电镀高强度螺丝断裂分析.pdf

第１０卷第４期２０１６年１２月材料研究与应用ＭＡＴＥＲＩＡＬＳＲＥＳＥＡＲＣＨＡＮＤＡＰＰＬＩＣＡＴｌ０ＮＶ０１．１０，Ｎｏ．４Ｄｅｃ．２Ｏ１６——文章编号：１６７３－９９８１（２０１６）０４２７８０５电镀高强度螺丝断裂分析郭矗峰，周海生，王永明，李珍富士康科技集团鸿富锦精密电子（郑州）有限公司，河南郑州４５００００摘要：电子产品内一批次电镀紧固螺丝额定扭力装配后，放置一段时间发生断裂．通过外观和金相观察、断口和成分分析及硬度测试等，对螺丝断裂原因进行了研究，并提出了解决方案．结果表明：该批次螺丝断口为氢脆特征，基体硬度较高；在采用了双层电镀后没有后续去氢处理，是螺丝氢脆断裂的主要原因．关键词：螺丝；断裂；氢脆；电镀中图分类号：ＴＧｌ７８文献标识码：Ａ螺丝作为最常见的可拆卸紧固件，被称之为工业之米．小到手机、手表，大到飞机、桥梁，螺丝在日常生活及生产中起着必不可缺的作用．先进的螺丝是机械制造之本，远远超出其表面产值，有着四两拨千斤的效果．正因如此，螺丝的失效破坏也会带来系统层面的巨大附加损失．某厂采购一批次电镀高强度螺丝，用于电子产≥品装配．螺丝要求可承受的扭力１．２ｋｇｆ・ｃｍ，在以不大于０．５ｋｇｆ・ｃｍ额定扭力上紧螺丝，在周围涂液态胶固化，室温下放置数天后发现相当数量的螺丝发生断裂，结果造成该批次电子产品报废．螺丝生产工艺：来料热处理一螺纹加工一螺丝热处理（淬火＋中温回火）一表面电镀（镀铜＋镀镍）一检测一出厂．为找到螺丝断裂原因并规避后期风险，对该批次失效螺丝进行一系列理化检测．１试验部分选取断口新鲜且完整的失效螺丝一根，使用ＶＨＸ一６００Ｅ型３Ｄ光学显微镜观察其宏观断口形貌—进行初步判断．用ＨＩＴＡＣＨＩＳＵｌ５１０型扫描电子显微镜，对螺丝断口进行微观分析，并结合——收稿日期：２０１６０８２７作者简介：郭壶峰（１９８７一），男，河南新乡人，硕士—ＨＯＲＩＢＡＥＸ２５０型能谱分析仪，对断口位置的成分—进行分析．利用ＺＥＩＳＳＩｍａｇｅｒ．Ａ２ｍ型金相显微镜，对螺丝靠近断口位置基材的组织及螺丝镀层的结构进行观察．用日本ＭＩＴＵＴＯＹＯ维氏硬度计，对螺丝基材进行显微硬度测试．设计液体石蜡浸渍实验，定性判断螺丝是否含有超标氢．２测试与分析取失效螺丝于光学显微镜下观察，如图１所示．从图１可见：螺丝断口呈现很多小亮面，表现出脆断特征口１；断裂螺丝周围蓝色区域为已固化的固定胶，断口区域未发现残留胶，说明裂纹出现于涂胶工段后，符合实际中延迟断裂之特征．２．１断口分析２．１．１形貌及金相图２为失效螺丝的ＳＥＭ断口形貌．从图２可见，失效螺丝断口整体为沿晶断裂，呈冰糖状，晶界棱线清楚，晶面光滑．同时，螺丝断口可观察到较多二次裂纹、微孔与发纹，呈现出氢脆断口特征［１。．整个断口面无明显夹杂、氧化等异常．万方数据第１０卷第４期郭矗峰，等：电镀高强度螺丝断裂分析２７９图１失效螺丝外观（ａ）１００×：（ｂ）３００×Ｆｉｇ１Ｔｈｅｐｈｏｔｏｏｆｔｈｅｆａｉｌｅｄｓｃｒｅｗ图２失效螺丝断口微观特征（ａ）整体；（ｂ）ｌ区域；（ｃ）２区域；（ｄ）３区域Ｆｉｇ．２Ｆｒａｃｔｕｒｅｍｉｃｒｏｇｒａｐｈｏｆｔｈｅｆａｉｌｅｄｓｃｒｅｗ（ａ）ｅｎｔｉｒｅ；（ｂ）ａｒｅａ１；（ｃ）ａｒｅａ２；（ｄ）ａｒｅａ３图３为失效螺丝截面金相图．从图３可见，螺丝断口位置与基材组织均为马氏体位向分布的回火托氏体．