郭垚峰，周海生，王永明，李 珍

富士康科技集團(tuán)鴻富錦精密電子(鄭州)有限公司，河南 鄭州 450000

電鍍高強(qiáng)度螺絲斷裂分析

郭垚峰，周海生，王永明，李 珍

富士康科技集團(tuán)鴻富錦精密電子(鄭州)有限公司，河南 鄭州 450000

電子產(chǎn)品內(nèi)一批次電鍍緊固螺絲額定扭力裝配后，放置一段時間發(fā)生斷裂．通過外觀和金相觀察、斷口和成分分析及硬度測試等，對螺絲斷裂原因進(jìn)行了研究，并提出了解決方案．結(jié)果表明:該批次螺絲斷口為氫脆特征，基體硬度較高;在采用了雙層電鍍后沒有后續(xù)去氫處理,是螺絲氫脆斷裂的主要原因．

螺絲；斷裂；氫脆；電鍍

螺絲作為最常見的可拆卸緊固件，被稱之為工業(yè)之米．小到手機(jī)、手表，大到飛機(jī)、橋梁，螺絲在日常生活及生產(chǎn)中起著必不可缺的作用．先進(jìn)的螺絲是機(jī)械制造之本，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出其表面產(chǎn)值，有著四兩撥千斤的效果．正因如此，螺絲的失效破壞也會帶來系統(tǒng)層面的巨大附加損失．

某廠采購一批次電鍍高強(qiáng)度螺絲，用于電子產(chǎn)品裝配．螺絲要求可承受的扭力≥1.2 kgf·cm，在以不大于0.5 kgf·cm額定扭力上緊螺絲，在周圍涂液態(tài)膠固化，室溫下放置數(shù)天后發(fā)現(xiàn)相當(dāng)數(shù)量的螺絲發(fā)生斷裂，結(jié)果造成該批次電子產(chǎn)品報廢．螺絲生產(chǎn)工藝：來料熱處理→螺紋加工→螺絲熱處理(淬火+中溫回火)→表面電鍍(鍍銅+鍍鎳)→檢測→出廠．為找到螺絲斷裂原因并規(guī)避后期風(fēng)險，對該批次失效螺絲進(jìn)行一系列理化檢測．

1 試驗部分

選取斷口新鮮且完整的失效螺絲一根，使用VHX-600E型3D光學(xué)顯微鏡觀察其宏觀斷口形貌進(jìn)行初步判斷．用HITACHI-SU1510型掃描電子顯微鏡，對螺絲斷口進(jìn)行微觀分析，并結(jié)合HORIBA-EX250型能譜分析儀，對斷口位置的成分進(jìn)行分析．利用ZEISS-Imager.A2m型金相顯微鏡，對螺絲靠近斷口位置基材的組織及螺絲鍍層的結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察．用日本MITUTOYO維氏硬度計，對螺絲基材進(jìn)行顯微硬度測試．設(shè)計液體石蠟浸漬實驗，定性判斷螺絲是否含有超標(biāo)氫．

2 測試與分析

取失效螺絲于光學(xué)顯微鏡下觀察，如圖1所示．從圖1可見：螺絲斷口呈現(xiàn)很多小亮面，表現(xiàn)出脆斷特征[1]；斷裂螺絲周圍藍(lán)色區(qū)域為已固化的固定膠，斷口區(qū)域未發(fā)現(xiàn)殘留膠，說明裂紋出現(xiàn)于涂膠工段后，符合實際中延遲斷裂之特征．

2.1 斷口分析

2.1.1 形貌及金相

圖2為失效螺絲的SEM斷口形貌．從圖2可見，失效螺絲斷口整體為沿晶斷裂，呈冰糖狀，晶界棱線清楚，晶面光滑．同時，螺絲斷口可觀察到較多二次裂紋、微孔與發(fā)紋，呈現(xiàn)出氫脆斷口特征[1]．整個斷口面無明顯夾雜、氧化等異常．

圖1 失效螺絲外觀 (a)100×；(b)300×Fig.1 The photo of the failed screw

圖2 失效螺絲斷口微觀特征(a)整體；(b)1區(qū)域；(c)2區(qū)域；(d)3區(qū)域Fig.2 Fracture micrograph of the failed screw(a)entire；(b) area 1；(c) area 2；(d) area 3

