緊固件成形工藝原因造成的缺陷
緊固件在加工制造過程中,由于設計不合理,選材、加工工藝、熱處理和表面處理工藝不當,都會造成緊固件的質量不好,產生表面或內部缺陷。下面分別就緊固件由于成形、熱處理和表面處理工藝不當導致的缺陷進行詳細的介紹。
成形工藝不當造成的工藝缺陷種類較多,例如,成形工藝不當所致粗晶或晶粒不均勻,成形工藝不當所致螺紋流線分布不順或穿流,螺紋滾壓工藝不當造成缺陷,加工藝不當造成的缺陷,成形工藝不當導致裂紋。。
成形工藝不當所致粗晶或晶粒不均勻
緊固件繳制成形頭部時,頭部變形量大小應不在臨界變形區內,如果緊固件繳制成形的變形比不當,變形量大小正好在臨界變形區內,經熱處理后,頭部變形晶粒就會長大由于緊固件桿部未變形,桿部晶粒不長大,造成頭、桿處晶粒不均勻。導致形成晶粒大不均勻的另外一個原因是緊固件各處的變形不均勻使得晶粒破碎程度不一致,或合金局部加工硬化所致。
鈦合金組織對變形程度的影響非常明顯,如鈦合金螺栓墩制頭部后,在頭部和桿部將出現不同的組織特征。下圖給出了BT16鈦合金小扁圓頭螺栓成品件頭部和桿部的組織差異。螺栓頭部顯微組織為雙態組織, a相呈細顆粒狀,見圖下圖b,桿部顯微組織為雙態組織,α相呈細針狀,見圖下圖c。
耐熱鋼和高溫合金對晶粒不均勻特別敏感,使得螺栓的持久性能和疲勞性能顯著降低,螺栓在裝配或工作應力的作用下,裂紋在粗細晶粒交界處產生并擴展。裂紋在螺栓頭桿部粗細晶粒交界處產生并擴展特征見下圖。
成形工藝不當還會導致粗大晶粒。通常是由于始鍛溫度過高或變形不足或終鍛溫度過高或變形量落入臨界變形區引起的。鋁合金變形過大形成織構或高溫合金變形溫度過低形成混合變形組織時也可能引起粗大晶粒。粗大晶粒將降低緊固件的塑性和韌性,也使得疲勞性能顯著降低。
成形工藝不當所致流線分布不順或穿流
緊固件制造工藝要求越來越高,高強度螺栓(釘)已不采用車削加工,多數采用冷敏、熱敏成形頭部,以提高螺栓的連接強度。螺紋采用滾壓,并要求螺栓頭部與桿部的金屬流線沿頭部外形連續分布。只有合格的金屬流線,才能提高緊固件的疲勞強度。
成形工藝不當,造成緊固件頭部金屬流線不合格,下圖給出了螺栓頭部金屬流線沒有沿螺栓頭部外形分布特征。
流線分布不順主要是指流線切斷、回流、渦流等流線紊亂現象,主要是由于鍛造模具設計不當、鍛造方法選擇不合理或人工操作不當而使金屬產生不均勻流動等。不合格的金屬流線造成緊固件包括疲勞強度在內的多項力學性能降低。
穿流也是流線分布不當的一種形式,是由于原先形成一定角度分布的流線匯合在一起形成。它產生的原因是由兩股金屬或一股金屬帶著另一股金屬匯流而成的,但與折疊不同,穿流部分的金屬是一個整體。
螺紋滾壓工藝不當造成的缺陷
緊固件制造工藝要求越來越高,對于尺寸較小的螺紋較多的采用搓絲工藝,尺寸較大的螺紋則一般采用滾壓工藝或者直接進行滾制成形,特別是對于表面完整性要求較高的材料,如鈦合金等。已有的研究表明,螺紋滾壓強化是提高螺紋類緊固件疲勞壽命最有效的辦法之一。