该组织综合性能优异，且与螺丝供应商标称之热处理工艺（淬火＋中温回火）对应，无明显异常．但‘需要注意的是，此金相属于对氢脆较敏感的类型２Ｉ．万方数据２８０材料研究与应用图３失效螺丝截面金相（ａ）断口位置；（ｂ）芯部组织Ｆｉｇ．３Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｔｈｅｆａｉｌｅｄｓｃｒｅｗｉｎｃｒｏｓｓｓｅｃｔｉｏｎ（ａ）ｆｒａｃｔｕｒｅｌｏｃａｔｉｏｎ；（ｂ）ｃｏｒｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅ２．１．２成分分析表１为螺丝断口位置的能谱（ＥＤＳ）成分分析结果．由于螺丝尺寸较小且表面存在镀层，不适合采用直读光谱（Ｓｐａｒｋ）、原子发射光谱（ＩＣＰ）等手段进行成分分析，故对断口１～３区域采用ＥＤＳ法进行成分分析．由表１可知，螺丝基材为普通碳钢，成分无明显异常．表１ＥＤＳ成分测试结果Ｔａｂｌｅ１ＣｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｏｆＥＤＳａｎａｌｙｓｉｓｗ／％２．２镀层分析为保证螺丝导电及耐蚀性等要求，先后对螺丝表面进行了镀铜一镀镍处理．客户管控规格为铜层＋“镍层总厚度平均值不小于２ｍ．实际测试中发现，螺丝螺牙部分镀层较薄，根部较厚．在断裂螺丝截面“选取五点得平均镀层厚度为４．１ｍ，符合设计需求．图４为螺丝之截面切片形貌．从图４可见，断裂螺丝螺牙及螺牙根部等位置镀层连续且平整，对应的螺丝基材亦无明显缺陷或不良．２．３硬度测试依据日标ＪＩＳＺ—２２４４２００９对失效螺丝进行维氏硬度分析，结果列于表２．由表２可知，螺牙与螺图４螺丝镀层分析Ｆｉｇ．４Ｔｈｅｃｏａｔｉｎｇａｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｈｅｓｃｒｅｗ丝位置的硬度无明显差异，硬度值均在回火托氏体硬度范围内，并且符合客户的要求．表２螺丝硬度测试结果Ｔａｂｌｅ２Ｔｈｅｈａｒｄｎｅｓｓｏｆｔｈｅｆａｉｌｅｄｓｃｒｅｗ样品位置ＨＶ０．３螺牙芯部４０５４０３２．４去氢检测℃在１６０～１９０温度下，加热液体石蜡５ｍｉｎ，以便去除石蜡中残存的水分．将该批次失效螺丝清洗及干燥后，完全浸没于石蜡中，大约１０Ｓ后螺丝表面出现少量的气泡．这说明，螺丝中存在一定量的氢［３］，亦证明了螺丝氢脆断裂之判断．万方数据第ｌＯ卷第４期郭毒峰，等：电镀高强度螺丝断裂分析２８１对失效螺丝的金相、硬度、镀层及成分分析均未发现异常，装配操作恰当并保留了足够的安全系数．螺丝断口呈现冰糖状沿晶断裂，断口无夹杂等缺陷，为氢脆之典型特征．实际考察失效螺丝生产工艺，发现其经两道电镀处理后却未进行去氢处理，结合到失效螺丝延迟断裂的特征［４］，可以认定其失效原因为电镀导致的氢脆．由ＧＢ／Ｔ—３０９８．１７２０００紧固件机械性能标准中检测氢脆用预载荷试验一平行支承面法（等效于ＩＳＯ１５３３０：１９９９）推荐的检查螺丝室温条件发生氢脆的试验方法可知，预载荷试验的灵敏度取决于试验的开始时间，通常这种试验应尽快进行，即最好在制造过程结束后的２４ｈ内进行．鉴于本批次螺丝出厂时间较久，且相当数量螺丝已发生断裂，进行预载实验已失去意义，故并未进行该项检测．材料强度越大，其氢脆敏感性也越大¨］．由于钢材强度与硬度有很好的对应关系，因此实践中通常会用材料的硬度来判断材料氢脆敏感性．