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螺杆与螺套粘着磨损导致失效【案例分享】

我公司生产的某整流罩装配型架在试验过程中出现拉紧器螺杆与螺套咬死问题。螺杆材料为规格φ45mm×220mm的40Cr钢,螺套材料为规格φ35mm×300mm的45钢,二者均进行调质处理,螺杆硬度要求28~32HRC,螺套硬度要求24~28HRC。为分析螺套、螺杆卡滞失效原因,预防同类故障再次发生,对失效的螺套、螺杆进行了宏观微观特征、金相组织、硬度及化学成分分析,判定卡滞原因。


一、宏观分析


卡滞部位螺纹副被剖开,螺套、螺杆螺纹宏观形貌如图1所示,目视可见螺套螺纹由内端面计第1~4道螺纹存在明显的变形及损伤痕迹,呈挤压、磨损形貌,与螺套匹配的螺杆螺纹也有4道存在明显的变形及损伤痕迹。

图1  螺杆、螺套螺纹宏观形貌

螺杆、螺套螺纹损伤区域放大宏观形貌如图2所示,其中螺套、螺杆螺纹损伤最严重部位可见物质转移、堆积现象。

图2  螺杆、螺套螺纹损伤区域宏观形貌

此外,螺套所有螺纹表面均存在明显的锈蚀痕迹,螺杆螺纹有两段区域(包括损伤部位、长度与螺套螺纹总长度相当)表面存在明显的锈蚀痕迹,该两处锈蚀区域应是螺套、螺杆在配合状态下停留较长时间所形成。


二、微观分析


扫描电镜下观察,螺纹损伤部位呈挤压、磨损形貌,可见物质转移、堆积,损伤表面未见嵌入的外来多余物,螺杆、螺栓损伤区域微观形貌分别如图3、图4所示。

图3  螺杆损伤区域微观形貌


图4  螺套损伤区域微观形貌


损伤表面能谱分析后发现,主要含有Fe及少量Cr、Mn元素,未见其他异常元素。螺纹表面锈蚀区域存在泥纹状腐蚀产物,能谱分析除基体元素外含有较高的O、Cl元素,螺纹表面微观形貌如图5所示。


图5  螺纹表面腐蚀产物形貌


三、金相及硬度分析


从螺杆螺纹段及螺套非螺纹段分别截取部分试样进行金相分析,二者组织均为淬火+回火组织,其中螺杆组织中可见沿晶界分布的网状铁素体,分别如图6、图7所示;存在沿晶界分布的网状铁素体,可能是淬火温度低或保温时间不足,造成铁素体未完全转变为奥氏体,导致淬火后机体内残留铁素体。


图6  螺杆显微组织形貌     图7  螺套显微组织形貌


对金相试样进行显微硬度测试,硬度低于设计要求,测试结果见表1。

表1  显微硬度测试结果


表面硬度不足,可能与回火温度过高,造成马氏体分解而降低硬度有关。对螺杆拉环、螺套端面的中部进行了维氏硬度测试,心部硬度明显低于设计要求,测试结果见表2。


表2  心部硬度测试结果

心部硬度不足,应与冷却不当有直接的关系,包括淬火前预冷时间过长,淬火冷却介质控制不当,在介质中冷却时间过短等。


四、化学成分分析


零件热处理后基体硬度不足,除热处理工艺控制不当外,还应考虑零件的原材料化学成分,尤其是碳含量的影响。对失效螺杆、螺套进行化学成分检测,结果见表3,分析结果表明螺杆与螺栓所用材料均与设计标准要求相符。

表3  螺杆、螺套原材料化学成分(质量分数)  (%)


五、结束语


(1)损伤区表面、腐蚀产物能谱分析结果表明所用材料的主成分未见异常,螺杆、螺套原材料化学成分复验均符合GB/T 3077—1999和GB/T 699—1999要求。

(2)金相及硬度分析结果表明螺杆、螺套均为淬火+回火组织,硬度均低于设计要求,其中螺杆组织中可见沿晶界分布的网状铁素体,螺杆、螺套心部硬度明显不足,应是热处理工艺控制不当所致。

(3)螺杆与螺栓发生卡滞的原因是由于二者匹配螺纹局部区域发生粘着磨损所致,发生粘着磨损的原因应与材料硬度偏低及使用过程中匹配螺纹发生腐蚀等因素有关。

参考文献:略。

作者:孟庆宇,常森,赵志鹏,杨阳

单位:山西航天清华装备有限责任公司

来源:《金属加工(热加工)》杂志2019年12期46-48页

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