汽車電尾彈簧電泳后斷裂失效分析

王長樂，朱文浩，李明偉，王子勉，葛炎龍，柴敬超，康克家2，

1.鞏義市恒銘金屬制品有限公司 河南鞏義 451253

2.河南省油淬火-回火彈簧鋼絲工程技術研究中心 河南鞏義 451253

3.河南工業大學 河南鄭州 450001

4.河南中煙工業有限責任公司 河南鄭州 450016

1 序言

目前，中高檔汽車均采用電動后備箱，即后備箱采用電動或遙控方式開起或關閉。尾門撐桿是保證汽車電動尾門正常工作的核心零部件，電尾彈簧則是尾門撐桿的關鍵部件之一[1]。若由于電尾彈簧性能衰減或突發性彈簧斷裂等原因而造成電動尾門無法打開，則將會對用戶造成較差的用車體驗，且失去電動后備箱的便捷性優勢。因此，尾門撐桿用彈簧對力值穩定性和力值抗衰減性能等要求非常高，對所用彈簧鋼絲的力學性能要求也非常嚴苛。目前，市面上電尾彈簧所用原材料絕大部分采用進口鋼絲，國產鋼絲只占少量市場份額。

國內某彈簧廠生產的SAE9254HV超高強度電尾彈簧在電泳后壓并測試過程發生斷裂，斷裂彈簧如圖1所示。該彈簧采用的原材料為直徑3.8mm、抗拉強度≥2200MPa的超高強度鋼絲。鋼絲生產工藝流程為：盤條酸洗→磷化→拉拔→加熱→油淬火→中溫回火→無損檢測→包裝。電尾門彈簧生產工藝流程為：選料→繞簧→去應力退火→熱壓成形→端面磨平→低溫定形→電泳→壓并測試→植絨。本文對斷裂彈簧進行化學成分分析、斷口形貌分析、金相組織檢測和顯微硬度檢測，查明其斷裂原因，并提出了合理性的改進建議。

圖1 電泳后壓并部分斷裂彈簧

2 理化檢驗

2.1 斷口宏觀形貌

圖2所示為體視顯微鏡下彈簧斷口宏觀形貌，斷口可見放射狀花樣，裂紋擴展紋路清晰，放射線收斂方向即裂紋起始位置[2，3]，可知裂紋起源于A處表面附近，裂紋沿圖中箭頭方向擴展直至斷裂，可見裂紋起源區A、裂紋擴展區B、終斷區C。

圖2 體視顯微鏡下彈簧斷口宏觀形貌

2.2 斷口微觀形貌

在掃描電鏡下觀察斷口形貌，各區域微觀形貌如圖3所示，未發現夾雜、折疊等缺陷。由圖3a可見，裂紋起源區以沿晶斷裂為主，晶粒沿晶界開裂，該區晶界已明顯弱化、脆化。自裂紋起源區開始，裂紋沿徑向不斷向內擴展，沿晶斷裂區域之后，斷面特征逐步向韌窩過渡，該區域即為斷面的穩定擴展區（見圖3b）。由圖3c可見，終斷區呈韌窩形貌，且韌窩數量增多。彈簧斷面大部分區域（擴展區+終斷區）都存在韌窩，說明材料塑性較好[4，5]。

圖3 彈簧斷口不同區域微觀形貌

2.3 材料化學成分

在彈簧斷樣上取試樣進行化學成分分析，結果見表1。由表1可看出，彈簧鋼化學成分符合SAE9254HV技術要求。

表1 SAE9254HV彈簧鋼化學成分（質量分數） （%）

2.4 金相分析

在彈簧斷口附近沿橫向位置進行取樣，經過鑲樣、砂紙打磨和機械拋光后，用體積分數4%的硝酸酒精溶液腐蝕，在金相顯微鏡下觀察到基體組織為回火屈氏體，樣品邊部無明顯脫碳，組織均勻無異常，如圖4所示。因此，可排除鋼絲脫碳、組織異常因素的影響。

