设备工程紧固件质量控制研究.doc

设备工程紧固件质量控制研究紧固件俗称螺丝螺母，属机械基础零件，被誉为“工业之米”。资料显示，目前中国紧固件生产和贸易企业近1万家，从业人员100多万人，已经发展成了全球最大的紧固件生产国。国内紧固件行业的快速成长，大大促进了汽车工业、电子产品、电子设备、机械设备、建筑以及一般工业的快速发展，也成为确保装配制造业得以迅速发展壮大大的基础，然而虽然通过向国外先进企业学习和引进管理经验，国内紧固件管理规范化、产品质量得以大大提升，但是仍存在相当广泛的低价竞争，对紧固件质量控制不到位的现象，造成了相当程度的质量风险。在全面推进装备制造业大力发展的形势下，由于紧固件质量问题，导致设备故障或者损坏的事件也屡屡发生。如何在目前形势下，做好设备工程紧固件质量控制，成为国内从业者不得不认真思考、严肃对待的紧迫任务之一。1 紧固件工艺控制1.1紧固件分类设备工程中所使用的紧固件根据所用原材料可分为碳钢紧固件、合金钢紧固件和不锈钢紧固件；按照强度可分为普通紧固件和高强度紧固件；按照标准化程度可分为标准紧固件和非标紧固件。1.1.1 碳钢、合金钢、不锈钢碳钢主要指碳的质量分数小于2.11%而不含有特意加入的合金元素的钢，有时也称为普碳钢或碳素钢，碳钢除含碳外一般还含有少量的硅、锰、硫、磷。合金钢指钢里除铁、碳外，加入其他的元素，就叫合金钢。 在普通碳素钢基础上添加适量的一种或多种合金元素而构成的铁碳合金。根据添加元素的不同，并采取适当的加工工艺，可获得高强度、高韧性、耐磨、耐腐蚀、耐低温、耐高温、无磁性等特殊性能。不锈钢为含铬量大于12%，具有耐空气、蒸汽、水等弱腐蚀介质和酸、碱、盐等化学浸蚀介质腐蚀的钢。通常将耐弱腐蚀的钢称为不锈钢；将耐化学介质腐蚀的钢称为不锈耐酸钢。1.1.2紧固件等级紧固件（螺栓）性能等级分3.6、4.6、4.8、5.6、6.8、8.8、9.8、10.9、12.9等10余个等级，其中8.8级及以上螺栓材质为低碳合金钢或中碳钢并经热处理（淬火、回火），通称为高强度螺栓，8.8级以下通称为普通螺栓。1.2生产工艺流程1.2.1低碳钢、合金钢紧固件生产工艺流程低碳钢、合金钢生产工艺流程，主要包括：原材料检验拉丝成型（冷镦/温镦）搓丝（滚丝）表面去污热处理（淬火、回火）表面处理（磷化、冷镀锌、热镀锌、达克罗、特富龙）成品检验（外观检验、硬度试验、拉伸试验、冲击试验、扭矩试验、盐雾试验等）包装。1.2.1.1原材料检验利用激光分析仪等方式进行原材料化学成分分析。1.2.1.2拉丝拉丝工艺是一种金属加工工艺。在外力作用下使金属强行通过模具，金属横截面积被压缩，并获得所要求的横截面积形状和尺寸的技术加工方法称为金属拉丝工艺。1.2.1.3成型紧固件成型主要分为冷镦、温镦两种方式。冷镦是利用模具在常温下对金属棒料镦粗（常为局部镦粗）成形的锻造方法。通常用来制造螺钉、螺栓、铆钉等的头部。可以减少或代替切削加工。锻坯材料可以是铜铝碳钢合金钢不锈钢和钛合金等材料利用率可达8090%。冷镦多在专用的冷镦机上进行便于实现连续多工位自动化生产。在冷镦机上能顺序完成切料镦头聚积成形倒角搓丝缩径和切边等工序。温镦，又名红冲，是采用电磁感应加热中频炉加温或者乙炔、液化气对材料进行加热，利用机器的镦制压力，自动送料、自动切料、自动冲压、自动落料。使产品在模具中一次成型，可镦制球形、六角形、筒形、阀体等不规则零件。采用该工艺后，可对材质降低要求，减轻成本，可使产品一次成型，减少了工序，可镦制深孔和多孔零件，解决了零件复杂的难题，可连续性生产提高了效率。1.2.1.4搓丝、滚丝两搓板作相对运动时，使其间的坯料轧成螺旋状的沟槽的加工方法。