熊明明

（浙江省特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院，浙江杭州310020）

0 引言

安全閥是移動(dòng)式壓力容器重要安全附件，安全閥的工作原理是在給定的壓力下作用彈簧的變形來(lái)控制安全閥的開(kāi)啟與閉合[1]，因此安全閥的彈簧是整個(gè)裝置的核心，彈簧是否損壞是安全閥好壞的關(guān)鍵，一旦彈簧斷裂將使得安全閥失效，將失去安全保護(hù)作用，因此分析安全閥彈簧的斷裂原因可以避免安全閥失去安全保護(hù)功能

圖1為一輛充裝介質(zhì)為丙烷的槽罐車(chē)上的兩個(gè)安全閥彈簧，解體拆卸后發(fā)現(xiàn)兩個(gè)彈簧全部斷裂，查閱出廠文件和使用記錄，該車(chē)2015年8月開(kāi)始使用，2016年8月全面檢驗(yàn)報(bào)告上顯示該安全閥合格，安全閥報(bào)告記錄該安全閥公稱壓力2.5 MPa，整定壓力為1.72 MPa，工作溫度為0～40℃。在2017年8月拆卸解體時(shí)發(fā)兩個(gè)安全閥的彈簧都斷裂。查詢使用單位充裝情況表明該車(chē)并無(wú)超壓使用情況。

圖1 槽罐車(chē)安全閥彈簧

1 宏觀分析

該彈簧表面防銹層未見(jiàn)大量破損，腐蝕情況不嚴(yán)重，兩根彈簧的斷裂處都在靠近螺栓方向第二圈至第三圈位置，放大鏡觀察彈簧斷裂處附近有銹蝕斷口表面呈典型的放射線條紋狀，表面整體為黑色，有少量磚紅色銹蝕物。

2 化學(xué)成分分析

光譜儀對(duì)試樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，Si含量在1.76%，Mn含量在0.76%，P含量在0.014%，可以看出，斷裂試樣材料化學(xué)成分的檢測(cè)結(jié)果滿足標(biāo)準(zhǔn)GB/T1222-2007《彈簧鋼》中60Si2Mn牌號(hào)的要求。60Si2Mn是常用的安全閥彈簧用鋼。硅錳彈簧鋼含有硅和錳大大提高彈簧的彈性，同時(shí)保持一定的抗拉強(qiáng)度的疲勞強(qiáng)度。

3 金相和硬度分析

3.1 金相分析

對(duì)斷口截面進(jìn)行金相分析，如圖2所示，觀察斷口外側(cè)橫截面的顯微組織，上部為一層脫碳層，厚度約為30μm，可以看出脫碳層中有許多與斷口垂直的微裂紋。表面彈簧斷口放射源為裂紋的發(fā)源地。腐蝕處的脫碳層的微裂紋可能由于彈簧在變形時(shí)由于應(yīng)力變化而引起。彈簧鋼內(nèi)部組織細(xì)小且均勻，組織屈氏體+馬氏體，60Si2Mn鋼常用的熱處理工藝為淬火加中溫回火，一般在920℃以上產(chǎn)生變形后淬火，在650℃短時(shí)間高溫回火，硬度和疲勞強(qiáng)度顯著提高。

圖2 外側(cè)橫截面的顯微組織

3.2 硬度檢測(cè)

從斷裂位置向擴(kuò)展端選取10個(gè)點(diǎn)，進(jìn)行硬度測(cè)試。硬度數(shù)值在484HV至534HV之間

根據(jù)GB/T1222-2007彈簧鋼的要求，60Si2Mn的HBW硬度值應(yīng)不大于321，而所測(cè)試樣明顯高于標(biāo)準(zhǔn)要求。

4 掃描電鏡分析

如圖3所示對(duì)斷口進(jìn)行掃描電鏡分析，發(fā)現(xiàn)分布于彈簧銹蝕處邊緣很多微裂紋，斷口表面呈解理斷裂，氧化物分布其中，在空氣中極易被銹蝕。導(dǎo)致解理斷裂的因素有很多，主要有材料性質(zhì)，應(yīng)力狀態(tài)還有環(huán)境因素。微裂紋中的氧化物可以顯著提高彈簧的韌催轉(zhuǎn)換溫度，同時(shí)彈簧工作環(huán)境中的介質(zhì)因素，也能促進(jìn)彈簧的銹蝕已經(jīng)微裂紋的產(chǎn)生。

