SWRCH22A自攻螺絲斷裂原因分析及解決措施

吳德興， 農(nóng)之江

（寶鋼集團(tuán)廣東韶關(guān)鋼鐵有限公司， 廣東 韶關(guān) 512123）

自攻螺釘是一種輕結(jié)構(gòu)緊固件，產(chǎn)品涵蓋纖維板釘、木螺釘、干壁釘?shù)阮悇e，多用于薄的金屬板及其他物體之間的連接。自攻螺釘采用冷鐓成型工藝，以提高產(chǎn)品的強(qiáng)度、彈性極限和韌性；自攻螺釘?shù)念^要尖，螺紋為具有弧形三角截面的普通螺紋，自攻螺釘對表面硬度、滲碳層深度、芯部硬度及扭力矩都有嚴(yán)格要求，故在連接時，螺釘也可在被連接件的螺紋底孔中攻出內(nèi)螺紋，從而形成連接[1-4]。

而SWRCH22A是一種生產(chǎn)自攻螺釘?shù)膶Ｓ娩摲N。國內(nèi)某金屬加工廠生產(chǎn)的SWRCH22A自攻螺釘?shù)募庸すに嚍椋簷C(jī)械去氧化鐵皮→粗拉→退火→表面處理→精拉→冷鐓。加工M4×30 mm自攻螺絲，成品螺絲在檢測中出現(xiàn)95%螺絲斷裂質(zhì)量問題，斷口中心存在孔洞。取斷裂螺絲進(jìn)行檢測，分析斷裂原因，并提出相應(yīng)的改善措施。

1 生產(chǎn)工藝

冷鐓鋼SWRCH22A的生產(chǎn)工藝流程如下：高爐鐵水→脫硫處理→轉(zhuǎn)爐冶煉→吹氬→LF爐處理→連鑄→鑄坯檢查→鑄坯下送→方坯驗(yàn)收→方坯加熱→高線軋制→斯太爾摩控冷→集卷→P/F線運(yùn)輸→打捆→包裝。該鋼種的化學(xué)成分見表1。

表1 SWRCH22A冶煉化學(xué)成分 %

2 檢測過程與結(jié)果

2.1 力學(xué)性能及冷鐓性能

該批次SWRCH22A盤條的生產(chǎn)檢測力學(xué)性能及冷鐓性能見表2，從檢測數(shù)據(jù)分析，結(jié)果無異常。

表2 該批生產(chǎn)樣力學(xué)性能及冷鐓性能檢測數(shù)據(jù)

2.2 體視顯微鏡檢測

對試樣進(jìn)行體視顯微鏡低倍觀察。觀察分析斷裂螺絲試樣的斷口，試樣存在中心孔洞，見圖1。

2.3 電鏡檢測

利用電鏡對斷口進(jìn)行檢測分析，在試樣斷口中心孔洞處未發(fā)現(xiàn)嚴(yán)重非金屬夾雜物，斷口形貌為扭轉(zhuǎn)斷裂，裂紋源始于中心孔洞邊緣，存在較為明顯的擴(kuò)展區(qū)及最后撕裂區(qū)，見圖2所示。

圖1 試樣斷口宏觀圖片（×15）

圖2 斷口形貌（×60）

試樣中心孔洞邊緣除了韌窩外還存在小孔洞，見下頁圖3、圖4，小孔洞內(nèi)壁圓滑。

2.4 金相檢測

圖3 中心孔洞邊緣

圖4 中心孔洞邊緣

從成品鋼絲到成品螺絲各道工序之間，取多個樣做橫截面及縱截面金相檢測，搓牙工序前各工序產(chǎn)品未發(fā)現(xiàn)異常，搓牙、成品兩個工序產(chǎn)品金相檢測縱、橫截面均存在孔洞，橫向的金相組織有明顯的旋轉(zhuǎn)的方向性，見圖5～圖8。

圖5 搓牙試樣縱截面心部（×100）

圖6 搓牙試樣橫截面心部（×200）

圖7 成品螺絲試樣縱截面心部（×100）

圖8 成品螺絲試樣縱截面心部（×100）

斷裂螺栓試樣在螺牙區(qū)域中部分別做橫截面及縱截面金相檢測，觀察到試樣心部存在多處孔洞，大孔洞附近存在多處小孔洞，小孔洞內(nèi)壁圓滑；橫截面可見橫向的金相組織有明顯螺旋的方向性，如圖9、圖10所示。

