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高强度螺栓延迟断裂的预防措施
点击率:3016 | 发布时间:[ 2010/8/11 ]

高强度螺栓延迟断裂的预防措施

目前,由螺栓联接引起的延迟断裂仍然是一个严重的产品质量问题。延迟断裂是材料在静止应力作用下,经过一定时间后突然脆性破坏的一种现象,是材料一环境一应力相互作用而发生的一种环境脆化,是氢导致材质恶化的一种形态。延迟断裂现象是妨碍高强度螺栓提高强度的一个主要因素。

    产生延迟断裂是涉及到材料加工,环境等因素。本文从紧固件生产实践,提出延迟断裂的预防措施,供同行参考。

    1、抗拉强度的偏差管理
    在保证螺栓达到各项力学性能指标的基础上(尤其把抗拉强度和保证应力控制在合格范围内)要对螺栓的硬度控制在一定范围内,见表1

    高强度螺栓在检测硬度时,作为工艺结果。(控制项目)最终以抵拉值强度值为综合测量结果。

    2、防止螺栓表面层的增碳
    脱碳通常有利于延迟破坏性能的提高,但是必须充分考虑疲劳强度的下降,并且不至于螺栓脱扣、滑牙。对原材料的预先退火工序必须严格注意脱碳和增碳,而在最终调质淬火时对于螺纹表面增碳是不允许的。

    冷拔前对盘条需要经过软化退火或球化退火,为了防止脱碳往往使用保护气氛或炉中放置木炭。如果炉中气氛控制不当或者发生特殊情况时,会在原材料表面造成增碳。由于螺纹处表面增碳,会使强度增加而塑性下降,导致延迟断裂。

    3、防止渗磷
    拉拔是生产高强度螺栓的第一道工序,但在拉拔前,盘条须经过磷化锌薄膜处理,增加光洁度,冷镦、调质淬火处理制成螺栓,会有磷渗入表面层里。对于高强度螺栓,可在热处理前用金属清洗剂和酸洗洗净磷化膜,达到防止渗磷的目地。要注意的是钢渗磷后,钢的临界点A。上升,表面出现较多铁素体,也影响后序发黑和氧化着色表面处理

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    4、减少应力集中的形状
    螺栓头部是应力集中部位。典型螺栓的头部为六角形,从圆形成型为六角形的。冷镦变形可达60%~80,不允许有任何折叠,尤其是冷镦复杂形状的凸缘类螺栓。但由于机床精度,操作工人的技术水平,模具尺寸和质量等综合因素的影响,造成螺栓头部和杆部结合处的晶粒破碎或金属纤维断裂。此处组织很不均匀,并形成一个脆性断裂危险区域,造成应力集中。不完全螺纹和全螺纹形状的螺栓,应在允许的范围内,做到形状尽可能缓和应力集中。在调整冷镦机床时,不应忽视机床间隙,模具间隙以及机床模具间的误差,合理分配螺栓头部的镦锻变形量,增大头杆结合处的过渡圆角,使其内部组织达到合理状态。

    对调换每种规格产品试模的样件,冷镦时应给予5200件报废,特别是在那些应力集中的部位不能有伤痕。

    5、良好的金属流线
    金属的纤维组织沿轧制方向流动,这种因碳化物等脆性粒子在冷镦和冷挤加工时被细化、晶粒沿伸长方向变细变长,显示出导向所致。这种纤维组织就是塑性加工后,由变形产生的纤维流线。螺栓冷镦锻时,特别是在头杆连接处,如果冷镦锻质量拙劣,头部纤维塑性流线就紊乱、切断,这对高强度螺栓是不能存在的缺陷,这将导致延迟断裂的发生。

    6、预先防止奥氏体晶粒粗大
    在调质时要防止奥氏体晶粒粗大,淬火温度的控制显得特别重要。尤其是局部加热镦锻的螺栓,应增加退火软化工序和减少拉拔量。奥氏体晶粒粗大会造成脆性增加,以至延迟断裂发生。

    7、钢种的选择
    根据影响高强度螺栓延迟断裂的因素,钢材选择最好有能使延迟断裂性能提高的元素。如添加有适量的TiVNb等细化晶粒元素,使奥氏体晶粒不长大;对延迟断裂恶化的PS降低钢中的含量,减少晶界偏析;提高Mo的含量以提高钢的回火软化抵抗性能。

    钢材化学成分的调整,碳钢中主要的元素有CSiMn。增加SiMn的含量可以提高硬度,但硬度提高对塑性指标断面收缩率的数值有负面影响,在中碳钢中加入少量的Cr可以改善其塑性,提高断面收缩率数值。SiMn是固溶强化铁素体而提高硬度的元素,而Cr是细化晶粒增加淬透性的元素。

    由于任何一种钢都要把淬火一高温回炎(调质)处理作为钢种的前提来考虑,根据高强度螺栓性能等级,环境条件等,要完全避免发生延迟断裂是困难的。因此,选择钢种时对其使用条件必须十分注意。

    推荐钢种如下:8.8级螺栓选用SWRCH35RCH35.ACR钢;10.9级选用SCM43540Cr钢;12.9级选用42CrMo25Cr2MoVA钢。对于10.9级以上螺栓需用合金钢,其中CrMoCrMoV两类钢更能满足在复杂条件下使用。

    8、防止电镀脆性
    表面处理通常是电镀、有机和无机物涂层或磷化,所有这些工艺都有一个共同的前提——必须除去螺栓表面黑色氧化皮,为此就必须对螺栓进行酸洗 。在酸洗到表面处理(如电镀)期间,大部分氢侵入到螺栓表面。由于氢的扩散需要时间,且氢的浓度达到一定程度后才发生断裂,因此,金属电镀必须慎重选择镀种,镀液种类选定最好都能防止氢的吸收。

    通常电镀螺栓由于在镀前酸洗和电镀时在钢中渗进并贮存了氢,比没有电镀的螺栓容易发生延迟断裂,尤其是自攻螺钉。抗拉强度930MPQ以上的螺栓在电镀后都要进行驱氢处理。驱氢的效果与处理的温度和时间有关,通常温度200-250~C,时间2-4小时,温度的高低应由基体材料决定,才能改善延迟断裂性能。

    9、其他
    高强度螺栓与各种不同金属接触时,由于能形成多种类型的局部电池而大大恶化了延迟断裂性能。特别是接触Zni MgCd时必须注意。

    螺栓在室外使用时,应避免潮湿空气,雨水的接触,涂上适当的油漆是有益的,可避免产生延迟断裂。

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