機(jī)車制動(dòng)裝置用橄欖簧的斷裂失效分析及改進(jìn)

吳 劍 劉進(jìn)華 劉 磊

（中車制動(dòng)系統(tǒng)有限公司株洲分公司，湖南 株洲 412001）

0 引言

橄欖簧是機(jī)車制動(dòng)裝置的關(guān)鍵零件，其主要通過彈簧力來實(shí)現(xiàn)機(jī)車停放時(shí)的停放制動(dòng)及手動(dòng)緩解功能。裝配時(shí)將橄欖簧安裝在缸體內(nèi)部后壓縮至一定高度，并用彈性卡環(huán)限位卡緊；在實(shí)際運(yùn)用過程中，橄欖簧也是處于自然的壓縮狀態(tài)或充入壓力空氣后的更進(jìn)一步壓縮狀態(tài)。近期，在橄欖簧組裝和試驗(yàn)過程中出現(xiàn)了個(gè)別斷裂的現(xiàn)象，本文對(duì)該橄欖簧的斷裂失效情況進(jìn)行了分析和探討，以掌握失效機(jī)理，落實(shí)改進(jìn)措施，確保產(chǎn)品質(zhì)量。

1 橄欖簧的主要技術(shù)參數(shù)

橄欖簧外形如圖1所示，為螺旋均勻變徑，中部位置簧絲直徑最大，約16 mm，兩端部簧絲直徑略小，約12 mm。該橄欖簧材質(zhì)為55SiCrV，抗拉強(qiáng)度可達(dá)1 650 MPa以上，屬于高強(qiáng)度彈簧鋼，安裝后初始?jí)嚎s狀態(tài)彈簧力為9 925 N，工作行程中彈簧力最高可至12 680 N。

圖1 橄欖簧結(jié)構(gòu)

2 橄欖簧的斷裂現(xiàn)象

橄欖簧斷裂發(fā)生在安裝后及試驗(yàn)使用過程中，故障發(fā)生率2.23%，斷裂延遲時(shí)間大約在48 h內(nèi)。斷裂發(fā)生后，停放制動(dòng)完全失效。

斷裂外觀及斷口情況如圖2所示。

圖2 橄欖簧斷裂圖

3 橄欖簧的制造工藝簡述

橄欖簧由高強(qiáng)度彈簧鋼制作，主要工藝過程為卷簧、退火、修整、淬火、回火、探傷、噴丸、壓縮、表面噴塑。

4 橄欖簧的斷裂機(jī)理分析

4.1 斷口宏觀分析

斷口斷面顏色呈灰色，斷面相對(duì)平坦，斷口附近未見明顯宏觀塑性變形。斷口邊緣隱約可見向內(nèi)發(fā)散的細(xì)小放射棱線，開裂源區(qū)位于斷口邊緣放射棱線收斂位置，斷口宏觀呈現(xiàn)脆性斷裂特征。

4.2 斷口微觀分析

對(duì)斷口使用酒精超聲清洗后，采用掃描電鏡對(duì)樣品表面不同區(qū)域進(jìn)行微觀形貌觀察。檢測(cè)結(jié)果表明：斷口開裂源區(qū)域微觀形貌均以冰糖狀沿晶脆性開裂形貌特征為主，晶面平坦，晶粒邊界清晰，如圖3（a）所示；放大后局部可見二次裂紋和典型雞爪紋形貌，雞爪紋為氫脆斷裂的典型形貌特征，如圖3（b）所示；斷口擴(kuò)展區(qū)局部微觀形貌為沿晶+韌窩組成的混合形貌，局部呈現(xiàn)解理+韌窩組成的混合形貌，距離開裂源區(qū)越遠(yuǎn)，韌窩形貌越多，如圖3（c）所示。

圖3 斷口局部形貌圖

5 橄欖簧的斷裂原因分析

通過斷口的宏觀及微觀分析，可以確定該橄欖簧故障為氫脆導(dǎo)致的沿晶脆性延遲斷裂。高強(qiáng)度彈簧鋼的氫脆延遲斷裂影響因素一般有材料本身因素和熱處理因素，下面結(jié)合該橄欖簧的制造工藝，分別就這兩方面因素進(jìn)行分析，以明確氫脆斷裂產(chǎn)生的外在原因。

