65Mn鋼錐形墊圈斷裂原因

許永春, 程全士, 沈 鵬, 竇建偉, 楊保建, 時 杭, 黃 帥, 王 冉

(1.航天精工股份有限公司, 天津 300304;2.河南航天精工制造有限公司, 信陽 464000)

65Mn鋼是一種使用廣泛的彈簧鋼,該鋼的碳含量高,具有強度高、淬透性好、硬度高、脫碳傾向小、切削加工性能好及價格低廉等優點,但也有過熱敏感性、易產生淬火裂紋、回火脆性等缺點[1-3]。65Mn鋼在緊固件行業用途較廣,主要用于生產各類彈性墊圈、彈性圓柱銷以及一些擋圈等彈性元件[4]。

某規格為M16的螺母與錐形墊圈組合產品中的螺母材料為40CrNiMoA鋼,錐形墊圈材料為65Mn鋼,螺母和墊圈表面均經過達克羅處理,在裝配過程中,多件錐形墊圈出現斷裂現象。筆者采用宏觀觀察、化學成分分析、掃描電鏡(SEM)分析、金相檢驗、硬度測試等方法分析了墊圈斷裂的原因,以避免該類問題再次發生。

1 理化檢驗

1.1 宏觀觀察

從多件斷裂的錐形墊圈中隨機選取1件墊圈,該墊圈宏觀形貌如圖1所示。

圖1 斷裂錐形墊圈宏觀形貌

墊圈與螺母為組合件,斷裂部位在墊圈支撐面上。墊圈表面至少6處存在明顯裂紋,斷裂墊圈部分脫落;六方扳擰處存在表面達克羅涂層損傷和脫落;隨機選取2個斷口觀察,其斷面均呈銀灰色,未見腐蝕現象,斷面存在較多的閃光小刻面,未見明顯宏觀塑性變形痕跡。

1.2 化學成分分析

在錐形墊圈斷口附近取樣,去掉達克羅涂層后對試樣進行化學成分分析,采用碳硫儀分析C、S元素,用光譜儀分析其余元素,結果如表1所示。由表1可知:斷裂墊圈的化學成分符合GB/T 1222—2007《彈簧鋼》的要求。

表1 斷裂墊圈化學成分分析結果 %

1.3 掃描電鏡分析

在斷口1和斷口2處截取試樣,將其置于掃描電鏡下觀察,結果如圖2所示。由圖2可知:二者斷口形貌相似,斷口處可見大量沿晶+少量韌窩+少量二次裂紋,未見放射棱線和雞爪痕等氫脆特征[5]。

圖2 斷裂墊圈斷口SEM形貌

1.4 金相檢驗

在斷口處取樣,依據GB/T 13298—2015 《金屬顯微組織檢驗方法》制備金相試樣,經鑲嵌、磨制及拋光后,選用體積分數為4%的硝酸乙醇溶液腐蝕試樣,將金相試樣置于光學顯微鏡下觀察,結果如圖3所示。由圖3可知:墊圈表面存在多條顯微裂紋,深度約為0.007 mm,未見對力學性能影響較大的非金屬夾雜物,顯微組織為回火屈氏體,未見過熱過燒、脫碳等缺陷。

圖3 斷裂墊圈顯微組織形貌

1.5 硬度測試

斷裂墊圈規格較小,無法進行洛氏硬度測試,只能進行維氏硬度測試,參照GB/T 4340.1—2009 《金屬材料 維氏硬度試驗 第1部分:試驗方法》進行試驗,試驗載荷為294.2 N,保載時間為15 s,3點實測值分別為540,548,546 HV,平均值為545 HV,即52 HRC,依據GB/T 1172—1999 《黑色金屬硬度計強度換算值》,可知結果超出墊圈標準值。