根据ＧＢ／Ｔ５２６７．卜２００２紧固件电镀层的要求，紧固件的表面硬度大于３２０ＨＶ时，推荐采取合理的工艺设计并进行氢脆测试；当硬度超过３６５ＨＶ时，推荐供需双方明确协议，进一步减少氢脆发生风险．本文中所测试高强螺丝基材硬度达４００ＨＶ，属于需要特别去氢的类别．供应商并未进行相关操作，进而导致了该批次产品的报废．３解决措施氢脆是材料常见缺陷之一，导致氢脆通常需要两个必要条件［６］，一是必须有氢的发生源，二是对象金属需对氢敏感．本例中的电镀工艺是失效螺丝氢的主要来源，理论上由于水分子的离解，在电镀过程中电镀溶液或多或少伴有析氢的副反应发生Ｌ７ｊ．相关研究表明，氢在金属内可能以间隙原子（后期会聚∞集为氢气３）、氢化物、甲烷气体［９３等形式存在，它们的共同特点是均会引起金属晶界结合力降低¨０１及“材料内应力增大口．由于氢脆与氢原子的扩散有关，而扩散需要时间，故氢脆通常表现为延迟断裂口２Ｉ．本例中回火托氏体钢属于常见易吸氢材质，理论上活性排在氢之前的金属都可能发生氢脆，酸性环境电镀的材质更应特别注意．实践中通常可以通过以下途径避免和消除氢‘脆５。．（１）原料控制：紧固件材料表面缺陷，如微裂纹、蚀坑、超标脱碳层等，都可能产生局部应力集中，给后期电镀埋下隐患．（２）电镀前处理：在除氧化皮时建议尽量采用吹砂等工艺除锈，必须采用酸洗时需在酸洗液中添加缓蚀剂，每次酸洗时间应严格控制．（３）电镀工艺控制：在电镀时选用碱性镀液或高电流效率的镀液，其渗氢量较少［１‘３．（４）去氢工艺：氢原子半径小，在钢铁材料中扩散速度快口］，对可能出现氢脆的电镀件，可在真空或惰性气氛中２００～℃２４０下加热２～４ｈ去氢，具体的处理温度和时间应根据零件大小、强度、镀层性质及电镀时间的长短而定，去氢加热在电镀后１ｈ（最慢３ｈ）内进行效果最佳，因为随着时间的延长氢会逐渐向零件芯部扩散，去氢加热注意不要影响材料基体力学性能且顾及镀层的强度，尤其不能在某些钢材的回火脆性区加热．４结论通过对失效的高强电镀螺丝断裂原因分析发现，螺丝沿晶、延迟断裂，是氢脆的典型特征，而材料氢脆属于紧固件严重的质量问题．螺丝供应商电镀后没有进行去氢操作，是造成螺丝失效的主要原因，可通过原料控制、电镀前处理、电镀工艺控制及去氢工艺等途径避免和消除氢脆．参考文献：［１］赵峰．金属材料检测技术［Ｍ］．长沙：中南大学出版社，２０１０：７３．［２］王荣．１０．９级高强度螺栓断裂分析ＥＪ３．理化检验一物理—分册，２０１０，４６：２６３２７３．［３］李秀兰．小型零件的去氢检验方法与再去氢热处理［Ｊ］．—金属热处理，１９９９（２）：４３４４．Ｅ４３谭莹，周崎，曹标，等．螺栓断裂原因分析ＥＪ３．金属热处—理，２００７，３２（增）：３２８３３１．［５３赵步青．胡会峰．谈谈钢铁氢脆［Ｊ３．常规热处理，２０１５，１３：３３－３５．［６］唐文忠．３５ＣｒＭｏ钢螺栓断裂原因分析ＥＪ３．金属制品，—２０１５，４１（４）：６２６４．［７］王挺，李振华．镀锌螺钉断裂分析［Ｊ］．理化检验：物理分—册，２０１５，５１：６６８６７０．［８］庞勃．浅谈影响几种常见钢氢脆的因素［Ｊ］．科技风，２０１４（１１）：４８．Ｅ９３姜锡山，赵晗．钢铁显微断口速查手册［Ｍ］．北京：机械工业出版社，２０１０：１７４．