65 Mn冷硬態(tài)螺旋彈簧成型斷裂原因分析

供稿|高影，張向東，張秉清 / GAO Ying, ZHANG Xiang-dong, ZHANG Bing-qing

65Mn鋼為優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，具有強(qiáng)度高、硬度高，淬透性好，脫碳傾向小等優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)冷軋深加工后用于制造各種截面較小的扁彈簧、圓彈簧、座墊彈簧、彈簧發(fā)條等，在鋼材市場中占有較大的份額。冷軋彈簧鋼帶主要是用于制作小型彈簧，成型方式分為冷軋退火態(tài)繞制成型和冷硬態(tài)繞制成型。熱軋鋼帶經(jīng)冷作硬化后具有較高的強(qiáng)度、硬度和較好的回彈性，但塑性相對冷軋退火態(tài)鋼帶較差，在繞制成型過程中易造成脆性斷裂。針對65Mn冷軋鋼帶冷硬態(tài)繞卷螺旋彈簧過程斷裂問題，采用斷口分析、化學(xué)成分分析、硬度檢測分析和組織分析等手段查找其斷裂原因。

斷口檢測

宏觀形貌

65Mn彈簧斷裂件的邊緣處較粗糙，伴有許多微小裂紋和毛刺，斷口表面較平整，斷裂面大致與彈簧軸線呈45°角，整個斷面基本成灰色，斷口周圍無明顯宏觀塑性變形特征，如圖1所示。

微觀形貌

圖1 斷口處宏觀形貌

對斷口處進(jìn)行掃描電鏡觀察，研究了其斷口形貌以及可能存在的夾雜物。如圖2所示，斷口處有著明顯的塑性斷裂區(qū)以及開裂階段最后的瞬斷區(qū)，塑性斷裂區(qū)中的韌窩很淺，僅韌窩呈明顯拉長狀。另外，在斷口處還發(fā)現(xiàn)含有Si、Al、Na、K、Ca等元素的復(fù)合夾雜，直徑大多在20 mm以下，如圖2所示。

圖2 斷口微觀形貌

圖3 斷口處夾雜物

化學(xué)成分檢測

對正常批次和異常批次65Mn進(jìn)行化學(xué)成分和氧氮含量進(jìn)行對比分析，結(jié)果見表2和表3。從檢測結(jié)果看，正常批次和異常批次的65Mn化學(xué)成分均符合產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)要求，其中硫、磷含量遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)值，且兩批次成分之間無明顯差別，而且從氧氮含量控制來看，兩批次T[O]含量控制均較低，說明鋼質(zhì)較為純凈。

表2 化學(xué)成分 %

表3 氧氮含量

硬度分析

據(jù)加工彈簧的終端用戶反映，65Mn冷硬鋼帶硬度值在HRC25～28范圍內(nèi)時(shí)，繞制成型性和彈簧回彈性等綜合性能最好；當(dāng)硬度低于HRC25時(shí)成型性較好，但彈簧回彈性略差；當(dāng)硬度高于HRC28時(shí)繞卷成型過程斷裂幾率會增大。從繞卷彈簧斷裂的冷硬鋼帶上截取1塊試樣進(jìn)行硬度檢測，結(jié)果見表4。從檢測結(jié)果看，異常批次冷硬帶硬度值比用戶要求的最佳硬度范圍HRC25～28偏高。

表4 硬度檢測

力學(xué)性能檢測

因鋼材加工過程存在組織、性能、缺陷等遺傳性，故對原始65Mn熱軋鋼帶力學(xué)性能進(jìn)行追溯，65Mn熱軋鋼帶力學(xué)性能見表5。從數(shù)據(jù)看，雖然熱軋鋼帶力學(xué)性能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，但異常批次65Mn熱軋鋼帶伸率較低，比正常批次伸長率低約10%。