滚丝机是一种多功能冷挤压成形机床，滚丝机能在其滚压力范围内冷态下对工件进行螺纹、直纹、斜纹滚压等处理；直齿、斜齿及斜花键齿轮的滚轧；校直、缩径、滚光和各种成形滚压。1.2.1.5 表面去污通过化学方式，去除表面油污和其它杂质。1.2.1.6 热处理（淬火、回火）钢的淬火是将钢加热到临界温度Ac3（亚共析钢）或Ac1（过共析钢）以上温度，保温一段时间，使之全部或部分奥氏体1化，然后以大于临界冷却速度的冷速快冷到Ms以下（或Ms附近等温）进行马氏体转变的热处理工艺。淬火可以提高金属工件的硬度及耐磨性，因而广泛用于各种工、模、量具及要求表面耐磨的零件（如齿轮、轧辊、渗碳零件等）。通过淬火与不同温度的回火配合，可以大幅度提高金属的强度、韧性及疲劳强度，并可获得这些性能之间的配合（综合机械性能）以满足不同的使用要求。另外淬火还可使一些特殊性能的钢获得一定的物理化学性能，如淬火使永磁钢增强其铁磁性、不锈钢提高其耐蚀性等。回火是工件淬硬后加热到AC1以下的某一温度，保温一定时间，然后冷却到室温的热处理工艺。回火一般紧接着淬火进行，其目的是：（a）消除工件淬火时产生的残留应力，防止变形和开裂；（b）调整工件的硬度、强度、塑性和韧性，达到使用性能要求；（c）稳定组织与尺寸，保证精度；（d）改善和提高加工性能。因此，回火是工件获得所需性能的最后一道重要工序。1.2.1.7表面处理磷化是一种化学与电化学反应形成磷酸盐化学转化膜的过程，所形成的磷酸盐转化膜称之为磷化膜。磷化的目的主要是：给基体金属提供保护，在一定程度上防止金属被腐蚀；用于涂漆前打底，提高漆膜层的附着力与防腐蚀能力。 冷镀锌也叫电镀锌，是利用电解设备将管件经过除油、酸洗、后放入成分为锌盐的溶液中，并连接电解设备的负极，在管件的对面放置锌版，连接在电解设备的正极接通电源，利用电流从正极向负极的定向移动就会在管件上沉积一层锌，冷镀管件是先加工后镀锌。热镀锌也叫热浸锌和热浸镀锌：是将除锈后的钢件浸入500左右融化的锌液中，使钢构件表面附着锌层，从而起到防腐的目的。 热镀锌工艺流程：成品酸洗-水洗-加助镀液-烘干-挂镀-冷却-药化-清洗-打磨-热镀锌完工。通常电镀锌层厚度515m，而热镀锌层一般在35m以上，甚至高达200m。热镀锌覆盖能力好，镀层致密，无有机物夹杂。热镀锌对基体金属铁的抗大气腐蚀能力优于电镀锌。达克罗是DACROMET译音和缩写，简称达克罗、达克锈、迪克龙，是一种以锌粉、铝粉、铬酸和去离子水为主要成分的新型的防腐涂料。达克罗工艺流程为：有机溶剂除油机械抛光喷涂烘烤二次喷涂烘烤干燥达克罗是一种新型的表面处理技术，与传统的电镀工艺相比，达克罗是一种“绿色电镀”。其优势有以下几点：1.超强的耐蚀性能：达克罗膜层的厚度仅为4-8m，但其防锈效果却是传统电镀锌、热镀锌或涂料涂覆法的7-10倍以上。采用达克罗工艺处理的标准件、管接件经耐盐雾试验1200h以上未出现红锈；2.无氢脆性：达克罗的处理工艺决定了达克罗没有氢脆现象，所以达克罗非常适合受力件的涂覆；3.高耐热性：达克罗可以耐高温腐蚀，耐热温度可达300以上。特富龙大约70年前，化学家罗伊普朗克特（Roy J. Plunkett）博士在杜邦位于美国新泽西州的Jackson实验室中发明了聚四氟乙烯树脂，杜邦公司以“Teflon”作为该产品的商标名称。在中国， “Teflon”这一商标又被称之为特氟龙、特富龙等。特富龙（聚四氟乙烯）有很强的耐腐蚀性，几乎不受药品侵蚀，能够承受除了熔融的碱金属，氟化介质以及高于300氢氧化钠之外的所有强酸（包括王水）、强氧化剂、还原剂和各种有机溶剂的作用，可以保护零件免于遭受任何种类的化学腐蚀。