航空用耐腐蚀1Cr11Ni...钢六角自锁螺母断裂原因分析_先世兵.pdf

119管理及其他Management and other航空用耐腐蚀1Cr11Ni2W2MoV钢六角自锁螺母断裂原因分析先世兵摘要：研究航空用耐腐蚀1Cr11Ni2W2MoV钢六角自锁螺母断裂原因同原材料、机械加工、热处理、表面处理及力学性能的关系。研究分析结果表明，该六角自锁螺母的力学性能主要与原材料化学成分、机械加工工艺、热处理工艺和表面处理工艺等因素有关。关键词:六角自锁螺母；1Cr11Ni2W2MoV；力学性能；热处理；表处理为了不影响航空用耐腐蚀1Cr11Ni2W2MoV钢六角自锁螺母的研发、生产和交付，开展新型号紧固件在试制装备阶段中出现开裂现象进行研究分析，该六角自锁螺母的工作环境有陆地、海洋、大气、太空等，而用途主要起到机体部件间连接、预紧、防振和防松的作用，所以该自锁螺母应具有较强的耐腐蚀、耐高温和力学性能，根据这些技术要求，在设计上选用了耐热马氏体不锈钢1Cr11Ni2W2MoV作为六角自锁螺母的原材料，开展研制生产研究。1 首批六角自锁螺母试制情况介绍首批试制的六角自锁螺母选用低碳钢1Cr11Ni2W2MoV，该钢中有大量的Cr、Ni元素，还含有W、Mo、V等奥氏体铁素体元素，其马氏体相使得钢具有较强的硬化能力。因此该钢不仅具有较好的力学性能外，还具有耐高温和耐腐蚀性能，该钢最高能达到600，非常适合制造航空航天类结构件。试制批六角自锁螺母数量为50件，批次号为SZ2022-063145，规格为MJ81，六角自锁螺母经渗碳处理、表面镀锌。加工工艺流程：棒料（下料）数车（车外圆、断面）冷镦（初加工外六角）数控铣（铣平面、外圆、外六角）数车（车内孔、车螺纹）热处理（淬火、回火）收口（滚压收口）表面处理（清洗、镀锌）。该工艺流程是目前加工六角自锁螺母的最新工艺方案。该工艺方案的优点：一是采用冷镦工艺，使1Cr11Ni2W2MoV产生塑性变形，并借助于六角成型金属模具，使1Cr11Ni2W2MoV金属体积镦粗增大，冷镦加工后1Cr11Ni2W2MoV的组织纤维不会被破坏，有利于细化材料中的粗大和网状碳化物，可以得到较为均匀的力学性能和适中的晶粒度，伴随加工硬化现象的存在，六角自锁螺母的力学性能得到了改善，产品表面光洁度、精度都得到保证。并且冷镦设备性能可靠、效率高、产品质量稳定。冷镦工艺常常被用来生产螺栓、螺钉、螺母、铆钉、销钉等标准紧固件。二是优先采用了车内螺纹的方式进行加工，对螺纹的连续性和螺纹的表面光洁度都胜于攻丝，在装配过程中能起到减少摩擦阻力的作用。首批生产的50件六角自锁螺母中含试验件9件，包括硬度试样3件，成分分析试样3件，抗拉试样3件。另外在内螺纹加工中试坯消耗了2件，最终剩下39件用于盐雾试验、力学性能测试和装配试验等。其中3件六角自锁螺母在装配试验过程中有1件出现了开裂现象，在肉眼下观察该件六角自锁螺母的裂纹位于收口变形一端，长度约：1.2毫米，再在50倍放大镜下观察：裂纹贯穿至六角自锁螺母的内螺纹，长度实测1.34毫米。图1 六角自锁螺母裂纹肉眼观察形貌根据该批六角自锁螺母在装配试验过程中出现1件开裂现象，现就装配开裂原因进行研究和分析，第一步排查装备试验的其余两件是否也存在类似问题，同样先用过肉眼观察，观察结果：六角自锁螺母无裂纹，再经50倍放大镜下观察，观察结果120管理及其他Management and other也显示无裂纹。可以断定该批六角自锁螺母在装配试验过程中只有1件出现开裂现象，为了查明开裂原因，现对该批六角自锁螺母做出如下试验方案，见表1。表1六角自锁螺母试验方案序号123456合计项目名称载荷试验十五次锁紧试验断口分析振动试验盐雾试验高温锁紧试验试验数量331633192 六角自锁螺母试验分析2.1 原材料分析根据故障批SZ2022-063145的六角自锁螺母的生产过程卡片中查得原材料为6.5的1Cr11Ni2W2MoV棒料。