表5 熱軋鋼帶力學(xué)性能

組織分析

取異常批次65Mn熱軋板的金相試樣，在光學(xué)顯微鏡下觀察其顯微組織，如圖4所示?；w組織主要以珠光體為主，并分布有少量的鐵素體，未見異常的貝氏體或馬氏體。但在掃描電鏡下觀察鋼帶組織不均勻，存在局部片層間距很細(xì)的珠光體，其片層間距約為100～200 nm，如圖5所示。

圖4 異常批次65Mn熱軋板金相照片

圖5 異常批次65Mn熱軋板掃描電鏡照片

結(jié)果分析

斷口形貌

斷口的塑性斷裂區(qū)中的韌窩很淺，僅韌窩呈明顯拉長狀，說明鋼材塑性不佳；斷口上存在大量呈河流狀解理斷裂裂紋，韌窩型斷口形貌偏少，故此次斷裂形式為脆性斷裂。

另外，在斷口處發(fā)現(xiàn)硅酸鹽及鋁酸鹽夾雜組成的復(fù)合型夾雜物，該類夾雜物在常溫變形時(shí)塑性較差，易破壞金屬基體的連續(xù)性產(chǎn)生應(yīng)力集中，并隨著外力的逐步增加發(fā)展為裂紋。因夾雜物尺寸較小，且數(shù)量較少，所以可判斷夾雜物不是造成斷裂的主要原因，但會對斷裂起到一定的促進(jìn)作用。

化學(xué)成分

繞制彈簧斷裂的異常批次65Mn鋼帶化學(xué)成分與正常批次無明顯差別，而且鋼帶T[O]含量較低，表明化學(xué)成分和氧氮控制不是造成彈簧斷裂的影響因素。

硬度

65Mn冷硬鋼帶硬度在HRC31左右，比正常批次硬度值HRC25～28偏高。在冷軋加工變形中，冷軋帶鋼硬度與冷軋變形量有關(guān)，隨著變形程度增加，硬度升高，塑性下降[1]。但由于65Mn鋼帶冷加工變形量并未改變，因此繞制彈簧斷裂現(xiàn)象可能是熱軋鋼帶本身質(zhì)量問遺傳至冷軋板所致。

顯微組織

異常批次65Mn熱軋鋼帶比正常批次伸長率低約10%，結(jié)合掃描電鏡顯微組織，可以判斷65Mn繞卷彈簧時(shí)的斷裂與65Mn熱軋鋼帶組織不均勻，局部存在一定數(shù)量片層間距較小的細(xì)珠光體有很大關(guān)系。珠光體的片層間距大小直接影響著珠光體的硬度和強(qiáng)度，隨著片層間距的減小，珠光體的硬度和強(qiáng)度逐漸增大[2]。熱軋板存在這種粗細(xì)不均的珠光體組織缺陷遺傳至冷軋板，造成冷軋鋼板的塑性降低，硬度差異化，最終在后期加工受力的情況下，因應(yīng)變不同產(chǎn)生應(yīng)力集中而導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生。

結(jié)束語

綜合分析，造成65Mn冷硬鋼帶繞卷彈簧斷裂的主要原因?yàn)闊彳堜搸ЫM織不均勻，局部存在較細(xì)小的珠光體。而細(xì)小珠光體硬度高、塑性差，在后期較大塑性變形過程中，在局部硬度偏高處或夾雜物位置因應(yīng)變不同發(fā)生應(yīng)力集中產(chǎn)生裂紋，沿晶界擴(kuò)展而發(fā)生斷裂。

針對此現(xiàn)象，建議生產(chǎn)中提高鋼水的純凈度，軋制過程中適當(dāng)降低軋后冷卻速率，優(yōu)化軋后緩冷工藝，防止因異常冷卻而出現(xiàn)的不良組織。

[1]趙志業(yè). 金屬塑性變形與軋制理論(第二版). 北京：冶金工業(yè)出版社，1980.

[2]劉宗昌，任慧平，宋義全，等. 金屬固態(tài)相變教程（第二版）. 北京：冶金工業(yè)出版社，2011.