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        3J53彈簧表面裂紋缺陷原因分析

        2018-03-22 01:18:31謝國君徐秋發(fā)宋維民劉繼梁
        宇航材料工藝 2018年1期
        關(guān)鍵詞:方坯鋼絲熱處理

        李 麗 謝國君 徐秋發(fā) 宋維民 劉繼梁

        (1 中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院,北京 100076) (2 航天材料及工藝研究所,北京 100076)

        0 引言

        彈性合金是金屬功能材料中的一個(gè)重要部分,按性能特點(diǎn),彈性合金可分為高彈性合金和恒彈性合金,3J53屬于恒彈性合金,在一定的溫度范圍(如-60~+100℃)內(nèi),其E或G以及可制得元件的共振頻率基本不隨溫度而變化,因此廣泛應(yīng)用于儀器、儀表、通訊、計(jì)量等領(lǐng)域[1]。此合金鋼絲經(jīng)冷拔(軋)+失效處理后強(qiáng)度較高,具有無磁和耐蝕性,是制造彈簧的良好材料[2]。

        彈簧是不可缺少的重要零件,在絕大多數(shù)情況下起著控制零部件運(yùn)動(dòng)的作用。彈簧在使用過程中常因各種原因?qū)е率Ф饳C(jī)械故障。導(dǎo)致彈簧失效的因素主要有材料缺陷、加工制造缺陷、熱處理不當(dāng)、工作環(huán)境等[3]。

        直徑為Φ5 mm的3J53鋼絲纏繞成彈簧并經(jīng)熱處理后出現(xiàn)表面裂紋缺陷,本文對缺陷原因進(jìn)行研究分析,并提出有效的改進(jìn)措施。

        1 實(shí)驗(yàn)

        由3J53鋼絲纏繞的彈簧熱處理后發(fā)現(xiàn)彈簧表面存在兩條線性似裂紋缺陷。

        為確定“裂紋”的性質(zhì)及成因,采用體式顯微鏡VHX-1000E進(jìn)行宏觀形貌觀察,并將彈簧缺陷部位置于型號(hào)為Quanta FEG 650掃描電鏡下進(jìn)行微觀形貌觀察和能譜分析,從彈簧缺陷部位取樣并制備成金相試樣置于光學(xué)顯微鏡下觀察其形貌和組織,顯微鏡型號(hào)DM4000M。

        2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

        2.1 宏觀形貌

        由鋼絲纏繞的彈簧熱處理后發(fā)現(xiàn)彈簧表面存在兩條平行且連續(xù)分布的線性缺陷,并伴有起皮現(xiàn)象,未見明顯的機(jī)械損傷和腐蝕痕跡。宏觀形貌如圖1所示。

        2.2 微觀形貌

        將彈簧置于掃描電鏡下觀察,缺陷處存在張口,呈現(xiàn)層疊和鋸齒形貌,見圖2。部分區(qū)域存在剝落,暴露表面呈氧化形貌,見圖3。層疊和鋸齒形貌符合折疊的形貌特征,而折疊缺陷往往由于凸出產(chǎn)品表面而在經(jīng)歷熱工藝成型后常常會(huì)伴有明顯的氧化現(xiàn)象。

        Fig.2 The morphology of layer defects

        圖3 缺陷內(nèi)表面氧化形貌

        2.3 能譜成分分析

        對彈簧正常區(qū)域及缺陷內(nèi)表面進(jìn)行能譜分析, 基體主要含有Fe(主)、Ni(40.1%)、Cr(6.4%)、Ti(3.0%)、Si(1.0%)、Al(1.0%)元素,主合金元素及含量與3J53牌號(hào)相符,主成分正常,但缺陷內(nèi)表面除基體元素外還含有較高的O元素,EDS能譜圖見圖4。

        圖4 能譜分析圖

        Fig.4 EDS analysis

        2.4 金相分析

        從存在缺陷的區(qū)域截取部分試樣進(jìn)行金相分析,兩處缺陷剖面形態(tài)較為相似:缺陷深度分別約為0.4、0.2 mm,存在較多分叉微裂紋,缺陷內(nèi)部存在較多聚集態(tài)顆粒狀氧化物,近表面處缺陷開口較大,氧化物存在脫落,形貌見圖5。顯微組織為正常的奧氏體組織,缺陷附近組織存在變形痕跡,見圖6,說明缺陷在纏繞制成彈簧前已經(jīng)存在,是鋼絲的本質(zhì)缺陷,鋼絲纏繞成彈簧后經(jīng)受力表面缺陷呈現(xiàn)開口形貌。

        (a) 缺陷1形貌

        (b) 缺陷2形貌

        (a) 心部組織 (b) 缺陷1周圍組織 (c) 缺陷2周圍組織

        3 分析討論

        彈簧所用材料主成分未見異常,缺陷內(nèi)部含有較高的O元素,呈氧化形貌,缺陷附近未見損傷及腐蝕痕跡。彈簧表面的兩處缺陷均呈鋸齒狀,走向沿鋼絲軸向方向,且在橫斷面上與表面呈20°左右斜交,向內(nèi)部延伸,并在內(nèi)部呈現(xiàn)小的Y型微裂現(xiàn)象。

