錢國強，陳 昕，張韶佳

(中航工業(yè)昌河飛機工業(yè)(集團)有限責任公司，江西 景德鎮(zhèn) 333000)

0 引言

螺旋壓縮彈簧號稱“簧中王”，在整個工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛。50CrVA 彈簧鋼具有淬透性好、不易脫碳、表面質(zhì)量好等優(yōu)點，廣泛用于各種機械[1-3]。為提高彈性零件抗蝕性能和精飾表面，很多彈性零件都要進行表面處理，如發(fā)蘭、鍍鋅、鍍鎘等。但電鍍后，彈性零件在裝配或使用時，甚至在電鍍過程中都有發(fā)生斷裂的現(xiàn)象，其中鎘脆斷裂由于具有很大的突發(fā)性，危害較大[4-5]。

50CrVA壓縮彈簧疲勞試驗時發(fā)現(xiàn)批次性斷裂。失效彈簧主要工藝流程：熱處理→磁粉檢測→噴丸→鍍鎘-鈦→除氫→鍍層檢測→疲勞試驗。制造指令中對熱處理后的彈簧硬度要求為HRC 45～54。對失效件彈簧進行宏、微觀觀察、金相、能譜及硬度分析，發(fā)現(xiàn)其斷裂位置及斷裂性質(zhì)基本相同，本研究對其中1件進行詳細分析。

1 宏觀觀察

失效彈簧宏觀形貌見圖1a，斷口位于支承圈與有效圈緊密接觸部位。用實體顯微鏡觀察彈簧各圈裂紋情況，斷口部位側(cè)表面可見徑向裂紋。掃描電鏡下觀察可見，裂紋長2.996 mm，裂紋中部有一寬0.048 mm、深0.029 mm的橢圓形凹坑，裂紋起源于凹坑部位，寬度由凹坑處向兩端逐漸減小。彈簧斷裂端支承圈與有效圈接觸部位兩側(cè)4.4 mm范圍內(nèi)可見較多大小不一的橢圓形凹坑，深0.026～0.033 mm、寬0.033～0.108 mm(圖1b)。

失效彈簧斷口宏觀形貌見圖2a。由圖2a可見，斷口整潔，斷面呈灰色，無光澤，斷面由徑向斷口和周向斜劈斷口兩部分組成，斷口附近無塑性變形特征，斷面可見粗大的放射棱線，裂紋起源于凹坑處，呈點源特征。

取同批未進行疲勞試驗的完好(未鍍鎘及鍍鎘)彈簧進行觀察及分析，彈簧表面無宏觀缺陷；將完好彈簧用切割機進行切割后觀察，對比失效件及完好彈簧支承圈、有效圈之間表面情況，結(jié)果見圖2b。可見，鍍鎘彈簧兩圈緊密接觸部位及兩側(cè)凹坑較多，未鍍鎘彈簧相同部位及兩側(cè)發(fā)現(xiàn)灰黑色斑點痕跡，3件彈簧該部位均無裂紋缺陷。

圖1 失效件彈簧形貌Fig.1 Appearance of failed spring

圖2 斷口宏觀形貌及表面形貌對比Fig.2 Macroscopic morphology of fracture and contrast of surface appearance

2 斷口微觀及金相組織分析

斷口經(jīng)超聲清洗后置于掃描電鏡下觀察，可見：源區(qū)處微觀特征為沿晶+解理形貌(圖3a)；斷面擴展區(qū)存在較多二次裂紋，微觀特征為沿晶形貌(圖3b)；沿棱線發(fā)散方向觀察，徑向斷口均呈現(xiàn)沿晶特征，周向斜劈斷口微觀特征為淺韌窩形貌(圖3c)。

將彈簧斷裂端斷口附近沿橫截面切割制備金相試樣，其組織形貌如圖4a所示。金相組織正常，未見冶金缺陷，試樣表面可見橢圓形凹坑。從失效件裂紋處橫向剖截面制備金相試樣，裂紋形貌如圖4b、圖4c所示。裂紋由外表面向內(nèi)部擴展，外表面起源處及裂紋兩側(cè)附近金相組織正常，無脫碳現(xiàn)象；裂紋無分叉現(xiàn)象，兩邊耦合性較好，尾部尖銳。

圖3 斷口顯微形貌Fig.3 Microscopic appearances of fracture

圖4 失效件截面金相及裂紋顯微形貌Fig.4 Cross sectional metallurgical structure of failed part and microstructure of crack

3 成分與硬度分析

將斷口清潔后進行能譜分析，源區(qū)附近Cd元素含量見圖5a，整個徑向斷面上均有Cd元素能譜顯示，含量由源區(qū)向斷口內(nèi)部逐漸降低；斜劈斷口能譜無Cd元素顯示(圖5b)。對未鍍鎘彈簧灰黑色異常區(qū)域進行能譜分析，能譜顯示該區(qū)域O含量較高，無其他異常元素。將失效件裂紋人工打開，清潔后進行能譜分析，結(jié)果見圖5c，掃描圖片顯示鎘層熔化。

對失效彈簧進行顯微硬度檢測。依據(jù)GB/T 1172—1999《黑色金屬硬度及強度換算值》，彈簧硬度要求范圍為HV 441～578，實測失效件彈簧硬度位于HV 482～490，符合要求。

