聚丙烯擠出機(jī)螺釘斷裂原因分析

張 輝

(上海賽科石油化工有限責(zé)任公司，上海 200051)

某公司于2016年11月2日3:37發(fā)現(xiàn)25線擠出機(jī)因粒子過大，經(jīng)停車后檢查發(fā)現(xiàn)：模板隔熱板固定螺釘出現(xiàn)三處斷裂，此外，還發(fā)現(xiàn)模板隔熱板上的固定螺釘受沖刷現(xiàn)象比較嚴(yán)重，在切粒刀刀把上有擠壓痕跡。因此，對(duì)模板隔熱板上的固定螺釘進(jìn)行再次檢查緊固。用于緊固的螺釘為內(nèi)六角承頭螺釘，規(guī)格為M8×25 mm，等級(jí)為10.9。在之后的緊固過程中再次出現(xiàn)三處斷裂，斷裂螺釘位置如圖 1所示。該斷裂螺釘同擠出機(jī)模板為2016年3月6日更換。螺釘在工作時(shí)候和聚丙烯介質(zhì)和水接觸。該工作面正面溫度為50 ℃。為判斷本次失效的原因，文中對(duì)失效螺釘進(jìn)行了失效分析。

1 理化檢驗(yàn)及結(jié)果

1.1 宏觀形貌

將擠出機(jī)模板中斷裂的螺釘取出，如圖2所示?？梢钥闯?，斷裂的螺釘受污染較嚴(yán)重(新螺釘表面經(jīng)過電鍍鋅處理)，斷口上附著的腐蝕產(chǎn)物。肉眼無法分辨起裂點(diǎn)等斷口形貌特征?？梢杂^察到總體斷口平齊，未出現(xiàn)過大形變，沒有頸縮現(xiàn)象。

1.2 金相檢驗(yàn)

取其中一處斷裂螺釘剖分并制備金相試樣，通過對(duì)金相觀察，如圖 3所示。金相組織為回火索氏體和回火貝氏體，為淬火后中溫回火后得到的組織。對(duì)裂紋進(jìn)行觀察，可見開裂主要為沿晶裂紋特征。螺紋牙底處表面覆蓋有電鍍層，且未觀察到缺陷存在。

圖1 斷裂螺釘位置示意圖

(a)螺釘斷口截面；(b)螺釘斷裂位置

(a)斷口處沿晶裂紋；(b)螺紋牙底形貌

1.3 化學(xué)成分分析

對(duì)失效螺釘和新螺釘進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果如表1所示。

表1 螺釘化學(xué)成分檢測(cè)結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

根據(jù)GB/T 3098.1—2010 《緊固件機(jī)械性能-螺栓、螺釘和螺柱》標(biāo)準(zhǔn)，本例中使用的45鋼符合10.9級(jí)螺釘選材要求。

1.4 掃描電鏡分析

對(duì)螺釘斷口進(jìn)行掃描電鏡分析，如圖4所示斷口整體平齊，但由于斷口覆蓋有較厚且無法去除的腐蝕產(chǎn)物，通過掃描電鏡觀察無法得到有效的斷口特征。

1.5 能譜分析

為檢測(cè)斷口腐蝕產(chǎn)物組成，對(duì)斷口表面進(jìn)行能譜分析，結(jié)果如2所示，斷口上C元素和O元素的含量較高，表明斷口上覆蓋的污染物為原始物料。此外，斷口表面還存在Na元素，來源于脫鹽水中雜質(zhì)殘留。結(jié)果中的Zn元素來源于螺釘生產(chǎn)過程中電鍍過程。

圖4 斷口掃描電鏡形貌

表2 斷口表面能譜分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

1.6 硬度測(cè)試

為驗(yàn)證該失效螺釘及新螺釘所用材料的硬度指標(biāo)是否滿足10.9級(jí)螺釘要求，對(duì)每根螺釘取5點(diǎn)進(jìn)行硬度測(cè)試，試驗(yàn)測(cè)得結(jié)果如表3所示。結(jié)果表明失效螺釘及新螺釘都滿足GB/T 3098.1—2010 《緊固件機(jī)械性能-螺栓、螺釘和螺柱》標(biāo)準(zhǔn)中10.9級(jí)規(guī)定范圍，其中失效螺釘硬度最高，為39 HRC。

表3 螺釘硬度測(cè)試結(jié)果

2 分析與討論

考慮到螺釘所受載荷及工況條件，分別從強(qiáng)度(剪切)失效、應(yīng)力腐蝕開裂，氫脆開裂幾個(gè)角度對(duì)螺釘失效可能性進(jìn)行分析。

1)強(qiáng)度(剪切)失效。受靜載荷螺釘?shù)膹?qiáng)度失效多為螺紋部分的塑性變形或螺釘被拉斷，而根據(jù)宏觀觀察，斷口上并沒有塑性變形痕跡。失效螺釘?shù)膹?qiáng)度等級(jí)為10.9，即抗拉強(qiáng)度為1000 MPa，屈服強(qiáng)度為900 MPa，屬于高強(qiáng)度螺釘，從化學(xué)成分、金相組織和硬度來看均符合要求，螺釘整體同樣沒有發(fā)生明顯的塑性變形，通過金相分析觀察到螺紋牙部位正常?？梢耘懦龔?qiáng)度失效可能性。

2)應(yīng)力腐蝕開裂。根據(jù)金相分析結(jié)果，螺釘斷口屬于沿晶的脆性斷口，從開裂現(xiàn)象上看，應(yīng)力腐蝕開裂也可能會(huì)導(dǎo)致高強(qiáng)鋼的沿晶開裂。斷口上有Na元素，堿可以導(dǎo)致低碳鋼產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕開裂，中碳鋼對(duì)堿應(yīng)力腐蝕開裂不敏感。其它應(yīng)力腐蝕開裂的介質(zhì)包括CO+CO2、水溶液、硝酸鹽。擠出機(jī)使用脫鹽水帶走聚丙烯物料，脫鹽水中不含有以上腐蝕介質(zhì)，因此同樣排除應(yīng)力腐蝕的可能性。

