安洪亮，王雨萱，郝龍宇，馬一鳴，靳彤，韓維超

哈爾濱焊接研究院有限公司 黑龍江哈爾濱 150028

1 序言

彈簧板作為一種具有減振功能的彈性元件，在機(jī)械制造行業(yè)應(yīng)用廣泛，例如：火車、汽車等交通工具的懸掛系統(tǒng)和太陽能集熱器相關(guān)部件等。65Mn鋼是一種常用的彈簧鋼，成本低廉，性能優(yōu)良，作為高碳合金鋼，具有優(yōu)良的熱處理工藝性[1]。65Mn鋼具有較高的彈性極限和屈強(qiáng)比，具有承受大的靜載荷、交變應(yīng)力和沖擊載荷的能力。

目前，工業(yè)應(yīng)用中對彈簧鋼工件表面要求較高，生產(chǎn)中常用電鍍工藝來增加彈簧鋼的耐磨性等性能[2]。酸洗和電鍍是決定鍍層質(zhì)量的關(guān)鍵步驟，由于酸和電鍍液的使用會產(chǎn)生嚴(yán)重的滲氫現(xiàn)象，易使材料發(fā)聲氫脆[3]，所以電鍍后應(yīng)該及時有效除氫，保證材料的可靠性。

在某工程安裝期間，65Mn鋼彈簧板在固定安裝后1～2天內(nèi)發(fā)生大量斷裂，其末端區(qū)域彎曲角度約20°，小于設(shè)計安全彎曲角度30°。本文通過檢驗測試結(jié)果，結(jié)合彈簧板生產(chǎn)及安裝現(xiàn)場情況，分析了65Mn鋼彈簧板斷裂失效原因，并提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施。

2 試驗材料及方法

2.1 試驗材料

試驗材料為65Mn鋼彈簧板，規(guī)格為270mm×185mm×2mm，化學(xué)成分見表1，符合GB/T 1222—2007《彈簧鋼》中對65Mn的化學(xué)成分要求。彈簧板的主要制造工序為：淬火（840℃×1h，油淬）→回火（400℃×2～2.5h，空冷）→酸洗+電鍍鋅→消氫處理，電鍍鋅流程如圖1所示。選用5件彈簧板進(jìn)行試驗分析，編號為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ，其中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ發(fā)生斷裂，Ⅳ、Ⅴ為酸洗+電鍍鋅前的狀態(tài)。

圖1 電鍍鋅工藝主要流程

表1 彈簧板化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

2.2 試驗方法

利用光學(xué)顯微鏡進(jìn)行金相組織分析、非金屬夾雜物的評級；利用掃描電子顯微鏡觀察斷口形貌；利用萬能拉伸試驗機(jī)進(jìn)行拉伸性能試驗；利用洛氏硬度計進(jìn)行硬度測試；利用擺錘試驗機(jī)進(jìn)行夏比缺口沖擊試驗（非標(biāo)試樣尺寸為2mm×10mm×55mm）。

3 試驗結(jié)果

3.1 氫含量測定

彈簧板中氫含量測定結(jié)果如圖2所示，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ中氫含量顯著高于Ⅳ、Ⅴ（電鍍鋅前），證明彈簧板在酸洗電鍍工序中發(fā)生了明顯的吸氫現(xiàn)象，并在后續(xù)的消氫工序中未有效釋放。

圖2 彈簧板中氫含量測試結(jié)果

3.2 宏觀檢驗

對Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ斷裂彈簧板進(jìn)行宏觀檢查，宏觀形貌如圖3所示。Ⅰ彈簧板斷裂發(fā)生于集熱管支架側(cè)夾頭附近，呈斜向走勢；Ⅱ、Ⅲ彈簧板斷裂發(fā)生于底座側(cè)，基本沿底座夾頭邊緣斷裂。彈簧板表面呈墨綠色，未見裂紋、折疊等表面缺陷。整板及斷口附近區(qū)域均未見明顯的塑性變形、機(jī)械損傷以及腐蝕痕跡，具有瞬間脆斷的宏觀斷裂特征。

圖3 彈簧板外觀形貌

3.3 微觀金相檢驗

按照GB/T 10561—2005對彈簧板進(jìn)行非金屬夾雜物評級：Ⅰ號彈簧板評級結(jié)果為A1、D1、DS2.5；Ⅱ號彈簧板結(jié)果為A2、D1；Ⅲ號彈簧板結(jié)果為A0.5、D1。均符合GB/T 1222—2016要求。

按照GB/T 13298—2015對Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ斷裂彈簧板進(jìn)行金相組織檢驗，如圖4所示。金相組織均為中溫回火馬氏體，屬淬火+中溫回火狀態(tài)的正常組織，未見顯微裂紋等缺陷。

