緊固件的常見問(wèn)題及預(yù)防措施 

緊固件出現(xiàn)問(wèn)題的原因是多方面的,，對(duì)緊固件產(chǎn)品常見的問(wèn)題及預(yù)防措施的研究,，是緊固件制造企業(yè)和使用單位面臨的重要問(wèn)題，同時(shí)也具有較高的工程實(shí)用價(jià)值,。
據(jù)統(tǒng)計(jì),，在一部轎車上，平均每車用緊固件約為 3500 個(gè),，種類大概 500 種,。一顆小小的螺栓幾乎微乎其微，但本身作用非常大,，根據(jù)*近公布的數(shù)據(jù),，汽車行業(yè) 23% 的維修問(wèn)題是由緊固件松脫引起的,，12% 的新車存在螺紋緊固件松緊度不達(dá)標(biāo)的問(wèn)題，可見,，汽車緊固件對(duì)整車品質(zhì)和可靠性有很重要的影響,。

緊固件常見的質(zhì)量問(wèn)題及預(yù)防措施

在汽車生產(chǎn)和使用過(guò)程中，因緊固件失效而導(dǎo)致的問(wèn)題頻次相對(duì)較高,，螺絲君,，通過(guò)走訪調(diào)研國(guó)內(nèi)多家汽車主機(jī)廠，對(duì)汽車緊固件在裝車前,、裝車時(shí)和裝車使用后出現(xiàn)的失效模式和發(fā)生頻次進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,，并根據(jù)緊固件失效原因進(jìn)行了相應(yīng)分類。緊固件常見問(wèn)題及發(fā)生概率如圖1所示,。

根據(jù)多家汽車主機(jī)廠數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn),，汽車緊固件常見的失效類型為混料問(wèn)題、疲勞斷裂,、熱處理問(wèn)題,、表面處理問(wèn)題、過(guò)載斷裂等形式,。

01 混料問(wèn)題

混料問(wèn)題是一種比較低級(jí)的問(wèn)題,，對(duì)于很多緊固件生產(chǎn)廠家來(lái)說(shuō)，卻又是一個(gè)很常見,，但又難以完全控制的問(wèn)題,。
汽車緊固件因?yàn)榛炝蠁?wèn)題，對(duì)于客戶來(lái)說(shuō),，輕則造成線邊缺料,、汽車生產(chǎn)線中斷，重則導(dǎo)致汽車召回返工,；
而對(duì)于緊固件廠家來(lái)說(shuō),，需要對(duì)客戶端和自己庫(kù)存件進(jìn)行返工，如有需要,，還得加急生產(chǎn)客戶急缺的某種緊固件,，這樣既使廠家形象受損，又需耗費(fèi)大量的人力和財(cái)力,。

引起緊固件混料的原因主要有:
●  原材料因?yàn)橐?guī)格相似或者標(biāo)示錯(cuò)誤,，導(dǎo)致發(fā)錯(cuò)或者用錯(cuò)料。
●  廠家在緊固件生產(chǎn)或委外加工過(guò)程中,，因?yàn)檎{(diào)機(jī)或者相鄰工序相應(yīng)半成品未清理干凈導(dǎo)致混料,。
●  緊固件成品在包裝、儲(chǔ)存或者外發(fā)過(guò)程中,，因?yàn)楣芾聿划?dāng)造成混料,。
針對(duì)以上原因,，結(jié)合工作經(jīng)驗(yàn)，可以采取以下預(yù)防措施:
●  所有的緊固件原材料標(biāo)識(shí)必須清楚明確;規(guī)格相近的原材料不能放在相鄰的位置;領(lǐng)原材料時(shí),，要嚴(yán)格按照《領(lǐng)料單》對(duì)原材料材質(zhì)及規(guī)格的要求,，防止領(lǐng)料錯(cuò)誤。
●  緊固件制造現(xiàn)場(chǎng)按照工藝流程進(jìn)行規(guī)范劃分,，原材料存放區(qū),、待檢區(qū)、合格品區(qū),、廢品區(qū)使用不同顏色的料筐并按劃分好的區(qū)域采取定制管理,，定期進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)5S檢查。每個(gè)品種,、每個(gè)批次及每個(gè)料筐均需要采用工藝流轉(zhuǎn)卡進(jìn)行標(biāo)識(shí)和追溯,。工藝流轉(zhuǎn)卡內(nèi)容應(yīng)包含原材料牌號(hào)、爐號(hào),、產(chǎn)品名稱,、圖號(hào)、生產(chǎn)批次號(hào),、日期,、操作者簽字、檢驗(yàn)記錄,、檢驗(yàn)員簽字等詳細(xì)信息,，以便隨時(shí)可以進(jìn)行追溯。產(chǎn)品周轉(zhuǎn)過(guò)程中,，必須檢查料筐是否清理干凈,，必要時(shí)空筐倒置擺放。
●  倉(cāng)庫(kù)存儲(chǔ)的所有產(chǎn)品,，都要采用固定的包裝箱及包裝袋,，包裝箱上標(biāo)有產(chǎn)品的詳細(xì)信息，如產(chǎn)品名稱,、圖號(hào)、生產(chǎn)批次號(hào),、生產(chǎn)日期,、包裝日期、包裝數(shù)量等;每個(gè)料架都要進(jìn)行相應(yīng)的編號(hào),，并導(dǎo)入MES系統(tǒng)中以便管理,。