圖9 3-1試樣縱截面心部（×50）

圖10 3-1試樣橫截面心部（×100）

3 失效原因分析

3.1 斷口分析

1）根據(jù)體視顯微鏡及電鏡檢測，可以確認(rèn)斷裂裂紋源在中心孔洞處。斷口中心孔洞未發(fā)現(xiàn)嚴(yán)重的非金屬夾雜物。中心孔洞附近存在一些大韌窩，大韌窩有撕裂擴(kuò)展特征。斷口微觀形貌為韌窩特征，材料具有較好的韌性。

2）根據(jù)電鏡檢測顯示，螺絲心部存在長孔洞，邊緣存在小孔洞，孔洞內(nèi)壁圓滑?？锥吹男纬墒亲杂杀砻娼?jīng)變形后演變的結(jié)果，自由表面始于材料中心的細(xì)微孔隙。

3.2 金相檢測

1）根據(jù)成品鋼絲至成品螺絲各工序產(chǎn)品縱、橫截面金相檢測結(jié)果，搓牙工序前各工序產(chǎn)品未發(fā)現(xiàn)異常，搓牙、成品兩個工序產(chǎn)品金相檢測縱、橫截面均存在孔洞，橫向的金相組織有明顯旋轉(zhuǎn)的方向性。螺絲心部孔洞形成于搓牙工序。

2）根據(jù)斷裂螺絲試樣金相檢測結(jié)果，斷裂試樣縱、橫截面檢測均發(fā)現(xiàn)心部存在孔洞，中心孔洞附近存在多處小孔洞，橫截面可見橫向的金相組織有明顯旋轉(zhuǎn)的方向性。

螺釘經(jīng)過多道制造工序，受到各種應(yīng)力的作用，尤其是在搓絲過程中要承受很大的壓應(yīng)力和切應(yīng)力，這些應(yīng)力導(dǎo)致疏松沿變形方向被拉長，有的擴(kuò)展成大孔洞，螺釘有效承載面積減小，從而造成螺釘在扭轉(zhuǎn)過程中斷裂[5]。

根據(jù)以上分析，螺絲斷裂裂紋源起于螺絲心部孔洞內(nèi)壁，形成于搓牙工序，孔洞內(nèi)壁圓滑、無非金屬夾雜，其內(nèi)表面存在殘留的原始自由表面，源自于鑄坯內(nèi)部的凝固缺陷中心縮孔在高溫軋制中未能完全焊合。

4 改善措施

1）通過使用末端電攪，改善心部疏松與成分偏析。鑄機(jī)澆鑄過程采用全保護(hù)澆鑄，抑制二次氧化發(fā)生。

2）中心縮孔缺陷是由于鑄坯凝固產(chǎn)生的體積收縮和冷卻產(chǎn)生的體積收縮沒有得到完全補(bǔ)充，在最后凝固的地方產(chǎn)生了孔洞。在冶煉和連鑄過程中，采用低過熱度、低拉坯速度、合適的二冷強(qiáng)度，配合使用電磁攪拌、末端強(qiáng)冷等技術(shù)，通過連鑄工藝全過程的相對穩(wěn)定和各環(huán)節(jié)的相互配合，消除或減輕連鑄坯中心縮孔缺陷。

[1]周增昌.自攻螺釘?shù)膽?yīng)用[J].汽車科技，2002（3）：51.

[2]張先鳴.自攻鎖緊螺釘?shù)臒崽幚韀J].現(xiàn)代零部件，2006（4）：70-73.

[3]劉紅蘭，李祖鑫.常見自攻螺釘斷裂的原因[J].理化檢測，2009（6）：387-392.

[4]王全禮，王麗萍.SWRCH22A質(zhì)量對自攻螺釘生產(chǎn)工藝的影響[C]//2006年線材制品國際技術(shù)研討會論文集.北京：中國金屬學(xué)會，2006.

[5]龔佳仙.鋼鐵產(chǎn)品缺陷與失效實(shí)例分析圖譜[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2012.