万方数据２８２材料研究与应用２０１６——————————————————————————————————————————————————————————————一［１０］ＤＪＵＫＩＣＭＢ，ＳＩＪＡＣＫＩＺＥＲＡＶＣＩＣＶ，ＢＡＫＩＣＧ，Ｅ１２］ＪＡＲＯＳＬＡＶＳ，ＰＥＴＲＡＶ，ＶＶＯＤＡＲＥＫ，ｅｔａ１．ｅｔａｌ・ＨｙｄｒｏｇｅｎｅｍｂｒｉｔｔｌｅｍｅｎｔｏｆｌｏｗｃａｒｂｏｎｓｔｒｕｃｔｕｒａｌＤｉｆｆｕｓｉｏｎｏｆｈｙｄｒｏｇｅｎｉｎｔｈｅＴＲＩＰ８００ｓｔｅｅｌｒＪ］．ｓｔｅｅｌ［Ｊ］．ＰｒｏｃｅｄｉａＭａｔｅｒｉａｌｓＳｃｉｅｎｃｅ，２０１４（３）：ＰｒｏｃｅｄｉａＭａｔｅｒｉａｌｓ—Ｓｃｉｅｎｃｅ，２０１６（１２）：６６７１．１１６７－１１７２・［１３］张昕，孔德新，刘宪伟．对电镀中氢脆现象的研究与探Ｅｌｉ］罗建东．自攻螺钉断裂与表面处理［Ｊ］．电镀与环保，—ｉＣＥＪ］．价值工程，２０１５，２５：９０９１．—２００５，２５（］）．３７３８ＦｒａｃｔｕｒｅａｎａｌｙｓｉｓｏｆｅｌｅｃｔｒｏｐｌａｔｅｈｉｇｈｓｔｒｅｎｇｔｈｓｃｒｅｗＧＵＯＹａｏｆｅｎｇ，ＺＨＯＵＨａｉｓｈｅｎｇ，ＷＡＮＧＹｏｎｇｍｉｎｇ，ＬＩ“ＺｈｅＨｏｎｇＦｕｊｉｎＰｒｅｃｉｓｉｏｎＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ（Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ）Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｚｈｅ起ｇｚ九。甜４５００００。Ｃｈｉ挖ｎＡｂｓｔｒａｃｔ：Ａｂａｔｃｈｏｆｅｌｅｃｔｒｏｐｌａｔｅｓｃｒｅｗｓｆｏｒｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｐｒｏｄｕｃｔｓｆｒａｃｔｕｒｅｄｄｕｒｉｎｇａｐｅｒｉｏｄｏｆｔｉｍｅａｆｔｅｒａｓｓｅｍｂｌａｇｅｉｎｔｈｅｒａｔｉｎｇｆｏｒｃｅ．Ｔｈｒｏｕｇｈｖｉｓｕａｌｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎ，ｆｒａｃｔｕｒｅａｎａｌｙｓｉｓ，ｃｈｅｍｉｃａｌｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎａｎａｌｙｓｌｓ，ｍｅｔａｌｌｏｇｒａｐｈｉｃｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｈａｒｄｎｅｓｓｔｅｓｔ，ｔｈｅｃｒａｃｋｒｅａｓｏｎｏｆｔｈｅｓｃｒｅｗａｎｄｔｈｅｓｏｌｕｔｉｏｎｗｉｌｌｂｅｐｒｏｄｕｃｅｄ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｓｔｈａｔｔｈｅｓｃｒｅｗｓｗｉｔｈａｈｉｇｈｅｒｈａｒｄｎｅｓｓ，ａｎｄｈａｖｅｔｈｅｆｅａｔｕｒｅｏｆｈｙｄｒｏｇｅｎｉｎｄｕｃｅｄｄｅｌａｙｅｄｆｒａｃｔｕｒｅ，ｗｈｉｃｈｍｅａｎｓｔｈｅｈｙｄｒｏｇｅｎｈａｄｂｅｅｎｎｏｔｅｌｉｍｉｎａｔｅｄａｆｔｅｒｔｗｉｃｅｅｌｅｃｔｒｏｐｌａｔｅｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｃｒｅｗ；ｆｒａｃｔｕｒｅ；ｈｙｄｒｏｇｅｎｅｍｈｒｉｔｔｌｅｍｅｎｔ；ｅｌｅｃｔｒｏｐｌａｔｅ万方数据