金屬緊固件的質(zhì)量管控

蘇忠亮

（作者單位：廈門市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗院）

產(chǎn)品概述

金屬緊固件，是一種具有緊固連接作用的機械零件。其體積小，成本低，在機械零部件中常常容易被忽視。金屬緊固件雖然價格低，但其對工業(yè)成品的重要性不言而喻。一個不起眼的小緊固件出現(xiàn)質(zhì)量問題，將會影響到整條機械設備或者汽車自動化生產(chǎn)線，甚至一些航空發(fā)動機因為緊固件發(fā)生斷裂就必須進行卸載重新裝配，由此產(chǎn)生的人工成本、設備成本、材料成本和生產(chǎn)時間成本卻是一個小小緊固件的萬倍以上。金屬緊固件無處不在，是應用最廣泛的機械零部件，各種機械設備、汽車、農(nóng)機、船舶、高速鐵路、橋梁、航天航空設備、建筑及儀表等產(chǎn)品上都可以看到種類繁多的緊固件。它通常包括以下幾類零件：螺栓、螺柱、螺釘、螺母等，見圖1。

產(chǎn)業(yè)情況

近幾年隨著汽車和機械制造行業(yè)的轉(zhuǎn)型升級，金屬緊固件行業(yè)發(fā)生了很大變化，技術(shù)水平和檢測手段逐步與國際標準接軌，也出現(xiàn)一些大規(guī)模優(yōu)異的公司。然而就整體產(chǎn)業(yè)水平來看，我國工業(yè)用金屬緊固件產(chǎn)業(yè)的發(fā)展狀況仍然是大而不強。一方面，大多數(shù)金屬緊固件企業(yè)缺乏自我創(chuàng)新能力，研發(fā)投入不足，研發(fā)能力較弱，缺少相關(guān)的企業(yè)合作和交流機制，難以形成產(chǎn)業(yè)化。另一方面，小規(guī)模企業(yè)數(shù)量眾多，所生產(chǎn)的金屬緊固件只能充斥在低端市場，生產(chǎn)過剩，形成重復建設、資源浪費的內(nèi)卷化局面；而在高端市場,如用于高鐵、航空航天等領(lǐng)域的10.9 級以上的高強度緊固件市場，不得不大量長期依賴進口[1]。另外，國內(nèi)原材料、生產(chǎn)工藝水平、檢測手段也存在一定不足，直接影響緊固件產(chǎn)品質(zhì)量。有的生產(chǎn)企業(yè)為降低成本,縮減熱處理環(huán)節(jié),或采用低質(zhì)量材料代替優(yōu)質(zhì)材料,給整體市場造成極大的質(zhì)量隱患。

質(zhì)量標準項目解析

1.材質(zhì)指標

材質(zhì)指標是行業(yè)內(nèi)最關(guān)注的問題。為了壓縮成本，有些小廠家以次充好，弄虛作假，采用劣質(zhì)材料進行生產(chǎn)，是產(chǎn)生產(chǎn)品質(zhì)量問題的主要原因之一。金屬緊固件的材質(zhì)應符合相關(guān)國家標準指標，GB/T 3098.1—2010《緊固件機械性能螺栓、螺釘和螺柱》中規(guī)定金屬緊固件各性能等級用鋼的化學成分極限和最低回火溫度[2]，如合金鋼淬火并回火后化學成分要求具體見下表?；瘜W成分分析設備為電火花直讀光譜儀，見圖2。

金屬緊固件化學成分要求表

2.拉力試驗

緊固件的等級是根據(jù)其力學性能的指標進行命名的，比如螺栓性能等級符號由兩部分數(shù)字組成，分為4.6、4.8、5.6、5.8、6.8、8.8、9.8、10.9、12.9 等多個等級。性能等級4.6 級的螺栓，4 表示螺栓的公稱抗拉強度值為400MPa，0.6 表示螺栓材料屈服強度與抗拉強度的比值為0.6，這樣就可以反推出螺栓的屈服強度為400×0.6=240MPa。

測試螺栓最大承載力或者抗拉強度時，螺栓與相配套的帶有內(nèi)螺紋的工裝旋緊，螺栓螺紋的有效旋合長度應該大于公稱直徑，未旋合螺紋長度也要大于公稱直徑，按照GB/T 228.1—2010《金屬材料拉伸試驗 第1 部分：室溫試驗方法》的規(guī)定進行拉力試驗，拉伸試驗速率應≤25mm/min，直到螺栓發(fā)生斷裂或者滑牙，記錄最大承載力或者抗拉強度。