2 綜合分析

斷裂墊圈支撐面受力部位的表面涂層存在損傷,支撐面表面有多條裂紋,裂紋從支撐面沿厚度方向延伸。宏觀斷口呈亮灰色,存在較多閃光小刻面,未見腐蝕色彩和塑性變形痕跡;微觀斷口可見大量沿晶+少量韌窩+少量二次裂紋;墊圈支撐面表面存在深度約為0.007 mm的微裂紋,顯微組織為回火屈氏體,未見脫碳及過燒現象;墊圈硬度超出42～50 HRC標準值要求。

通常氫脆、應力腐蝕、液態金屬致脆、過燒及回火脆性引起的斷口大多呈沿晶斷裂特征[6]。顯微組織未見過燒現象,排除過燒問題;斷口表面未見腐蝕形貌,排除應力腐蝕的影響;錐形墊圈和螺母表面的處理方式均為達克羅處理,不存在低熔點金屬,如鎘等,排除液態金屬致脆原因;墊圈斷口晶面未見雞爪痕和撕裂棱等典型氫脆特征,同時墊圈表面處理方式為達克羅,未進行電鍍處理,可排除氫脆影響。常規檢測手段難以判斷回火脆性,人工打斷斷口分析對回火脆性判斷至關重要[7]。為進一步確認斷裂錐形墊圈是否存在回火脆性,人工打斷同批完好墊圈,觀察其斷口形貌是否與斷裂墊圈一致。人工斷口宏觀形貌和SEM形貌如圖4所示。

圖4 人工斷口宏觀及SEM形貌

人工打斷斷口宏觀存在大量閃光小刻面,微觀可見大量沿晶+少量韌窩+少量二次裂紋,晶面干凈,未見雞爪痕及撕裂棱,與裝配斷裂墊圈斷口形貌一致,因此判定該批錐形墊圈存在回火脆性,導致安裝斷裂。

表2為65Mn鋼的常用淬火、回火制度[8],結合安裝斷裂墊圈的硬度,可知該批65Mn鋼錐形墊圈的回火溫度應小于350 ℃,正好處于65Mn鋼的第一類回火脆性溫度區[9],導致該批次墊圈存在回火脆性。微量雜質元素是造成回火脆性的最根本原因,其擴散并偏析到晶界和界面處,降低了界面的鍵合能[10]。由于墊圈硬度超出標準要求,導致塑性較差,且支撐面表面存在微裂紋,在外部較快的安裝速率下,微裂紋受沖擊作用沿晶界薄弱處延伸,直至斷裂。

表2 65Mn鋼的淬火、回火制度

選取同批完好墊圈,去掉達克羅涂層后,對其進行再回火驗證。對再回火后的墊圈進行硬度測試及人工斷口分析,具體硬度試驗結果如表3所示。人工打斷斷口的宏觀及SEM形貌如圖5所示。

表3 再回火前后硬度

圖5 再回火后人工斷口宏觀及SEM形貌

再回火后該批墊圈硬度降至476 HV,換算成洛氏硬度為47.5 HRC,滿足該批錐形墊圈標準值42～50 HRC的要求。再回火后人工斷口宏觀及SEM形貌如圖5所示。由圖5可知:再回火后人工斷口為灰白色,未見明顯亮刻面,微觀主要為韌窩形貌,消除了沿晶特征。

3 結論及建議

(1) 65Mn鋼錐形墊圈安裝斷裂的性質為沿晶脆性斷裂。造成斷裂的主要原因為熱處理回火制度選取不當,造成在第一類回火脆性區回火,產生了回火脆性;墊圈硬度超出標準要求,進一步增加了脆性風險;在較高的安裝速率下,墊圈表面微裂紋受沖擊作用而沿晶界薄弱區延伸,直至斷裂。

(2) 建議將65Mn鋼錐形墊圈的回火工藝溫度調整為360～410 ℃,保溫2 h油冷,避開回火脆性區。在保證標準要求的前提下,盡量降低墊圈的硬度,以提升韌性;必要時可增加韌性試驗,降低安裝斷裂風險。