[기술자료] 고강도 볼트의 파단 원인분석

2022년 11월 23일 / 읽기 7분 / By Shane
목차
I. 1. 물리적 및 화학적 테스트
II 1.1 매크로 검사
I.II. 1.2 화학성분 분석
I.III. 1.3 기계적 성질
I.IV. 1.4 미세구조 분석
IV 1.5 골절 형태 분석
II. 2. 종합분석
III. 3. 결론
요 약 : 볼트 제조 공정 중 교정 과정에서 볼트 파단이 발생한다.

육안검사, 화학적 조성분석, 기계적 물성시험, 금속조직분석, 파손볼트 파단분석을 통하여 볼트 파손의 원인을 분석하였다.

그 결과 볼트 제조과정에서 부적합한 열간단조로 인해 볼트의 내부주조결함이 제거되지 않아 볼트 지지력 감소 및 교정과정에서 균열이 발생하는 것으로 나타났다.

M42 mm 사양, 42CrMoA 재질 및 성능 등급 10.9의 고강도 육각 볼트 배치를 제조합니다.

볼트의 가공 기술은 원료 어닐링 → 센터리스 선삭 → 톱질 → 평면 단면 모따기 → 인산염 윤활 → 수축 막대 → 열간 단조 → 육각 헤드 모따기 → 열처리 (템퍼링) → 교정 → 압연 나사, 템퍼링 공정은 메쉬 벨트 용광로로 처리됩니다.

곧게 펴는 과정에서 나사 축의 약 1/2 지점에서 두 조각이 부러졌습니다(그림 1 참조).
이 배치에서 나머지 볼트의 교정은 교정 과정 중에 2개의 볼트가 파손된 직후 중단되었습니다.

볼트 파단의 원인을 규명하고 유사 사건의 재발을 방지하기 위해 저자는 파단된 볼트에 대해 관련 검사 및 분석을 실시하였다.

1. 물리적 및 화학적 테스트
1.1 매크로 검사
1.1.1 파단의 매크로 분석

그림 1(a)와 같이 굽힘부를 곧게 펴기 위해 양쪽 볼트를 나사의 1/2 정도에서 부러뜨렸다.
파단면은 전체적으로 취성파괴가 특징이다. 파면은 중앙에서 주변으로 방사형 줄무늬를 나타냅니다.
파단면의 외층은 매끄럽고 편평한 취성파단이다.

거시적 소성 변형 및 슬래그 함유물은 파면 표면에서 발견되지 않습니다.
그림 2의 화살표 위치는 곧게 펴는 과정에서 균열을 보여줍니다.

크랙이 중앙에서 시작하여 주변으로 확장되어 최종적으로 볼트 파단으로 이어짐을 보여줍니다.

1.1.2 거시적 시험

저배율 검사를 위해 부러진 볼트의 파면 아래 20mm에서 가로 샘플을 채취해야 합니다.
볼트 중앙에 많은 수의 수축 구멍이 있습니다.

검사 결과는 일반 풀림은 1급, 중앙 풀림은 2급, 일반 반점 편석은 ＜1급이다.
그림 3을 참조하십시오. 크랙과 같은 다른 매크로 결함은 발견되지 않습니다.

1.2 화학성분 분석
화학 성분 분석을 위해 볼트의 파단 위치 근처 약 20mm에서 샘플을 채취합니다.

독일 OBLF사의 QSN750 direct reading spectrometer를 사용하였다.

재료의 화학 조성은 분광 분석을 통해 GB/T 3077-1999 합금 구조용 강철의 이 재료 볼트의 화학 조성 요구 사항을 충족하도록 테스트됩니다. 표 1을 참조하십시오.

American Liko Company의 ONH-836 산소, 질소 및 수소 분석기는 부러진 볼트에서 채취한 샘플의 산소, 질소 및 수소 함량을 결정하는 데 사용됩니다. 결과는 0.0011% O, 0.0090% N, 0.0001% H입니다.

O, N 및 H의 함량이 낮다.

표 1 부러진 볼트의 화학 성분(w，%)

1.3 기계적 성질
인장 시험을 위해 동일한 배치의 볼트 중 하나를 가져옵니다.

인장 샘플의 직경은 실제 볼트가 아닌 10mm입니다.

Wance Group의 HUT605A 마이크로컴퓨터 제어 전기 유압식 서보 만능 시험기는 기계적 성능 시험에 사용됩니다.

테스트 결과는 표 2를 참조하십시오.

파손된 볼트의 금속 조직 샘플에 대해 경도 시험을 수행하고 시험 결과를 표 3에 나타내었다.

