汽車發(fā)動機艙蓋鎖扣固定螺釘斷裂失效分析和預(yù)防措施

范奇達(dá) 張文波 應(yīng)佳舟

關(guān)鍵詞：氫脆;折疊;軸向載荷;延遲斷裂;摩擦系數(shù);裝配扭矩

0引言

某車型在大氣環(huán)境、無腐蝕性介質(zhì)情況下，裝配完成一段時間后，發(fā)現(xiàn)發(fā)動機艙蓋打不開。檢查發(fā)現(xiàn)，用于固定發(fā)動機艙蓋鎖扣支架的自攻螺釘存在斷裂現(xiàn)象（圖1）。通過對所有裝配完成的車輛發(fā)動機艙蓋進(jìn)行排查，螺釘斷裂失效比例較低。為分析螺釘斷裂原因，對已失效的斷裂件和完好件進(jìn)行分析。

自攻螺釘規(guī)格為ST4.2×1.41×16，材質(zhì)為SWRCH22A，裝配扭矩為2.5±0.5N·m，其制造工藝為冷鐓——搓絲——熱處理——表面處理（電鍍鋅鎳）——驅(qū)氫（205℃保溫8h）。檢查發(fā)現(xiàn)，失效螺釘斷裂均發(fā)生于螺紋部位。

1試驗分析

1.1斷口分析

螺釘?shù)臄嗔研问较嗨?，未斷裂在頭部與桿部交界處。隨機選取其中一枚螺釘進(jìn)行斷口分析。觀察失效螺釘?shù)臄嗫诘捅缎蚊玻▓D2），斷面粗糙，無明顯頸縮，且未發(fā)現(xiàn)有明顯的腐蝕產(chǎn)物和冶金缺陷。斷口有放射線花樣，邊緣處僅有特征不明顯的剪切唇。為便于描述，將斷口分為A1、B1和C1三個區(qū)域進(jìn)一步描述。

觀察失效螺釘斷口的微觀形貌（圖3），A1區(qū)可見明顯的“冰糖狀”沿晶形貌，并伴隨晶間二次裂紋，晶面可見明顯的“雞爪紋”。B1區(qū)微觀形貌可見明顯的“冰糖狀”沿晶形貌，并伴隨晶間二次裂紋，晶面可見明顯的“雞爪紋”，同時可見明顯的準(zhǔn)解理形貌。C1區(qū)微觀形貌可見明顯的韌窩形貌。

1.2化學(xué)成份分析

按照GB/T4336-2016《碳素鋼和中低合金鋼多元素含量的測定火花放電原子發(fā)射光譜法（常規(guī)法）》的檢測要求，采用光譜儀（型號MAXx09-A）對失效螺釘?shù)念^部進(jìn)行化學(xué)成分分析，頭部經(jīng)過加工取表面滲碳層。結(jié)果顯示，失效螺釘?shù)幕瘜W(xué)成分符合Q/BQB517-2019《冷鐓鋼盤條企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)》中對SWRCH22A鋼的要求（表1）。

1.3金相檢測

垂直斷口截取失效螺釘桿部縱截面進(jìn)行金相觀察，可見起裂區(qū)存在明顯的折疊裂紋（圖4）。檢測失效螺釘斷口相鄰螺紋金相組織，經(jīng)測量，螺紋部位滲碳層深度為0.22mm，符合技術(shù)要求（0.10～0.23mm）。檢測失效螺釘斷口相鄰螺紋牙底金相組織，可見明顯的以牙底折疊為起源的沿晶裂紋（圖5）。

檢測失效螺釘芯部顯微組織（圖6a），為均勻的回火馬氏體[1]，無異常。觀察螺釘?shù)姆墙饘賷A雜物形態(tài)[2]，根據(jù)GB/T10561-2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定標(biāo)準(zhǔn)評級圖顯微檢驗法》規(guī)定，判定為D類球狀氧化物（細(xì)系）1級，無異常（圖7b）。

1.4硬度檢測

對失效螺釘進(jìn)行表芯硬度試驗，結(jié)果表芯硬度均符合GB/T3098.5-2016《緊固件機械性能自攻螺釘》的相關(guān)要求。同時按照硬度梯度仲裁實驗法，在金相試件的螺紋輪廓上用試驗力300g的顯微維氏硬度進(jìn)行檢驗，其滲碳層深度為0.23mm，滿足符合技術(shù)要求（0.10～0.23mm）。

1.5氫脆試驗

根據(jù)GB/T3098.17-2000《緊固件機械性能檢查氫脆用預(yù)載荷試驗平行支承面法》規(guī)定，選取實測最小破壞扭矩（5.17N·m）的0.9倍（4.65N·m）作為氫脆試驗擰緊扭矩。保持48h后將組合件進(jìn)行拆卸，并對螺釘進(jìn)行觀察，螺紋部位未發(fā)現(xiàn)裂紋（圖7），氫脆試驗結(jié)果符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

1.6裝配扭矩確認(rèn)

自攻螺釘?shù)臄Q緊扭矩如太高，會導(dǎo)致螺釘斷裂或打滑;擰緊扭矩如太低，會導(dǎo)致零件無法夾緊甚至無法貼合，因此合適的擰緊扭矩至關(guān)重要。為此，參考車型的資料得如下建議公式：