02

疲勞斷裂

疲勞斷裂是汽車緊固件常出現(xiàn)的質(zhì)量問(wèn)題之一，疲勞斷裂時(shí)緊固件外觀沒(méi)有明顯的征兆,，大多是在無(wú)預(yù)警且不可預(yù)期的情況下發(fā)生的,，一旦發(fā)生將損失嚴(yán)重,。
緊固件發(fā)生疲勞斷裂的位置，一般集中在螺紋與螺桿交匯處,、螺栓頭下Ｒ角過(guò)渡處及螺紋嚙合的**顆螺紋處,，這些部位是緊固件的危險(xiǎn)截面，疲勞源常產(chǎn)生于此,。
對(duì)發(fā)生疲勞斷裂的緊固件進(jìn)行失效分析發(fā)現(xiàn),，疲勞斷裂的原因往往和緊固件制造缺陷有關(guān)，如螺栓頭下Ｒ角較小,、過(guò)渡不平滑有折點(diǎn),、螺紋牙根處不圓滑、螺栓桿部表面缺陷等,，除此之外,，疲勞斷裂原因也與原材料、裝配連接不當(dāng)?shù)纫蛩赜嘘P(guān)系,。
一般情況下,，發(fā)生疲勞斷裂的緊固件宏觀斷口上沒(méi)有明顯的變形，呈現(xiàn)脆性斷口形貌,，其典型形貌包括疲勞源區(qū),、擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū)。
某35CrMo材質(zhì)10.9級(jí)高強(qiáng)度螺栓,，因裝配預(yù)緊力不夠,，導(dǎo)致其在使用期間受到一定次數(shù)交變載荷作用而發(fā)生疲勞斷裂，螺栓斷口的宏觀形貌和疲勞條帶如圖2所示,。

由圖2(a)可知,，疲勞斷口宏觀形貌包括疲勞源區(qū)、擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū),。
疲勞源區(qū)有向外輻射的疲勞臺(tái)階和放射棱線,，一般位于疲勞弧線的中心；疲勞擴(kuò)展區(qū)斷面較平坦,，斷口上*基本的宏觀特征是疲勞弧線,，疲勞弧線的數(shù)量和間距主要與載荷的交變次數(shù)及交變應(yīng)力的振幅有關(guān)；瞬斷區(qū)面積大小取決于載荷的大小,、材料的性質(zhì)及環(huán)境介質(zhì)等因素,，瞬斷區(qū)面積較小，僅占整個(gè)斷面面積的20%左右,，符合低應(yīng)力高周疲勞斷裂特征,。
疲勞斷裂的主要微觀特征是疲勞條帶，其位于疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū),，如圖2(b)所示,，該疲勞條帶屬于韌性疲勞條帶,，是一系列基本平行且稍微彎曲的條紋，與裂紋擴(kuò)展方向基本垂直,，理論上講,，每一條疲勞條帶代表一次應(yīng)力循環(huán)，疲勞條帶在數(shù)量上與應(yīng)力循環(huán)次數(shù)應(yīng)當(dāng)相等,。
通常情況下,，可以采取如下措施預(yù)防疲勞斷裂:
●  合理選擇緊固件材質(zhì)，避免原材料中存在氣孔,、夾雜等缺陷,，盡量選擇晶粒細(xì)化的材料，有助于提高疲勞強(qiáng)度,。
●  合理設(shè)計(jì)緊固件結(jié)構(gòu),，盡量減少應(yīng)力集中，適當(dāng)加大應(yīng)力集中處的圓角半徑,，避免尖角,，適當(dāng)加大危險(xiǎn)截面尺寸。
●  改善加工工藝,，降低零件表面粗糙度,，盡量避免劃傷和剮痕等表面缺陷。
●采取諸如滾壓強(qiáng)化等表面強(qiáng)化措施,，提高緊固件螺紋連接的疲勞強(qiáng)度,。

