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。

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