插秧機(jī)拉簧的斷裂原因

楊金艷, 李 磊, 劉小嫻, 孫永放

(南通市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)所(國(guó)家鋼絲繩產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心)， 南通 226011)

拉簧是一種通用零件,作為兩個(gè)主要部件間的連接件，在主要部件能量傳動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生及恢復(fù)變形時(shí)將機(jī)械能或動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)樾巫兡埽诠ぷ鬟^(guò)程中起到緩沖平衡、儲(chǔ)存能量、自動(dòng)控制、回位定位等作用[1-2]。拉簧不僅是一種能儲(chǔ)存能量的零件,也是重要的通用性基礎(chǔ)零件，應(yīng)用非常廣泛，其質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響整機(jī)性能[3]。拉簧對(duì)生產(chǎn)工藝及熱處理技術(shù)要求較高，有關(guān)拉簧的失效分析研究很多[4-9]。某用于插秧機(jī)的拉簧，在運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生斷裂，為找出該拉簧的斷裂原因，筆者對(duì)斷裂的拉簧進(jìn)行了一系列檢驗(yàn)和分析，以期類(lèi)似事故不再發(fā)生。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀觀察

拉簧斷裂部位為頭部拉鉤應(yīng)力集中處，且斷口形貌為斜劈狀，如圖1所示。斷裂后的拉簧鍍鋅層已觀察不到淡黃色彩鋅顏色，圖1中未使用過(guò)的拉簧表面鍍鋅層呈淡黃色。

圖1 拉簧的宏觀形貌Fig.1 Macro morphology of the tension springs

1.2 化學(xué)成分分析

采用高頻紅外碳硫分析儀、電感耦合等離子體光譜儀及分光光度計(jì)對(duì)斷裂拉簧進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見(jiàn)表1。拉簧材料為SWRS80A琴鋼絲，執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為JIS G 3502—2013《鋼琴用線材》。結(jié)果表明，拉簧的化學(xué)成分滿足JIS G 3502—2013的成分要求。

表1 拉簧的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.1 Chemical compositions of the tension spring (mass fraction) %

1.3 力學(xué)性能試驗(yàn)

對(duì)拉簧原材料鋼絲進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表2，可見(jiàn)拉簧原材料的性能滿足JIS G 3522—2014《鋼琴絲材》的技術(shù)要求。

表2 拉簧材料的性能Tab.2 Properties of the tension spring material

1.4 斷口分析

將斷口清洗、烘干后置于體視顯微鏡下觀察斷口形貌，如圖2所示?？梢?jiàn)斷口呈斜劈狀，在頭部均有一個(gè)平臺(tái)。斷口局部放大形貌可見(jiàn)清晰的斷裂紋理，這屬于瞬間撕裂所致。

圖2 拉簧斷口宏觀形貌Fig.2 Macro morphology of fracture of the tension spring: a) overall morphology; b) locally amplified morphology

將斷口置于掃描電鏡(SEM)下進(jìn)行觀察，如圖3所示。圖3a)為斷口整體形貌，斷口的頭部有一平臺(tái)，將其放大觀察，可見(jiàn)該形貌屬于疲勞斷裂形貌。圖3b)為疲勞裂紋源處，可見(jiàn)組織細(xì)膩；圖3c)為裂紋擴(kuò)展區(qū)，屬于準(zhǔn)解理斷裂；圖3d)為擴(kuò)展區(qū)與瞬斷區(qū)交界處形貌，擴(kuò)展區(qū)、瞬斷區(qū)區(qū)域均很窄；圖3e)為瞬斷區(qū)，可見(jiàn)瞬斷區(qū)為韌窩狀形貌，與瞬斷區(qū)相交的擴(kuò)展區(qū)存在二次裂紋；圖3f)為平臺(tái)下方撕裂狀形貌，為瞬間撕裂而斷所致。

圖3 拉簧斷口微觀形貌Fig.3 Micro morphology of fracture of the tension spring: a) overall morphology ;b)fatigue source region; c) propagation region; d) junction of propagation region and transient fracture region; e) transient fracture region; f) transient fracture tear under step

1.5 能譜分析

對(duì)斷口內(nèi)部進(jìn)行能譜分析，發(fā)現(xiàn)鋼絲斷口表面有許多非基體元素，某些元素屬于腐蝕產(chǎn)物元素，能譜分析位置如圖4所示，具體成分見(jiàn)表3。

圖4 能譜分析位置示意圖Fig. 4 Schematic diagram of energy spectrum analysis position

表3 拉簧斷口處的能譜分析結(jié)果Tab.3 Energy spectrum analysis results of fracture of the tension spring %

1.6 金相檢驗(yàn)