圖4 斷裂彈簧顯微組織

2.5 顯微硬度檢測

在彈簧斷口附近取樣進行顯微硬度檢測，結果如圖5所示。從圖5可看出，邊部硬度較高，心部硬度略低，從邊部到心部硬度略有下降，符合鋼絲淬火、回火后彈簧鋼硬度規律；硬度最大值639HV，最小值為615HV，最大差值為24HV，邊部和心部硬度值相差不大，硬度分布總體較為均勻，這也從側面證明了組織的整體均勻性。

圖5 斷裂彈簧橫截面顯微硬度分布

3 斷裂原因分析

從上述檢測結果來看，鋼絲的化學成分、基體組織、脫碳層深度及硬度未見異常。從斷口的微觀形貌來看，斷口大部分區域存在韌窩，排除材料韌性不足導致斷裂的可能性。

體視顯微鏡的觀察結果顯示，裂紋源起源于彈簧邊部的一處表面附近，進而沿徑向擴展，最終導致彈簧斷裂（見圖2）。對裂紋源區的微觀斷口進行觀察，發現靠近材料表面的斷口裂紋源區呈現沿晶斷裂的斷口特征；該區斷口呈冰糖狀沿晶斷裂斷口，晶粒間存在沿晶裂紋，具有氫致斷裂的典型微觀形貌特征[6-9]，分析可能為氫脆所致。排查鋼絲加工工藝和彈簧加工工藝，發現盤條的酸洗和彈簧電泳兩個環節會有氫氣生成，如果是酸洗所致，局部發生氫脆后的鋼絲在拉拔以及彈簧繞簧過程就會發生斷裂，因此排除盤條酸洗所致。結合電尾彈簧生產工藝流程，電泳是電泳涂料在陰陽兩極，施加于電壓作用下，帶電荷的涂料離子移動到陰極，并與陰極表面所產生的堿性作用形成不溶解物，沉積于彈簧表面。電解質溶液為氫氧化鈉堿性環境，氫氧化鈉電解池陰陽極的電極反應式如下。

陽極：4OH-－4e-＝O2↑＋2H2O

陰極：4H2O＋4e-＝4OH-＋2H2↑

電尾彈簧在電泳過程中不可避免地存在析氫、滲氫過程，析出的氫一部分以氫分子形式溢出表面，另一部分吸附于彈簧基體表面而滲入鋼絲，會通過擴散的方式進入并分布于各種可逆氫陷阱中，這類缺陷包括位錯、空位、小角度晶界等[10，11]。進入金屬試樣內部的H在自身的應力場與氫陷阱周圍的應力場的交互作用下，使得H在陷阱處聚集并結合成H2，造成氫陷阱處的晶界存在氫壓[12，13]。氫壓的存在使陷阱處與其他區域構成應力梯度，將誘導周圍的H不斷向氫陷阱處擴散，繼而在氫陷阱周圍形成空洞。隨著空洞內氫氣濃度的不斷提高，氫壓逐漸增加，當其超過材料的局部斷裂強度時，就會導致裂紋的形核與擴展，形成氫致裂紋，導致材料斷裂[14，15]。因電尾彈簧強度非常高，抗拉強度超過2200MPa，而且材料強度越高，對氫越敏感，所以最終導致彈簧在表面氫致微裂紋處發生開裂，并在應力作用下迅速擴展，最終失穩斷裂。

綜上所述，電尾彈簧在電泳過程中局部表面脆化形成顯微裂紋是壓并斷裂的主要原因。

4 結束語

電尾彈簧在電泳過程中因表面聚集氫造成彈簧表面局部發生脆化，電泳后壓并測試時，彈簧表面會產生應力集中，在表面脆化處形成裂紋源，并擴展斷裂。針對以上情況，對電泳加工工藝提出了以下改進措施和建議。

1）彈簧電泳時，在保證電泳層質量的前提下，應盡量縮短電泳時間，防止出現局部滲氫腐蝕，造成彈簧表面局部脆化。

2）電泳后盡量采用有效除氫工藝，如加熱除氫。