03

熱處理問(wèn)題

緊固件常見的熱處理問(wèn)題如圖3所示。

圖3 緊固件常見的熱處理問(wèn)題
為了使汽車緊固件滿足一定的強(qiáng)度,、硬度,、塑性、韌性等綜合力學(xué)性能指標(biāo),，通常需要對(duì)8.8級(jí)以上的高強(qiáng)度汽車緊固件進(jìn)行熱處理,。原材料、爐內(nèi)溫度,、爐內(nèi)氣氛,、熱處理時(shí)間、淬火介質(zhì)等因素都會(huì)對(duì)熱處理產(chǎn)生影響,。
現(xiàn)在絕大部分汽車緊固件的熱處理設(shè)備都是電子控制網(wǎng)帶式連續(xù)爐,，加熱溫度、保溫時(shí)間,、冷卻時(shí)間、加工量等參數(shù)都是按一定的工藝要求,，進(jìn)行程序自動(dòng)控制,。隨著熱處理設(shè)備越來(lái)越先進(jìn),，熱處理工藝越來(lái)越完善，現(xiàn)在大部分熱處理常見問(wèn)題已得到很好解決,。
經(jīng)統(tǒng)計(jì),，某主機(jī)廠螺紋緊固件的熱處理問(wèn)題，絕大多數(shù)是因淬火裂紋引起的產(chǎn)品開裂或失效,，淬火裂紋產(chǎn)生的原因復(fù)雜多樣,，以下通過(guò)幾個(gè)典型的案例，探究幾種淬火裂紋產(chǎn)生的原因及預(yù)防措施,。
案例一：緊固件原材料缺陷原因造成的淬火裂紋

 圖4為緊固件原材料缺陷造成的成品淬火裂紋,。
原因分析:
緊固件原材料本身存在微裂紋，在熱處理過(guò)程中由于金屬晶格的分解與重組,，以及急冷急熱引起的熱脹冷縮均會(huì)造成原材料微裂紋的大幅擴(kuò)展,，從而使產(chǎn)品完全失效。
預(yù)防措施:
① 原材料入庫(kù)檢驗(yàn)時(shí)采用低倍放大鏡抽樣檢查,；
② 嚴(yán)格控制原材料,，進(jìn)行去料頭、去料尾處理,。

案例二：熱處理毛坯件形狀不規(guī)則引起的淬火裂紋
該毛坯件形狀不規(guī)則,，且其加工工藝為先鉆孔，然后攻絲,，*后熱處理,。

 圖 5 毛坯件形狀不規(guī)則引起的淬火裂紋
原因分析:
① 熱處理毛坯件外形不規(guī)則，造成毛坯的*薄弱處出現(xiàn)高度應(yīng)力集中,；
② 先鉆孔再攻絲*后熱處理的加工工藝,，會(huì)引起淬火應(yīng)力集中在孔兩側(cè)*薄弱處，造成淬火裂紋,。
預(yù)防措施:
① 對(duì)毛坯件的外形結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化,，消除應(yīng)力集中的風(fēng)險(xiǎn)；
② 優(yōu)化加工工藝流程,，將鉆孔,、攻絲等工序放在熱處理后進(jìn)行，消除應(yīng)力集中的風(fēng)險(xiǎn),。