MA=MS+k×（MO-MS）（1）

式中MA——工藝扭矩

MS——貼合扭矩

MO——破壞扭矩

k——0.3～0.5

由式（1）可知，首先要保證工藝扭矩大于貼合扭矩;工藝扭矩在貼合扭矩的基礎(chǔ)上，再加上破壞扭矩與貼合扭矩差值的0.3～0.5倍。同時，為保證不被過擰，最大的工藝扭矩不建議超過破壞扭矩的0.6倍。再根據(jù)式（1）計算出的參考工藝扭矩，確定最終的實際擰緊工藝扭矩（圖8）。

該自攻螺釘擰緊過程中，用完整從擰入至失效的曲線來確定工藝扭矩的合理性。通過對同批次完好螺釘?shù)哪M裝配驗證其平均貼合扭矩MS為0.30N·m，平均破壞扭矩MO為5.10N·m。那么根據(jù)式（1），當(dāng)k為0.3時，計算出的MA為1.44N·m;當(dāng)k為0.5時，計算出的MA為2.70N·m。

由于最大的工藝扭矩不建議超過破壞扭矩的0.6倍，則最大工藝扭矩：MAmax=0.6×MO=0.6×5.10=3.06N·m查看資料得知，目前該自攻螺釘裝配工藝要求的擰緊扭矩為2.50±0.50N·m，因此符合裝配工藝要求，不會造成自攻螺釘因擰緊扭矩過大造成失效斷裂。

2結(jié)果與討論

綜上所述，失效螺釘?shù)幕瘜W(xué)成分、表芯硬度、滲碳層深度、氫脆試驗、顯微組織、非金屬夾雜物以及裝配扭矩工藝等指標(biāo)均未發(fā)現(xiàn)異常。

斷口微觀形貌具有典型氫致延遲斷裂（氫脆）特征，且在本案例中，螺釘經(jīng)歷電鍍工藝，致使氫進(jìn)入其中，雖然后續(xù)有驅(qū)氫工序，但仍有部分氫殘留。失效螺釘表面經(jīng)滲碳處理，表面硬度達(dá)到550HV（通常零件硬度大于320HV時就有氫脆傾向），因此螺釘本身具有一定的氫脆敏感性。失效螺釘斷口附近螺紋牙底存在明顯的、以折疊裂紋起源并向內(nèi)擴展的沿晶裂紋，螺釘承受外力作用時，折疊裂紋尖端存在明顯的應(yīng)力集中，更易發(fā)生氫脆。

螺釘發(fā)生延遲斷裂另一因素還要取決于外界載荷的大小。一般零件安裝后，其軸向載荷低于材料屈服極限，軸向載荷越大，對于滲碳的零件發(fā)生延遲斷裂的概率也就越大。滲碳自攻螺釘多用于聯(lián)接比較薄的金屬板，由于自攻螺釘螺紋表面硬度較高（≥45HRC），所以在聯(lián)接時，將自攻螺釘擰入事先被制出螺紋底孔的連接件，這樣可以在聯(lián)接件的螺紋底孔中攻出內(nèi)螺紋從而完成連接。一般自攻螺釘在攻入過程中大部分消耗了螺紋摩擦力[4]，最終承載的軸向載荷相對較小，故對具有滲碳的高應(yīng)力自攻螺釘降低了延遲斷裂的風(fēng)險。

本案例中的被聯(lián)接件已事先攻出相應(yīng)配合的內(nèi)螺紋鎖扣，無需再通過自攻釘較高的表面硬度自攻成型螺紋而進(jìn)行聯(lián)接。而且螺釘表面經(jīng)過“鋅鎳合金+黑色鈍化+表面封閉潤滑”處理，摩擦系數(shù)相對較小，因此在規(guī)范的擰緊扭矩作用下，最終零件產(chǎn)生的軸向載荷較大[5]，產(chǎn)生延遲斷裂的風(fēng)險就較大。

3預(yù)防措施

（1）確保螺紋牙底不產(chǎn)生折疊，并滿足GB/T5779.3《緊固件表面缺陷螺栓、螺釘和螺柱特殊要求》的要求。

（2）螺釘?shù)哪Σ料禂?shù)盡可能往上公差進(jìn)行控制，保證該螺釘承受較小的軸向載荷。

（3）有效控制螺釘裝配的擰緊速度，防止扭矩過沖，同時因擰緊受熱后降低了摩擦系數(shù)。

（4）在滿足GB/T3098.5-2016規(guī)定自攻螺釘性能的同時，控制該螺釘?shù)臐B碳層深度和表面硬度，并將滲碳層深度和表面硬度控制在下限，預(yù)防延遲斷裂。同時該螺釘在熱處理過程中，盡可能提高回火溫度和一定的回火時間，來消除產(chǎn)品組織的內(nèi)應(yīng)力，確保產(chǎn)品組織的韌性和延展性。

（5）嚴(yán)格把控螺釘在電鍍過程中的驅(qū)氫控制，同時電鍍前除銹和氧化皮時，應(yīng)采用噴砂或噴丸等處理方法達(dá)到凈化、活化表面的目的。

4結(jié)束語

延遲斷裂在某種程度上是不可預(yù)測的，當(dāng)緊固件制造商指定這樣一種產(chǎn)品時，必須清楚地認(rèn)識到它風(fēng)險的存在，這些風(fēng)險可能來自于制造因素，也可能來自于裝配因素，或者說制造與裝配不匹配。所以對于緊固件制造商來說，在開發(fā)之前一定要掌握螺釘所涉及到的所有信息，通過分析來確定螺釘?shù)闹圃旃に嚭唾|(zhì)量控制，這樣才能避免質(zhì)量事故的發(fā)生。E252CE8C-1804-4876-88BA-9A8218C9F1C1