3)氫脆開裂。氫脆開裂是指金屬零件吸收大量氫達(dá)到飽和及過飽和狀態(tài)時(shí)，金屬?zèng)_擊吸收功值大幅下降，韌性降低，金屬顯著變脆，在材料承受應(yīng)力小于屈服強(qiáng)度時(shí)裂紋就會(huì)產(chǎn)生。其中在鍛造、焊接、酸洗、電鍍等過程中吸收了過量的氫，所產(chǎn)生的氫脆為內(nèi)部氫脆；而金屬本身不含氫或者含氫量極低，而在后續(xù)使用過程中受到應(yīng)力和環(huán)境中氫的共同作用下產(chǎn)生的脆性斷裂為環(huán)境氫脆。環(huán)境氫脆除了環(huán)境中含有氫氣的情況外，電化學(xué)腐蝕時(shí)陰極反應(yīng)析出的氫同樣會(huì)導(dǎo)致金屬發(fā)生氫脆。

內(nèi)部氫脆又稱為可逆氫脆、慢應(yīng)變速率催化或氫致延遲斷裂。是由于氫在鋼中呈固溶狀態(tài)，氫原子在晶體缺陷隨機(jī)分布，此時(shí)鋼中溶解的氫不會(huì)使組織發(fā)生明顯變化，僅在慢速率變形中呈現(xiàn)脆性，此時(shí)的鋼在常溫下經(jīng)過長(zhǎng)期靜置，或經(jīng)過短期加熱，使得氫氣逸出，可以消除氫脆并恢復(fù)鋼的力學(xué)性能，該氫脆過程為可逆脆性。內(nèi)部氫脆敏感性與應(yīng)變速率相關(guān)，應(yīng)變速率越慢敏感性越高，反之敏感性降低，在高于臨界應(yīng)變速率下，氫脆效應(yīng)不明顯，這是由于氫脆過程是通過氫擴(kuò)散至應(yīng)力集中處，并在這些區(qū)域集聚導(dǎo)致脆化，在慢速率下氫有充分時(shí)間擴(kuò)散，經(jīng)過低應(yīng)力作用同時(shí)局部氫濃度超過臨界氫濃度，鋼內(nèi)形成裂紋，裂紋形核擴(kuò)展釋放了應(yīng)力和晶格膨脹量，在裂紋尖端形成新的晶格膨脹區(qū)，氫繼續(xù)遷移到新的晶格膨脹區(qū)域，在持續(xù)應(yīng)力作用下進(jìn)而發(fā)生亞臨界裂紋的慢速擴(kuò)展，最終導(dǎo)致金屬發(fā)生斷裂。本例中斷口主要為沿晶脆性裂紋，有發(fā)生氫脆開裂失效的可能。由于螺釘制作過程中采用了電鍍鋅工藝需要進(jìn)一步分析電鍍對(duì)產(chǎn)生氫脆開裂的影響。

4)電鍍。螺釘在電鍍過程中與電源陰極連接，在鍍液中Zn2+在陰極螺釘表面得到電子被還原成Zn，完成電鍍過程。在這一過程中，于陰極附近的鍍液中的H+也會(huì)得到電子被還原成H原子，也會(huì)附著到連接在陰極上的螺釘上并滲入螺釘?shù)膬?nèi)部，從而為螺釘?shù)臍浯嗍峁┛赡堋?/p>

螺釘生產(chǎn)過程中表面進(jìn)行過電鍍鋅處理，在電鍍的過程中，位于陰極附近的鍍液中的H+也會(huì)得到電子被還原成H原子，會(huì)附著到連接在陰極上的螺釘上并滲入螺釘?shù)膬?nèi)部，從而為螺釘?shù)臍浯嗍峁湓觼碓碵1-4]。一般情況下高強(qiáng)度螺栓在電鍍后需要立即對(duì)螺釘進(jìn)行去氫熱處理，否則在螺釘安裝后有延遲氫致開裂發(fā)生的可能[5-7]。螺釘為高強(qiáng)度螺栓(>36 HRC)，具有較高氫脆敏感性[8-9]。同時(shí)電鍍后的滲入螺釘?shù)臍鋾?huì)逐漸逸出，氫脆敏感性會(huì)降低。發(fā)生氫脆斷裂往往是隨機(jī)的，服役的螺釘或者其它構(gòu)件大約有2%～3%發(fā)生氫脆斷裂，這與本例的隨機(jī)螺栓斷裂相符。硬度級(jí)別是影響氫脆開裂的主要因素，硬度越高螺釘對(duì)氫脆開裂越敏感。10.9級(jí)螺釘硬度在32～39 HRC之間，該失效螺釘為該范圍上限值，對(duì)氫脆的敏感性較大。

3 結(jié)論與措施

1)螺釘斷裂原因?yàn)闅浯嚅_裂導(dǎo)致的延遲裂紋，氫的來源為螺釘電鍍鋅過程中氫原子滲入螺釘內(nèi)部所致，而電鍍后沒有立即對(duì)螺釘進(jìn)行去氫熱處理，最終導(dǎo)致在安裝后一段時(shí)間發(fā)生了氫脆開裂。

2)根據(jù)GB/T 52671—2002《緊固件電鍍層》標(biāo)準(zhǔn)要求，建議對(duì)其余庫存螺釘進(jìn)行200 ℃保溫24 h的消氫熱處理?；蚋鼡Q硬度在23～34 HRC的8.8級(jí)以下的螺釘。