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        65Mn鋼彈簧片斷裂故障分析及制造中的問題

        2020-02-23 11:47:24賈慶雪劉連生
        金屬加工(熱加工) 2020年2期
        關(guān)鍵詞:故障

        賈慶雪,劉連生

        1.北京中鼎高科自動化技術(shù)有限公司 北京 101102 2.太原航空儀表有限公司 山西太原 030006

        1 65Mn鋼的特點

        65Mn鋼屬于含錳量較高的碳鋼,wMn約為1%,使鋼的淬透性增加,可以進(jìn)行油冷。wC為0.62%~0.70%,使鋼具有高的強度和硬度,彈性好。但有回火脆性、冷作變形塑性差、焊接性也不好等缺點,尤其缺口敏感性較強。

        2 典型的彈簧片斷裂故障

        2.1 故障現(xiàn)象

        故障件Ⅰ:65Mn鋼碟形摩擦彈簧片在沖床上作壓縮循環(huán)機械穩(wěn)定化處理中,受拉應(yīng)力的中心孔邊緣被撕裂。

        故障件Ⅱ:減振彈簧片在裝配中,應(yīng)力集中的折角位置斷裂。

        2.2 原因分析

        上述兩種彈簧片多次發(fā)生過斷裂,且數(shù)量很多。雖然將彈簧片的硬度降為40HRC,或特別強調(diào)消除回火脆性和除氫工藝,但都未能解決斷裂問題。

        彈簧片的名義厚度在0.25mm和0.30mm,都很薄。帶料的供貨為退火狀態(tài),經(jīng)沖切、彎曲成形加工。由于65Mn鋼的缺口敏感性比較高,沖切飛邊或圓孔的不良倒角這些缺陷,在受拉應(yīng)力時,極易誘發(fā)裂紋源而斷裂。因此,加工缺陷應(yīng)是彈簧片產(chǎn)生斷裂的主要因素,屬于機械加工不當(dāng)所致。

        2.3 解決方法

        彈簧片邊緣的飛邊在彎曲成形前應(yīng)打磨掉,保持邊緣平整光滑。受拉應(yīng)力的工作面,應(yīng)為沖切邊緣的R面,且不可為沖切飛邊面??椎倪吘夛w邊用鉆頭在鉆床上去除是錯誤的,不僅會形成“刀口”狀,而且還是棱狀(振動所致),應(yīng)改用砂棒將孔的邊緣打磨光滑。

        3 設(shè)計要求

        彈簧的硬度設(shè)計為44~52HRC。但是彈簧片屬于小尺寸、薄的彈性元件,要求的彈性變形更多,工作應(yīng)力更大。雖然工作原理一樣,但是工作特點卻有別于較大截面尺寸的彈簧件。65Mn鋼彈簧片的硬度低于46HRC時(回火溫度高),雖然韌性較高,但強度極限和彈性極限又太低,抗應(yīng)力松弛性能顯著降低,易變形失效。而高于51HRC(回火溫度低),雖然強度極限和彈性極限都比較高,但韌性低,比較脆,缺口敏感性相應(yīng)增加,疲勞極限往往也不高。因此,彈簧片硬度的正確設(shè)計值應(yīng)在46~51HRC。此外,保證晶粒度大于7級是必要的。細(xì)晶粒有利于提高韌性和疲勞極限,同時避免產(chǎn)生粗大的馬氏體組織,也可以減少缺口敏感性。

        4 熱處理工藝

        65Mn鋼彈簧片的熱處理制度見表1。

        表1 65Mn鋼彈簧片的熱處理制度

        4.1 淬火工藝

        原淬火工藝方法是將彈簧片埋入奧氏體不銹鋼盒中的木炭粉進(jìn)行保護(hù)。加熱結(jié)束后,將盒子中的彈簧片與木炭粉一起倒入油中完成淬火冷卻。但這種方法不環(huán)保,已經(jīng)不再采用。目前采用氮氣保護(hù)馬弗爐加熱和油冷,操作簡單,淬火效果比較好。

        65Mn鋼的臨界溫度(近似值):Ac1≈726℃;Ac3≈755℃;Ms≈270℃;Mf≈-55℃。彈簧片為獲得細(xì)晶粒和減少殘留奧氏體,淬火溫度常采用810℃±10℃,晶粒度控制在7級以上。高于830℃易造成晶粒粗大,脆性增加。低于800℃又會有少量未溶解的鐵素體,使抗微塑性變形能力降低。

