65Mn彈性擋圈脆斷及熱處理工藝優(yōu)化

徐 磊，楊 健，汪迪坤，王楨楠，韓和兵

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十一研究所，上海 200233)

0 引 言

彈性擋圈也叫卡簧，分為軸用彈性擋圈和孔用彈性擋圈，安裝于槽軸上，用于固定零部件的軸向運(yùn)動(dòng)。這類擋圈的內(nèi)徑比裝配軸徑稍小，安裝時(shí)需用卡簧鉗鉗嘴插入擋圈的鉗孔中，壓縮擋圈，才能放入預(yù)先加工好的軸槽上。但在電機(jī)裝配過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，65Mn彈性擋圈存在脆斷問(wèn)題，稍一用力，即發(fā)生斷裂，影響裝配進(jìn)度[1]。本文對(duì)發(fā)生脆斷問(wèn)題的65Mn彈性擋圈進(jìn)行歸類，并對(duì)其進(jìn)行硬度測(cè)試，如表1所示。

表1 7個(gè)不同規(guī)格彈簧擋圈的硬度

硬度測(cè)試發(fā)現(xiàn)，只有17 mm規(guī)格的65Mn彈性擋圈硬度較低，硬度值為44.5 HRC，隨機(jī)對(duì)此種規(guī)格的65Mn彈性擋圈進(jìn)行取樣，取樣數(shù)×10個(gè)，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試裝，測(cè)試其是否擁有較好的彈性。經(jīng)過(guò)試裝，17 mm規(guī)格的65Mn彈性擋圈10個(gè)試樣全部合格，該規(guī)格所有試樣均具有良好的彈性，且均未產(chǎn)生斷裂或裂紋。

另隨機(jī)抽取10個(gè)22 mm規(guī)格的65Mn彈性擋圈進(jìn)行試裝測(cè)試。試裝時(shí)，有4個(gè)擋圈試樣發(fā)生斷裂，具體斷裂情況如圖1所示。

圖1 斷裂擋圈斷裂位置

取斷裂的擋圈試樣與未斷裂的擋圈試樣進(jìn)行硬度測(cè)試，斷裂擋圈硬度為58 HRC，未斷裂擋圈硬度為53.5 HRC，可以說(shuō)明擋圈的脆斷與擋圈的硬度有關(guān)。

1 65Mn彈性擋圈的應(yīng)力分布

按照GB/T 894-2017軸用彈性擋圈國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的20 mm彈性擋圈尺寸進(jìn)行建模。依據(jù)彈性擋圈試裝時(shí)的受力情況，進(jìn)行不同變形量的靜態(tài)力學(xué)模擬仿真，以擋圈的兩個(gè)小孔中的一個(gè)為固定點(diǎn)，另外一個(gè)小孔向固定的小孔分別位移0.5 mm、1 mm、1.5 mm、2 mm、2.5 mm、3 mm作為邊界條件，計(jì)算不同變形狀態(tài)下的彈性擋圈純彈性變形時(shí)的應(yīng)力分布[2]，具體應(yīng)力分布圖如圖2～圖7所示。

圖2 形變量為0.5 mm下，擋圈的應(yīng)力分布

圖3 形變量為1.0 mm下，擋圈的應(yīng)力分布

圖4 形變量為1.5 mm下，擋圈的應(yīng)力分布

圖5 形變量為2.0 mm下，擋圈的應(yīng)力分布

圖6 形變量為2.5 mm下，擋圈的應(yīng)力分布

圖7 形變量為3.0 mm下，擋圈的應(yīng)力分布

從不同變形量的應(yīng)力分布圖可以看出，65Mn彈性擋圈彈性測(cè)試時(shí)應(yīng)力主要集中在三個(gè)區(qū)域，變形量不斷增大，彈性擋圈受到的最大應(yīng)力也不斷增大，不同變形量下彈性擋圈受到的最大應(yīng)力如表2所示。

表2 不同形變量下，20 mm彈性擋圈承受的最大應(yīng)力

從65Mn彈性擋圈的應(yīng)力仿真結(jié)果可以看出，在測(cè)試彈性的過(guò)程中給的變形量不同，擋圈所承受的應(yīng)力差異巨大。從裝配過(guò)程來(lái)看，在測(cè)試65Mn彈性擋圈彈性時(shí)，20 mm擋圈變形量最小也會(huì)大于3 mm，此時(shí)擋圈所承受的應(yīng)力值已經(jīng)遠(yuǎn)超過(guò)其強(qiáng)度極限，擋圈在應(yīng)力集中處斷裂應(yīng)屬過(guò)載過(guò)大斷裂。從4個(gè)斷裂擋圈的斷裂位置圖也可以看到，擋圈的斷裂位置均為應(yīng)力集中的三個(gè)區(qū)域。同樣的測(cè)試過(guò)程還有7個(gè)擋圈未斷裂，從硬度測(cè)試結(jié)果看，未斷裂擋圈硬度稍低，對(duì)應(yīng)其屈強(qiáng)比會(huì)有所降低，表現(xiàn)為有一定的塑性變形能力。因此在進(jìn)行彈性能測(cè)試施加應(yīng)力的過(guò)程中，應(yīng)力首先超過(guò)其屈服強(qiáng)度，造成擋圈發(fā)生一定量的塑性變形，塑性變形會(huì)引起變形區(qū)域的局部強(qiáng)化且會(huì)引起應(yīng)力的自適應(yīng)調(diào)整，而計(jì)算與仿真是無(wú)法仿真出材料發(fā)生塑性變形后的應(yīng)力大小與分布的。硬度較高的擋圈更容易斷裂，是由于其屈強(qiáng)比高，當(dāng)其所承受的應(yīng)力稍微超過(guò)其屈服應(yīng)力時(shí)，此應(yīng)力也非常接近其所承受的最大應(yīng)力，由于微觀結(jié)構(gòu)上的差異，如點(diǎn)缺陷、線缺陷、面缺陷，而產(chǎn)生裂紋，在巨大應(yīng)力作用下，裂紋迅速擴(kuò)張，造成斷裂失效。