緊固件搓絲或滾壓經常導致的缺陷有:折疊裂紋、根部微裂紋、螺紋內部孔洞以及局部破碎
由于工藝參數選擇不當,或材質不良,或潤滑不當,在搓絲與滾絲過程中螺紋表面易產生細小折疊裂紋。因此,在進行螺紋滾壓參數選擇時,應根據螺紋的絲距、材料、硬度等各種數據選定一定的范圍,并通過試驗確定最終的工藝參數范圍。下圖為某鈦合金螺栓螺紋表面由于工藝不當導致的折疊裂紋。
滾壓導致的根部微裂紋一般出現在螺栓頭與螺桿R圓角過渡處,該處由于R尺寸的影響,對于滾壓工藝控制和表面質量控制帶來了一定的困難。某BT16鈦合金蝶栓在進行裝配過程中出現低應力斷裂。分析發現,在故障螺栓頭和螺桿R圓角過渡處,經過滾壓的表面完整性較差,存在大量的周向線狀微裂紋,見圖下圖。
折疊裂紋一般具有如下的特征:
(1)折疊裂紋在每個螺紋的位置與形態大致相同;
(2)折疊裂口處比較圓滑,裂口較寬,兩側無冶金缺陷;
(3)折疊裂紋走向與螺紋表面呈一定的夾角,并與流線方向有關。
搓絲或滾壓導致的螺紋根部裂紋,則主要是由于材料過硬或過軟導致選擇的工藝參數不當所致。由于裂紋位于螺紋的根部,應力集中嚴重,很容易導致在使用過程中微裂紋的擴展并最終造成緊固件的早期失效,危害較大。材料過硬和過軟容易導致根部微裂紋的原因是:材料過硬時,螺紋根部容易產生冷作硬化;材料過軟一般與組織因素有關,如表層鐵素體,也容易產生根部微裂紋。
孔洞是緊固件搓絲和滾壓中出現較為嚴重的缺陷。孔洞類型包括中心開口孔洞、中心表面孔洞和中心封閉孔洞。
有關研究表明對滾壓工藝和滾絲毛坯直徑對孔洞缺陷形成的影響進行了較為系統的研究。研究人員采用不同滾絲毛坯直徑、滾絲壓力和速率進行工藝試驗。按直徑分為3組,每組40件,兩種工藝各20件,分組試驗結果如下:
(1)正常毛坯直徑
采用正常的滾絲毛坯直徑,經正常滾絲壓力和速度、加大滾絲壓力和速度兩種工藝的試驗結果見下表:
(2)毛坯直徑加大0.02~0.04mm
試驗件毛坯直徑加大0.02~0.04mm ,經正常滾絲壓力和速度、加大滾絲壓力和速度兩種工藝的試驗結果見下表:
由研究結果可以得出,實際工程應用中,造成孔洞缺陷的主要原因是由于螺栓、螺釘滾螺紋的毛坯尺寸超差,毛坯尺寸超大,造成搓絲和滾壓應力增大,在大滾壓應力的作用下。螺栓、螺釘的螺紋端中心出現開口孔洞;如果螺栓、螺釘材料塑性好,孔洞不開口,在螺栓、蝶釘的內部形成中心封閉孔
滾絲輪為一對等速旋轉的剛體,兩者間距為螺紋底徑,滾絲毛坯直徑約為螺紋中徑(大于滾絲輪間距),這樣,止動銷在滾絲中必然受到一對大小相等,方向相反的集中壓應力而變形,隨著滾絲輪旋轉而形成螺紋。滾絲毛坯在一對集中壓應力的作用下,其中心面的應力值最大,滾絲毛坯直徑的大小是直接影響應力和變形的關鍵。滾絲毛坯直徑越大,則受到的壓應力就越大,變形也就越大。當這種變形大于材料的塑性指標時,必然產生破壞開裂。變形與破壞的方向要隨著滾絲旋轉不斷地改變,形成軸心的放射狀裂紋,在零件完成滾絲工序脫離滾絲輪時,由于冷變形的殘余應力,回彈開裂成為孔洞。
