303Se不銹鋼高鎖螺母開裂原因

高靖靖，李旭健，馬 勇，李 影，楊保建，柯書忠

(1.河南航天精工制造有限公司，信陽 464000；2.河南省緊固連接技術重點實驗室，信陽 464000)

303Se不銹鋼高鎖螺母主要由兩部分組成：一部分是工藝部分，另一部分是工作部分，其產品結構如圖1所示。工藝部分可實現安裝過程中的扳擰，工作部分可實現最終的緊固連接。安裝該高鎖螺母的過程中，當施加一定的力矩時，其斷徑槽處會發生斷裂，工藝部分脫落，完成產品的裝配[1-2]。

圖1 303Se不銹鋼高鎖螺母結構示意

在對303Se不銹鋼材料加工的某不銹鋼高鎖螺母進行裝配試驗時發現：在無夾層的情況下，將該高鎖螺母擰入到螺栓上，在擰過螺紋區后，螺栓光桿部位與高鎖螺母螺紋接觸(簡稱裝配試驗)，當繼續對高鎖螺母施加擰入力矩時，螺母的斷徑槽不會被擰斷，反而沿著軸線方向出現開裂，開裂高鎖螺母宏觀形貌如圖2所示。

圖2 開裂高鎖螺母宏觀形貌

筆者通過金相檢驗、掃描電鏡(SEM)分析、顯微硬度測試、殘余應力測試，同時結合螺母的加工工藝對該高鎖螺母的開裂原因進行了分析，并提出了改進措施，有效地提高了不銹鋼高鎖螺母的徑向承載能力。

1 理化檢驗

1.1 金相檢驗

在該開裂高鎖螺母上制備試樣，利用光學顯微鏡分別觀察其環向和軸向顯微組織，開裂高鎖螺母的環向顯微組織如圖3所示，軸向顯微組織如圖4所示。

圖3 開裂高鎖螺母的環向顯微組織

圖4 開裂高鎖螺母的軸向顯微組織

由圖3,4可知：幾乎每個晶粒中都有大量的滑移線，不同晶粒內的滑移線取向不同；開裂高鎖螺母材料中含有大量的夾雜物，夾雜物沿軸向拉長。

1.2 顯微硬度測試

利用顯微硬度計測試開裂高鎖螺母收口段的環向剖面和軸向剖面的顯微硬度，在截面中心測試5個點，結果如表1所示。

表1 高鎖螺母收口段環向剖面和軸向剖面的顯微硬度 HV

為了對比高鎖螺母收口部位與法蘭部位的顯微硬度，在該開裂高鎖螺母的法蘭部位選取軸向剖面的5個點進行顯微硬度測試，結果如表2所示。

表2 高鎖螺母法蘭部位的顯微硬度 HV

由表1,2可知：高鎖螺母收口部位的軸向剖面顯微硬度大于環向剖面顯微硬度；高鎖螺母收口部位的顯微硬度高于法蘭部位的顯微硬度。

1.3 SEM分析

用SEM分析開裂高鎖螺母的斷口，高鎖螺母收口部位斷口的SEM形貌如圖5所示；遠離高鎖螺母收口部位斷口的SEM形貌如圖6所示。

圖5 高鎖螺母收口部位斷口的SEM形貌

圖6 遠離高鎖螺母收口部位斷口的SEM形貌

由圖5,6可知：開裂高鎖螺母斷口的微觀形貌均為韌窩，是典型的塑性斷裂特征；韌窩沿軸向分布；開裂高鎖螺母的失效模式為塑性過載斷裂，裂紋起源于高鎖螺母外壁收口點附近。

1.4 殘余應力測試

選取未安裝使用的高鎖螺母，利用X射線殘余應力測試儀測試兩個收口點連線中點位置的殘余應力和收口點的殘余應力，測試位置如圖7所示。兩個收口點連線中點位置(點1～4)的殘余應力分別為-102.7，-93.6，-182.3，-241.8 MPa，收口點位置附近的殘余應力如表3所示。

表3 高鎖螺母收口點位置附近殘余應力 MPa

圖7 高鎖螺母殘余應力測試位置示意

由殘余應力測試結果可知：高鎖螺母外壁遠離收口點位置存在殘余壓應力；高鎖螺母外壁收口點局部位置存在較高的殘余拉應力。

2 開裂原因分析

2.1 材料分析

303Se不銹鋼高鎖螺母開裂件的晶粒中有大量滑移線，不同晶粒內滑移線取向不同；材料中含有大量的夾雜物，夾雜物沿軸向拉長。為了驗證夾雜物對裂紋的影響，選取6批符合標準AMS5640U—2007SteelCorrosionResistant,Bars,Wire,Shapes,andRorgings18Cr-9.0NiFreeMaching的不同爐批號的303Se不銹鋼加工為高鎖螺母，發現加工的高鎖螺母在裝配試驗過程中均出現開裂現象，結果如表4所示。