技术标准：HB5270-83 航空发动机转动件用高级优质不锈钢棒。原材料出厂批号为10-8-24，生产日期：2010年8月11日。出厂检验记录和入厂试验报告中的化学分析项目、性能试验项目、涡流探伤项目、金相试验项目均符合标准要求。结果表明入厂验收时该批材料符合标准要求。2.2 开展六角自锁螺母性能分析设计的六角自锁螺母执行技术标准是HB7686-2001使用温度高于425的MJ螺纹自锁螺母通用规范，以及HB7687-2001使用温度高于425的MJ螺纹自锁螺母试验方法。按照标准要求开展性能检测与分析。2.2.1 热处理试样表力学性能分析表21Cr11Ni2W2MoV经热处理后的力学性能要求试验项目b(MPa)0.2(MPa)5(%)(%)HRC检测数据1220、1210、1190930、941、92413.2、12.7、12.552.1、50.8、51.440.5、42.0、39.5标准值1080885125033.5 41.5是否合格合格合格合格合格不合格符合性判断不符合HB5270-83 航空发动机转动件用高级优质不锈钢棒标准要求试验结果：同炉热处理中有一件试样的硬度值高出了标准要求，且热处理硬度不符合要求。2.2.2 100%载荷试验1-3#试验步骤及要求：试验前先从该批六角自锁螺母中随机抽取3件产品加热到600，并保温6h15min,空冷到室温，用20#航空润滑油润滑试验芯棒和六角自锁螺母螺纹；将支承板安装到试验芯棒上，安装六角自锁螺母至试验芯棒伸出至少2倍螺距（包括45倒角）。将组合件安装到10T拉力试验机上缓慢、均匀地施加载荷，当达到了45800N时，缓慢均匀地减少载荷。再从拉力试验机上拆卸下组合件，再卸下六角自锁螺母。试验结果：1-3#六角自锁螺母进行目视检查,未发现裂纹，再剖开做低倍放大检查，也未发现裂纹。试验结果符合HB7686-2001的规定。2.2.3 96小时盐雾试验4-6#试验步骤及要求：根据GB6458-86 金属覆盖层中性盐雾试验（NSS试验）标准要求。先将化学中的纯氯化钠溶于蒸馏水或去离子水中，保证其浓度为505g/L。用酸度计测量溶液的pH值，通过化学中的纯盐酸或氢氧化钠来做微调整，使盐雾试验箱内收集液的pH值为6.5-7.2，试验时间为：96h。在试验周期内，喷雾不得中断。每隔8小时观察试样一次，直至试验结束。试验结果：4-6#六角自锁螺母未出现起泡、黑斑和红白色锈蚀。试验结果符合HB7686-2001的规定。2.2.4 常高温振动试验7#-12#试验步骤及要求：试验在室温下进行，其中半数7-9#试件加温后冷却到室温，再进行振动试验。试验前首先用20#航空润滑油润滑螺母、试验芯棒的螺纹部分，将螺母装到试验芯棒上伸出至少2倍螺距（包括45倒角）,然后加热组合件到600土5，并保温6h15min,在炉外缓慢冷却到室温，对伸出螺母部分的螺纹进行清刷并用20#航空润滑油润滑，以避免损伤螺母螺纹，最后卸下六角自锁螺母。对上述加热过的和未加热的试样按如下程序进行试验。同样用20#航空润滑油润滑螺母，试验芯棒的螺纹部分，放上套筒和垫圈后，将螺母安装到试验芯棒上（加热过的螺母安装到已加热过的试验芯棒上）,施加12N.m的安装力矩，拧出螺母，使其完全脱离锁紧装置。重复拧紧拧松4次，然后将组合件装入振动夹具壳体的槽中，在同一试验芯棒上进行第5次拧紧。从试验芯棒端头到螺母划一条参考线。用20#航空润滑油轻轻地润滑磨擦表面，套筒在槽中应能自由移动。将组合件固定到振动发生器上，开机振动到30000次。组装好的套筒在整个试验中应能在槽中自由移动。试验结束后，从振动器上卸下组合件，检查螺母相对于螺检的旋转角度，应小于等于360。