SWRCH22A自攻螺丝断裂原因分析及解决措施

吴德兴， 农之江

（宝钢集团广东韶关钢铁有限公司， 广东 韶关 512123）

自攻螺钉是一种轻结构紧固件，产品涵盖纤维板钉、木螺钉、干壁钉等类别，多用于薄的金属板及其他物体之间的连接。自攻螺钉采用冷镦成型工艺，以提高产品的强度、弹性极限和韧性；自攻螺钉的头要尖，螺纹为具有弧形三角截面的普通螺纹，自攻螺钉对表面硬度、渗碳层深度、芯部硬度及扭力矩都有严格要求，故在连接时，螺钉也可在被连接件的螺纹底孔中攻出内螺纹，从而形成连接[1-4]。

而SWRCH22A是一种生产自攻螺钉的专用钢种。国内某金属加工厂生产的SWRCH22A自攻螺钉的加工工艺为：机械去氧化铁皮→粗拉→退火→表面处理→精拉→冷镦。加工M4×30 mm自攻螺丝，成品螺丝在检测中出现95%螺丝断裂质量问题，断口中心存在孔洞。取断裂螺丝进行检测，分析断裂原因，并提出相应的改善措施。

1 生产工艺

冷镦钢SWRCH22A的生产工艺流程如下：高炉铁水→脱硫处理→转炉冶炼→吹氩→LF炉处理→连铸→铸坯检查→铸坯下送→方坯验收→方坯加热→高线轧制→斯太尔摩控冷→集卷→P/F线运输→打捆→包装。该钢种的化学成分见表1。

表1 SWRCH22A冶炼化学成分 %

2 检测过程与结果

2.1 力学性能及冷镦性能

该批次SWRCH22A盘条的生产检测力学性能及冷镦性能见表2，从检测数据分析，结果无异常。

表2 该批生产样力学性能及冷镦性能检测数据

2.2 体视显微镜检测

对试样进行体视显微镜低倍观察。观察分析断裂螺丝试样的断口，试样存在中心孔洞，见图1。

2.3 电镜检测

利用电镜对断口进行检测分析，在试样断口中心孔洞处未发现严重非金属夹杂物，断口形貌为扭转断裂，裂纹源始于中心孔洞边缘，存在较为明显的扩展区及最后撕裂区，见图2所示。

图1 试样断口宏观图片（×15）

图2 断口形貌（×60）

试样中心孔洞边缘除了韧窝外还存在小孔洞，见下页图3、图4，小孔洞内壁圆滑。

2.4 金相检测

图3 中心孔洞边缘

图4 中心孔洞边缘

从成品钢丝到成品螺丝各道工序之间，取多个样做横截面及纵截面金相检测，搓牙工序前各工序产品未发现异常，搓牙、成品两个工序产品金相检测纵、横截面均存在孔洞，横向的金相组织有明显的旋转的方向性，见图5～图8。

图5 搓牙试样纵截面心部（×100）

图6 搓牙试样横截面心部（×200）

图7 成品螺丝试样纵截面心部（×100）

图8 成品螺丝试样纵截面心部（×100）

断裂螺栓试样在螺牙区域中部分别做横截面及纵截面金相检测，观察到试样心部存在多处孔洞，大孔洞附近存在多处小孔洞，小孔洞内壁圆滑；横截面可见横向的金相组织有明显螺旋的方向性，如图9、图10所示。

图9 3-1试样纵截面心部（×50）

图10 3-1试样横截面心部（×100）

3 失效原因分析

3.1 断口分析

1）根据体视显微镜及电镜检测，可以确认断裂裂纹源在中心孔洞处。断口中心孔洞未发现严重的非金属夹杂物。中心孔洞附近存在一些大韧窝，大韧窝有撕裂扩展特征。断口微观形貌为韧窝特征，材料具有较好的韧性。

2）根据电镜检测显示，螺丝心部存在长孔洞，边缘存在小孔洞，孔洞内壁圆滑。孔洞的形成是自由表面经变形后演变的结果，自由表面始于材料中心的细微孔隙。

3.2 金相检测

1）根据成品钢丝至成品螺丝各工序产品纵、横截面金相检测结果，搓牙工序前各工序产品未发现异常，搓牙、成品两个工序产品金相检测纵、横截面均存在孔洞，横向的金相组织有明显旋转的方向性。螺丝心部孔洞形成于搓牙工序。

2）根据断裂螺丝试样金相检测结果，断裂试样纵、横截面检测均发现心部存在孔洞，中心孔洞附近存在多处小孔洞，横截面可见横向的金相组织有明显旋转的方向性。

螺钉经过多道制造工序，受到各种应力的作用，尤其是在搓丝过程中要承受很大的压应力和切应力，这些应力导致疏松沿变形方向被拉长，有的扩展成大孔洞，螺钉有效承载面积减小，从而造成螺钉在扭转过程中断裂[5]。

根据以上分析，螺丝断裂裂纹源起于螺丝心部孔洞内壁，形成于搓牙工序，孔洞内壁圆滑、无非金属夹杂，其内表面存在残留的原始自由表面，源自于铸坯内部的凝固缺陷中心缩孔在高温轧制中未能完全焊合。

4 改善措施

1）通过使用末端电搅，改善心部疏松与成分偏析。铸机浇铸过程采用全保护浇铸，抑制二次氧化发生。

2）中心缩孔缺陷是由于铸坯凝固产生的体积收缩和冷却产生的体积收缩没有得到完全补充，在最后凝固的地方产生了孔洞。在冶炼和连铸过程中，采用低过热度、低拉坯速度、合适的二冷强度，配合使用电磁搅拌、末端强冷等技术，通过连铸工艺全过程的相对稳定和各环节的相互配合，消除或减轻连铸坯中心缩孔缺陷。

[1]周增昌.自攻螺钉的应用[J].汽车科技，2002（3）：51.

[2]张先鸣.自攻锁紧螺钉的热处理[J].现代零部件，2006（4）：70-73.

[3]刘红兰，李祖鑫.常见自攻螺钉断裂的原因[J].理化检测，2009（6）：387-392.

[4]王全礼，王丽萍.SWRCH22A质量对自攻螺钉生产工艺的影响[C]//2006年线材制品国际技术研讨会论文集.北京：中国金属学会，2006.

[5]龚佳仙.钢铁产品缺陷与失效实例分析图谱[M].北京：冶金工业出版社，2012.