1.2.1.8磁粉探伤利用钢铁制品表面和近表面缺陷（如裂纹，夹渣，发纹等）磁导率和钢铁磁导率的差异，磁化后这些材料不连续处的磁场将发生崎变，形成部分磁通泄漏处工件表面产生了漏磁场，从而吸引磁粉形成缺陷处的磁粉堆积磁痕，在适当的光照条件下，显现出缺陷位置和形状，对这些磁粉的堆积加以观察和解释，就实现了磁粉探伤。1.2.1.9 硬度试验测量固体材料表面硬度的一种材料机械性能试验。紧固件硬度试验应用较多的有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度试验 3种方法。布氏硬度试验适用于各种退火状态下的钢材、铸铁和有色金属，一般用于硬度小于HB 450的场合，布氏硬度压痕较大，一般以10mm及2.5mm的钢球应用最为广泛，因此布氏硬度检测的硬度值最为代表性，较易得出材料的平均硬度，但所测工件表面压痕明显，不适用于检测成品件。洛氏硬度试验适用于各种钢材、有色金属、淬火后的高硬工件和硬质合金等，因其压痕较小，常用于检测成品及半成品的硬度，但对于组织不均匀的材质会出现检测硬度差别较大的可能性。维氏硬度试验适于用来测定金属镀层或化学热处理后的表面层硬度。1.2.1.10 拉伸试验拉伸试验是指在承受轴向拉伸载荷下测定材料特性的试验方法。利用拉伸试验得到的数据可以确定材料的弹性极限、伸长率、弹性模量、比例极限、面积缩减量、拉伸强度、屈服点、屈服强度和其它拉伸性能指标。从高温下进行的拉伸试验可以得到蠕变数据。1.2.1.11冲击试验冲击试验一般是确定设备在经受外力冲撞或作用时产品的安全性、可靠性和有效性的一种试验方法，主要设备是冲击试验机（摆锤式和落锤式），包括手动冲击试验机、半自动冲击试验机、全自动冲击试验机。1.2.1.12扭转试验扭转试验是测定材料抵抗扭矩作用的一种试验，是材料机械性能试验的基本试验方法之一。扭转试验可以测定脆性材料和塑性材料的强度和塑性，对于制造经常承受扭矩的零件如轴、弹簧等材料常需进行扭转试验。扭转试验在扭转试验机上进行，试验时在圆柱形试样的标距两端施加扭矩，这时在试样标距的两个截面间产生扭转角，根据和的变化可绘制成扭转图，同时可得到相应的应力-应变图，p对应扭转比例极限p；0.3对应扭转屈服强度0.3(产生0.3%残余切应变时的应力) ；b对应扭转强度极限b。扭转试样的断口形状能反映出材料性能和受力情况。如断口的断面与试样轴线垂直，材料呈塑性，是切应力作用的结果；如断口断面与试样轴线约成45角，材料呈脆性，是正应力作用的结果。1.2.1.13盐雾试验盐雾试验是一种主要利用盐雾试验设备所创造的人工模拟盐雾环境条件来考核产品或金属材料耐腐蚀性能的环境试验。盐雾试验的目的是为了考核产品或金属材料的耐盐雾腐蚀质量，而盐雾试验结果判定正是对产品质量的宣判，它的判定结果是否正确合理，是正确衡量产品或金属抗盐雾腐蚀质量的关键。盐雾试验结果的判定方法有：评级判定法、称重判定法、腐蚀物出现判定法、腐蚀数据统计分析法。评级判定是把腐蚀面积与总面积之比的百分数按一定的方法划分成几个级别，以某一个级别作为合格判定依据，它适合平板样品进行评价。称重判定是通过对腐蚀试验前后样品的重量进行称重的方法，计算出受腐蚀损失的重量来对样品耐腐蚀质量进行评判，它特别适用于对某种金属耐腐蚀质量进行考核。腐蚀物是一种定性的判定法，它以盐雾腐蚀试验后，产品是否产生腐蚀现象来对样品进行判定，一般产品标准中大多采用此方法。1.2.2不锈钢紧固件生产工艺流程不锈钢紧固件生产工艺流程，主要包括：原材料检验皮膜处理拉丝成型搓丝（攻丝）酸洗钝化成品检验包装。不锈钢生产工艺流程中除皮膜处理和酸洗钝化是特有的工艺外，其它工艺与低碳钢、合金钢同名工艺是一致的。1.2.2.1皮膜处理为了保护后续加工模具，在原线材上覆盖一层保护膜的处理工艺。