減速機蓋連接螺栓斷裂失效分析

羅陽

（陜西法士特汽車傳動集團有限公司,寶雞722409）

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減速機蓋連接螺栓斷裂失效分析

羅陽

（陜西法士特汽車傳動集團有限公司,寶雞722409）

摘要：為確定某減速機上使用的Q150B1050TF3螺栓的斷裂原因，對該螺栓進行了斷口分析、顯微組織分析、硬度檢測、化學成分分析、金相組織檢查、力學性能測試、氫含量檢測和摩擦系數試驗，并通過裝配現場對比試驗，分析螺栓斷裂的主要原因是墊圈選配不當導致斷裂，最后針對該螺栓斷裂原因提出了相應改進措施。

關鍵詞：減速機螺栓斷裂失效分析對比試驗

1 問題的提出

某型號減速機在裝配過程中多次出現減速機蓋連接螺栓Q150B1050TF3與Q40310墊圈配合使用時桿徑斷裂現象。該斷裂螺栓的設計材料為ML40Cr，螺栓規格為M10×1.25×50，表面經過鍍鋅處理，強度等級為10.9級；該螺栓的要求安裝扭矩為（80±10）N.m，現場設定力矩90 N.m。本文對減速機蓋連接螺栓Q150B1050TF3與Q1421050螺栓組合件進行對比分析，確定螺栓斷裂原因并提出改進措施。

2 試驗分析

（1）斷口分析。螺栓斷裂試樣如圖1所示。從圖l可見螺栓斷面與軸向垂直，斷口附近無明顯宏觀夾雜物，起裂處位于螺紋上中部，呈韌窩狀，有明顯拉長塑性變形，開裂源處未發現有明顯的宏觀映陷存在。

圖1 斷裂螺栓宏觀形貌

（2）顯微組織分析。分別對減速機蓋連接螺栓Q150B1050TF3與Q1421050螺栓組合件進行顯微組織分析，圖2、圖3分別為斷裂螺栓與Q1421050的顯微組織，均為回火索氏體。

圖2 斷裂螺栓金相組織

圖3 Q1421050金相組織

（3）硬度檢測。分別取兩件斷裂螺栓及Q1421050螺栓組合件，對其進行硬度檢測，結果見表1。從表1看出斷裂螺栓的表面硬度略低于完好螺栓，但無明顯差異，均在GB/T 3098.1-2010規定的范圍內。

表1 螺栓硬度檢測結果

（4）成分分析。采用直讀光譜法對斷裂件和Q1421050螺栓進行化學成分分析，結果見表2，其化學成分均符合GB/T4336-2002標準中對ML40Cr的要求。

表2 螺栓化學成分

（5）室溫力學性能。取同批次完好未經使用的螺栓樣件和Q1421050樣件，分別進行室溫極限拉力載荷和抗拉強度試驗。環境條件19.6℃，其力學性能結果見表3、表4，結果符合GB/T 3098.1-2010要求。

表3 螺栓力學性能

（6）氫含量檢測。利用ONH836氧氮氫分析儀對螺栓斷口附近取樣進行氫含量檢測，測試結果見表4。由測試結果表明，雖然斷裂螺栓的氫質量分數在5×10-6以下，但螺栓內部均含有一定量的氫，加之該螺栓預緊力過大，易產生應力集中區，氫原子便持續向裂紋尖端擴散聚集［1］，當裂紋擴展到一定程度后，螺栓由于承力面積減小而最終斷裂。

（7）摩擦系數試驗。分別對同批次完好螺栓Q150B1050TF3與Q1421050螺栓組合件進行摩擦因數分析。結果如表5所示，其中，T為總扭矩，F為軸力，μtot為總摩擦系數，μth為螺紋摩擦系數，μb為支承面摩擦系數，Tth為螺紋扭矩，Tb為支承面扭矩，K為扭矩系數，θ為轉角；由表可見同規格的螺栓，同樣的材質及表面處理方式，其摩擦因數未見明顯差異，但要注意螺栓在長期保存或裝配使用過程中受到污染而影響摩擦系數。

