汽車發(fā)動(dòng)機(jī)艙蓋鎖扣固定螺釘斷裂失效分析和預(yù)防措施

范奇達(dá)、張文波、應(yīng)佳舟

（舟山市7412 工廠，舟山 316041）

0 引言

某車型在大氣環(huán)境、無腐蝕性介質(zhì)情況下，裝配完成一段時(shí)間后，發(fā)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)艙蓋打不開。檢查發(fā)現(xiàn)，用于固定發(fā)動(dòng)機(jī)艙蓋鎖扣支架的自攻螺釘存在斷裂現(xiàn)象（圖1）。通過對(duì)所有裝配完成的車輛發(fā)動(dòng)機(jī)艙蓋進(jìn)行排查，螺釘斷裂失效比例較低。為分析螺釘斷裂原因，對(duì)已失效的斷裂件和完好件進(jìn)行分析。

圖1 固定發(fā)動(dòng)機(jī)艙蓋鎖扣支架的螺釘失效斷裂

自攻螺釘規(guī)格為ST4.2×1.41×16，材質(zhì)為SWRCH22A，裝配扭矩為2.5±0.5 N·m，其制造工藝為冷鐓——搓絲——熱處理——表面處理（電鍍鋅鎳）——驅(qū)氫（205℃保溫8 h）。檢查發(fā)現(xiàn)，失效螺釘斷裂均發(fā)生于螺紋部位。

1 試驗(yàn)分析

1.1 斷口分析

螺釘?shù)臄嗔研问较嗨?，未斷裂在頭部與桿部交界處。隨機(jī)選取其中一枚螺釘進(jìn)行斷口分析。觀察失效螺釘?shù)臄嗫诘捅缎蚊玻▓D2），斷面粗糙，無明顯頸縮，且未發(fā)現(xiàn)有明顯的腐蝕產(chǎn)物和冶金缺陷。斷口有放射線花樣，邊緣處僅有特征不明顯的剪切唇。為便于描述，將斷口分為A1、B1 和C1 三個(gè)區(qū)域進(jìn)一步描述。

圖2 失效螺釘斷口低倍形貌

觀察失效螺釘斷口的微觀形貌（圖3），A1 區(qū)可見明顯的“冰糖狀”沿晶形貌，并伴隨晶間二次裂紋，晶面可見明顯的“雞爪紋”。B1 區(qū)微觀形貌可見明顯的“冰糖狀”沿晶形貌，并伴隨晶間二次裂紋，晶面可見明顯的“雞爪紋”，同時(shí)可見明顯的準(zhǔn)解理形貌。C1 區(qū)微觀形貌可見明顯的韌窩形貌。

圖3 失效螺釘斷口微觀形貌

1.2 化學(xué)成份分析

按照GB/T4336-2016《碳素鋼和中低合金鋼 多元素含量的測(cè)定 火花放電原子發(fā)射光譜法（常規(guī)法）》的檢測(cè)要求，采用光譜儀（型號(hào)MAXx09-A）對(duì)失效螺釘?shù)念^部進(jìn)行化學(xué)成分分析，頭部經(jīng)過加工取表面滲碳層。結(jié)果顯示，失效螺釘?shù)幕瘜W(xué)成分符合Q/BQB517-2019《冷鐓鋼盤條企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)》中對(duì)SWRCH22A 鋼的要求（表1）。

表1 失效螺釘?shù)幕瘜W(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

1.3 金相檢測(cè)

垂直斷口截取失效螺釘桿部縱截面進(jìn)行金相觀察，可見起裂區(qū)存在明顯的折疊裂紋（圖4）。檢測(cè)失效螺釘斷口相鄰螺紋金相組織，經(jīng)測(cè)量，螺紋部位滲碳層深度為0.22 mm，符合技術(shù)要求（0.10～0.23 mm）。檢測(cè)失效螺釘斷口相鄰螺紋牙底金相組織，可見明顯的以牙底折疊為起源的沿晶裂紋（圖5）。

