SWRCH22A自攻螺絲斷裂原因分析及解決措施

吳德興， 農之江

（寶鋼集團廣東韶關鋼鐵有限公司， 廣東 韶關 512123）

自攻螺釘是一種輕結構緊固件，產品涵蓋纖維板釘、木螺釘、干壁釘等類別，多用于薄的金屬板及其他物體之間的連接。自攻螺釘采用冷鐓成型工藝，以提高產品的強度、彈性極限和韌性；自攻螺釘的頭要尖，螺紋為具有弧形三角截面的普通螺紋，自攻螺釘對表面硬度、滲碳層深度、芯部硬度及扭力矩都有嚴格要求，故在連接時，螺釘也可在被連接件的螺紋底孔中攻出內螺紋，從而形成連接[1-4]。

而SWRCH22A是一種生產自攻螺釘的專用鋼種。國內某金屬加工廠生產的SWRCH22A自攻螺釘的加工工藝為：機械去氧化鐵皮→粗拉→退火→表面處理→精拉→冷鐓。加工M4×30 mm自攻螺絲，成品螺絲在檢測中出現95%螺絲斷裂質量問題，斷口中心存在孔洞。取斷裂螺絲進行檢測，分析斷裂原因，并提出相應的改善措施。

1 生產工藝

冷鐓鋼SWRCH22A的生產工藝流程如下：高爐鐵水→脫硫處理→轉爐冶煉→吹氬→LF爐處理→連鑄→鑄坯檢查→鑄坯下送→方坯驗收→方坯加熱→高線軋制→斯太爾摩控冷→集卷→P/F線運輸→打捆→包裝。該鋼種的化學成分見表1。

表1 SWRCH22A冶煉化學成分 %

2 檢測過程與結果

2.1 力學性能及冷鐓性能

該批次SWRCH22A盤條的生產檢測力學性能及冷鐓性能見表2，從檢測數據分析，結果無異常。

表2 該批生產樣力學性能及冷鐓性能檢測數據

2.2 體視顯微鏡檢測

對試樣進行體視顯微鏡低倍觀察。觀察分析斷裂螺絲試樣的斷口，試樣存在中心孔洞，見圖1。

2.3 電鏡檢測

利用電鏡對斷口進行檢測分析，在試樣斷口中心孔洞處未發現嚴重非金屬夾雜物，斷口形貌為扭轉斷裂，裂紋源始于中心孔洞邊緣，存在較為明顯的擴展區及最后撕裂區，見圖2所示。

圖1 試樣斷口宏觀圖片（×15）

圖2 斷口形貌（×60）

試樣中心孔洞邊緣除了韌窩外還存在小孔洞，見下頁圖3、圖4，小孔洞內壁圓滑。

2.4 金相檢測

圖3 中心孔洞邊緣

圖4 中心孔洞邊緣

從成品鋼絲到成品螺絲各道工序之間，取多個樣做橫截面及縱截面金相檢測，搓牙工序前各工序產品未發現異常，搓牙、成品兩個工序產品金相檢測縱、橫截面均存在孔洞，橫向的金相組織有明顯的旋轉的方向性，見圖5～圖8。

圖5 搓牙試樣縱截面心部（×100）

圖6 搓牙試樣橫截面心部（×200）

圖7 成品螺絲試樣縱截面心部（×100）

圖8 成品螺絲試樣縱截面心部（×100）

斷裂螺栓試樣在螺牙區域中部分別做橫截面及縱截面金相檢測，觀察到試樣心部存在多處孔洞，大孔洞附近存在多處小孔洞，小孔洞內壁圓滑；橫截面可見橫向的金相組織有明顯螺旋的方向性，如圖9、圖10所示。

圖9 3-1試樣縱截面心部（×50）

圖10 3-1試樣橫截面心部（×100）

3 失效原因分析

3.1 斷口分析

1）根據體視顯微鏡及電鏡檢測，可以確認斷裂裂紋源在中心孔洞處。斷口中心孔洞未發現嚴重的非金屬夾雜物。中心孔洞附近存在一些大韌窩，大韌窩有撕裂擴展特征。斷口微觀形貌為韌窩特征，材料具有較好的韌性。

2）根據電鏡檢測顯示，螺絲心部存在長孔洞，邊緣存在小孔洞，孔洞內壁圓滑。孔洞的形成是自由表面經變形后演變的結果，自由表面始于材料中心的細微孔隙。

3.2 金相檢測

1）根據成品鋼絲至成品螺絲各工序產品縱、橫截面金相檢測結果，搓牙工序前各工序產品未發現異常，搓牙、成品兩個工序產品金相檢測縱、橫截面均存在孔洞，橫向的金相組織有明顯旋轉的方向性。螺絲心部孔洞形成于搓牙工序。

2）根據斷裂螺絲試樣金相檢測結果，斷裂試樣縱、橫截面檢測均發現心部存在孔洞，中心孔洞附近存在多處小孔洞，橫截面可見橫向的金相組織有明顯旋轉的方向性。

螺釘經過多道制造工序，受到各種應力的作用，尤其是在搓絲過程中要承受很大的壓應力和切應力，這些應力導致疏松沿變形方向被拉長，有的擴展成大孔洞，螺釘有效承載面積減小，從而造成螺釘在扭轉過程中斷裂[5]。

根據以上分析，螺絲斷裂裂紋源起于螺絲心部孔洞內壁，形成于搓牙工序，孔洞內壁圓滑、無非金屬夾雜，其內表面存在殘留的原始自由表面，源自于鑄坯內部的凝固缺陷中心縮孔在高溫軋制中未能完全焊合。

4 改善措施

1）通過使用末端電攪，改善心部疏松與成分偏析。鑄機澆鑄過程采用全保護澆鑄，抑制二次氧化發生。

2）中心縮孔缺陷是由于鑄坯凝固產生的體積收縮和冷卻產生的體積收縮沒有得到完全補充，在最后凝固的地方產生了孔洞。在冶煉和連鑄過程中，采用低過熱度、低拉坯速度、合適的二冷強度，配合使用電磁攪拌、末端強冷等技術，通過連鑄工藝全過程的相對穩定和各環節的相互配合，消除或減輕連鑄坯中心縮孔缺陷。

[1]周增昌.自攻螺釘的應用[J].汽車科技，2002（3）：51.

[2]張先鳴.自攻鎖緊螺釘的熱處理[J].現代零部件，2006（4）：70-73.

[3]劉紅蘭，李祖鑫.常見自攻螺釘斷裂的原因[J].理化檢測，2009（6）：387-392.

[4]王全禮，王麗萍.SWRCH22A質量對自攻螺釘生產工藝的影響[C]//2006年線材制品國際技術研討會論文集.北京：中國金屬學會，2006.

[5]龔佳仙.鋼鐵產品缺陷與失效實例分析圖譜[M].北京：冶金工業出版社，2012.