65Mn彈簧墊圈斷裂分析

張躍飛，陳 林，劉艷穩(wěn)

(1.中國人民解放軍駐一六二廠軍事代表室，貴州安順561018;2.中航工業(yè)貴州貴航飛機(jī)設(shè)計研究所，貴州安順561018)

0 引言

65Mn鋼強(qiáng)度高、淬透性好、脫碳傾向小、價格低廉、切削加工性好;但該鋼有過熱敏感性，易產(chǎn)生淬火裂紋，并有回火脆性。65Mn鋼用途較廣，主要生產(chǎn)成鋼絲、鋼帶，用于制造各種截面較小的扁彈簧、圓彈簧、板簧和彈簧片等［1］。

某型產(chǎn)品正極觸片組件選用了GB/T 859—1987 4發(fā)藍(lán)狀態(tài)的彈簧墊圈。為了提高導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、抗氧化性并保持接觸電阻穩(wěn)定，入廠后將該彈簧墊圈由發(fā)藍(lán)狀態(tài)改制為鍍銀狀態(tài)。在現(xiàn)場進(jìn)行產(chǎn)品裝配時，該型彈簧墊圈在螺釘未擰到位的情況下出現(xiàn)裂紋或斷裂，失效彈簧墊圈均為同一改制批次。改制工藝流程為:退膜(弱浸蝕:硫酸)→電解除油(陽極)→光亮腐蝕(出光:鉻酐、硫酸)→鍍銅→鍍銀→浸亮(氨水)→鈍化。彈簧墊圈雖小，一旦發(fā)生問題就會使緊固件防松失效，導(dǎo)致整個產(chǎn)品不能正常工作，將會給產(chǎn)品制造和使用造成嚴(yán)重影響［2］。

1 試驗過程與結(jié)果

1.1 宏觀觀察

彈簧墊圈的宏觀形貌如圖1～圖3所示。裂紋沿墊圈徑向，裂紋在內(nèi)側(cè)張開較大，裂紋起源于內(nèi)側(cè)，裂紋附近無塑性變形。斷口呈金屬光澤，斷面干凈。在體視顯微鏡下觀察，整個斷面呈細(xì)粒狀，斷口上可觀察到均勻分布的小刻面;斷口未見夾雜、疏松等冶金缺陷。

1.2 微觀觀察

采用掃描電鏡對彈簧墊圈斷口進(jìn)行微觀觀察發(fā)現(xiàn):斷口呈冰糖狀特征，為沿晶斷裂(圖4);有二次裂紋產(chǎn)生，裂紋源不明顯;斷口晶面平坦，無腐蝕產(chǎn)物;可見白亮的、不規(guī)則的細(xì)亮條，并存在雞爪痕和氣泡特征(圖5);斷口呈典型的脆性斷裂特征(圖6)。

圖1 裂紋位置Fig.1 Crack position

圖2 裂紋宏觀形貌Fig.2 Crack appearance

圖3 斷口宏觀形貌Fig.3 Appearance of fracture surface

1.3 化學(xué)成分分析

對斷裂彈簧墊圈進(jìn)行了化學(xué)成分檢測，彈簧墊圈的主要元素含量均符合相關(guān)技術(shù)要求。

1.4 金相檢驗

在靠近斷口位置截取金相試樣，采用金相顯微鏡對試樣進(jìn)行顯微組織觀察，夾雜物符合要求。經(jīng)4%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))硝酸酒精腐蝕后，顯微組織為正常的馬氏體+殘余奧氏體(圖7)。

圖4 沿晶斷裂形貌特征Fig.4 Morphology of intergranular fracture

圖5 雞爪痕形貌特征Fig.5 Morphology of crow foot feature

圖6 氣泡形貌特征Fig.6 Morphology of the bubble

圖7 顯微組織形貌特征Fig.7 Microstructure

1.5 氫含量測定

在同一改制批中選取未裂(A組)和斷裂(B組)的彈簧墊圈若干件，采用測氫儀進(jìn)行氫含量測定，結(jié)果見表1。

表1 氫含量測定結(jié)果Table 1 Results of the hydrogen content testing

2 分析與討論

2.1 斷裂性質(zhì)分析

綜合各種試驗結(jié)果:宏觀上彈簧墊圈裂紋沿墊圈徑向，裂紋附近無塑性變形;斷口呈金屬光澤，斷面干凈;整個斷面呈細(xì)粒狀，斷口上均勻分布有小刻面;斷口未見夾雜、疏松等冶金缺陷。微觀上裂紋源不明顯，斷口呈冰糖狀特征，為沿晶斷裂;有二次裂紋產(chǎn)生，裂紋源不明顯;斷口晶面平坦，無腐蝕產(chǎn)物;可見白亮的、不規(guī)則的細(xì)亮條，并存在雞爪痕和氣泡特征;斷口呈典型的脆性斷裂特征。通過分析化學(xué)成分和金相組織，可知彈簧墊圈的材質(zhì)符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，但是氫含量明顯偏高;因此，該彈簧墊圈斷裂性質(zhì)為氫脆斷裂。

2.2 H來源分析

從彈簧墊圈的工藝流程中可以看出，彈簧墊圈中的H來源于以下2個環(huán)節(jié):

一是彈簧墊圈電鍍前處理的酸洗環(huán)節(jié)，即退膜和光亮腐蝕。在酸洗過程中，不僅零件表層的油污、附著物、氧化物與酸發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，而且部分基體還會和酸發(fā)生置換反應(yīng)，此時產(chǎn)生的H會大量擴(kuò)散滲入金屬基體［3］;因此，鍍層及零件中將富含H，而酸洗槽液的成分、酸洗溫度、酸洗時間以及合金成分等都會影響H的含量。