3.硬度試驗

緊固件的硬度測試可采用洛氏硬度試驗法、布氏硬度試驗法和維氏硬度試驗法，所采用的標準分別為GB/T 230.1—2018《金屬材料 洛氏硬度試驗 第1 部分：試驗方法》,GB/T 231.1—2018《金屬材料 布氏硬度試驗 第1 部分：試驗方法》,GB/T 4340.1—2009 《金屬材料 維氏硬度試驗 第1 部分：試驗方法》。

如果在緊固件的表面測試硬度，應當去除頭部或者末端表面的涂層，并對測試部位進行磨平、拋光后再進行硬度測試。如果測試部位為螺紋橫截面處，在螺紋末端位置截取一個橫截面，并磨平、拋光后進行硬度測試。對于有爭議的緊固件應當采用維氏硬度法進行試驗，試驗所用的載荷應≥98N。

4.脫碳層深度測試

表面脫碳是緊固件中常見也最嚴重的一種缺陷，脫碳層的存在將大大降低緊固件的表面硬度和耐磨性，長期使用容易發(fā)生接觸疲勞損壞；由于表層與芯部的組織差異較大也將引起很大的內(nèi)應力，在淬火過程中表面容易產(chǎn)生裂紋。最常見的測試方法為金相法，將存在脫碳的緊固件放置在100 倍的顯微鏡下，觀察從表面至芯部的組織變化，金相法具有操作方便、適用性廣、樣品要求不高等優(yōu)點。

質(zhì)量問題原因分析與危害

我們通過對大量金屬緊固件檢驗數(shù)據(jù)進行分析，發(fā)現(xiàn)抗拉強度、化學成分和脫碳層深度項目存在較大的不合格風險。

1.抗拉強度

抗拉強度是產(chǎn)品在靜載荷作用下所能承擔的最大載荷力，是緊固件的重要指標之一?？估瓘姸炔蛔悖f明緊固件在承受規(guī)定的載荷時容易發(fā)生變形，導致產(chǎn)品穩(wěn)定性、可靠性下降，最終可能無法滿足受力要求而出現(xiàn)斷裂。導致抗拉強度不足的原因包括以下三種：一是化學成分含量不能滿足相應國家標準；二是熱處理工藝不當，一般緊固件都有經(jīng)過淬火和回火熱處理，淬火時間和回火溫度的控制不當都會嚴重影響熱處理后的性能；三是材料存在微觀組織缺陷，如內(nèi)部孔隙、氣泡、裂紋、白點、疏松和夾雜物聚集等都會嚴重降低材料的強度[3]。

2.化學成分

碳元素、磷元素和硫元素的含量是影響金屬緊固件質(zhì)量的重要因素，不同等級緊固件的材質(zhì)都應該滿足國家標準或者相關(guān)技術(shù)要求的規(guī)定。碳含量過低將會降低緊固件的抗拉強度和硬度；磷和硫等非金屬夾雜物過多，容易在夾雜物處萌生裂紋源，在熱處理時產(chǎn)生應力集中，淬火時容易開裂。部分小企業(yè)為了降低成本，采購磷和硫含量不達標的劣質(zhì)原材料生產(chǎn)緊固件，導致大量以次充好的產(chǎn)品充斥市場。

3.脫碳層深度

表面脫碳層深度的控制對生產(chǎn)工藝、技術(shù)人員水平、環(huán)境等條件都有嚴格的要求。金屬緊固件表面脫碳層過大，將會使表面硬度大大降低，嚴重降低螺紋部位的耐磨性和強度，從而影響緊固件的疲勞壽命，使緊固件在機械或汽車等產(chǎn)品裝配中失去緊固連接作用。

建議

首先，金屬緊固件企業(yè)應從原材料、生產(chǎn)工藝和成品檢測等方面加強管控，從源頭上保證產(chǎn)品的質(zhì)量；其次，定期對老舊儀器設備進行維護保養(yǎng)，保證產(chǎn)品的穩(wěn)定；最后，加大科研投入，提高創(chuàng)新意識，加快對相關(guān)國家標準和國際標準的學習，逐步加強企業(yè)經(jīng)營管理，進入高端市場，適應激烈的競爭環(huán)境。