自鎖螺母振動失效原因分析及預(yù)防

徐家強(qiáng)，付建建，李旭健，許永春，王立俊，李新淼，屈明亮

1.河南航天精工制造有限公司研究所 河南信陽 464000

2.河南省緊固連接技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 河南信陽 464000

1 序言

在航空發(fā)動機(jī)的設(shè)計(jì)、制造、使用及維護(hù)過程中，螺紋聯(lián)接的安全和防松問題日益突出，自鎖螺母特別是高溫自鎖螺母因其可靠的抗振防松、可重復(fù)使用功能成為航空業(yè)應(yīng)用最為廣泛的螺紋聯(lián)接件[1]。 自鎖螺母利用非圓形收口在螺母擰緊以后，收口處脹開，利用收口的回彈力使得旋合螺紋相互壓緊，產(chǎn)生鎖緊力矩，起到聯(lián)接防松的作用。高溫合金尤其是GH2132以其良好的高溫強(qiáng)度和抗氧化、抗腐蝕性能，優(yōu)異的抗疲勞和抗蠕變性能，以及極佳的斷裂性能和組織穩(wěn)定性，成為現(xiàn)代國防建設(shè)和國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中不可替代的關(guān)鍵材料[2]。

以往關(guān)于自鎖螺母研究大多集中在材料相關(guān)性能的探究，對其制造件失效的研究甚少，尤其對自鎖螺母失效案例報道極少[3，4]。本研究以某自鎖螺母在振動試驗(yàn)中收口處開裂為研究對象，采用體視檢查、斷口微觀分析、能譜分析、金相組織分析及顯微硬度檢測等方法，確定了自鎖螺母裂紋產(chǎn)生的原因，并提出了相應(yīng)的預(yù)防措施。

2 試驗(yàn)過程及結(jié)果

2.1 外觀檢查及微觀分析

（1）外觀檢查 對自鎖螺母振動失效件采用體視顯微鏡外觀檢查發(fā)現(xiàn)，收口部位裂紋分布具有較強(qiáng)的規(guī)律性：裂紋均出現(xiàn)在短軸的收口部位并貫穿至內(nèi)螺紋；裂紋呈細(xì)直線狀，起始于直口頂端并沿著軸向擴(kuò)展。如圖1所示。

圖1 裂紋在收口處外表面形態(tài)

（2）微觀分析 將打斷之后的樣件采用金相觀察發(fā)現(xiàn)，裂紋起始于內(nèi)螺紋牙底，并向外側(cè)擴(kuò)展（見圖2）。采用電鏡掃描發(fā)現(xiàn)螺紋牙底附近組織呈疏松塊狀，源區(qū)及擴(kuò)展區(qū)可見明顯的疲勞弧線，斷面上出現(xiàn)晶間開裂和解理特征，且斷面上未見材質(zhì)缺陷（見圖3）。

圖2 螺紋牙底裂紋金相

圖3 螺紋牙底電鏡掃描形態(tài)

2.2 能譜成分分析

對裂紋區(qū)域和人工打斷區(qū)進(jìn)行能譜成分分析，結(jié)果如圖4所示。裂紋區(qū)除了存在基體材料的主要元素外，還存在大量的Ag元素，圖3中的A區(qū)域螺紋牙底存在大量Ag元素。

2.3 顯微硬度檢測

分別對打斷樣件的收口裂紋處及非收口部位由表及里直至螺紋牙底進(jìn)行顯微硬度分析，距表面不同距離處的顯微硬度變化曲線如圖5所示。其中產(chǎn)品正常硬度范圍為281~357HV，由硬度曲線可看出，非收口部位硬度值正常，收口處顯微硬度值明顯高于非收口部位。對于收口部位而言，距離內(nèi)外表面0.4mm內(nèi)的顯微硬度明顯高于心部硬度值。

2.4 金相組織分析

如圖6、圖7所示，自鎖螺母的微觀組織無過熱、過燒現(xiàn)象，晶粒大小均勻，無粗晶或細(xì)晶帶狀組織。另外，組織中非金屬夾雜物正常，無超過材料標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的雜質(zhì)。

圖4 裂紋區(qū)域能譜成分分析

圖5 顯微硬度測量曲線

圖6 螺母金相組織

圖7 螺母金相非金屬夾雜物

3 裂紋成因分析

3.1 材質(zhì)及熱處理分析

對螺母的金相組織及非金屬夾雜物分析表明，材料的組織無過熱、過燒現(xiàn)象，晶粒大小均勻，無粗晶或細(xì)晶帶狀組織。非收口部位顯微硬度也符合相關(guān)技術(shù)條件要求。同時，螺母斷口處未發(fā)現(xiàn)材質(zhì)缺陷，即此次螺母失效與產(chǎn)品的材質(zhì)及冶金質(zhì)量無直接關(guān)系。

3.2 裂紋性質(zhì)及形成時間分析

通過對裂紋區(qū)的斷口分析可知，裂紋由螺紋牙底萌生，裂紋微觀形貌為明顯的疲勞條帶、纖維狀，斷面上出現(xiàn)晶間開裂和解理特征，可以判斷出裂紋的性質(zhì)為疲勞斷裂。

人工打斷區(qū)螺紋牙底附近顏色較深，與其他區(qū)域明顯不同，能譜分析表明裂紋區(qū)域除基體主要元素外，還存在大量的Ag元素。結(jié)合自鎖螺母的主要加工工序（無心磨→下料→普通車加工→熱鐓→噴砂→固溶→普通車加工→攻螺紋→數(shù)控車加工→收口→時效→熒光檢測→噴砂→鍍銀→終檢）可以判斷出Ag元素來自于表面處理工序，即微裂紋在鍍銀之前已經(jīng)產(chǎn)生。

從螺母的裂紋形成部位分析，裂紋均出現(xiàn)在短軸的收口部位并貫穿至內(nèi)螺紋。同時，裂紋呈細(xì)直線狀，起始于直口頂端并沿著軸向擴(kuò)展。另外，顯微硬度分析表明：收口處顯微硬度明顯高于非收口部位。特別是收口部位內(nèi)外表面0.4mm內(nèi)的顯微硬度明顯高于心部硬度。這是因?yàn)樵谑湛跁r長軸外表面受拉應(yīng)力同時短軸內(nèi)表面也受拉應(yīng)力，再加上收口處螺紋牙底相對尖銳，易形成應(yīng)力集中而產(chǎn)生微裂紋，經(jīng)過振動試驗(yàn)，微裂紋發(fā)生擴(kuò)展，最終出現(xiàn)疲勞斷裂。因此，可以判斷出微裂紋是在收口工序產(chǎn)生的。

4 結(jié)論及預(yù)防措施

1）高溫合金自鎖螺母裂紋是在表面時效處理工序之前的收口工序產(chǎn)生的。因自鎖螺母采用數(shù)控收口機(jī)進(jìn)行兩點(diǎn)收口，螺母直口變形部位單位面積受力較大，再加上螺母壁厚較薄，螺紋牙底相對尖銳，易出現(xiàn)應(yīng)力集中，致使收口之后形成微裂紋。

2）預(yù)防自鎖螺母收口產(chǎn)生裂紋的措施是改變收口方式，由兩點(diǎn)收口改為橢圓收口，對螺母外圓進(jìn)行包裹式整體擠壓，避免局部出現(xiàn)較大的應(yīng)力集中。另外，適當(dāng)增加螺母收口處外圓直徑，即增加螺母壁厚。通過此種工藝改進(jìn)，螺母裂紋故障得到了有效消除。