5.1 材料因素分析

對(duì)斷裂失效橄欖簧材料進(jìn)行了化學(xué)成分分析，其化學(xué)成分符合產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求，即符合GB/T 1222—2016中對(duì)牌號(hào)55SiCrV的要求，如表1所示。進(jìn)一步對(duì)原材料、斷裂件、合格件的氫含量進(jìn)行取樣，檢測(cè)到的氫含量均在10-6（1 ppm）以下，且沒有明顯的斷裂故障相關(guān)性，據(jù)此可以推測(cè)該氫脆故障非絕對(duì)氫含量較高所致，應(yīng)該是存在氫聚集或其他性能異常增加了氫脆的敏感性[1]。

表1 化學(xué)成分檢測(cè)結(jié)果

5.2 熱處理因素分析

鋼的氫脆與其熱處理組織有密切關(guān)系，淬火+回火工藝是決定彈簧鋼微觀組織與強(qiáng)度級(jí)別的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。通過查詢文獻(xiàn)可知，高強(qiáng)度材料55SiCrV在適宜溫度和時(shí)間的淬火+回火熱處理后，可獲得一定比例的回火屈氏體、回火馬氏體和殘余奧氏體。其中，回火屈氏體保證材料的高強(qiáng)度和高彈性極限，組織應(yīng)細(xì)小穩(wěn)定[2]。

5.2.1 熱處理工藝排查

通過對(duì)該批次彈簧的熱處理工藝進(jìn)行追溯排查，確認(rèn)采用的淬火及回火溫度均為正常生產(chǎn)溫度，較前期條件未發(fā)生改變。差異在于淬火后的回火等待時(shí)間，正常生產(chǎn)時(shí)控制在淬火后2 h以內(nèi)進(jìn)行回火，該批次彈簧在淬火后8 h之久才進(jìn)行回火，熱處理等待時(shí)效存在較大變化。回火熱處理等待時(shí)效一般通過組織金相、硬度、殘余應(yīng)力等影響材料性能[2]。

5.2.2 金相組織分析

為了進(jìn)一步研究淬火之后回火的時(shí)效對(duì)彈簧組織的影響，對(duì)斷裂件和合格件進(jìn)行了金相組織分析，如圖4所示。斷裂件和合格件基體組織均呈現(xiàn)針狀的回火屈氏體組織，且表面和芯部無明顯差異，也均未見夾渣、晶粒粗化、大量殘余奧氏體等，據(jù)此判斷回火等待時(shí)間的較大變化未對(duì)彈簧本身的金相組織產(chǎn)生顯著影響。

圖4 橄欖簧基體金相組織

另在裂源處彈簧表面發(fā)現(xiàn)深約8 μm連續(xù)條狀的二次淬火馬氏體，如圖5白亮層所示，裂源附近彈簧表面也可觀察到深約3 μm斷續(xù)條狀的二次淬火馬氏體。裂源處噴漆層未脫落，說明燒傷組織形成環(huán)節(jié)在熱處理之后，噴漆工藝之前，即為噴丸工序，推測(cè)噴丸過程存在異常。二次淬火馬氏體為典型的磨損燒傷組織，硬而脆，極大地增加了組織的氫脆敏感性，容易在持續(xù)拉應(yīng)力載荷作用下發(fā)生氫脆延遲性斷裂。且因?yàn)橛捕炔町悾谶\(yùn)用過程中該白亮層和基體界面處容易形成應(yīng)力集中點(diǎn)，縮短疲勞壽命。

圖5 橄欖簧裂源處二次淬火馬氏體組織（白色條狀）

5.2.3 硬度分析

針對(duì)橄欖簧斷裂件和合格件進(jìn)行硬度取樣檢測(cè)，結(jié)果如表2所示，可以看出斷裂件的硬度總體要高于未斷裂件，據(jù)此判斷淬火后未及時(shí)回火，彈簧在不均勻空冷狀態(tài)下出現(xiàn)硬度偏高及不均勻的情況。材料強(qiáng)度越高，對(duì)氫的敏感性越大，發(fā)生氫脆斷裂的風(fēng)險(xiǎn)也就顯著增加[1]。

