电镀高强度螺丝断裂分析

郭垚峰，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

电镀高强度螺丝断裂分析

郭垚峰，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

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．

螺丝；断裂；氢脆；电镀

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≥1.2 kgf·cm，在以不大于0.5 kgf·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→螺纹加工→螺丝热处理(淬火+中温回火)→表面电镀(镀铜+镀镍)→检测→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-600E型3D光学显微镜观察其宏观断口形貌进行初步判断．用HITACHI-SU1510型扫描电子显微镜，对螺丝断口进行微观分析，并结合HORIBA-EX250型能谱分析仪，对断口位置的成分进行分析．利用ZEISS-Imager.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[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．

图1 失效螺丝外观 (a)100×；(b)300×Fig.1 The photo of the failed screw

图2 失效螺丝断口微观特征(a)整体；(b)1区域；(c)2区域；(d)3区域Fig.2 Fracture micrograph of the failed screw(a)entire；(b) area 1；(c) area 2；(d) area 3

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[2]．

图3 失效螺丝截面金相(a)断口位置； (b)芯部组织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1 EDS成分测试结果

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-镀镍处理．客户管控规格为铜层+镍层总厚度平均值不小于2 μm．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4.1 μm，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．

图4 螺丝镀层分析Fig.4 The coating analysis of the screw

2.3 硬度测试

依据日标JIS Z 2244-2009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

2.4 去氢检测

在160～190 ℃温度下，加热液体石蜡5 min，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10 s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．

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 3098.17-2000紧固件机械性能标准中检测氢脆用预载荷试验—平行支承面法(等效于ISO 15330:1999)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24 h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[5]．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/T 5267.1-2002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[7]．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[8])、氢化物、甲烷气体[9]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[10]及材料内应力增大[11]．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[12]．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[13]．(4)去氢工艺：氢原子半径小，在钢铁材料中扩散速度快[5]，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2～4 h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1 h(最慢3 h)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．

[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[J]．理化检验-物理分册，2010，46：263-273．

[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)：43-44．

[4] 谭莹,周崎,曹标,等．螺栓断裂原因分析[J]．金属热处理，2007，32(增)：328-331．

[5] 赵步青，胡会峰．谈谈钢铁氢脆[J]．常规热处理，2015，13：33-35．

[6] 唐文忠． 35CrMo钢螺栓断裂原因分析[J]．金属制品，2015，41(4)：62-64．

[7] 王挺，李振华．镀锌螺钉断裂分析[J]．理化检验：物理分册，2015，51：668-670．

[8] 庞勃．浅谈影响几种常见钢氢脆的因素[J]．科技风，2014(11)：48．

[9] 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．

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[13] 张昕，孔德新，刘宪伟．对电镀中氢脆现象的研究与探讨[J]．价值工程，2015，25：90-91．

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，河南新乡人，硕士.

1673-9981(2016)04-278-05

TG178

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