螺釘經滾壓導致螺紋端剖面中心開口孔洞見圖5-16;螺釘螺紋端表面中心不規則孔洞洞見圖5-17;材料塑性好的螺釘出現的內部中心封閉孔洞見圖5-18。
螺紋在搓絲或滾壓過程中還有一類由于原材料缺陷導致的局部“破碎”缺陷。這一類缺陷的產生主要是由于原材料內部存在較為嚴重的夾雜物或殘余縮孔所致。
加工工藝不當造成的缺陷
自鎖螺母收口尺寸大,在收口應力的作用下,收口端處容易產生微裂紋,受裝配或使用應力的作用,微裂紋擴展成宏觀裂紋,收口端裂紋的產生,可能與收口所致應力過大有關,也存在由于材質局部粗晶或熱處理工藝不當導致殘余應力過大導致的收口裂紋。某高溫合金自鎖螺母收口端裂紋見下圖。
自鎖螺母收口處出現裂紋的現象較為常見,除收口所致應力較大外,很多情況下上材料的塑性不良有關,這是由于收口裂紋實質上是收口的塑性變形量超過了材料所自受的變形能力。如某型高溫合金自鎖螺母收口處多次出現裂紋,其原因是收口在時效強化后進行,此時由于時效強化導致材料強度高而塑性低產生開裂。后改為先收口后進行時效強化,這一裂紋現象得以解決。
成形工藝不當導致裂紋或過燒缺陷
螺栓(釘)、螺母等緊固件采用鍛造或熱時,如果墩鍛溫度不當,如墩鍛加熱溫度低,容易產生裂紋,鍛鍛溫度高容易產生過燒。當鍛鍛溫度較低時,裂紋一般出現在變形量大或者應力最大厚度最薄的地方。這主要是由于這類裂紋通常是由于墩鍛時形成的較大拉應力、切應力或附加拉應力引起的。冷鎖變形量過大也將產生裂紋。例如, 30CrMnSiA十字槽扁圓頭螺釘在裝配過程中螺釘從頭部斷裂,見下圖,失效分析結果表明,螺釘冷墩十字槽偏深導致在十字槽根部產生微裂紋并且對螺釘的強度有一定影響是螺釘掉頭的根部因。
鍛鍛工藝不當或毛坯表面存在未清理干凈的氧化皮也同樣會導致折疊裂紋。這類折疊裂紋當經過高溫后,對于鋼來說,一般裂紋兩側會出現脫碳的現象,而對于鈦合金來說則會出現富氧a層。圖5-21給出了30CrMnSi螺栓頭熱鍛成形導致的折疊裂紋及裂紋兩側的脫碳形貌。
墩鍛加熱溫度過高,局部易產生過熱,過熱時會導致材料晶粒粗大,嚴重時產生過亮。過熱是指金屬材料由于加熱溫度過高,或在規定的鍛造與熱處理溫度范圍內停留時間過長,或由于熱效應使溫度過高引起的晶粒粗大現象。過燒是指加熱溫度過高或在高溫加熱區停留時間過長,導致材料內部低熔點物質熔化,或環境中的氧化性氣體滲透到晶界,形成易熔的氧化物共晶體。過燒時局部晶界燒熔,并沿晶界出現小孔洞。過熱和過燒沒有"格的溫度界限,一般以晶粒出現氧化或低熔點相和熔化為特征來判斷過燒。不管是過熱還是過燒,都使得緊固件產品性能降低,在使用中容易出現早期失效。一般情況下,緊固件材料過熱可通過熱處理進行性能的組織的恢復,而過燒則只能報廢。圖5-22給出了高溫合金由于過燒導致的低熔點共晶相的回熔特征。
對鈦合金而言,鍛鍛溫度高時也容易出現組織不均勻甚至粗大的魏氏體組織和熱剪切現象,這是與鈦合金的導熱率較其他合金低很多有關。
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文章來源:機械裝備缺陷與失效分析