從靜態(tài)力學(xué)仿真結(jié)果與65Mn材料的力學(xué)性能看，20 mm規(guī)格的65Mn彈性擋圈最大變形量不超過(guò)1.5 mm。如果超過(guò)此變形量，僅從彈性變形計(jì)算來(lái)看，擋圈承受的應(yīng)力會(huì)超過(guò)其強(qiáng)度極限而斷裂失效。

據(jù)此可以判斷，65Mn彈性擋圈在測(cè)試過(guò)程中出現(xiàn)斷裂的主要原因有：材料硬度過(guò)高，造成屈強(qiáng)比高，導(dǎo)致材料基本沒(méi)有塑性變形能力，在施加載荷過(guò)程中，無(wú)法通過(guò)塑性變形自適應(yīng)調(diào)整自身應(yīng)力分布，造成局部應(yīng)力過(guò)載而發(fā)生斷裂。

2 65Mn彈性擋圈熱處理工藝優(yōu)化

針對(duì)65Mn彈性擋圈硬度過(guò)大的問(wèn)題，本文采用熱處理方法對(duì)該材料進(jìn)行調(diào)質(zhì)。加工65Mn彈性擋圈往往采用淬火+回火熱處理工藝：840 ℃/10 min→油焠→340 ℃/(1～2)h。回火熱處理過(guò)程中由于溫度較低，箱式熱處理爐在加熱過(guò)程中僅依靠爐底與爐膛內(nèi)空氣進(jìn)行熱量傳導(dǎo)，速度較慢。而65Mn彈性擋圈又直接堆積在爐膛內(nèi)，因此會(huì)造成有效加熱時(shí)間長(zhǎng)短不一[3]，回火保溫時(shí)間對(duì)65Mn彈性擋圈的硬度和彈性有著直接影響，影響關(guān)系如圖8所示。

圖8 65Mn擋圈回火保溫時(shí)間和硬度的關(guān)系曲線

高溫淬火后，65Mn擋圈的硬度為62 HRC。回火30 min后，硬度降為57 HRC，隨著回火溫度時(shí)間的延長(zhǎng)，65Mn的硬度也不斷下降。但是當(dāng)回火溫度延長(zhǎng)至120 min后，硬度降低至45 HRC，繼續(xù)延長(zhǎng)回火時(shí)間，硬度變化趨于水平。考慮到工件加熱時(shí)為堆放狀態(tài)，因此65Mn彈性擋圈的熱處理工藝修改為：(840 ℃±10 ℃)/(10～30)min+油淬+(340 ℃±10 ℃)/(180±10)min，硬度為44 HRC～50 HRC。

對(duì)比新舊工藝處理后的65Mn彈性擋圈的金相圖譜如圖9所示。

圖9 新舊工藝處理的65Mn彈性擋圈金相圖

原有工藝處理后的部分65Mn彈性擋圈金相以回火馬氏體為主，表面部分區(qū)域存在微裂紋，說(shuō)明原工藝回火效果不佳，淬火應(yīng)力與相變應(yīng)力未完全去除。優(yōu)化工藝處理后的65Mn彈性擋圈金相表面存在黑色碳析出物，金相由馬氏體轉(zhuǎn)變?yōu)榛鼗鹎象w，應(yīng)力去除效果較好，證明優(yōu)化后的工藝有效。

3 結(jié) 語(yǔ)

65Mn彈性擋圈材料硬度過(guò)高，造成屈強(qiáng)比高，導(dǎo)致材料基本沒(méi)有塑性變形能力。在施加載荷過(guò)程中，無(wú)法通過(guò)塑性變形自適應(yīng)調(diào)整自身應(yīng)力分布，造成局部應(yīng)力過(guò)載而發(fā)生斷裂。通過(guò)優(yōu)化熱處理工藝，延長(zhǎng)回火保溫時(shí)間，可以將彈性擋圈的金相轉(zhuǎn)變?yōu)榛鼗鹎象w，有效降低材料硬度，提升材料韌性，減少裝配工作中65Mn彈性擋圈的脆斷問(wèn)題。