65Mn鋼彈簧片斷裂故障分析及制造中的問題

賈慶雪，劉連生

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1 65Mn鋼的特點(diǎn)

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(qiáng)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(diǎn)，尤其缺口敏感性較強(qiáng)。

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(jī)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(qiáng)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(shí)，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(jī)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。孔的邊緣飛邊用鉆頭在鉆床上去除是錯(cuò)誤的，不僅會(huì)形成“刀口”狀，而且還是棱狀（振動(dòng)所致），應(yīng)改用砂棒將孔的邊緣打磨光滑。

3 設(shè)計(jì)要求

彈簧的硬度設(shè)計(jì)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(diǎn)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(shí)（回火溫度高），雖然韌性較高，但強(qiáng)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(qiáng)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(jì)值應(yīng)在46～51HRC。此外，保證晶粒度大于7級(jí)是必要的。細(xì)晶粒有利于提高韌性和疲勞極限，同時(shí)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?dú)獗Ｗo(hù)馬弗爐加熱和油冷，操作簡(jiǎn)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(jí)以上。高于830℃易造成晶粒粗大，脆性增加。低于800℃又會(huì)有少量未溶解的鐵素體，使抗微塑性變形能力降低。

淬火時(shí)，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(zhǎng)，由于彈簧片被大量蒸氣泡包圍，且蒸氣泡向上運(yùn)動(dòng)，延遲了上端的冷卻速度，會(huì)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(zhǎng)。另一個(gè)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(huì)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(duì)鹽槽進(jìn)行脫氧處理。加熱時(shí)間也不宜長(zhǎng)，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(qiáng)韌性），特別是鋼的屈強(qiáng)比和彈性極限的提高尤為顯著。同時(shí)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(bǔ)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(duì)于精度要求高的彈簧片，正常的回火或補(bǔ)充消除應(yīng)力處理都應(yīng)在夾具中定形加熱。

4.3 機(jī)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(qiáng)迫彎曲松弛殘余應(yīng)力。彎曲度按設(shè)計(jì)的工作要求執(zhí)行，一般5～10次即可，摩擦彈簧片的機(jī)械穩(wěn)定化可能需要幾十次。同時(shí)，機(jī)械穩(wěn)定也是評(píng)價(jià)彈簧片韌性的最好方法。

5 結(jié)束語(yǔ)

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(qiáng)度和彈性性能，又有一定的韌性。

3）保證晶粒度大于7級(jí)，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(huì)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(zhǎng)度也要控制，且不能將彈簧片疊在一起綁扎。