1.2.2.2 酸洗钝化对不锈钢全面酸洗钝化，清除各类油污、锈、氧化皮、焊斑等污垢，处理后表面变成均匀银白色，大大提高不锈钢抗腐蚀性能，适用于各种型号不锈钢零件、板材及其设备。2 典型案例案例一： 2011年7月5日，北京地铁四号线扶梯逆行事故。事件描述：2011年7月5日，北京地铁四号线扶梯运行中驱动主机固定螺栓发生断裂，造成主机倾覆，驱动链条脱落，梯级失去上行动力逆向下滑，辅助制动器开关未正常启动，导致事故发生，造成1死30伤的惨剧，引发全国关注。事件原因：一是由于事故扶梯从双主机到单主机的设计变更，未进行动载荷设计核算，构成设计缺陷；二是螺栓长度和螺栓附着面加工不符合设计要求，制造存在缺陷；三是主机固定螺栓松动、安全保护装置调整不正确，日常维护保养不符合要求。案例二：俄罗斯萨场-舒申斯克水电站发生特别重大安全事故。事件描述：俄罗斯萨扬电站安装10台640WM机组，型号为混流式机组O-230/833-B-677型，2009年8月17日，2号机自动降低负荷在震动区运行，水轮机顶盖螺栓断裂，机组甩出基坑，水淹厂房，其他机组电器短路，造成不同程度的损伤造成75人死亡，13人受伤，2#、7#、9#发电机报废，厂房结构严重破坏，经济损失约70亿卢布。事件原因：用于将顶盖紧固在水轮机座环上的80个螺栓中的49个螺栓，在事故发生时未能起到“联结紧固”的作用，成为酿成这一悲剧的直接原因。在对这关键的49个螺栓断口逐个检验后发现，有41个螺栓螺纹断裂的疲劳断口面积平均达64.9。断口面积占螺栓面积70以上的螺栓有14个，甚至有8个螺栓断口断裂面积超过90！也就是说，螺栓已完全失去承载能力。用探伤方法检验后还发现螺母上有较长不连续的裂缝，螺圈上也有本不容许存在的缺陷。案例三：2012年10月20日，某工程用循环水泵调试过程中发生泵壳漏水导致设备被淹事件。事件描述：2012年10月20日，某工程调试期间，发现泵壳喷水，拆卸过程中发现整台泵20根螺栓中总共15根螺栓发生断裂。事件原因：选择螺栓强度螺柱强度性能等级（8.8）不满足设计规范要求（12.9），该螺栓在过载服役的情况下，在受应力较高的第一齿螺纹根部产生裂纹，该裂纹不断扩展最终导致断裂。案例四：2012年8月15日，某工程用泵发生多起紧固件断裂及严重锈蚀事件。事件描述：2012年8月15日，某工程用泵在安装期间发生叶轮螺钉锈蚀严重，螺钉材质0Cr17Ni12Mo2（奥氏体不锈钢），该材质不耐海水腐蚀；2012年9月20日，泵用电机支架脚螺栓在力矩紧固过程中出现断裂；2012年9月27日，水力部件回装时，一根泵壳主螺栓在力矩紧固过程中断裂。事件原因：1）叶轮螺钉锈蚀：设计选型时未考虑海水的腐蚀性，材质错误选择了奥氏体不锈钢和马氏体不锈钢，而不是选择适用海水介质的双相不锈钢，属于设计缺陷。2）主螺栓断裂：调质热处理后的抗拉强度值低于合同约定执行的标准GB/T1220中的要求值，材料性能不满足要求。3）电机支架脚螺柱断裂：原材料内部已有裂纹，在其后的预紧过程中裂纹发生扩展，造成断裂。案例五：某电力工程柴油发电机带滑油泵联接螺栓断裂事件。事件描述：2013年4月2日，某电力工程施工期间，技术人员巡视中发现柴油机组带滑油泵联接螺栓5枚中有3枚断裂。事件原因：紧固件采购过程、入厂复检、设备装配工艺过程管理存在严重缺陷，导致不合格紧固件引入并用于柴油机组。3 发生紧固件质量问题的主要因素对上述案例的事后调查显示，选用不合格的紧固件是造成设备质量问题及严重事故的根本原因。而之所以产生不合格紧固件在设备工程中误用的漏洞，除了产品设计中对紧固件材料选择要求、紧固件制造环节质量控制与管理不到位外，流通环节及设备制造厂内对紧固件管理也是重要的影响因素。