表4 螺栓氫含量檢測

表5 螺栓摩擦因數測試結果

（8）裝配現場試驗。通過上述項目檢測，螺栓各項參數在合格范圍內，對比試驗也無明顯差異，對此我們在裝配過程進行以下對比試驗：

試驗一：取Q150B1050TF3螺栓單獨使用不加墊片，在裝配力矩在90N.m時，螺栓未出現斷裂；試驗二：取Q150B1050TF3螺栓與Q40310墊圈配合使用，在裝配力矩在80N.m時，螺栓出現斷裂；試驗三：取Q1421050螺栓組合件進行裝配，裝配力矩在90N.m，螺栓未出現斷裂。

3 綜合分析

Q1421050是Q150B1050TF3與Q40610墊圈組合件，其生產工藝為螺栓未滾絲前穿入Q40610墊圈，滾絲完成后螺紋外徑大于Q40610墊圈內徑，保證墊圈不能掉落［2］，所以裝配現場在使用Q150B1050TF3螺栓Q40610與配合裝配時，由于Q40610孔徑較小無法穿入螺栓而使用了孔徑較大的Q40310墊圈；由于Q40310內徑較大與Q150B1050TF3螺栓支承面接觸面積小，從而支承面摩擦力變小，在裝配過程中螺栓接受縱向裝配力矩過大，導致螺栓斷裂。同時裝配現場定扭扳手設置值為上線，未留足夠安全預度存在超差風險，影響螺栓預緊效果。氫元素可導致金屬韌性降低，該螺栓電鍍后雖然經過驅氫處理，但不能完全排除氫殘留風險［3］。

4 結論和措施

（1）裝配過程中使用Q150B1050TF3與Q40610的組合件Q1421050，能有效避免螺栓斷裂；螺栓Q150B1050TF3與墊圈配合使用不當且安裝預緊力過大是導致螺栓斷裂的主要原因，在采購環節或裝配環節使用時要采購或使用組合件，盡量不要現場組合使用，如必須現場組合，必須要展開有效評估方可使用。

（2）盡量下調螺栓預緊力，在保證設計要求預緊力的情況下，將定扭扳手力矩調至80N.m，這對保證螺栓的安全服役有重要意義，同時嚴格按照工藝裝配順序擰緊。

（3）建議10.9級的螺栓采用達克羅、粉末滲鋅表面處理方式，降低氫脆風險。

（4）應保持螺栓的存放及裝配現場清潔，防止螺栓受污染而影響螺栓的摩擦系數。

采取以上措施后，通過現場批量驗證，未發現過螺栓斷裂現象，該螺栓斷裂問題得到解決；同時上述分析過程能對其他類似問題有參考借鑒作用。隨著對螺栓斷裂原因研究的深入和檢測數據的積累，對螺栓斷裂的特點、機理及斷裂因素有了更清楚地認識，可采取有針對性地預防措施，防止螺栓斷裂。

參考文獻

［1］商紅武，安茂忠，楊培霞.電鍍過程中氫脆的產生及其抑制措施［J］.電鍍與涂飾，2008，27（12）：4-7.

［2］維榮.常用緊固件產品手冊.北京：中國標準出版社，2002．

［3］孫小炎.螺栓氫脆問題研究［J］.航空標準化，2007，（2）：6-9．

Reducer Cover Connecting Bolt Fracture Failure Analysis

LUO Yang
（Shaanxi Fast Automotive Transmission Group Co., Ltd.,Baoji 722409）

Abstract:In order to determine the failure reason of Q150B1050TF3 bolt on the use of a reducer ,The bolt fracture morphology、microstructure、hardness、chemical、metallographic examination、mechanical properties test、hydrogen content detection and friction coefficient were tested and analyzed.And through the contrast test assembly,the main reason analysis of bolt fracture is due to improper selection of fracture washers. Finally put forward the corresponding improvement measures for the cause of the bolt fracture.

Key words:reducer, bolt fracture, failure analysis, contrast test