圖4 失效螺釘斷裂起始區(qū)金相組織

圖5 檢測(cè)失效螺釘斷口相鄰螺紋金相組織

檢測(cè)失效螺釘芯部顯微組織（圖6a），為均勻的回火馬氏體，無異常。觀察螺釘?shù)姆墙饘賷A雜物形態(tài)，根據(jù)GB/T 10561-2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖顯微檢驗(yàn)法》規(guī)定，判定為D 類球狀氧化物（細(xì)系）1 級(jí)，無異常（圖7b）。

圖6 檢測(cè)失效螺釘芯部顯微組織

1.4 硬度檢測(cè)

對(duì)失效螺釘進(jìn)行表芯硬度試驗(yàn)，結(jié)果表芯硬度均符合GB/T 3098.5-2016《緊固件機(jī)械性能 自攻螺釘》的相關(guān)要求。同時(shí)按照硬度梯度仲裁實(shí)驗(yàn)法，在金相試件的螺紋輪廓上用試驗(yàn)力300 g 的顯微維氏硬度進(jìn)行檢驗(yàn)，其滲碳層深度為0.23 mm，滿足符合技術(shù)要求（0.10～0.23 mm）。

1.5 氫脆試驗(yàn)

根據(jù)GB/T 3098.17-2000《緊固件機(jī)械性能 檢查氫脆用預(yù)載荷試驗(yàn) 平行支承面法》規(guī)定，選取實(shí)測(cè)最小破壞扭矩（5.17 N·m）的0.9 倍（4.65 N·m）作為氫脆試驗(yàn)擰緊扭矩。保持48 h 后將組合件進(jìn)行拆卸，并對(duì)螺釘進(jìn)行觀察，螺紋部位未發(fā)現(xiàn)裂紋（圖7），氫脆試驗(yàn)結(jié)果符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖7 螺釘氫脆試驗(yàn)后螺紋部位低倍形貌

1.6 裝配扭矩確認(rèn)

自攻螺釘?shù)臄Q緊扭矩如太高，會(huì)導(dǎo)致螺釘斷裂或打滑；擰緊扭矩如太低，會(huì)導(dǎo)致零件無法夾緊甚至無法貼合，因此合適的擰緊扭矩至關(guān)重要。為此，參考車型的資料得如下建議公式：

式中M——工藝扭矩

M——貼合扭矩

M——破壞扭矩

——0.3～0.5

由式（1）可知，首先要保證工藝扭矩大于貼合扭矩；工藝扭矩在貼合扭矩的基礎(chǔ)上，再加上破壞扭矩與貼合扭矩差值的0.3～0.5 倍。同時(shí)，為保證不被過擰，最大的工藝扭矩不建議超過破壞扭矩的0.6 倍。再根據(jù)式（1）計(jì)算出的參考工藝扭矩，確定最終的實(shí)際擰緊工藝扭矩（圖8）。

圖8 自攻螺釘擰緊破壞扭矩

該自攻螺釘擰緊過程中，用完整從擰入至失效的曲線來確定工藝扭矩的合理性。通過對(duì)同批次完好螺釘?shù)哪M裝配驗(yàn)證其平均貼合扭矩M為0.30 N·m，平均破壞扭矩M為5.10 N·m。那么根據(jù)式（1），當(dāng)為 0.3 時(shí)，計(jì)算出的M為1.44 N·m；當(dāng)為 0.5 時(shí)，計(jì)算出的M為2.70 N·m。

由于最大的工藝扭矩不建議超過破壞扭矩的0.6 倍，則最大工藝扭矩：

M =0.6×M=0.6×5.10=3.06 N·m

查看資料得知，目前該自攻螺釘裝配工藝要求的擰緊扭矩為2.50±0.50 N·m，因此符合裝配工藝要求，不會(huì)造成自攻螺釘因擰緊扭矩過大造成失效斷裂。

2 結(jié)果與討論

綜上所述，失效螺釘?shù)幕瘜W(xué)成分、表芯硬度、滲碳層深度、氫脆試驗(yàn)、顯微組織、非金屬夾雜物以及裝配扭矩工藝等指標(biāo)均未發(fā)現(xiàn)異常。

