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        大規(guī)格油淬火回火彈簧鋼絲斷裂分析

        2021-12-23 14:25:06龔夢強(qiáng)汪開忠尹德福張曉瑞王自敏
        中國金屬通報(bào) 2021年17期
        關(guān)鍵詞:彈簧鋼脫碳淬火

        龔夢強(qiáng),汪開忠,尹德福,張曉瑞,丁 雷,王自敏

        (馬鞍山鋼鐵股份有限公司,安徽 馬鞍山 243000)

        51CrV4彈簧鋼具有良好的淬透性和熱敏感性的優(yōu)點(diǎn),經(jīng)過油淬火回火后具有較高的彈性極限、強(qiáng)度極限、疲勞性能及較好的塑性及韌性[1-4]。因此,廣泛應(yīng)用于汽車、鐵路車輛等部件上。油淬火回火彈簧鋼絲的性能會直接影響彈簧成品的性能,油淬火回火彈簧鋼絲要經(jīng)過一系列的加工處理,包括拉拔、熱處理(油淬火+回火)、探傷等。鋼絲廠使用直徑Φ20mm規(guī)格51CrV4彈簧鋼熱軋盤條拉拔到Φ18mm,進(jìn)行熱處理和探傷后發(fā)下游客戶。下游客戶在開卷過程中發(fā)生斷裂。為了弄清鋼絲發(fā)生斷裂的原因,本文通過宏觀觀察、掃描電鏡、光學(xué)顯微鏡等方法進(jìn)行了深入分析。

        1 檢驗(yàn)過程與結(jié)果

        1.1 斷口形貌觀察

        1.1.1 宏觀形貌觀察

        斷口試樣經(jīng)超聲波清洗后采用掃描電鏡觀察斷口形貌;整個斷口呈現(xiàn)脆性平齊的斷裂形態(tài),存在縱向裂紋,裂紋源區(qū)、擴(kuò)展區(qū)清晰可見,如圖1所示。其中瞬斷區(qū)所占斷口面積比例較大,為脆性斷口[5]。

        圖1 斷裂彈簧鋼絲宏觀形貌

        1.1.2 微觀形貌觀察

        將切下的斷口用超聲波清洗后,用掃描電鏡觀察,由圖2可知,裂紋源區(qū)為沿晶斷裂,未發(fā)現(xiàn)明顯的夾雜。由圖3可知,擴(kuò)展區(qū)為沿晶斷裂。由圖4可知,瞬斷區(qū)為沿晶加韌窩斷裂。一般來說,淬火裂紋的微觀斷裂機(jī)制為沿晶斷裂。斷裂的彈簧鋼絲斷裂源微觀形貌也為沿晶斷裂。

        圖2 斷裂彈簧鋼絲裂紋源區(qū)形貌

        圖3 斷裂彈簧鋼絲擴(kuò)展區(qū)形貌

        圖4 斷裂彈簧鋼絲瞬斷區(qū)形貌

        1.2 化學(xué)成分分析

        材料為Φ18 mm大規(guī)格油淬火回火鋼絲斷裂樣品,經(jīng)光譜分析,其化學(xué)成分如表1所示,結(jié)果表明其成分符合eNl0089中51CrV4鋼化學(xué)成分技術(shù)條件要求。

        表1 材料化學(xué)成分(wt%)

        1.3 表面缺陷及顯微組織分析

        在斷裂彈簧鋼絲斷口處取樣、磨制及機(jī)械拋光后用含量為4%的硝酸酒精腐蝕,然后在金相顯微鏡下觀察試樣脫碳層組織,如圖5所示??梢姡撛嚇颖砻嫖匆娒黠@脫碳。隨后用4%硝酸酒精腐蝕并觀察組織。組織為回火屈氏體,樣品中心無偏析,如圖6所示,為51CrV4彈簧鋼經(jīng)淬火+中溫回火后的正常組織。在斷裂源位置發(fā)現(xiàn)1條裂紋,裂紋深度為1 mm,裂紋兩側(cè)未見明顯脫碳和氧化,如圖7所示。

        圖5 彈簧鋼絲脫碳100x

        圖6 彈簧鋼絲中心組織500x

        圖7 彈簧鋼絲裂紋表面形貌

        1.4 夾雜物分析

        在彈簧鋼絲裂紋源附近用線切割切取試樣。然后磨制成金相試樣并對其進(jìn)行夾雜物級別分析。按照GB/T10561標(biāo)準(zhǔn)中A法進(jìn)行夾雜物評定。彈簧鋼絲非金屬夾雜物級別符合GB/T1222中非金屬夾雜物的規(guī)范要求。

        表2 非金屬夾雜物評級(級)

        1.5 硬度分析

        用洛氏硬度儀在樣品上從截面的邊緣處到中心部位再到邊緣五個點(diǎn)進(jìn)行測試(見圖8),洛氏硬度測試結(jié)果如表3所示,TJ/CL 285-2014彈簧要求45-51 HRC,油淬火鋼絲硬度結(jié)果偏下限,硬度偏差為1.8 HRC,較均勻。

        表3 洛氏硬度(HRC)

        圖8 硬度取點(diǎn)示意圖

        2 分析討論

        經(jīng)檢測,斷簧的化學(xué)成分,非金屬夾雜物級別,脫碳,金相顯微組織均符合技術(shù)規(guī)范要求,這說明該彈簧原材料的冶金質(zhì)量符合要求。但彈簧鋼絲硬度偏下限,說明大規(guī)格彈簧鋼絲的油淬火回火工藝有待優(yōu)化。另外,通過對斷口進(jìn)行檢測可知,該斷裂起源于表面裂紋,斷口為沿晶斷裂,斷口起源位置未觀察到明顯的冶金缺陷,由此推斷,斷裂面形成沿晶裂紋原因是淬火應(yīng)力所致,隨著時(shí)間的推移,在應(yīng)力釋放時(shí),裂紋逐漸擴(kuò)展,直至表面薄弱處斷裂[6-9]。因此,針對大規(guī)格彈簧鋼絲還需要進(jìn)一步優(yōu)化鋼絲的油淬火回火工藝來盡量降低鋼絲淬火應(yīng)力。另外,要考慮拉拔設(shè)備的拉拔能力,盡量保證每道次的變形量均衡;應(yīng)該在保證產(chǎn)品質(zhì)量、尺寸的情況下減少道次,提高生產(chǎn)效率[10]。據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)可知[11],可以采用重復(fù)淬火的方式,隨著加熱次數(shù)的增加,奧氏體晶粒和合金碳化物變得均勻細(xì)小,合金元素和合金碳化物充分溶解,使組織細(xì)化和均勻。

        對于大規(guī)格油淬火回火鋼絲的油淬火回火工藝有待進(jìn)一步優(yōu)化,要控制好熱處理質(zhì)量,制定正確的熱處理工藝參數(shù),并加強(qiáng)對熱處理工藝的管理,并在熱處理工藝完成后應(yīng)注意工件質(zhì)量的監(jiān)督檢查,加強(qiáng)探傷檢驗(yàn)的準(zhǔn)確度,同時(shí)抽檢鋼絲熱處理后的組織和硬度。

        3 結(jié)論

        大規(guī)格油淬火回火鋼絲在淬火過程中產(chǎn)生裂紋,裂紋引起鋼絲表面應(yīng)力集中,導(dǎo)致斷裂。針對上述原因,提出了預(yù)防措施,保證大規(guī)格油淬火回火鋼絲的質(zhì)量。

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