經(jīng)截取、鑲嵌、磨制、拋光、浸蝕，制備出拉簧鋼絲的橫、縱金相試樣，在光學(xué)顯微鏡下進(jìn)行觀察分析，經(jīng)測(cè)量鍍層厚度為6～7 μm，如圖5a)所示；鋼絲橫向顯微組織正常，為索氏體+少量先共析相，如圖5b)所示；鋼絲縱向顯微組織為冷拉拔纖維狀組織，如圖5c)所示。拉簧鋼絲的顯微組織符合冷拉拔鋼絲的組織特點(diǎn)。

圖5 拉簧鋼絲的顯微組織形貌Fig.5 Microstructure morphology of the tension spring steel wire: a) coating morphology;b) cross section; c) longitudinal section

1.7 非金屬夾雜物檢測(cè)

對(duì)拉簧鋼絲縱截面進(jìn)行非金屬夾雜物分析，結(jié)果表明夾雜物含量不多，基本上未見(jiàn)有呈鏈狀、球狀等非延展性?shī)A雜物。只有少量延展性好的A類(lèi)及C類(lèi)夾雜物，但均在技術(shù)要求的范圍內(nèi)。依據(jù)GB/T 10561—2005 《鋼中非金屬夾雜物含量的測(cè)定——標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖顯微檢驗(yàn)法》評(píng)定夾雜物等級(jí)，結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 非金屬夾雜物評(píng)定等級(jí)Tab.4 Evaluation grade of non-metallic inclusions 級(jí)

2 分析與討論

拉簧原材料的化學(xué)成分、性能、非金屬夾雜物、顯微組織等滿足拉簧材料相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，鋼絲表面無(wú)缺陷存在。拉簧鋼絲斷口形貌為帶平臺(tái)的斜劈狀斷口，斷裂裂紋起源于平臺(tái)處，可見(jiàn)疲勞源、擴(kuò)展區(qū)、瞬斷區(qū)，屬于疲勞斷裂。斷裂處位于拉簧拉鉤的彎曲處，疲勞源起源于拉鉤的彎曲處內(nèi)側(cè)面，拉簧服役時(shí)，拉鉤的內(nèi)側(cè)面會(huì)同時(shí)受到拉應(yīng)力、扭轉(zhuǎn)應(yīng)力以及摩擦力，而且最大應(yīng)力出現(xiàn)在鋼絲彎曲處內(nèi)側(cè)面，該面亦是斷口平臺(tái)側(cè)[10]，應(yīng)力集中部位成為疲勞源[11-12]。在掃描電鏡下觀察，斷口平臺(tái)為疲勞斷裂的影響區(qū)，斷口疲勞擴(kuò)展區(qū)太窄，即使整個(gè)平臺(tái)均為疲勞擴(kuò)展區(qū)，占整個(gè)鋼絲斷面也不足1/10，剩余部分為瞬斷區(qū)撕裂斷裂，雖然拉簧鋼絲顯微組織滿足其工藝設(shè)計(jì)的要求，但疲勞斷裂擴(kuò)展區(qū)太窄，表明鋼絲冷拉拔纖維狀組織抵抗疲勞的能力太弱，導(dǎo)致拉簧往復(fù)循環(huán)近百次，就發(fā)生了疲勞斷裂，建議提高拉簧鋼絲的抗疲勞性能。

綜合以上分析并結(jié)合以往的文獻(xiàn)報(bào)道可知，拉簧材料最好選用65Mn類(lèi)彈簧鋼，且工藝應(yīng)加以改進(jìn)，鋼絲在冷拉拔后應(yīng)進(jìn)行淬火+中溫回火處理，使鋼絲組織為回火屈氏體。這種組織具有較高的彈性極限和韌性，適合這種反復(fù)拉伸和壓縮工作形式，相比冷拉拔纖維狀硬化組織，其能大幅增加抗疲勞性能，延長(zhǎng)使用壽命。

能譜分析斷口處微區(qū)的化學(xué)成分結(jié)果表明拉簧的使用環(huán)境對(duì)拉簧有一定的影響，斷口微區(qū)存在某些腐蝕產(chǎn)物元素。拉簧鍍層厚度為6～7 μm，需加強(qiáng)鍍層厚度，防止腐蝕發(fā)生。雖然，該次拉簧斷裂的主要原因是疲勞，但腐蝕對(duì)其也有一定的影響。

3 結(jié)論及建議

拉簧斷裂性質(zhì)為疲勞斷裂。熱處理工藝不當(dāng)是拉簧發(fā)生疲勞斷裂的根本原因，冷拉后直接冷卷成型的拉簧組織為纖維狀組織，該組織抵抗疲勞能力太弱，導(dǎo)致拉簧往復(fù)循環(huán)近百次，就發(fā)生了疲勞斷裂。

建議加厚拉簧鍍層厚度，采用熱鍍鋅生產(chǎn)工藝，熱鍍鋅存在鋅鐵合金層，可以增加抗腐蝕性能；提高抗疲勞性能，改用彈簧鋼絲代替SWRS80鋼琴鋼絲并采用淬火+中溫回火處理使其組織為回火屈氏體。