表2 橄欖簧硬度檢測(cè)結(jié)果對(duì)比

5.2.4 應(yīng)力分析

橄欖簧繞制后本身存在殘余應(yīng)力，鋼絲圈的內(nèi)側(cè)承受拉應(yīng)力，外側(cè)承受壓應(yīng)力。后續(xù)的熱處理工序需要實(shí)現(xiàn)殘余應(yīng)力的有效釋放和均勻分布。對(duì)橄欖簧斷裂件同批次產(chǎn)品（1#件）及其他批次合格產(chǎn)品（2#件）的上部和下部位置各取一個(gè)點(diǎn)進(jìn)行殘余應(yīng)力測(cè)試，結(jié)果如表3所示。

表3 殘余應(yīng)力測(cè)試結(jié)果

可以看出，斷裂件同批次產(chǎn)品上測(cè)試點(diǎn)的殘余應(yīng)力值顯著高于其他批次合格產(chǎn)品，據(jù)此判斷橄欖簧在淬火之后未及時(shí)進(jìn)行回火，導(dǎo)致淬火產(chǎn)生的變形應(yīng)力無法有效釋放，存在殘余應(yīng)力集中或較大的情況，對(duì)氫脆斷裂的敏感性進(jìn)一步提高[3]。

6 分析結(jié)論

通過對(duì)橄欖簧斷口的宏觀及微觀分析，具備顯著的氫脆斷裂特征，斷口平整，呈放射狀棱線，沿晶脆性斷裂，可見雞爪紋，擴(kuò)展區(qū)為韌窩混合形貌，據(jù)此可以確定此次橄欖簧斷裂性質(zhì)為氫脆。

目前，關(guān)于氫脆條件下裂紋擴(kuò)展機(jī)理存在各種不同的假設(shè)和理論，但氫脆對(duì)于材料特性和熱處理工藝的敏感性是基本共識(shí)，也是影響鋼氫脆斷裂的的主要因素。綜合上述分析，可以得出以下結(jié)論：

（1）高強(qiáng)度彈簧對(duì)于氫脆的敏感性較高，即使材料的絕對(duì)氫含量不高，氫脆斷裂現(xiàn)象仍有可能因熱處理不當(dāng)而出現(xiàn)。

（2）橄欖簧制造時(shí)在淬火后沒有及時(shí)進(jìn)行回火，雖然沒有引起金相組織的顯著變化，但導(dǎo)致了材料硬度偏高、殘余應(yīng)力較大，對(duì)氫脆的敏感性顯著提高。

（3）噴丸工序異常產(chǎn)生的二次淬火馬氏體硬而脆，極大地增加了組織的氫脆敏感性，且和基體界面處容易形成應(yīng)力集中點(diǎn)，縮短疲勞壽命。進(jìn)一步排查確認(rèn)噴丸工序異常，濾網(wǎng)存在破洞，有散熱扇葉片破裂后的金屬碎屑混在噴砂內(nèi)，造成二次淬火馬氏體白亮層的出現(xiàn)。

（4）橄欖簧脆斷主要發(fā)生在產(chǎn)品正式運(yùn)用之前的組裝和試驗(yàn)過程中，承受了持續(xù)的載荷保持和一定沖擊，具有延遲性。

7 改進(jìn)建議

通過上述分析可以確定橄欖簧斷裂失效的基本機(jī)理及原因，為了有效提升產(chǎn)品質(zhì)量，降低氫脆風(fēng)險(xiǎn)，可以采取以下改進(jìn)措施：

（1）合理管控橄欖簧淬火之后的回火時(shí)效，避免產(chǎn)品硬度及殘余應(yīng)力異常偏高、性能變脆。

（2）加強(qiáng)對(duì)橄欖簧制造過程中關(guān)鍵設(shè)備狀態(tài)的管控及維護(hù)，避免工序異常導(dǎo)致的性能缺陷。

（3）橄欖簧出廠前在原有保載試驗(yàn)基礎(chǔ)上增加保載時(shí)間及載荷沖擊，以幫助篩選橄欖簧的早期失效故障。