3.1 紧固件设计选型由于不同材料和等级紧固件所适用的场合不同，设备设计中应结合紧固件使用场合、承受动载荷等因素，对所使用的紧固件从原材料选择、性能等级等各个方面提出细化要求。多起事故调查发现产品设计中紧固件选择错误是影响产品质量的主要因素之一。3.2 原材料控制原材料控制包括原材料采购、到货检验和库存管理等三个方面的内容。由于紧固件制造门槛较低，生产企业众多，为了通过降低成本获得市场，部分紧固件生产企业把成本控制的主要目标落实到原材料进货渠道上，选择国内部分小钢厂的劣质钢材。原材料到货检验是把好入厂关的重要手段，调查发现，部分企业对于原材料检验不到位，未做化学成份分析，未进行有效标识，就将紧固件使用到设备制造过程中。原材料库存管理的目的是做到原料与标识一一对应，分类存放，不发生碳钢与不锈钢由于混放造成污染事件。但是相当部分紧固件制造企业，尤其是较小的紧固件企业都存在不同程度的混放，同时未对入库、出库、库存材料进行有效识别、建档跟踪、复检工作。由于原材料管理人员经常为兼职，且未有对原材料入库信息的复核手段，出现了原材料档案不全、遗失、任意修改、甚至与原物不符的情况，导致紧固件的质量存在潜在风险。3.3 热处理工艺（淬回火）热处理工艺方面存在的质量问题主要有：1、淬回火工艺要求的温度、时间未量化，没有规范的制定热处理工艺文件，温度、时间的控制全凭操作工人根据经验判断；2、设备老化，仪器失效，通常表现为所使用的设备已超过服役期、仪器仪表已失灵，且没有进行有效的维修或校验，导致热处理质量堪忧。3.4 表面防腐受环境因素或工厂规模影响，相当部分紧固件制造企业都未紧固件表面防腐车间，产品成型后，外委其他单位进行表面防腐处理。表面防腐不到位，尤其是镀层厚度不足、镀层不均匀是影响紧固件防腐的主要因素。3.5 成品检验紧固件成品检验，包括外观检验及试验检测等各项内容。中等规模以上紧固件生产企业都实现了小规格紧固件外观检验的自动检验；磁粉探伤、涡流检测是通过人工目视检测大规格的非标紧固件质量的主要手段。外观检验为全检项目。硬度试验、拉伸试验、冲击试验、扭转试验、盐雾试验等试验项目抽样试验，根据紧固件等级、使用目的、场合需要开展针对性的抽样试验。成品检验中出现质量问题的主要因素是部分企业无论是目视检验还是成品试验中都在走形式，没有有效的试验报告、部分检测仪器未及时进行检定和校准工作。3.6 流程管理紧固件生产期间有效的流程管理是涵盖每一批紧固件从原材料入库到成品出厂的所有相应信息，包括原材料材质、炉批号、工艺记录、操作人员、试验结果等在内的工艺流程文件信息。但部分紧固件生产企业工艺流程信息与产品分离，一线工人作业流程中看不到相关质量文件信息，质量文件只是在管理人员手中流转，增加了材料混用的风险。设备制造与成套期间有效的管理也是紧固件控制的关键环节。调查发现目前由于营销流转环节各种因素影响，造成不符合要求的紧固件走入设备制造阶段不在少数，存在部分经销商或零售商，出于经济等原因考虑，以次充好，甚至长期销售不符合质量要求的紧固件的情况。同时制造阶段也存在由于部分设备供应商库存管理不善，以及车间二级库未有严格管控手段，导致紧固件混用的情况发生。4 设备工程紧固件质量控制措施为杜绝由于紧固件质量原因导致的设备事故，应加强紧固件使用全流程管理，从选用管理先进、信誉好、质量控制严格的紧固件供应商，加强过程管理，同时加强对流通环节及设备制造期间的紧固件管理。4.1 加强原材料控制一是产品设计中对紧固件材质、性能参数提出详细要求；二是要求紧固件制造企业选择有质量保障的钢厂（或研究所）生产的材料，同时做到每一批入库原材料的到货检验，做好化学成分分析，并