        淬火時,零件入油后首先在表面產(chǎn)生蒸氣膜,然后蒸氣膜轉(zhuǎn)變?yōu)榉序v狀態(tài),進(jìn)入快速冷卻階段。因此,將彈簧片綁成單串淬火比較好,但是效率低。如果將若干串捆成一束,又較長,由于彈簧片被大量蒸氣泡包圍,且蒸氣泡向上運動,延遲了上端的冷卻速度,會導(dǎo)致上端彈簧片淬火硬度偏低。因此,每一束的串?dāng)?shù)不能多,也不能太長。另一個是彈簧片可以兩片疊在一起綁扎,多片疊在一起,片與片之間蒸氣膜的作用會使冷卻速度更慢。此外,將彈簧片包在鋼絲網(wǎng)中淬火也是不可行的。

        采用鹽浴爐加熱,應(yīng)對鹽槽進(jìn)行脫氧處理。加熱時間也不宜長,一般1min或1.5min,加熱透即可,防止脫碳和腐蝕。且淬火后應(yīng)立即用熱水煮、然后清水漂洗,將零件表面殘留的鹽去除干凈。

        薄的彈簧片不宜采用真空淬火,主要是目前真空淬火轉(zhuǎn)移速度比較慢,造成彈簧片溫度散失,出現(xiàn)其他組織,淬火后的硬度低,一致性也差。

        如果彈簧片經(jīng)過硝鹽浴310~350℃、保持15~20min的貝氏體等溫淬火(淬火后仍需要油冷或水冷),硬度可以獲得46~51HRC。與普通的淬火、回火比較,等溫淬火可以獲得更高的綜合力學(xué)性能(強韌性),特別是鋼的屈強比和彈性極限的提高尤為顯著。同時淬火應(yīng)力小,彈簧的畸變小,具有更高的疲勞壽命。

        4.2 回火工藝

        彈簧鋼的回火組織為屈氏體,彈性極限出現(xiàn)峰值。且回火后應(yīng)力也得到充分消除,有利于提高材料的抗微塑性變形能力,彈性好。

        65Mn鋼彈簧片的硬度46~51HRC,一般在370~400℃內(nèi)選擇回火溫度。建議彈簧片的試回火從380℃開始,避免溫度過高、硬度偏下限或低于46HRC,最好控制在47~50HRC。此外,65Mn鋼有回火脆性,回火后優(yōu)先選擇油冷(采用回火用冷卻油),可以防止銹蝕。水冷應(yīng)采用高于60℃的熱水,減少熱應(yīng)力。

        修整尺寸后的彈簧片,為消除加工應(yīng)力,減少變形,應(yīng)進(jìn)行補充消除應(yīng)力處理。溫度一般比回火溫度低30~50℃,保溫60min,油冷。對于精度要求高的彈簧片,正常的回火或補充消除應(yīng)力處理都應(yīng)在夾具中定形加熱。

        4.3 機械穩(wěn)定化處理

        為了提高彈簧片的抗松弛穩(wěn)定性,應(yīng)通過強迫彎曲松弛殘余應(yīng)力。彎曲度按設(shè)計的工作要求執(zhí)行,一般5~10次即可,摩擦彈簧片的機械穩(wěn)定化可能需要幾十次。同時,機械穩(wěn)定也是評價彈簧片韌性的最好方法。

        5 結(jié)束語

        1)彈簧片的裂紋源主要產(chǎn)生于沖切飛邊或孔的不良倒角處,加工缺陷應(yīng)是產(chǎn)生斷裂的主要因素。

        2)彈簧片的硬度應(yīng)控制在46~51HRC,獲得高的屈服強度和彈性性能,又有一定的韌性。

        3)保證晶粒度大于7級,細(xì)晶粒有利于提高彈簧片的韌性和疲勞極限。

        4 )將若干串彈簧片綁成一束,會導(dǎo)致上端彈簧片淬火硬度偏低。因此,每一束的串?dāng)?shù)不能多,長度也要控制,且不能將彈簧片疊在一起綁扎。

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