斷口微觀形貌具有典型氫致延遲斷裂（氫脆）特征，且在本案例中，螺釘經(jīng)歷電鍍工藝，致使氫進(jìn)入其中，雖然后續(xù)有驅(qū)氫工序，但仍有部分氫殘留。失效螺釘表面經(jīng)滲碳處理，表面硬度達(dá)到550HV（通常零件硬度大于320HV 時(shí)就有氫脆傾向），因此螺釘本身具有一定的氫脆敏感性。失效螺釘斷口附近螺紋牙底存在明顯的、以折疊裂紋起源并向內(nèi)擴(kuò)展的沿晶裂紋，螺釘承受外力作用時(shí)，折疊裂紋尖端存在明顯的應(yīng)力集中，更易發(fā)生氫脆。

螺釘發(fā)生延遲斷裂另一因素還要取決于外界載荷的大小。一般零件安裝后，其軸向載荷低于材料屈服極限，軸向載荷越大，對(duì)于滲碳的零件發(fā)生延遲斷裂的概率也就越大。滲碳自攻螺釘多用于聯(lián)接比較薄的金屬板，由于自攻螺釘螺紋表面硬度較高（≥45HRC），所以在聯(lián)接時(shí)，將自攻螺釘擰入事先被制出螺紋底孔的連接件，這樣可以在聯(lián)接件的螺紋底孔中攻出內(nèi)螺紋從而完成連接。一般自攻螺釘在攻入過程中大部分消耗了螺紋摩擦力，最終承載的軸向載荷相對(duì)較小，故對(duì)具有滲碳的高應(yīng)力自攻螺釘降低了延遲斷裂的風(fēng)險(xiǎn)。

本案例中的被聯(lián)接件已事先攻出相應(yīng)配合的內(nèi)螺紋鎖扣，無需再通過自攻釘較高的表面硬度自攻成型螺紋而進(jìn)行聯(lián)接。而且螺釘表面經(jīng)過“鋅鎳合金+黑色鈍化+表面封閉潤(rùn)滑”處理，摩擦系數(shù)相對(duì)較小，因此在規(guī)范的擰緊扭矩作用下，最終零件產(chǎn)生的軸向載荷較大，產(chǎn)生延遲斷裂的風(fēng)險(xiǎn)就較大。

3 預(yù)防措施

（1）確保螺紋牙底不產(chǎn)生折疊，并滿足GB/T5779.3《緊固件表面缺陷螺栓、螺釘和螺柱特殊要求》的要求。

（2）螺釘?shù)哪Σ料禂?shù)盡可能往上公差進(jìn)行控制，保證該螺釘承受較小的軸向載荷。

（3）有效控制螺釘裝配的擰緊速度，防止扭矩過沖，同時(shí)因擰緊受熱后降低了摩擦系數(shù)。

（4）在滿足GB/T3098.5-2016 規(guī)定自攻螺釘性能的同時(shí)，控制該螺釘?shù)臐B碳層深度和表面硬度，并將滲碳層深度和表面硬度控制在下限，預(yù)防延遲斷裂。同時(shí)該螺釘在熱處理過程中，盡可能提高回火溫度和一定的回火時(shí)間，來消除產(chǎn)品組織的內(nèi)應(yīng)力，確保產(chǎn)品組織的韌性和延展性。

（5）嚴(yán)格把控螺釘在電鍍過程中的驅(qū)氫控制，同時(shí)電鍍前除銹和氧化皮時(shí)，應(yīng)采用噴砂或噴丸等處理方法達(dá)到凈化、活化表面的目的。

4 結(jié)束語

延遲斷裂在某種程度上是不可預(yù)測(cè)的，當(dāng)緊固件制造商指定這樣一種產(chǎn)品時(shí)，必須清楚地認(rèn)識(shí)到它風(fēng)險(xiǎn)的存在，這些風(fēng)險(xiǎn)可能來自于制造因素，也可能來自于裝配因素，或者說制造與裝配不匹配。所以對(duì)于緊固件制造商來說，在開發(fā)之前一定要掌握螺釘所涉及到的所有信息，通過分析來確定螺釘?shù)闹圃旃に嚭唾|(zhì)量控制，這樣才能避免質(zhì)量事故的發(fā)生。