圖3 彈簧銹蝕斷口裂紋

5 彈簧斷裂原因及分析

（1）彈簧表面并無(wú)大面積銹蝕情況，斷口呈現(xiàn)脆性斷裂，硬度偏高，斷口表面金相分析顯示有屈氏體，彈簧鋼常見(jiàn)的熱處理工藝為淬火和中溫回火，得到回火屈氏體[2]。同時(shí)噴丸，滲氮等表面處理工藝也應(yīng)用于彈簧制造過(guò)程。噴丸的目的是使彈簧表面的晶粒細(xì)化，形成一定厚度的強(qiáng)化層，儲(chǔ)存殘余應(yīng)力，在彈簧承受交變載荷時(shí)抵銷(xiāo)部分應(yīng)力，從而提高彈簧的疲勞強(qiáng)度，但是如果噴丸過(guò)程中并圈處間隙太小，可能導(dǎo)致間隙處的噴完效果不理想，反而產(chǎn)生應(yīng)力集中區(qū)域，在變形過(guò)程中該區(qū)域發(fā)生開(kāi)裂。

（2）彈簧在加工成型后，會(huì)在出廠前進(jìn)行氧化處理或者磷化處理，目的是為了生成一層保護(hù)膜，防介質(zhì)止腐蝕，工作中彈簧在交變應(yīng)力作用下覆蓋層破裂，在S，H2O，P等環(huán)境因素影響下防腐層局部破損處極易形成腐蝕坑，微觀形貌中的氧化物就是這樣產(chǎn)生的，在交變應(yīng)力作用下腐蝕坑區(qū)域存在了應(yīng)力集中位置從而形微初裂紋，形成裂紋源，環(huán)境因素和應(yīng)力因素同時(shí)作用于腐蝕坑中的裂紋源，使得裂紋擴(kuò)展，形成腐蝕疲勞裂紋，直至斷裂。

（3）彈簧使用時(shí)間超過(guò)兩年，時(shí)間較長(zhǎng)，宏觀清晰看見(jiàn)放射狀紋路，斷口附近無(wú)塑變，排出了因受力過(guò)大導(dǎo)致塑形變形斷裂的因素。同時(shí)電鏡掃描斷斷口結(jié)果顯示斷裂源來(lái)自腐蝕坑處，微觀形貌為解理斷裂。在基體上發(fā)現(xiàn)大量微裂紋，斷口整體偏脆，硬度偏高，斷口特征與腐蝕疲勞裂紋相符。證明該彈簧斷裂為腐蝕疲勞裂紋開(kāi)裂。

6 結(jié)論與建議

由上述分析可以得知，該彈簧在加工制造后的噴丸處理過(guò)程中，高速?gòu)椡铔](méi)有均勻地射在彈簧表明，在彈簧并圈部位未達(dá)到強(qiáng)化效果，該部位涂蓋的防銹層在交變作用下破損后受腐蝕介質(zhì)和交變應(yīng)力作用下形成裂紋源，長(zhǎng)期作用下裂紋擴(kuò)散使得彈簧斷裂。

為了防止安全閥彈簧的斷裂，保證安全閥的正常使用，對(duì)彈簧的加工、制造、處理及使用等方面需要引起重視。

（1）設(shè)計(jì)與制造環(huán)節(jié)應(yīng)考慮噴丸處理對(duì)并圈處的實(shí)際作用效果，盡可能的采用細(xì)小微粒對(duì)間隙處的部位多處理幾次，由于彈簧工作中表面承受交變應(yīng)力，因此在成型后進(jìn)行嚴(yán)格的檢查，同時(shí)做立定處理，方法為將彈簧壓縮到工作極限高度或者并緊高度，然后釋放彈簧，來(lái)回三到五次，可以穩(wěn)定彈簧的尺寸，釋放不集中的應(yīng)力，認(rèn)真觀察彈簧表面，對(duì)有裂紋，夾雜折疊，脫碳情況應(yīng)做不合格處理。

（2）彈簧斷裂部位在第二圈與第三圈之間，因此彈簧端面的磨削工作需要重視，既要保證足夠的磨削量滿足彈簧的高度，也要保證磨削精度及彈簧端面的螺旋角，貼緊長(zhǎng)度應(yīng)均勻一致，螺旋角也在卷簧時(shí)加以控制，磨削后兩端面的毛刺應(yīng)修磨干凈，用專用樣板尺檢查螺旋角，防止彈簧受力不均勻。

（3）熱處理過(guò)程中應(yīng)注意回火溫度不用過(guò)高，防止產(chǎn)生馬氏體，在保證淬透性的前提下盡量減少冷卻速度，避免產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，并對(duì)加工成型的彈簧進(jìn)行硬度檢測(cè)，對(duì)硬度偏高的部位重點(diǎn)處理，同時(shí)也要注意消除應(yīng)力集中情況。

（4）彈簧表面的化學(xué)層保護(hù)方法有很多，常用的是氧化處理和磷化處理，不管哪種方法，都要注意在處理前將彈簧表面的銹蝕、油污、殘?jiān)入s質(zhì)徹底清除干凈，在溶液中的浸泡時(shí)間要充足，溶液的濃度和溫度等因素影響保護(hù)膜的致密程度和厚度，因此也需要嚴(yán)格執(zhí)行工藝要求。