器头断裂失效分析与热处理工艺

殳 宏* 王晓东

（1.浙江省特种设备科学研究院 2.浙江威能消防器材股份有限公司）

0 引言

灭火器器头是灭火器的重要组成部分，器头与瓶体连接处的螺纹是器头最薄弱的部位，其长期在内部压力及拧紧力矩的作用下工作，同时受内部介质腐蚀等因素的影响，在使用过程中该螺纹处经常会发生断裂、泄漏、腐蚀等失效情况。据相关资料统计，约80%以上的灭火器失效事故与器头螺纹断裂有关。灭火器器头螺纹一旦发生断裂，可能会造成巨大的安全事故。

现以某灭火器生产厂装配线灭火器充气时发生器头断裂失效为例，通过对该失效器头进行宏观和微观断口形貌分析、金相检验、扭矩分析和模拟器头热处理试样分析，并结合以往器头失效的类型和影响因素，寻找器头螺纹断裂失效的原因，可为灭火器及器头生产厂提供参考。

1 失效分析

该器头阀体材质为6061中强度铝合金，属于Al-Mg-Si系变形铝合金，采用固熔加时效热处理。

1.1 宏观和微观断口形貌分析、金相检验

该器头螺纹规格为M30 mm×1.5 mm-6 g，在对灭火器充气过程中器头发生断裂，断裂发生在螺纹根部，如图1所示。观察断口后发现，断口较为平直，无缩颈，几乎没有裂纹萌生区，全部为最后瞬断区，可判定该断口为脆性断裂。

图1 断裂器头宏观形貌

在失效器头断裂部位取样，按GB/T 3246.1—2012《变形铝及铝合金制品金相显微组织检验方法第1部分：显微组织检验方法》在金相试样镶嵌机上制备金相试样，然后在金相试样磨抛机上用不同粒度的金相砂纸依次粗磨，用不同粒度织物进行粗抛、精抛，最后用金刚沙喷雾剂精抛。抛光后的试样立即用混合酸腐蚀剂进行腐蚀，在室温条件下浸入浸蚀，表面形成的棕色膜用20%（质量分数，下同）硝酸水溶液去除，然后在清水中清洗，用吹风机吹干，在金相显微镜下观察其金相显微组织，如图2所示，其晶界复熔加宽，晶粒交界处形成复熔三角形。

图2 断裂器头显微组织（×200）

根据GB/T 3246.1—2012标准对过热和过烧的描述为金属温度达到或高于合金中低熔点共晶的熔点或固相线，使共晶或同溶体晶界产生复熔的现象叫过烧。在显微组织检验中，出现复熔共晶球、 晶界局部复熔加宽和在三个晶粒交界处形成复熔三角形三种特征中的任何一种特征，判显微组织为过烧。综上可判定，该器头断裂处显微组织过烧。

1.2 扭距分析

在拧紧器头时，其拧紧扭矩M需克服被旋合螺纹间的摩擦力矩和器头与瓶口法兰面间的摩擦力矩，并使联接产生预紧力 ：

式中：M——拧紧扭矩， N·m；

K——拧紧扭矩系数；

d——螺纹公称直径，mm。

参考QC/T 518—2013《汽车螺纹紧固件拧紧扭矩规范》，最小扭矩系数取0.114，代入式（1），则螺纹所能承受的最小扭矩 为：

式中： ——屈服强度，N/mm2；

式中：d2——螺纹中径，mm。

式中：d1——螺纹小径，mm。

查螺纹手册可得出，该螺纹部分的有效面积为642 mm2，查GB/T 3191—2010《铝及铝合金挤压棒》中6061-T6的屈服强度最小值为240 N/mm2。将其代入式（2）,计算得出螺纹所能承受的最小扭矩为：

车间装配人员在进行此断裂器头装配时，所用的扭矩为65 N·m，远小于计算得出的最小扭矩，可判定器头断裂并非因设定扭矩过大导致的。

1.3 模拟器头热处理试样分析

取该断裂器头相同材质铝合金材料做热处理试件，热处理规范依据YS/T 591—2017《变形铝及铝合金热处理》中对6061铝合金T6热处理要求执行：固熔温度取值为516～579 ℃，保温时间为60～120 min，淬火转移时间小于15 s，时效处理温度为171～182 ℃，保温时间为8～9 h。

实验材料为仪征海天铝业有限公司提供的6061铝合金挤压棒材，其直径为30 mm，下料长度为230 mm。热处理炉选用箱式电阻炉，热处理工艺条件如下：固溶温度为520 ℃，保温时间为70 min，迅速从电阻炉中取出水淬，时效时间为8 h，时效温度均为180 ℃，时效后的试样进行自然时效。

热处理后的试样按标准GB/T 228.1—2010《金属室温拉伸试验》进行制作、测试，试验结果如表1所示，测试结果均满足标准GB/T 3191—2019《铝及铝合金挤压棒材》中的规定。

表1 试样拉伸力学

采用热处理后的试样制备金相试样，在金相显微镜下观察显微组织。显微组织在200倍放大镜下观察，如图3所示，试样晶粒细小，晶界清晰，且分布均匀，则其没有出现过热或过烧现象。

图3 试样显微组织（×200）

可见上述工艺参数是可行的，试样经过正常合格的热处理后，显微组织不会产生过烧情况。

2 失效原因

从以上各项试验及理论计算结果可推断，该批灭火器器头阀体热处理工艺不当、或其热处理时炉子温度控制仪表失灵导致炉子跑温，引起器头阀体显微组织过烧，晶粒粗大，性能下降，因此在装配扭矩远小于理论计算扭矩时，在器头的薄弱部位—器头与瓶体连接的螺纹部位发生脆性断裂失效。