器頭斷裂失效分析與熱處理工藝

殳 宏* 王曉東

（1.浙江省特種設(shè)備科學(xué)研究院 2.浙江威能消防器材股份有限公司）

0 引言

滅火器器頭是滅火器的重要組成部分，器頭與瓶體連接處的螺紋是器頭最薄弱的部位，其長期在內(nèi)部壓力及擰緊力矩的作用下工作，同時(shí)受內(nèi)部介質(zhì)腐蝕等因素的影響，在使用過程中該螺紋處經(jīng)常會(huì)發(fā)生斷裂、泄漏、腐蝕等失效情況。據(jù)相關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，約80%以上的滅火器失效事故與器頭螺紋斷裂有關(guān)。滅火器器頭螺紋一旦發(fā)生斷裂，可能會(huì)造成巨大的安全事故。

現(xiàn)以某滅火器生產(chǎn)廠裝配線滅火器充氣時(shí)發(fā)生器頭斷裂失效為例，通過對(duì)該失效器頭進(jìn)行宏觀和微觀斷口形貌分析、金相檢驗(yàn)、扭矩分析和模擬器頭熱處理試樣分析，并結(jié)合以往器頭失效的類型和影響因素，尋找器頭螺紋斷裂失效的原因，可為滅火器及器頭生產(chǎn)廠提供參考。

1 失效分析

該器頭閥體材質(zhì)為6061中強(qiáng)度鋁合金，屬于Al-Mg-Si系變形鋁合金，采用固熔加時(shí)效熱處理。

1.1 宏觀和微觀斷口形貌分析、金相檢驗(yàn)

該器頭螺紋規(guī)格為M30 mm×1.5 mm-6 g，在對(duì)滅火器充氣過程中器頭發(fā)生斷裂，斷裂發(fā)生在螺紋根部，如圖1所示。觀察斷口后發(fā)現(xiàn)，斷口較為平直，無縮頸，幾乎沒有裂紋萌生區(qū)，全部為最后瞬斷區(qū)，可判定該斷口為脆性斷裂。

圖1 斷裂器頭宏觀形貌

在失效器頭斷裂部位取樣，按GB/T 3246.1—2012《變形鋁及鋁合金制品金相顯微組織檢驗(yàn)方法第1部分：顯微組織檢驗(yàn)方法》在金相試樣鑲嵌機(jī)上制備金相試樣，然后在金相試樣磨拋機(jī)上用不同粒度的金相砂紙依次粗磨，用不同粒度織物進(jìn)行粗拋、精拋，最后用金剛沙噴霧劑精拋。拋光后的試樣立即用混合酸腐蝕劑進(jìn)行腐蝕，在室溫條件下浸入浸蝕，表面形成的棕色膜用20%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）硝酸水溶液去除，然后在清水中清洗，用吹風(fēng)機(jī)吹干，在金相顯微鏡下觀察其金相顯微組織，如圖2所示，其晶界復(fù)熔加寬，晶粒交界處形成復(fù)熔三角形。

圖2 斷裂器頭顯微組織（×200）

根據(jù)GB/T 3246.1—2012標(biāo)準(zhǔn)對(duì)過熱和過燒的描述為金屬溫度達(dá)到或高于合金中低熔點(diǎn)共晶的熔點(diǎn)或固相線，使共晶或同溶體晶界產(chǎn)生復(fù)熔的現(xiàn)象叫過燒。在顯微組織檢驗(yàn)中，出現(xiàn)復(fù)熔共晶球、 晶界局部復(fù)熔加寬和在三個(gè)晶粒交界處形成復(fù)熔三角形三種特征中的任何一種特征，判顯微組織為過燒。綜上可判定，該器頭斷裂處顯微組織過燒。

1.2 扭距分析

在擰緊器頭時(shí)，其擰緊扭矩M需克服被旋合螺紋間的摩擦力矩和器頭與瓶口法蘭面間的摩擦力矩，并使聯(lián)接產(chǎn)生預(yù)緊力 ：

式中：M——擰緊扭矩， N·m；

K——擰緊扭矩系數(shù)；

d——螺紋公稱直徑，mm。

參考QC/T 518—2013《汽車螺紋緊固件擰緊扭矩規(guī)范》，最小扭矩系數(shù)取0.114，代入式（1），則螺紋所能承受的最小扭矩 為：

式中： ——屈服強(qiáng)度，N/mm2；

式中：d2——螺紋中徑，mm。

式中：d1——螺紋小徑，mm。

查螺紋手冊可得出，該螺紋部分的有效面積為642 mm2，查GB/T 3191—2010《鋁及鋁合金擠壓棒》中6061-T6的屈服強(qiáng)度最小值為240 N/mm2。將其代入式（2）,計(jì)算得出螺紋所能承受的最小扭矩為：

車間裝配人員在進(jìn)行此斷裂器頭裝配時(shí)，所用的扭矩為65 N·m，遠(yuǎn)小于計(jì)算得出的最小扭矩，可判定器頭斷裂并非因設(shè)定扭矩過大導(dǎo)致的。

1.3 模擬器頭熱處理試樣分析

取該斷裂器頭相同材質(zhì)鋁合金材料做熱處理試件，熱處理規(guī)范依據(jù)YS/T 591—2017《變形鋁及鋁合金熱處理》中對(duì)6061鋁合金T6熱處理要求執(zhí)行：固熔溫度取值為516～579 ℃，保溫時(shí)間為60～120 min，淬火轉(zhuǎn)移時(shí)間小于15 s，時(shí)效處理溫度為171～182 ℃，保溫時(shí)間為8～9 h。

實(shí)驗(yàn)材料為儀征海天鋁業(yè)有限公司提供的6061鋁合金擠壓棒材，其直徑為30 mm，下料長度為230 mm。熱處理爐選用箱式電阻爐，熱處理工藝條件如下：固溶溫度為520 ℃，保溫時(shí)間為70 min，迅速從電阻爐中取出水淬，時(shí)效時(shí)間為8 h，時(shí)效溫度均為180 ℃，時(shí)效后的試樣進(jìn)行自然時(shí)效。

熱處理后的試樣按標(biāo)準(zhǔn)GB/T 228.1—2010《金屬室溫拉伸試驗(yàn)》進(jìn)行制作、測試，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示，測試結(jié)果均滿足標(biāo)準(zhǔn)GB/T 3191—2019《鋁及鋁合金擠壓棒材》中的規(guī)定。

表1 試樣拉伸力學(xué)

采用熱處理后的試樣制備金相試樣，在金相顯微鏡下觀察顯微組織。顯微組織在200倍放大鏡下觀察，如圖3所示，試樣晶粒細(xì)小，晶界清晰，且分布均勻，則其沒有出現(xiàn)過熱或過燒現(xiàn)象。

圖3 試樣顯微組織（×200）

可見上述工藝參數(shù)是可行的，試樣經(jīng)過正常合格的熱處理后，顯微組織不會(huì)產(chǎn)生過燒情況。

2 失效原因

從以上各項(xiàng)試驗(yàn)及理論計(jì)算結(jié)果可推斷，該批滅火器器頭閥體熱處理工藝不當(dāng)、或其熱處理時(shí)爐子溫度控制儀表失靈導(dǎo)致爐子跑溫，引起器頭閥體顯微組織過燒，晶粒粗大，性能下降，因此在裝配扭矩遠(yuǎn)小于理論計(jì)算扭矩時(shí)，在器頭的薄弱部位—器頭與瓶體連接的螺紋部位發(fā)生脆性斷裂失效。