圖3為失效螺絲截面金相圖．從圖3可見，螺絲斷口位置與基材組織均為馬氏體位向分布的回火托氏體.該組織綜合性能優(yōu)異，且與螺絲供應(yīng)商標(biāo)稱之熱處理工藝(淬火+中溫回火)對應(yīng)，無明顯異常．但需要注意的是，此金相屬于對氫脆較敏感的類型[2]．

圖3 失效螺絲截面金相(a)斷口位置； (b)芯部組織Fig.3 Microstructure of the failed screw in cross section(a)fracture location；(b) core structure

2.1.2 成分分析

表1為螺絲斷口位置的能譜(EDS)成分分析結(jié)果．由于螺絲尺寸較小且表面存在鍍層，不適合采用直讀光譜(Spark)、原子發(fā)射光譜(ICP)等手段進(jìn)行成分分析，故對斷口1～3區(qū)域采用EDS法進(jìn)行成分分析．由表1可知，螺絲基材為普通碳鋼，成分無明顯異常．

表1 EDS成分測試結(jié)果

2.2 鍍層分析

為保證螺絲導(dǎo)電及耐蝕性等要求，先后對螺絲表面進(jìn)行了鍍銅-鍍鎳處理．客戶管控規(guī)格為銅層+鎳層總厚度平均值不小于2 μm．實際測試中發(fā)現(xiàn)，螺絲螺牙部分鍍層較薄，根部較厚．在斷裂螺絲截面選取五點得平均鍍層厚度為4.1 μm，符合設(shè)計需求．圖4為螺絲之截面切片形貌．從圖4可見，斷裂螺絲螺牙及螺牙根部等位置鍍層連續(xù)且平整，對應(yīng)的螺絲基材亦無明顯缺陷或不良．

圖4 螺絲鍍層分析Fig.4 The coating analysis of the screw

2.3 硬度測試

依據(jù)日標(biāo)JIS Z 2244-2009對失效螺絲進(jìn)行維氏硬度分析，結(jié)果列于表2．由表2可知，螺牙與螺絲位置的硬度無明顯差異，硬度值均在回火托氏體硬度范圍內(nèi)，并且符合客戶的要求．

表2 螺絲硬度測試結(jié)果

2.4 去氫檢測

在160～190 ℃溫度下，加熱液體石蠟5 min，以便去除石蠟中殘存的水分．將該批次失效螺絲清洗及干燥后，完全浸沒于石蠟中，大約10 s后螺絲表面出現(xiàn)少量的氣泡．這說明，螺絲中存在一定量的氫[3]，亦證明了螺絲氫脆斷裂之判斷．

對失效螺絲的金相、硬度、鍍層及成分分析均未發(fā)現(xiàn)異常，裝配操作恰當(dāng)并保留了足夠的安全系數(shù)．螺絲斷口呈現(xiàn)冰糖狀沿晶斷裂，斷口無夾雜等缺陷，為氫脆之典型特征．

實際考察失效螺絲生產(chǎn)工藝，發(fā)現(xiàn)其經(jīng)兩道電鍍處理后卻未進(jìn)行去氫處理，結(jié)合到失效螺絲延遲斷裂的特征[4]，可以認(rèn)定其失效原因為電鍍導(dǎo)致的氫脆．由GB/T 3098.17-2000緊固件機(jī)械性能標(biāo)準(zhǔn)中檢測氫脆用預(yù)載荷試驗—平行支承面法(等效于ISO 15330:1999)推薦的檢查螺絲室溫條件發(fā)生氫脆的試驗方法可知，預(yù)載荷試驗的靈敏度取決于試驗的開始時間，通常這種試驗應(yīng)盡快進(jìn)行，即最好在制造過程結(jié)束后的24 h內(nèi)進(jìn)行．鑒于本批次螺絲出廠時間較久，且相當(dāng)數(shù)量螺絲已發(fā)生斷裂，進(jìn)行預(yù)載實驗已失去意義，故并未進(jìn)行該項檢測．

材料強(qiáng)度越大，其氫脆敏感性也越大[5]．由于鋼材強(qiáng)度與硬度有很好的對應(yīng)關(guān)系，因此實踐中通常會用材料的硬度來判斷材料氫脆敏感性．根據(jù)GB/T 5267.1-2002緊固件電鍍層的要求，緊固件的表面硬度大于320HV時，推薦采取合理的工藝設(shè)計并進(jìn)行氫脆測試；當(dāng)硬度超過365HV時，推薦供需雙方明確協(xié)議，進(jìn)一步減少氫脆發(fā)生風(fēng)險．本文中所測試高強(qiáng)螺絲基材硬度達(dá)400HV，屬于需要特別去氫的類別．供應(yīng)商并未進(jìn)行相關(guān)操作，進(jìn)而導(dǎo)致了該批次產(chǎn)品的報廢．