案例三:毛坯件金相組織過(guò)燒引起的淬火裂紋
 

圖  6 毛坯件金相組織過(guò)燒引起的淬火裂紋

原因分析:
該緊固件頭部為熱鍛成形,，因生產(chǎn)廠家原有熱鍛加熱設(shè)備落后，造成加熱區(qū)域組織存在過(guò)燒的缺陷,，奧氏體結(jié)晶顆粒變得粗大化,，導(dǎo)致淬火后形成粗大針狀馬氏散體而脆化，此種缺陷金相組織易出現(xiàn)馬氏散體裂痕，裂痕經(jīng)高頻淬火后出現(xiàn)大面積擴(kuò)展,。
預(yù)防措施:
改進(jìn)熱鍛加熱處設(shè)備,，控制熱鍛的加熱時(shí)間與溫度，消除工件過(guò)熱,、過(guò)燒對(duì)金相組織的影響,。

04表面處理

在表面處理過(guò)程中，表面處理不當(dāng)導(dǎo)致的緊固件氫脆問(wèn)題是一類不可忽視的嚴(yán)重缺陷,，在此重點(diǎn)討論氫脆對(duì)鍍鋅緊固件的影響及預(yù)防措施,。
氫脆，又稱氫致開裂,，是氫原子侵入并擴(kuò)散到整個(gè)金屬基體中,，而進(jìn)入基體中的氫原子相互聚合產(chǎn)生氫分子，在氫聚集之處會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中,，當(dāng)集中的應(yīng)力超過(guò)基體材料的強(qiáng)度極限時(shí)就會(huì)導(dǎo)致斷裂,，因氫的聚集需要一定時(shí)間，故氫脆往往表現(xiàn)為一定的延遲斷裂,。
某42CrMo材質(zhì)緊固件,，在使用過(guò)程中，在其第四牙螺紋處發(fā)生斷裂,，該緊固件加工成形后*終采用表面鍍鋅處理,。

· 圖7(a)為脆斷軸斷口的宏觀形貌，斷口無(wú)塑性變形,，有放射線花樣,，裂紋起源處表面粗糙呈人字形，裂紋擴(kuò)展區(qū)斷口齊平,，呈瓷質(zhì)點(diǎn)狀,，屬于典型的脆性斷口；

對(duì)斷裂斷口起源處用SEM(掃描電子顯微鏡)進(jìn)行微觀觀察,，發(fā)現(xiàn)其呈韌性斷裂特性,，如圖7(b)所示；

對(duì)該處進(jìn)行放大,，可見表面有雞爪狀撕裂棱和晶間二次裂紋,，如圖7(c)所示；

對(duì)該處再放大,，可見等軸韌窩形貌,，如圖7(d)所示；

對(duì)瞬斷區(qū)進(jìn)行SEM掃描觀察,，發(fā)現(xiàn)其呈現(xiàn)典型沿晶斷裂,，斷口上有二次裂紋及顯微孔洞,，晶界棱線清楚，晶界面光滑,，如圖7(e)和7(f)所示,，符合氫脆沿晶斷裂特征。

圖 7 氫脆斷裂斷口的宏觀和微觀形貌
氫脆實(shí)際上是由于電鍍酸洗過(guò)程中,，氫元素滲入金屬內(nèi)部導(dǎo)致的損傷，氫脆斷裂是高強(qiáng)度緊固件比較常見的一種失效形式,，因氫脆引發(fā)的斷裂發(fā)生得很突然,，并沒(méi)有事先警告，其造成的后果是很嚴(yán)重的,，因此對(duì)于氫脆的預(yù)防很有必要,。
針對(duì)氫脆問(wèn)題，可以采取的預(yù)防措施如下:
●  優(yōu)化緊固件表面處理工藝,，盡可能采用不需要接觸氫環(huán)境的工藝,，如采用鋅鋁涂覆(達(dá)克羅處理)取代表面鍍鋅工藝。
●  緊固件經(jīng)電鍍處理后需要進(jìn)行去氫處理,，電鍍后應(yīng)盡快去除氫,，防止氫向零件基體內(nèi)部擴(kuò)散。原則上要求在電鍍后1h內(nèi),，不低于3h進(jìn)行除氫處理,，去氫溫度一般要控制在180～200℃，保溫時(shí)間視具體零件控制在1～24h,。