最后，拆卸螺母。试验结果：7-12#六角自锁螺母的旋转角度均小于等于360，经目视检查，螺母未开裂，再剖开进行低倍放大检查，螺母也未开裂，试验结果符合HB7686-2001的规定。2.2.5 十五次锁紧试验13-15#试验步骤及要求：在室温下用20#航空润滑油润滑螺母和试验芯棒螺纹，装上衬套后组装螺母试验芯棒。当试验芯棒伸出至少2倍螺距（包括45倒角）时，测量最大锁紧力矩值，应小于等于6N.m，然后按29N.m施加安装力矩。拧出半圈，卸除轴121管理及其他Management and other向载荷，停顿一下之后，自锁螺母锁紧装置与试验芯棒仍处于全旋合状态的情况下，测量试验芯棒相对于螺母开始松动的最小锁紧力矩，应大于等于1.4N.m，同一试验芯棒上重复15次，15次后的最小锁紧力矩应大于等于0.7N.m，并在相同条件下测量每一循环最大、最小锁紧力矩。试验结果：13-15#六角自锁螺母的最大锁紧力矩均大于6N.m，第1次最小锁紧力矩均大于等于1.4N.m，第15次最小锁紧力矩均大于等于0.7N.m。试验后试样经目视检查，试验螺母有裂纹，再剖开做低倍放大检查，13#试样靠近收口端面内螺纹处有裂纹，裂纹深度1.85毫米，实验结果不符合HB7686-2001的要求。2.2.6 五次600高温锁紧试验试验步骤及要求：采用20#航空润滑油润滑螺母和试验芯棒螺纹，装上套筒后组装螺母和试验芯棒。当试验芯棒伸出至少2倍螺距（包括45倒角）时，测量最大锁紧力矩，应小于等于6N.m。拧紧螺母使试验芯棒伸长AL以施加最大工作载荷，组合件加载后，在室温下保持1h，再测量伸长量，以保证要求的预载荷。加热组合件到600土5并保温6小时。从炉内取出组合件，缓慢空冷到室温。然后清刷试验芯棒伸出部分螺纹。拧出半圈，卸除轴向载荷，停顿一下之后，自锁螺母锁紧装置与试验芯棒仍处于全旋合状态的情况下，测量试验芯棒相对于螺母开始松动的最小锁紧力矩，应大于等于0.7N.m。拆卸螺母。重复上述试验五次。每一循环在相同条件下测量最大、最小锁紧力矩，均应满足0.7-12N.m。试验结果：16-17#六角自锁螺母的第一次最大锁紧力矩均大于6N.m，第二至五次最大锁紧力矩均小于等于12N.m，五次最小锁紧力矩均大于等于0.7N.m，经目视检查，试验螺母无裂纹，再剖开做低倍放大检查，螺母也无裂纹，实验结果不符合HB7686-2001的要求。2.3 六角自锁螺母断口分析2.3.1 500倍低倍镜分析采用扩张、线切割等方法将有裂纹的六角自锁螺母沿着裂纹的方向将断口完全打开，打开过程中注意保护断口，然后放在500倍低倍镜下进行观看。低倍组织无白斑、白点、缩孔、气泡、翻皮、点针偏析存在。六角自锁螺母断口为斜层状断口，外圆周存在较明显的剪切唇，与剪切唇相对的方向为断裂源区，即断裂起始点位于六角自锁螺母靠近收口端内螺纹的齿根部。同时内螺纹的齿根部堆积有表面处理时留下的涂镀层，厚薄不一。图2 六角自锁螺母断口低倍体视形貌2.3.2 扫描电镜分析再把断口放到扫描电镜下进行观察，六角自锁螺母断裂源区的微观形貌为沿晶断裂，同时存在二次裂纹，晶粒表面存在微量塑性变形和多条细小裂纹。在裂纹周围未发现非金属夹杂物聚集及沉淀相析出。另外在断裂起始点附近的表面观察到表面裂纹，裂纹快速扩展区的微观形貌为准解理断裂，部分区域也存在部分韧窝及沿晶特征，表现出较高的韧性。电子扫描分析证实：六角自锁螺母具有氢脆的典型断口特征。图3 六角自锁螺母断口源区扫描电镜形貌2.3.3 金相显微镜及硬度分析金相检查六角自锁螺母组织为奥氏体(A)及少量的-铁素体(F)。六角自锁螺母的非金属夹杂物未见异常。分别对六角自锁螺母沿断口截面进行显微硬度测定，试验结果：断裂六角自锁螺母表面硬度最高值为376HV0.05(约40HRC)，均系技术要求的上限。