볼트 표면과 중심의 경도에는 명백한 차이가 없으며 기계적 특성 테스트 결과는 패스너의 기계적 특성 – 볼트, 나사 및 스터드(GB/T 3098.1-2010)의 요구 사항을 충족합니다.

1.4 미세구조 분석
부러진 볼트 파단 근처의 표면과 코어에서 금속 조직 샘플을 채취하고 OLYMPUS-GX51 금속 조직 현미경으로 금속 조직 검사를 수행합니다.

그림 3(a)와 같이 연마 중 중앙에 많은 구멍이 있으며 표면에 뚜렷한 이상은 발견되지 않습니다.
볼트 표면과 코어의 미세 구조는 템퍼링된 소르바이트입니다.
그림 3(b)와 같이 표면 근처의 미세 구조에 있는 구멍의 수는 상대적으로 적습니다.

 

2. 종합분석
깨진 볼트의 화학 성분은 표준 요구 사항을 충족합니다.
골절은 가로 균열을 보여줍니다. 파단면의 매크로 분석 결과 파단면 전체가 취성파단 특성을 보인다.

파단면은 두 부분으로 나뉩니다. 파단면 중앙의 균열 발생원 영역과 중앙에서 주변으로 방사형 확장 영역.파면단부에 소성변형이 없어 취성파괴의 특성을 보인다.

거시적 저배율 시험은 저배율 시험면에서 중심 풀림(중심 풀림 수준 2)의 심각한 문제가 있음을 발견했습니다.

주조 공정에서 느슨한 계는 쇳물을 표면에서 중심으로 서서히 응고시키고, 주상 결정 영역은 덴드라이트 형태로 중심을 향하여 성장한다.첫 번째 결정화된 덴드라이트는 상대적으로 순수하고 녹는점이 높습니다.

분리된 원소, 가스, 비금속 개재물 및 소량의 응고되지 않은 용융 강철이 덴드라이트 사이에 농축됩니다.

온도가 낮아지면 응고된 부분이 수축합니다.덴드라이트 사이의 응고되지 않은 용강이 부족하여 간극을 보충할 수 없을 때 수축 공동이 형성됩니다.

기공이 중심 등축 영역에서 발생하는 경우를 중심 기공이라고 합니다.
금속학 시험 결과는 저배율 시험 결과와 일치하는 작은 구멍이 있음을 보여줍니다.

파단분석에서는 벽개파단의 형태를 보이며, 파단면에 2차균열과 소수의 구멍이 존재한다.

기계적 특성 테스트 결과는 관련 표준의 요구 사항을 충족합니다.

요약하면 파단은 횡방향 균열을 나타내고 미세구조 및 기계적 특성 지수는 표준 요구 사항을 충족합니다.또한, 담금질 및 뜨임 공정에 메쉬 벨트로를 사용하여 불시 뜨임이 없어 담금질 및 뜨임 공정에서 볼트 크랙이 형성되지 않음을 나타낸다.

크랙은 중앙에서 바깥쪽으로 크랙이 발생하였고, 수소함량이 부족하여 수소취화를 일으키지 않았으며, SEM 사진에서도 수소취화특성(닭발톱무늬)이 확인되지 않아 볼트크랙이 수소유도지연에 의한 것이 아님을 알 수 있다. 열분해.

저배율 검사 결과 볼트 중앙에 명백한 중심 풀림이 있고 그 위치가 파단면의 균열 소스 위치와 일치하며 파단 시스템이 가로로 균열되었으므로 균열시 축 방향 인장 응력이 있어야 합니다.

따라서 볼트 제조 공정과 결합하여 원자재로 인해 볼트 중앙에 헐거움이 있었던 것으로 판단할 수 있습니다.

열간 단조 공정에서 주조 결함이 제거되지 않았으며 봉 수축 공정에서 지속적인 축 방향 인장 응력을 받았습니다.

볼트의 구멍은 균열을 시작하고 점차 바깥쪽으로 확장되며 곧게 펴는 과정에서 볼트에 취성 균열이 발생하여 볼트가 파손됩니다.

3. 결론 _
볼트 파손의 근본 원인은 열간 단조 공정에서 볼트 블랭크의 주조 결함(중앙 풀림)이 제거되지 않아 볼트의 지지력이 감소하기 때문입니다.

보정 과정에서 인장력으로 균열이 발생합니다.

출처
https://www.machinemfg.com/fracture-of-high-strength-bolt/

Fracture of High-Strength Bolt: Cause Analysis | MachineMfg