        從缺陷形貌特征判定此次失效故障應(yīng)為折疊,折疊缺陷一般呈直線狀,也有的呈鋸齒狀,分布于鋼材的全長或斷續(xù)狀局部分布,深淺不一,其周圍伴有脫碳現(xiàn)象,一般夾有氧化鐵皮。折疊缺陷通常是由于材料表面在前一道鍛、軋中所產(chǎn)生的尖角或耳子,在隨后的鍛、軋時(shí)壓入金屬本身而形成的[4-6]。

        折疊缺陷是熱軋材不可避免的缺陷,主要形成的兩大因素:

        (1)由于鋼坯表面本身存在較嚴(yán)重的凹坑、結(jié)疤等缺陷,或者鋼坯存在過大的V型修磨痕跡,在上游機(jī)架產(chǎn)生了局部的飛邊或耳子,經(jīng)下游機(jī)架多道次軋制后形成了局部折疊,后經(jīng)拉拔工序形成了似裂紋缺陷,此類折疊一般底部較粗糙。

        (2)在軋制過程中,由于如上游機(jī)架來料過大或料型不正,導(dǎo)衛(wèi)導(dǎo)槽安裝不正,有可能使軋件單邊或雙邊充盈,經(jīng)下游軋機(jī)軋制后形成折疊,此類折疊一般底部較圓鈍、光滑。

        生產(chǎn)廠家復(fù)查,此批鋼絲的生產(chǎn)工藝流程為:熔煉—鍛造方坯—方坯修磨—方坯熱軋盤圓—熱處理—酸洗—盤條修磨—掛潤滑劑(石墨粉)—排摸冷拔—成品表面檢驗(yàn)—性能取樣檢測—入庫。折疊缺陷應(yīng)在方坯熱軋盤圓階段產(chǎn)生,如果方坯的表面質(zhì)量不好(如存在較嚴(yán)重的凹坑、凸塊或邊部、角部裂紋等)或者修磨的V形銳度過大都會(huì)導(dǎo)致在熱軋階段形成折疊。而本次失效故障呈現(xiàn)出的折疊形貌為底部呈現(xiàn)較多分叉,且缺陷內(nèi)部夾雜物僅為氧化鐵,因此折疊應(yīng)是鋼坯表面的缺陷導(dǎo)致的在軋制過程中形成的“裂紋型”折疊。

        折疊突出的表面由于氧化的作用,周圍常伴有氧化物夾雜,夾雜物的存在破壞了基體的均勻連續(xù)性,易造成應(yīng)力集中,往往會(huì)成為疲勞裂紋的發(fā)源地,同時(shí)它對鋼材的工藝性能也有不利影響,容易引起冷變形時(shí)開裂,因此折疊缺陷不允許帶到產(chǎn)品生產(chǎn)中[7-8]。

        4 結(jié)論

        (1)彈簧表面裂紋應(yīng)是由于鋼坯表面缺陷導(dǎo)致在軋制過程產(chǎn)生的折疊缺陷,鋼絲在拉拔后呈現(xiàn)出了沿變形方向的“裂紋”。

        (2)在后期的彈簧纏繞和熱處理工序中,折疊缺陷在剪切力及扭轉(zhuǎn)力的作用下得以擴(kuò)展和延伸形成了表面的線性缺陷。

        (3)鋼絲采用石墨粉潤滑的方法,導(dǎo)致表面顏色發(fā)暗,表面缺陷不易被檢出。

        5 改進(jìn)措施

        (1)加強(qiáng)坯料表面缺陷的修磨與檢查,防止修磨深坑及V形角的出現(xiàn)。

        (2)鋼絲冷拔時(shí)采用油類潤滑劑,形成光亮的表面,以便于進(jìn)行表面檢查。

        [1] 干勇,等.中國材料工程大典 鋼鐵工程材料[上] [M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2006:845-923.

        [2] 朱永平.球閥彈簧材料的選用[J].閥門,2000(3):31-33.

        [3] 金雙峰,程鵬,姜膺,等.彈簧的失效分析與預(yù)防技術(shù)[J].金屬熱處理,2011,36(9):140-144.

        [4] 汪先虎,姜洪鋼,吳東明.熱軋盤條常見表面缺陷分析[J].鞍鋼技術(shù),2014,(3):57-62.

        [5] 蘇樹革.圓鋼質(zhì)量缺陷及其優(yōu)化[J].柳鋼科技,2011(6):27-29.

        [6] 張興華.軋材表面質(zhì)量缺陷的產(chǎn)生原因及排除方法[J].黑龍江冶金,2010,30(3):21-22.

        [7]覃亞軍,郭澤堯.大盤卷冷鐓鋼表面折疊、裂紋的判別及形成原因分析[J].金屬材料與冶金工程,2009,37(6):14-17.

        [8] 廖景娛.金屬構(gòu)件失效分析[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2003.

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