表4 不同爐批號的303Se不銹鋼高鎖螺母裝配試驗結果

對303Se不銹鋼原材料進行金相檢驗，未發現參與驗證的原材料中存在夾雜物，故可以推斷，裝配試驗下的開裂與夾雜物無直接關系。

查詢標準HST 1087—2000StainlessSteelTensileHighLockNut可知，302，305，303Se不銹鋼均可以用于加工高鎖螺母。選用5批符合標準AMS-QQ-S-763B—2006Steel,CorrosionResistant,Bars,Wire,Shapes,andRorgings的不同質保號的302不銹鋼材料，按照同樣工藝路線進行加工，發現采用302不銹鋼材料加工的高鎖螺母在裝配試驗下均未出現開裂現象，結果如表5所示。

表5 不同質保號的302不銹鋼高鎖螺母裝配試驗結果

故可以推斷，高鎖螺母在裝配試驗下發生開裂與材料性質有一定的關系。為了對比303Se不銹鋼和302不銹鋼，采用直讀光譜儀對這兩種材料成形高鎖螺母的化學成分進行分析，結果如表6所示。

由表6可知：303Se不銹鋼中含有硒元素，303Se屬于易切削不銹鋼[3]。

表6 303Se，302不銹鋼材料高鎖螺母的化學成分 %

2.2 成形方式分析

為了驗證成形方式對高鎖螺母開裂的影響，采用兩種加工方式對產品進行研究。

2.2.1 車加工成形

查詢標準AMS5640U—2007可知，303Se不銹鋼原材料的最大抗拉強度為862 MPa。為了保證高鎖螺母抗拉力的要求，采用抗拉強度為850 MPa～862 MPa的原材料直接車加工，產品的加工路線為備料→車加工→收口→表面處理。選取車加工的高鎖螺母進行裝配試驗和力學性能測試，發現：① 303Se不銹鋼材料車加工成形的高鎖螺母在裝配試驗下不會開裂；② 車加工成形時，高鎖螺母的最小抗拉強度無法滿足標準要求。

2.2.2 冷擠壓成形

根據300系列不銹鋼的冷作強化特性[4]，分別選用303Se不銹鋼和302不銹鋼材料進行擠壓成形加工，通過冷變形提高抗拉強度，加工路線為：備料→冷擠壓→精加工→收口→表面處理，其中冷擠壓成形方式如圖8所示。

圖8 冷擠壓成形方式示意

對擠壓成形的高鎖螺母進行裝配試驗和力學性能測試，發現303Se不銹鋼和302不銹鋼材料經過擠壓成形加工后，其硬度有較大提升，擠壓前后的硬度如表7所示。

表7 303Se，302不銹鋼材料冷擠壓成形前后的硬度 HV

冷擠壓成形方式加工的高鎖螺母的最小抗拉強度滿足標準要求；303Se不銹鋼材料冷擠壓成形加工的螺母在裝配試驗下有開裂現象；302不銹鋼材料冷擠壓成形加工的高鎖螺母在裝配試驗下無開裂現象。

2.2.3 不同成形方式的對比

對車加工和冷擠壓兩種不同成形方式加工的高鎖螺母進行對比，可以得出以下結論。

(1) 高鎖螺母車加工時，抗拉強度不滿足標準要求，故該成形方式不適合。

(2) 303Se不銹鋼和302不銹鋼材料經過冷擠壓變形后，高鎖螺母的抗拉強度增大且滿足標準HST 1087—2000要求。

(3) 高鎖螺母在裝配試驗下開裂與產品的成形方式及材料性能有一定的關系。

2.3 開裂原因分析

不銹鋼在冷變形時其抗變形力較高，且隨著所承受的變形程度的增加而持續上升，金屬的塑性隨著變形程度的增加而逐漸下降，表現出明顯的硬化現象[5-6]。開裂高鎖螺母的理化檢驗結果說明了以下幾點。

(1) 303Se不銹鋼材料在冷擠壓加工時，材料抗拉強度升高，塑性降低，在高載荷作用下發生開裂現象。

(2) 裝配試驗中，螺紋被螺栓光桿擠壓變形，對螺母徑向施加了較大載荷。

(3) 殘余應力測試結果表明，收口點位置存在殘余拉應力，殘余拉應力疊加在外加應力上，會導致該處應力增大。

(4) 螺母收口點位置是薄弱區域，有以下3個原因：① 收口點位置在收口時經過二次變形，并發生二次硬化，塑性繼續下降；② 收口點位置相對其他位置的壁厚較薄，在同樣載荷作用下，該處的應力較高；③ 收口點位置存在截面變化，會引起局部的應力集中，在同樣載荷作用下，該處應力相比其他位置要高。

3 結論及建議

(1) 高鎖螺母在裝配試驗中出現開裂的原因為:303Se不銹鋼材料在冷擠壓成形時，材料的抗拉強度升高、塑性降低，在高載荷作用下發生開裂現象，開裂高鎖螺母的失效模式為塑性過載開裂。

(2) 建議將高鎖螺母的材料由303Se不銹鋼更換為302不銹鋼，同時合理控制冷擠壓變形量，可使其抗拉強度、塑性和韌性達到要求，并有效地提高不銹鋼高鎖螺母的徑向承載能力。

(3) 通過對高鎖螺母的工藝進行改進，排除了高鎖螺母在裝配試驗中的開裂故障。工藝改進后，高鎖螺母的微觀組織、力學性能均滿足相關標準要求，其徑向承載能力得到明顯提高。