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齒圈螺栓斷裂原因分析

摘要：通過化學(xué)成分、金相檢驗(yàn)和掃描電子顯微鏡等方法對齒圈螺栓進(jìn)行分析，結(jié)果表明：齒圈螺栓斷裂是由于氫脆延遲斷裂而造成的。針對斷裂原因分析了氫脆產(chǎn)生的原因和采取預(yù)防措施。

關(guān)鍵詞：齒圈螺栓;氫脆;延遲;預(yù)防措施

1.情況說明：

據(jù)某柴油機(jī)公司相關(guān)人員介紹：齒圈螺栓先用風(fēng)動(dòng)扳手進(jìn)行裝配，然后使用清洗劑進(jìn)行清洗。在裝車前的放置過程中發(fā)現(xiàn)有多個(gè)螺栓突然發(fā)生斷裂，斷裂部位有一定的規(guī)律性。為了找出螺栓斷裂的原因，避免下次同類情況的發(fā)生，挑選出有代表性的斷裂螺栓進(jìn)行宏觀、微觀分析。齒圈螺栓技術(shù)要求：材料為40Cr，強(qiáng)度等級為12.9級。表面鍍鋅。

2.檢驗(yàn)結(jié)果：

2.1宏觀觀察

齒圈、飛輪和過渡圈三個(gè)零件通過齒圈螺栓聯(lián)接起來，其裝配宏觀形貌如圖1。螺栓在兩個(gè)部位發(fā)生斷裂。其只能夠一個(gè)部位是斷在頭桿交接處，另一個(gè)部位是斷在螺栓螺紋根部，這兩個(gè)部位均有機(jī)加工尖角，如圖2。兩個(gè)不同部位的斷口均為一次性脆性斷口，斷口顏色為銀白色，開裂源處未發(fā)現(xiàn)有明顯的宏觀缺陷存在，如圖3、4。

圖   1  齒圈螺栓裝配的宏觀形貌

圖2  斷裂螺栓和未使用螺栓的宏觀形貌

圖3  1#螺栓斷口的宏觀形貌

圖 4  3#螺栓斷口的宏觀形貌

2.2微觀觀察

用掃描電子顯微鏡對1、3#螺栓（斷在不同部位）斷口進(jìn)行微觀形貌觀察，發(fā)1、3#螺栓斷口開裂源處，且斷口的微觀形貌均為沿晶斷口。如圖5、6。 

 圖5  1#螺栓斷口開裂源的 SEM形貌——沿晶斷口

圖6  3#螺栓斷口開裂源的 SEM形貌——沿晶斷口

2.3金相

在斷口附近、螺栓頭取樣，進(jìn)行顯微觀察，其結(jié)果見表1。

表  1  斷裂螺栓的組織

2.4硬度

在斷口附近和螺栓頭取樣，進(jìn)行硬度檢測，其結(jié)果見表2。

表  2   斷裂螺栓的硬度（HRC）

2.5化學(xué)成分

在斷裂的螺栓里任取一個(gè)，進(jìn)行化學(xué)成分分析，其檢測結(jié)果見表3。

表   3  螺栓的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

3.分析討論:

3.1齒圈螺栓硬度和組織符合技術(shù)要求。

3.2齒圈螺栓的化學(xué)成分符合技術(shù)要求。

3.3由于齒圈螺栓的斷裂過程（裝配預(yù)緊應(yīng)力作用下延遲斷裂）、生產(chǎn)過程（經(jīng)過鍍鋅處理）、斷裂部位（頭桿交接處和螺紋根部均存在尖角應(yīng)力集中）、斷口特征（脆性斷口特征）等因素符合氫脆斷裂特征，因此確定螺釘斷裂為氫脆所致。

4.結(jié)論：

齒圈螺栓在裝配后放置過程中發(fā)生斷裂是由于氫脆造成的。

5.采取的措施：

氫脆屬于緩慢應(yīng)力作用下的延遲破斷。由于這種破斷失效常常是在零件通過正常檢驗(yàn)合格后突然發(fā)生的（到目前為止尚沒有有效手段，能對未使用的零件準(zhǔn)確判斷是否會(huì)發(fā)生氫脆），只能通過零件生產(chǎn)過程中的工藝控制來避免零件氫脆的發(fā)生。

5.1零件在鍍鋅過程中，由于酸洗和鍍鋅時(shí)都會(huì)使得零件吸氫，因此零件在完成鍍鋅過程后，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行去氫處理（將零件加熱到100~300℃，保溫1~5h,可以去氫）。

5.2采用新的表面處理技術(shù)——達(dá)克羅技術(shù)，使得材料處理過程杜絕吸氫現(xiàn)象發(fā)生。達(dá)克羅技術(shù)是當(dāng)今國際金屬表面處理的高新技術(shù)，其涂層具有極好的抗腐蝕性，無氫脆，耐高熱， 整套工藝采用全過程閉路循環(huán)涂覆方式，具有全過程無污染排放特性，可代替電鍍鋅、電鍍鎘、熱浸鍍鋅等傳統(tǒng)工藝，是一種“綠色電鍍”。其優(yōu)勢具有以下幾點(diǎn)：

1.超強(qiáng)的耐蝕性能。

2.無氫脆性：工件的前處理在密封的拋丸機(jī)內(nèi)進(jìn)行，不進(jìn)行酸洗，這就排除了氫離子侵蝕鋼鐵基體的可能性。因此，達(dá)克羅涂層特別適用于δ ＞ 1000N/mm2高強(qiáng)度螺栓和彈簧種類的工件。

3.高耐熱性：達(dá)克羅可以耐高溫腐蝕，耐熱溫度可達(dá)300℃以上。而傳統(tǒng)的鍍鋅工藝，溫度達(dá)到100℃ 時(shí)就已經(jīng)起皮報(bào)廢了。

4.結(jié)合力及再涂性能好：達(dá)克羅涂層與金屬基體有良好的結(jié)合力，而且與其它附加涂層有強(qiáng)烈的粘著性，處理后的零件易于噴涂著色，與有機(jī)涂層的結(jié)合力甚至超過了磷化膜。

5.良好的滲透性：由于靜電屏蔽效應(yīng)，工件的深孔、狹縫，管件的內(nèi)壁等部位難以電鍍上鋅，因此工件的上述部位無法采用電鍍的方法進(jìn)行保護(hù)。達(dá)克羅則可以進(jìn)入工件的這些部位形成達(dá)克羅涂層。

6.無污染和公害：達(dá)克羅在生產(chǎn)加工及工件涂覆的整個(gè)過程中，不會(huì)產(chǎn)生對環(huán)境有污染的廢水廢氣， 不用三廢治理，降低了處理成本。

作者簡介：楊永生（1978—），男，河南洛陽人，中國一拖集團(tuán)有限公司工藝材料研究所金屬材料研究室主任，高級工程師，學(xué)士學(xué)位，主要從事金屬材料金相、性能、失效分析等工作。