轮毂螺母垫片断裂失效分析

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轮毂螺母垫片断裂失效分析
谢仔新
宇星紧固件（嘉兴）股份有限公司 浙江省嘉兴市 314305
摘 要： 材料为ML40Cr 的车轮轮毂螺母在装配后发现垫片断裂失效现象，通过宏观检查、断口分析、金相检测、
硬度检测、化学成分分析、综合分析分析、氢含量测定等方法对垫片断裂原因进行分析。

结果表明：垫片
表面在挤压过程中产生的微裂纹，在酸洗、镀锌等过程中，氢沿裂纹渗入基体，由于垫片硬度要求较高，从而导致氢脆开裂并扩展。

最终在装配应力作 用下发生断裂失效。

关键词：ML40Cr　轮毂螺母　断裂　硬度　氢脆轮毂螺母在装配后发现有垫圈开裂现象。

在其中部分轮毂中发现有1-2只开裂现象。

该螺母和垫圈材料均为ML40Cr，该垫圈加工工艺为：原材料球化—酸洗磷皂化—拉丝—切料压扁—退火—磷皂化—冷挤压—热处理—压圈—镀锌，热处理后硬度为38-44HRC。

为检查该批产品的断裂原因，以便防止后期在出现类似质量问题，笔者对断裂垫片进行检验和分析。

1　理化检查
1.1　宏观观察
实物如图1所示，材料为ML40Cr，从实物可见，垫圈存在两处开裂，为方便描述，现将两处分别标记为1#和2#。

1#
2#
图1　试样宏观形貌
采用体视显微镜对样品进行宏观检查，图2所示为两处断口宏观形貌，可见断面均粗糙，隐约可见放射痕迹，放射痕迹收
敛于垫圈内侧凹槽处（红色虚线框标记处），因此，该处为裂纹源区。

观察裂纹源区附近表面，可见存在金属堆积现象，如图3所示。

1.2　断口分析
采用扫描电子显微镜分别对1#和2#断面进行微观形貌观察，图4所示为断面低倍形貌，可见，断面均可见放射状痕迹，裂纹 源区分别位于A1区和A2区边缘，为方便描述，现将断面分为A1、B1、C1和A2、
B2、C2不同区域进一步描述。

图5为断面A1区微观形貌，断面为冰糖状沿晶形貌，并伴有晶间二次裂纹，局部晶面可见“鸡爪纹”。

图6所示为断面C2区微观形貌，可见为“冰糖状”沿晶形貌，并伴有晶间二次裂纹，局部晶面可见“鸡爪纹”。

将垫圈人为打断后观察断口形貌，图7所示为人为冲击断口微观形貌，可见为准解理+韧窝形貌。

Failure Analysis of Fracture of Hub Nut Ring
Xie Zixin
Abstract ：
T he wheel hub nut made of ml40cr was found broken after assembly. The causes of ring fracture were analyzed by macro inspection, fracture analysis, metallographic examination, hardness examination, chemical composition analysis, comprehensive analysis, hydrogen content determination and other methods. The results show that during the process of pickling and galvanizing, the hydrogen penetrates into the matrix along the cracks, which leads to the hydrogen embrittlement cracking and expansion due to the high hardness requirements of the gasket. Finally, fracture failure occurs under assembly stress.
Key words ：
ML40Cr, hub nut, fracture, hardness, hydrogen embrittlement
图2　开裂处断口宏观形貌
图3　裂纹源附近表面形貌
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值”将维氏硬度转换成洛氏硬度，可见垫圈芯部硬度高于技术要求上限（44HRC），试样表面存在轻微脱碳。

1.5　化学成分分析
采用电感耦合等离子发射光谱仪(ICP)和碳硫分析仪对试样进行化学成分分析，结果如表2所示，各元素均符合“GB/T 6478-2015 冷镦和冷挤压用钢”中关于ML40Cr 钢的规定。

氢含量测定结果表明，开裂件氢含量为0.9ppm。

2　分析和讨论
失效垫圈存在两处开裂，断面均较粗糙，并可见明显放射痕迹和原始微裂纹，放射痕迹收敛于垫圈内侧凹槽处，断面微观均可见“冰糖状”沿晶形貌，并伴有晶间二次裂纹，局部晶面可见“鸡爪纹”，具有氢致延迟（氢脆）断裂特征。

氢脆是由于氢渗入金属内部而产生的损伤，导致零件在低于材料屈服极限的静应力作用下断裂，它无征兆、具有突发性。

零件内部的氢来源途径通常包括：原材料、热处理、表面处理（如酸洗、电镀）、环境腐蚀等几个环节，而且氢在材料内部分布并不均匀，会在材料的微观缺陷或应力较大处富集。

在载荷的作用下，氢与局部应力交互作用，形成氢的局部高浓度富集。

影响零件氢脆敏感性的因素主要有：含氢量、显微组织、强度、硬度及所受应力等，基体含氢量越高，强度越大，硬度越高，所受张应力越大则越容易诱发氢脆断裂。

开裂垫圈芯部金相组织、化学成分未见明显异常，硬度测试结果表明，垫圈芯部硬度约44HRC，在设计要求的上限（44HRC）。

通常当零件的硬度大于32HRC 时就有氢脆倾向，氢脆敏感性较大。

氢含量检测结果表明，垫圈基体内氢含量为0.9ppm。

除此之外，在裂纹源附近表面观察到金属堆积现象，并且金属堆积处表面镀层完好，说明该金属堆积在垫圈压帽或其他塑性加工时产生，在垫圈安装后该部位容易引起应力集中，且应力集中部位作为氢陷阱，存在氢局部富集的可能，最终导致该处萌生微裂纹，氢原子便向裂纹尖端应力集中区扩散并聚集，使裂纹持续扩展直至垫圈开裂。