4 分析與討論

該彈簧屬螺旋壓縮彈簧，根據(jù)螺旋彈簧受載時的應(yīng)力及應(yīng)變特點，最大應(yīng)力產(chǎn)生在簧絲截面內(nèi)側(cè)點，即斷口的源區(qū)位置點。

由宏觀擴展棱線及微觀形貌可知，斷口起源于支承圈與有效圈緊密接觸部位0.029 mm深凹坑處。

彈簧斷面由徑向斷口和斜劈斷口組成；斷口整潔，斷面呈灰色，無光澤；失效件斷裂特征為沿晶斷裂，斜劈斷口微觀形貌呈韌窩特征，裂紋由彈簧表面起源，沿徑向擴展，擴展到一定程度后沿周向彈簧的變形組織界面快速斷裂形成斜劈斷口；能譜分析顯示整個徑向斷面含Cd元素，源區(qū)存在Cd元素，從源區(qū)沿擴展棱線Cd元素含量逐漸降低；失效件彈簧未斷裂端存在徑向裂紋，由彈簧表面向內(nèi)部擴展，能譜分析顯示徑向裂紋斷面存在熔化鎘層區(qū)，掃描電鏡下觀察到徑向斷口微觀沿晶形貌存在較多二次裂紋；失效件兩匹配斷口附近無塑性變形特征，可知源區(qū)為脆性斷裂；綜上所述，可判斷彈簧斷裂性質(zhì)為鎘致脆性斷裂。

圖5 能譜分析Fig.5 Energy spectrum analysis

鎘脆是一種特殊的脆性斷裂形式，形成鎘脆必須滿足3個基本條件[6]，即存在Cd元素、適當?shù)睦瓚?yīng)力和較高的溫度。彈簧經(jīng)過表面鍍鎘處理，再加上彎制成形過程后，簧絲具有一定殘余應(yīng)力，疲勞試驗工序中指出：疲勞試驗施加載荷應(yīng)使彈簧達到圈并圈程度，因此受到一定載荷的壓應(yīng)力，前2個鎘脆條件已滿足。發(fā)生鎘脆的第3個必要條件是要存在一個較高的溫度[7]，從失效件工藝過程來看，整個過程只有除氫工序才有180～200 ℃高溫環(huán)境，至少23 h。Cd的熔點只有321 ℃，環(huán)境溫度低于此溫度就可以發(fā)生鎘脆裂紋[8-10]，彈簧除氫溫度雖然遠低于Cd的熔點，但從圖5c鎘層形貌及能譜分析可知，除氫確實存在局部超溫現(xiàn)象。如果溫度超過250 ℃，金屬Cd會臨界于固、液兩態(tài)之間，加之彈簧內(nèi)圈存在較大的拉應(yīng)力且表面未及時防銹而氧化腐蝕，Cd會以液態(tài)甚至原子形式滲入到金屬的晶體之間，使彈簧金屬晶間結(jié)合力明顯降低，導致彈簧在外力作用下產(chǎn)生脆斷[11]。

金相顯微觀察失效件裂紋表面起源，裂紋無分叉，無脫碳現(xiàn)象，裂紋兩邊耦合性很好，尾部尖銳；裂紋兩側(cè)金相組織正常，組織無過熱特征；因此，裂紋起源于熱處理之后、鍍層檢測工序之前。

失效彈簧均斷裂于有效圈第一圈緊密接觸部位凹坑處。未進行疲勞試驗的完好鍍鎘彈簧該區(qū)域內(nèi)表面無凹坑，支承圈之間4.4 mm范圍內(nèi)可見較多大小不一的橢圓形凹坑，兩圈緊密接觸部位及兩側(cè)凹坑較多。

同批次未鍍鎘彈簧支撐圈與有效圈緊密接觸部位及兩側(cè)能譜顯示O元素較高，說明黑灰色斑點痕跡為氧化物，查看彈簧制造指令，熱處理后的噴丸、總檢無表面防銹操作說明，觀察彈簧制造工序，發(fā)現(xiàn)噴丸和總檢共約2 d時間，對另一批次總檢后彈簧進行破壞觀察，支撐圈與有效圈緊密接觸部位發(fā)現(xiàn)銹蝕斑特征；因此，支撐圈與有效圈之間的凹坑起源于噴丸與總檢之間的放置時間段，鍍鎘過程對銹蝕部位的腐蝕促進了凹坑的形成。

綜上所述，彈簧的斷裂性質(zhì)為鎘脆，噴丸與總檢工序中防銹不當而產(chǎn)生的銹蝕是發(fā)生鎘致脆性斷裂的直接原因，鎘脆出現(xiàn)在除氫工序。

5 結(jié)論與建議

1)彈簧的斷裂性質(zhì)為鎘脆；支承圈與有效圈緊密接觸部位及兩側(cè)有較多凹坑分布，失效件均斷裂于支承圈與有效圈之間凹坑處。

2)鎘脆出現(xiàn)在除氫工序，彈簧鎘脆斷裂與除氫過程中超溫及噴丸與總檢工序中防銹不當而產(chǎn)生的銹蝕有關(guān)。

3)在噴丸與總檢工序指令后增加防銹處理，并進行嚴格控制把關(guān)；對彈簧整個加工過程中防銹處理進行嚴格控制，并嚴格控制除氫工序溫度，按時對爐子進行溫度校正。