器頭斷裂失效分析與熱處理工藝

殳 宏* 王曉東

（1.浙江省特種設備科學研究院 2.浙江威能消防器材股份有限公司）

0 引言

滅火器器頭是滅火器的重要組成部分，器頭與瓶體連接處的螺紋是器頭最薄弱的部位，其長期在內部壓力及擰緊力矩的作用下工作，同時受內部介質腐蝕等因素的影響，在使用過程中該螺紋處經常會發生斷裂、泄漏、腐蝕等失效情況。據相關資料統計，約80%以上的滅火器失效事故與器頭螺紋斷裂有關。滅火器器頭螺紋一旦發生斷裂，可能會造成巨大的安全事故。

現以某滅火器生產廠裝配線滅火器充氣時發生器頭斷裂失效為例，通過對該失效器頭進行宏觀和微觀斷口形貌分析、金相檢驗、扭矩分析和模擬器頭熱處理試樣分析，并結合以往器頭失效的類型和影響因素，尋找器頭螺紋斷裂失效的原因，可為滅火器及器頭生產廠提供參考。

1 失效分析

該器頭閥體材質為6061中強度鋁合金，屬于Al-Mg-Si系變形鋁合金，采用固熔加時效熱處理。

1.1 宏觀和微觀斷口形貌分析、金相檢驗

該器頭螺紋規格為M30 mm×1.5 mm-6 g，在對滅火器充氣過程中器頭發生斷裂，斷裂發生在螺紋根部，如圖1所示。觀察斷口后發現，斷口較為平直，無縮頸，幾乎沒有裂紋萌生區，全部為最后瞬斷區，可判定該斷口為脆性斷裂。

圖1 斷裂器頭宏觀形貌

在失效器頭斷裂部位取樣，按GB/T 3246.1—2012《變形鋁及鋁合金制品金相顯微組織檢驗方法第1部分：顯微組織檢驗方法》在金相試樣鑲嵌機上制備金相試樣，然后在金相試樣磨拋機上用不同粒度的金相砂紙依次粗磨，用不同粒度織物進行粗拋、精拋，最后用金剛沙噴霧劑精拋。拋光后的試樣立即用混合酸腐蝕劑進行腐蝕，在室溫條件下浸入浸蝕，表面形成的棕色膜用20%（質量分數，下同）硝酸水溶液去除，然后在清水中清洗，用吹風機吹干，在金相顯微鏡下觀察其金相顯微組織，如圖2所示，其晶界復熔加寬，晶粒交界處形成復熔三角形。

圖2 斷裂器頭顯微組織（×200）

根據GB/T 3246.1—2012標準對過熱和過燒的描述為金屬溫度達到或高于合金中低熔點共晶的熔點或固相線，使共晶或同溶體晶界產生復熔的現象叫過燒。在顯微組織檢驗中，出現復熔共晶球、 晶界局部復熔加寬和在三個晶粒交界處形成復熔三角形三種特征中的任何一種特征，判顯微組織為過燒。綜上可判定，該器頭斷裂處顯微組織過燒。

1.2 扭距分析

在擰緊器頭時，其擰緊扭矩M需克服被旋合螺紋間的摩擦力矩和器頭與瓶口法蘭面間的摩擦力矩，并使聯接產生預緊力 ：

式中：M——擰緊扭矩， N·m；

K——擰緊扭矩系數；

d——螺紋公稱直徑，mm。

參考QC/T 518—2013《汽車螺紋緊固件擰緊扭矩規范》，最小扭矩系數取0.114，代入式（1），則螺紋所能承受的最小扭矩 為：

式中： ——屈服強度，N/mm2；

式中：d2——螺紋中徑，mm。

式中：d1——螺紋小徑，mm。

查螺紋手冊可得出，該螺紋部分的有效面積為642 mm2，查GB/T 3191—2010《鋁及鋁合金擠壓棒》中6061-T6的屈服強度最小值為240 N/mm2。將其代入式（2）,計算得出螺紋所能承受的最小扭矩為：

車間裝配人員在進行此斷裂器頭裝配時，所用的扭矩為65 N·m，遠小于計算得出的最小扭矩，可判定器頭斷裂并非因設定扭矩過大導致的。

1.3 模擬器頭熱處理試樣分析

取該斷裂器頭相同材質鋁合金材料做熱處理試件，熱處理規范依據YS/T 591—2017《變形鋁及鋁合金熱處理》中對6061鋁合金T6熱處理要求執行：固熔溫度取值為516～579 ℃，保溫時間為60～120 min，淬火轉移時間小于15 s，時效處理溫度為171～182 ℃，保溫時間為8～9 h。

實驗材料為儀征海天鋁業有限公司提供的6061鋁合金擠壓棒材，其直徑為30 mm，下料長度為230 mm。熱處理爐選用箱式電阻爐，熱處理工藝條件如下：固溶溫度為520 ℃，保溫時間為70 min，迅速從電阻爐中取出水淬，時效時間為8 h，時效溫度均為180 ℃，時效后的試樣進行自然時效。

熱處理后的試樣按標準GB/T 228.1—2010《金屬室溫拉伸試驗》進行制作、測試，試驗結果如表1所示，測試結果均滿足標準GB/T 3191—2019《鋁及鋁合金擠壓棒材》中的規定。

表1 試樣拉伸力學

采用熱處理后的試樣制備金相試樣，在金相顯微鏡下觀察顯微組織。顯微組織在200倍放大鏡下觀察，如圖3所示，試樣晶粒細小，晶界清晰，且分布均勻，則其沒有出現過熱或過燒現象。

圖3 試樣顯微組織（×200）

可見上述工藝參數是可行的，試樣經過正常合格的熱處理后，顯微組織不會產生過燒情況。

2 失效原因

從以上各項試驗及理論計算結果可推斷，該批滅火器器頭閥體熱處理工藝不當、或其熱處理時爐子溫度控制儀表失靈導致爐子跑溫，引起器頭閥體顯微組織過燒，晶粒粗大，性能下降，因此在裝配扭矩遠小于理論計算扭矩時，在器頭的薄弱部位—器頭與瓶體連接的螺紋部位發生脆性斷裂失效。