工余量 ,以防止渗锌 前长时间的清洗对螺栓造成的不利影响。

(1)加强对金属材料的检验和管理, 防止混料及有严重缺陷的材料进入生产程序。

(2)严格执行热处理工艺, 做好热处理控温和 计时工作 。

(3)机加工时应根据渗锌层和粘附锌层对螺栓螺纹尺寸的影响, 安排适当的加工余量, 以防止渗锌前长时间的清洗对螺栓造成的不利影响。

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