3 解決措施

氫脆是材料常見缺陷之一，導(dǎo)致氫脆通常需要兩個必要條件[6],一是必須有氫的發(fā)生源，二是對象金屬需對氫敏感．本例中的電鍍工藝是失效螺絲氫的主要來源，理論上由于水分子的離解，在電鍍過程中電鍍?nèi)芤夯蚨嗷蛏侔橛形鰵涞母狈磻?yīng)發(fā)生[7]．相關(guān)研究表明，氫在金屬內(nèi)可能以間隙原子(后期會聚集為氫氣[8])、氫化物、甲烷氣體[9]等形式存在，它們的共同特點是均會引起金屬晶界結(jié)合力降低[10]及材料內(nèi)應(yīng)力增大[11]．由于氫脆與氫原子的擴(kuò)散有關(guān)，而擴(kuò)散需要時間，故氫脆通常表現(xiàn)為延遲斷裂[12]．本例中回火托氏體鋼屬于常見易吸氫材質(zhì)，理論上活性排在氫之前的金屬都可能發(fā)生氫脆，酸性環(huán)境電鍍的材質(zhì)更應(yīng)特別注意．

實踐中通?？梢酝ㄟ^以下途徑避免和消除氫脆[5]．(1)原料控制：緊固件材料表面缺陷，如微裂紋、蝕坑、超標(biāo)脫碳層等，都可能產(chǎn)生局部應(yīng)力集中，給后期電鍍埋下隱患．(2)電鍍前處理：在除氧化皮時建議盡量采用吹砂等工藝除銹，必須采用酸洗時需在酸洗液中添加緩蝕劑，每次酸洗時間應(yīng)嚴(yán)格控制．(3)電鍍工藝控制：在電鍍時選用堿性鍍液或高電流效率的鍍液，其滲氫量較少[13]．(4)去氫工藝：氫原子半徑小，在鋼鐵材料中擴(kuò)散速度快[5]，對可能出現(xiàn)氫脆的電鍍件，可在真空或惰性氣氛中200～240 ℃下加熱2～4 h去氫，具體的處理溫度和時間應(yīng)根據(jù)零件大小、強(qiáng)度、鍍層性質(zhì)及電鍍時間的長短而定，去氫加熱在電鍍后1 h(最慢3 h)內(nèi)進(jìn)行效果最佳，因為隨著時間的延長氫會逐漸向零件芯部擴(kuò)散，去氫加熱注意不要影響材料基體力學(xué)性能且顧及鍍層的強(qiáng)度，尤其不能在某些鋼材的回火脆性區(qū)加熱．

4 結(jié) 論

通過對失效的高強(qiáng)電鍍螺絲斷裂原因分析發(fā)現(xiàn)，螺絲沿晶、延遲斷裂，是氫脆的典型特征，而材料氫脆屬于緊固件嚴(yán)重的質(zhì)量問題．螺絲供應(yīng)商電鍍后沒有進(jìn)行去氫操作，是造成螺絲失效的主要原因，可通過原料控制、電鍍前處理、電鍍工藝控制及去氫工藝等途徑避免和消除氫脆．

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Fracture analysis of electroplate high strength screw

GUO Yaofeng，ZHOU Haisheng，WANG Yongming，LI Zhen

HongFujinPrecisionElectronics(Zhengzhou)Co．，Ltd．，Zhengzhou450000，China

Abatchofelectroplatescrewsforelectronicproductsfracturedduringaperiodoftimeafterassemblageintheratingforce．Throughvisualinspection,fractureanalysis,chemicalcompositionanalysis,metallographicmicrostructureandhardnesstest,thecrackreasonofthescrewandthesolutionwillbeproduced．Theresultsshowsthatthescrewswithahigherhardness,andhavethefeatureofhydrogeninduceddelayedfracture,whichmeansthehydrogenhadbeennoteliminatedaftertwiceelectroplates．

screw；fracture；hydrogenembrittlement；electroplate

2016-08-27

郭垚峰(1987-)，男，河南新鄉(xiāng)人，碩士.

1673-9981(2016)04-278-05

TG178

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