「生产制造专栏」引起螺栓掉头的缺陷

汽车紧固件中，螺栓产品由于具有易拆卸、易安装、能重复使用的特点，故被汽车行业大量使用，但是在使用过程中亦发现了很多缺陷和失效。

通过目测或磁粉探伤、金相等检测方法，可检测出头部缺陷，缺陷主要有：头部裂缝、头下圆角过小、螺栓内部流线不均匀，流线断裂等。

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导致螺栓掉头的缺陷和预防

外观缺陷

头部裂缝：一般发生在螺栓调质工序、成型工序。其中，调质工序产生的淬火裂缝是由于淬火温度过高或淬火冷却速度过快产生的，无论什么形式和尺寸的淬火裂纹都是被禁止的，淬火裂纹往往是不规则相交、无规律方向呈现。淬火裂纹是非常危险的，常常会引起螺栓断裂、掉头，为了避免此类缺陷发生，螺栓生产商可定期校准或更换淬火炉热电偶、设置高低温报警器、保持淬火炉内温度一致性、定期调整淬火液冷速或更换合适的淬火液等。如遇到停电等突发情况未能及时回火的产品，可进行低温回火过渡，消除热应力。

锻造爆裂：一般在成型过程中形成，其表现在螺栓头部对角部分或法兰面或圆柱头产品的圆周上，这种缺陷往往是由于材料过硬或成型时变形量过大造成的，为避免此类缺陷方式，螺栓的制造商可在材料改制工序中设置硬度检测岗位，按照合理的计划进行硬度检测，一般要求硬度在HRB90以下，根据变形量变化可适当调整硬度要求，另外，材料拔丝工序拉拔量不易过大。合理的成型工艺也是减少头部锻造爆裂的重要手段。

头下圆角过小：螺栓产品成型过程中由于模具外口圆角过小，导致成型完毕的螺栓产品头下圆角过小，引起应力集中，并有可能使金属流线折断。应力集中部位使用后断裂常见表现在螺栓头部及头部与螺纹杆过度的直角部位。螺栓冷镦成型时在头部的塑性流线存在缺陷。被联接面与螺栓垂直度超差引起螺栓掉头为了减少此类缺陷发生，在允许的情况下尽可能将头下圆角做的越大越好。

内部缺陷

螺栓头下圆角处折叠、头部内部金属流线断裂等缺陷通过目测是观察不到的，需要剖开螺栓头部进行检测。这样的缺陷往往会再使用一段时间内被发现，主要的失效模式是掉头。由于体积不足和形状不一致造成的材料位移产生了螺栓头下折迭，成型工艺不当造成螺栓头部金属流线产生断裂。

螺栓头部内部流线不均匀，甚至断裂，使用一段时间后会引起螺栓头部的延迟断裂。这样的螺栓产品头部结构强度不足，影响产品疲劳性能。

螺栓头下圆角处存在折叠：通过头部坚固性测试可以观察到头下圆角处开裂或整个螺栓掉头，这样的失效是致命的。

通过金相分析可观察到此类缺陷。螺栓受到轴向拉力时，在折叠末端形成应力集中并沿横向组织流线扩展，最终发生断裂。螺栓头部的折叠是由于初镦成型形状不合适，在第2次镦粗时形成的。

折叠的形成与初镦、模腔结构、模腔润滑等有关，螺栓生产商应合理的分配冷镦各个工位的变形量，初冲压缩比控制在30%左右，调整好材料进给量，以使镦后材料模腔而不形成飞边；对于头部变形较大的螺栓，应进行曲应力退火，退火温度500℃～650℃。

以下，是以生产实际中螺栓的流线为实例进行简述：

A.40Cr螺栓头部不合格流线形貌

螺栓成型工艺不当，造成头部流线不合格，头部结合处断裂，不合格头部流线见下图。

B.35K螺栓头部R处锻造折叠裂纹

螺栓锻造工艺不当，造成头杆R处产生折叠裂纹，折叠裂纹见下图。

C.42CrMo螺栓头部锻造不合格流线形貌

螺栓锻造工艺不当造成流线不合格，流线多处断开，不沿外形分布，不合格流线低倍形貌，见下图。

为了避免上述情况的发生，编制冷镦工艺时，要考虑上下工位形状变化量，尤其是初冲成型变形量，必要时增加工位解决头部流线断裂的缺陷。

控制原材料金相球化组织也是必要的，一般按照国家标准，冷墩的钢材要求控制在4～6级之间为宜。

一般来说，要求高的紧固件件要检查流线方向，模具设计时，要考虑余量均匀，后面的加工不允许大量的切断流线。

在实际生产中金属流线不合理会导致结构强度降低，目前金属成型模拟已经成为工艺设计必不可少的手段，在实际中越来越多的零件采购方也要求制造商生产过程中应用模拟技术，同时对于流线的检测能够为产品工艺工程师提供重要参考

头部圆角过小或折叠是目前螺栓主要的掉头主要原因，在螺栓受到轴向拉力时，应力集中处沿横向组织流线扩展，最终发生断裂。

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总 结

螺栓掉头危害大，应采取有效的工艺措施予以避免。建议从以下几方面加以改进。

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来源：GAF螺丝君