122管理及其他Management and other图4、5 金相显微镜下观察2.3.4 化学成分分析，试验结果如下表31Cr11Ni2W2MoV原材料化学成分化学元素CrNiWMoV检测结果11.031.421.850.480.19标准含量10.5 12.0 1.40 1.80 1.50 2.00 0.35 0.50 0.18 0.30化学元素CSiMnSP检测结果0.100.450.220.0090.011标准含量0.10 0.160.600.600.0200.030符 合 性 判断符合HB5270-83 航空发动机转动件用高级优质不锈钢棒 标准要求 试验结果表明，断裂件试样的材料与 1Cr11Ni2W2MoV 相同，可以判定故障批 SZ2022-063145 的六角自锁螺母未出现混料。2.3.5 含氢量分析根据六角自锁螺母断口形貌特征及延时断裂特征，加之六角自锁螺母经酸洗后镀锌，怀疑有渗H2现象。因此，对六角自锁螺母进行了氢含量测定，测量值为0.0006；再从未加工的原材料中抽取一件做对比，检测含H2量为0.0003，显然，六角自锁螺母在表面处理镀锌过程中显著渗H2，说明产品表面处理后未及时进行除氢处埋才使得六角自锁螺母中的含氢量高。3 结果分析六角自锁螺母的硬度过高，在对故障件进行化学分析的结果中排除了混料造成的影响。金相显微镜下的六角自锁螺母的非金属夹杂物未见异常已证明了开裂与材料无关，可以断定造成六角自锁螺母在热处理硬度过高的原因与回火温度或时间不足有关。例如：实际炉温偏低或炉内温度不一致造成，解决的措施是对设备进行检测，重新校准控温系统。而过高的硬度使得六角自锁螺母变脆，更容易出现开裂现象。其次，十五次锁紧试验中13-15#六角自锁螺母的最大锁紧力矩均大于6N.m。低倍镜中发现内螺纹的齿根部堆积有表面处理时留下的涂镀层，厚薄不一。这是造成试验芯棒拧入六角自锁螺母时产生了较大的阻力，才造成了锁紧力矩过大。锁紧力矩越大，对六角自锁螺母的破坏也越严重。再经过15次的拧入拧出循环，在疲劳寿命达到极限时就会开裂。另外五次600高温锁紧试验16-17#六角自锁螺母的第一次最大锁紧力矩均大于6N.m也验证了这一点。最后六角自锁螺母经酸洗后镀锌过程中显著渗H2，在加上表面处理中未及时进行除氢处理才使得六角自锁螺母中的氢含量偏高。氢含量偏高是造成六角自锁螺母出现氢脆最重要的因素，特别对于高强度高硬度的零件在电镀工艺中，一部分以氢原子的形态渗入到镀层和基体金属晶格的点阵中去，造成晶格歪扭，零件内应力增加，镀层和基体变脆。从而影响零件的寿命，甚至造成零件的破坏。氢脆是表面处理中最严重的质量隐患之一，析氢严重的零件在使用过程中就可能断裂造成严重的事故。解决措施是在镀锌结束后增加一道除氢工序。综上所述，六角自锁螺母在热处理、表面处理（酸洗和电镀）过程中均存在不同程度的缺陷。在工艺设计和加工中应避免热处理硬度过高、涂镀层厚度不均、缺失除氢工序等对六角自锁螺母造成氢脆发生，致使产品出现开裂现象。4 结论（1）耐腐蚀1Cr11Ni2W2MoV钢六角自锁螺母在排除材料问题后，热处理的回火温度或时间不足是造成六角自锁螺母的硬度过高最重要的因素之一。（2）耐腐蚀1Cr11Ni2W2MoV钢六角自锁螺母内螺纹齿根部在镀锌过程中镀层不均匀，在装配时产生了较大的阻力，是影响六角自锁螺母的锁紧力矩的主要因素之一，甚至影响六角自锁螺母的寿命。（3）耐腐蚀1Cr11Ni2W2MoV钢六角自锁螺母经酸洗后镀锌过程中会显著渗H2，氢含量偏高是造成六角自锁螺母出现氢脆最重要的因素。（作者单位：贵州航天职业技术学院）基金项目:遵义市科技与大数据局2022年市校联合资金项目 国产Cr-Ni合金表面涂层耐腐蚀性研究(编号:遵市科合HZ(2022)35号)。