圖4 彈簧板金相組織形貌（OM）

3.4 力學(xué)性能測試

對彈簧板進(jìn)行拉伸、表面硬度和夏比缺口沖擊試驗，結(jié)果見表2。5件彈簧板的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度均可滿足技術(shù)要求，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ強(qiáng)度測試指標(biāo)明顯高于Ⅳ、Ⅴ，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ斷后伸長率不符合技術(shù)要求，約為Ⅳ、Ⅴ的50%。Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ非標(biāo)試樣沖擊性能均較低，折算為標(biāo)準(zhǔn)沖擊樣，沖擊吸收能量均＜8J，電鍍處理后的彈簧板韌性差、脆性大、硬度高，其力學(xué)性能特征為氫脆的發(fā)生提供了基礎(chǔ)條件。

表2 彈簧板力學(xué)性能指標(biāo)測試結(jié)果

3.5 斷口觀察和分析

利用掃描電子顯微鏡，對Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ彈簧板斷口形貌進(jìn)行了觀察分析。三件彈簧板的斷口形貌未見明顯差異，斷口上未見原始缺陷存在，整體表現(xiàn)為較大脆性，斷口上無明顯的裂紋擴(kuò)展路徑痕跡，均為沿晶+穿晶的混合型脆性斷口形貌，穿晶斷口為準(zhǔn)解理，沿晶斷口呈巖石狀，局部可見二次裂紋和“雞爪紋”特征，為氫脆斷裂。斷口形貌如圖5所示。

圖5 Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ彈簧板斷口形貌（SEM）

4 討論分析

在常溫常壓、無腐蝕介質(zhì)的條件下，65Mn鋼彈簧板受力后出現(xiàn)沿晶斷口，存在兩種可能：一是熱處理工藝不當(dāng)產(chǎn)生回火脆性；二是酸洗電鍍+消氫處理工藝不當(dāng)產(chǎn)生氫脆。三件彈簧板的斷裂發(fā)生于固定安裝后的1～2天，并未發(fā)生立即斷裂，存在時間上的延遲性，沒有明顯的塑性變形，符合氫脆的受力斷裂特點[4]。

熱處理后、電鍍鋅前的彈簧板能夠?qū)崿F(xiàn)90°彎曲而不發(fā)生斷裂，而成品彈簧板在安裝現(xiàn)場僅彎曲約20°，便相繼發(fā)生斷裂，斷裂彈簧板中的氫含量顯著高于電鍍前彈簧板，證實了電鍍過程中的彈簧板吸氫現(xiàn)象，且消氫處理并未完全消除氫的危害隱患。斷裂彈簧板強(qiáng)度余量較大、塑韌性儲備不足，具有一定的硬脆化特征，為氫脆的發(fā)生提供了基礎(chǔ)性能條件，因此應(yīng)優(yōu)化熱處理工藝，以獲得合適的強(qiáng)韌匹配。

65Mn彈簧鋼屬于高強(qiáng)鋼，其氫脆敏感度相對較高，在酸洗和電鍍過程中，金屬表面極易吸附氫，小直徑氫原子滲入并滯留在鋼中[5]，電鍍鋅層對氫原子外逸起到一定的阻礙[6]，氫原子將逐漸從工件表面向內(nèi)部擴(kuò)散，在缺陷密度較高的晶界位置聚集[7]，氫原子合成變?yōu)闅浞肿?，產(chǎn)生巨大內(nèi)應(yīng)力，在外加拉伸或彎曲載荷作用下，致使材料氫脆斷裂。因此可見，合理的酸洗電鍍和消氫熱處理是降低氫脆風(fēng)險的重要途徑。

5 結(jié)論與建議

1）三件斷裂彈簧板的化學(xué)成分和非金屬夾雜物檢測結(jié)果符合GB/T 1222—2007的要求，金相組織類型與熱處理工藝基本吻合。力學(xué)性能檢驗結(jié)果顯示，彈簧板的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度均可滿足技術(shù)要求，但斷后伸長率顯著低于技術(shù)要求。電鍍處理后的彈簧板韌性較差、脆性較大、硬度較高，易于發(fā)生氫脆。

2）三件彈簧板的斷裂性質(zhì)均為氫脆。酸洗、電鍍等工序致使鋼件吸收了過量氫，電鍍鋅層阻止氫向外擴(kuò)散以及消氫處理工藝不當(dāng)或不及時致使材料吸氫脆化，在非過載安裝的外力作用下，彈簧板相繼發(fā)生延時性氫脆斷裂。

3）建議采取減小酸洗時間、增加電鍍速度等措施改進(jìn)電鍍工藝；批量生產(chǎn)時，應(yīng)做抽樣檢驗，電鍍前進(jìn)行拉伸和表面硬度檢驗、電鍍+消氫處理后進(jìn)行彎曲檢驗，有效評價和控制批量產(chǎn)品的質(zhì)量。另外，應(yīng)特別注意電鍍工藝和消氫工藝的適用性，以及對工序銜接間隔時間的控制。