05   過(guò)載斷裂

緊固件過(guò)載斷裂是指緊固件所承受的軸向負(fù)載超過(guò)其強(qiáng)度所允許承載極限而引起的瞬間斷裂,。
對(duì)于常用的螺栓、螺釘?shù)绕嚲o固件,，常見的過(guò)載斷裂位置一般位于靠近螺母支撐面的**扣螺紋處,，此部位應(yīng)力變化大、應(yīng)力面積小,、應(yīng)力水平較桿部大,。此外，螺栓頭部Ｒ角過(guò)渡處因?yàn)閼?yīng)力較集中,，也是過(guò)載斷裂高發(fā)位置,。
過(guò)載斷裂一般表現(xiàn)為韌性過(guò)載斷裂和脆性過(guò)載斷裂兩種形式，塑性良好的緊固件在裝配和使用過(guò)程中,，受到拉伸,、扭轉(zhuǎn)、剪切或沖擊等較大應(yīng)力時(shí),，一般發(fā)生韌性過(guò)載斷裂,。
某40Cr材質(zhì)10.9級(jí)高強(qiáng)度螺栓,，在裝配時(shí)螺栓螺紋表面接觸到油脂，導(dǎo)致其摩擦因數(shù)變小,，在正常扭矩值范圍擰緊時(shí),，螺栓所承受軸向力超過(guò)其強(qiáng)度所允許承載極限而發(fā)生韌性過(guò)載斷裂。
螺栓發(fā)生韌性斷裂的*顯著特征是在斷裂處出現(xiàn)明顯的縮頸現(xiàn)象,，斷口呈現(xiàn)杯錐狀,，如圖8所示；宏觀韌性斷口一般表現(xiàn)為斷口表面粗糙,，呈現(xiàn)纖維狀,，具有肉眼可見的塑性變形，斷口邊緣有呈45°的剪切唇,，韌性斷裂斷口主要微觀特征表現(xiàn)為大量的韌窩,，一般可把微觀斷口上存在的大量韌窩作為判斷緊固件韌性過(guò)載斷裂的重要依據(jù)。

圖 8 過(guò)載斷裂斷口
一般來(lái)說(shuō),，引起汽車緊固件過(guò)載斷裂的主要原因有以下幾點(diǎn): 
●  緊固件所用的原材料強(qiáng)度不夠,。
●  緊固件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，容易造成應(yīng)力分布不均,。
●  緊固件原材料或冷熱加工工藝存在缺陷,，引起緊固件內(nèi)部應(yīng)力集中。
●  緊固件裝配擰緊時(shí),，施加的扭矩值過(guò)大,，預(yù)緊力超過(guò)了其承受能力。
●  緊固件在使用期間承受了非正常超載載荷,。
針對(duì)以上原因,，可以采取如下措施預(yù)防過(guò)載斷裂問(wèn)題:
●  合理選擇緊固件材質(zhì)，保證緊固件能達(dá)到足夠的強(qiáng)度,。
●  合理設(shè)計(jì)緊固件結(jié)構(gòu),，使其在承受載荷時(shí)應(yīng)力分布合理，避免局部應(yīng)力集中引起過(guò)載斷裂,。
●  嚴(yán)格控制原材料質(zhì)量,，改善冷熱加工工藝，提高冷熱加工質(zhì)量,，預(yù)防材質(zhì)和加工存在缺陷,。
●  緊固件裝配時(shí)，嚴(yán)格按照裝配作業(yè)指導(dǎo)書進(jìn)行,，關(guān)鍵零部件裝配應(yīng)采用定扭扳手,，防止裝配應(yīng)力過(guò)大。
●  緊固件使用期間,，避免緊固件超載應(yīng)力出現(xiàn),。
今天主要討論了汽車主機(jī)廠緊固件常見的幾類質(zhì)量問(wèn)題,，通過(guò)個(gè)別案例，結(jié)合文獻(xiàn)知識(shí),、工作經(jīng)驗(yàn),，對(duì)這幾類問(wèn)題產(chǎn)生的原因和預(yù)防措施分別進(jìn)行了討論分析。
分析結(jié)果能夠給主機(jī)廠和緊固件生產(chǎn)廠家相關(guān)工作人員提供一定的指導(dǎo)和幫助,，從源頭上遏制這幾類問(wèn)題的發(fā)生,，從而提高整車質(zhì)量。