3　结论和解决方案
3.1　结论
3.1.1　垫圈断裂符合氢致延迟断裂特征；
3.1.2　导致垫圈开裂的原因为金属堆积现象加上垫圈芯部硬度过高，且基体残留一
图5　断面A1
区微观形貌
图6　断面2区微观形貌
图７
图8　垫圈芯部金相组织
1.3　金相检验
对开裂垫圈取样进行金相观察，图8所示为垫圈芯部金相组织，可见为均匀的回火索氏体，组织未见明显异常。

断口附近金相组织如图9所示，可见沿主裂纹可见分支裂纹。

1.4　硬度检测
对开裂垫圈取样进行硬度检测，结果如
表1所示从试样边缘至芯部硬度梯度。

根据“GB/T1172-1999
黑色金属硬度及强度换算
表
1　硬度检测结果
图
4　断面低倍形貌
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定的氢。

3.2　解决方案
3.2.1　垫圈硬度适当降低，改产品的
垫圈硬度要求偏高,并且是80年代引进
奥地利斯太尔车桥技术，未进行修改过。

查证国内外该类最新产品的技术要求，硬
度值都没有这么高，建议适当降低到32-
38HRC。

3.2.2　表面镀锌应采用碱性镀锌和除氢
处理。

或者采用磷化表面处理工艺代替镀锌
表面处理。

参考文献：
[1]谢颖 汉德车桥：科技创新抢占转型发展制
高点 《商用汽车》 2012年第23期106-
106.
[2]李静 吴秋艳 车轮螺栓及车轮螺母设计优化
《汽车实用技术》 2012年第4期 91-93.
[3]李剑玉十字槽沉头螺钉断裂失效分析《理
化检验：物理分册》2018年，卷54，期2.图9　断口附近金相组织
表2　试样化学成分分析结果（%）
功能：每次更换丝堵需要手动操作的动作过
多，设置一键人工换料的固定程序方便员工
操作，并提高效率；（4）中转区缺料的自动
填料功能：设备重启后，设备逻辑状态可能
会丢失，出现设备报警或节拍浪费，设置程
序当中转区没有丝堵的情况时优先对中转区
进行补料。

5　设计特点及可推广性
（1）本设备设计采用的薄壁夹爪，使用
特殊的弹簧片在兼容中转区转换的情况下夹
定丝堵，而非行业内普遍应用的磁性夹取，
避免了磁化带来的质量风险的同时，实现了
在狭小空间的拧紧动作；（2）本设备采用真
空吸附方式配合视觉系统定位的方式进行零
件抓取，真空吸附的兼容性、可操作性极强，
可抓取零件的种类十分多样化，提升该方案
应用扩展性；（3）对于视觉系统的应用，行
业内多采用视觉系统固定在被拍摄工件上方，
而本设备为保证每盒丝堵的3层深度都能够
被清晰拍照，将视觉系统集成在机器人抓手
上，为后续的视觉应用扩展提供可能；（4）
本设备采用利用中转区进行抓取转化的设计，
为视觉定位配合柔性抓取提供一种新的设计
思路。

6　结语
（1）缸盖水道丝堵密封对发动机冷却
系统至关重要，而水道丝堵自动拧紧工艺，
行业内多为通过排序机自动上料再进行拧
紧的方式，而排序机的两种主流设计分别
是搓板式和震动送料式，两种主流排序机
都会对丝堵的螺纹、密封胶产生一定的破
坏，引起质量风险。

本文设备将视觉定位
系统应用在其中，并通过真空吸附系统、
中转装置、弹性夹爪等完成丝堵的自动预
紧，从而完全消除对丝堵破坏的质量风险。

（2）缸盖丝堵自动预紧设备的开发，
具有创新性及可推广性，如采用真空吸附
方式的柔性抓取、采用弹簧片设计的薄壁
夹爪可在狭小空间内完成拧紧、采用机器
人带动视觉系统定位拍照、采用中转装置
完成零件的抓手转换等，为柔性拧紧的设
计提供新思路。

参考文献：
[1]陈凯，黄丙庆.基于视觉的发动机飞轮机
器人拧紧系统[J].制造业自动化，2017（5）.
[2]李群.多功能螺纹自动拧紧系统的设计与
应用
[J]. 工程技术研究，2020（18）.
作者简介
竭尽超： （1986—），男，吉林长春人，本科，
工程师，研究方向发动机制造工艺。

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