二是彈簧墊圈的鍍銅、鍍銀環(huán)節(jié)。電鍍是一種電化學(xué)過程，同時也是一種氧化還原過程，將被鍍零件浸在金屬鹽的溶液中作為陰極，鍍覆金屬作為陽極，在零件表面就會沉積出金屬鍍層。以鍍銅為例，在金屬Cu的陽極板上，金屬Cu失去電子，發(fā)生變成Cu2+的氧化反應(yīng):Cu→Cu2++2e，金屬Cu的陽極板在某種條件下出現(xiàn)鈍態(tài)，將發(fā)生以下副反應(yīng):4OH－→2H2O+O2+4e;在陰極Cu2+獲得電子，發(fā)生變成金屬Cu的還原反應(yīng):Cu2++2e→Cu，同時，陰極上還發(fā)生H+還原為H的副反應(yīng):2H++2e→H2。由上述反應(yīng)式可以看出:陰極表面沉積金屬鍍層的同時，常伴隨著析氫反應(yīng)的發(fā)生［4］。

雖然彈簧墊圈在電鍍后都要進(jìn)行除氫處理，但如果除氫工藝有偏差，使得電鍍后除氫不徹底，會造成彈簧墊圈氫含量高而導(dǎo)致氫脆斷裂。經(jīng)對彈簧墊圈生產(chǎn)過程記錄進(jìn)行調(diào)查，發(fā)現(xiàn)該批彈簧墊圈在電鍍后擱置約20 h，未能及時除氫;且除氫時間僅為2 h，低于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的4 h。

2.3 斷裂原因分析

從微觀角度看，H原子具有最小的原子半徑，即RH=0.053 nm，所以非常容易進(jìn)入金屬基體的內(nèi)部晶格，在外部應(yīng)力的作用下，金屬基體將發(fā)生位錯，導(dǎo)致H通過在金屬中的擴(kuò)散實現(xiàn)向三向應(yīng)力集中區(qū)域富集，并由H原子變?yōu)镠分子，在H富集的部位將產(chǎn)生巨大的體積膨脹效應(yīng)，這種在晶粒邊界或位錯塞積處的膨脹效應(yīng)導(dǎo)致了裂紋的形成。裂紋擴(kuò)展的速率因材料種類和H濃度而不盡相同，最終在一定應(yīng)力的協(xié)同作用下，發(fā)生氫脆斷裂［5］。

一般鋼中含氫量在(5～10)×10－6就會產(chǎn)生氫脆裂紋［6］，而失效彈簧墊圈中的氫含量平均值為25.6 ×10－6，明顯偏高;另外，65Mn 彈簧墊圈強(qiáng)度高，對氫的敏感性較高，因此，裝配彈簧墊圈后，基體中的H在裝配應(yīng)力的作用下發(fā)生H的聚集，最終形成氫脆斷裂［7］。

3 改進(jìn)措施

根據(jù) HB/Z 5074—1993電鍍銀工藝和 HB 5335—1994金屬鍍覆和化學(xué)鍍覆工藝質(zhì)量控制規(guī)定，結(jié)合彈簧墊圈的材料特性，零件鍍銀后除氫的時間間隔不得超過4 h，除氫處理溫度為(190±10)℃，除氫時間4 h，并且鍍前處理嚴(yán)禁強(qiáng)酸腐蝕和陰極除油。

根據(jù)改進(jìn)后的工藝重新改制了一批彈簧墊圈，按照GB/T 859—1987輕型彈簧墊圈的規(guī)定，分別進(jìn)行了彈性試驗、韌性試驗、硬度檢測、抗氫脆試驗，各項試驗均合格，且在實際裝配過程中及在裝配24 h后檢查，未發(fā)生斷裂現(xiàn)象，證明改進(jìn)措施有效。

4 結(jié)論

1)通過對彈簧墊圈進(jìn)行金相檢驗和化學(xué)成分分析，發(fā)現(xiàn)其組織正常、元素含量符合標(biāo)準(zhǔn)要求;通過對彈簧墊圈進(jìn)行宏觀、微觀觀察，并結(jié)合氫含量的測定結(jié)果，判斷彈簧墊圈斷裂性質(zhì)為氫脆斷裂。

2)通過分析彈簧墊圈的工藝流程，判斷彈簧墊圈斷裂是由于電鍍前的不當(dāng)酸洗和電鍍后除氫不及時、不徹底所致。

3)根據(jù)改進(jìn)工藝流程后加工的彈簧墊圈通過了標(biāo)準(zhǔn)要求的各項試驗，說明彈簧墊圈斷裂的性質(zhì)和原因分析正確，改進(jìn)措施有效。

［1］《中國航空材料手冊》編輯委員會.中國航空材料手冊:第1卷［M］.北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2002:350.

［2］郭偉.多途徑預(yù)防65Mn彈簧墊圈氫脆問題［J］.航天標(biāo)準(zhǔn)化，2006，3:41 －43.

［3］劉復(fù)榮，代利強(qiáng)，孫兵，等.65Mn彈性連接片斷裂分析［J］.柴油機(jī)設(shè)計與制造，2007，15(4):44 －46.

［4］李金桂.電鍍氫脆故障及應(yīng)對措施［J］.材料保護(hù)，2006，39(8):51－53.

［5］王斌.某導(dǎo)彈位標(biāo)器用彈簧墊圈失效分析［J］.理化檢驗:物理分冊，2005，41(7):361 －362.

［6］胡曉輝.3Cr13鋼彈簧片斷裂分析［J］.理化檢驗:物理分冊，2005，41(10):515 －517.

［7］余志剛.0SiMn2MoVA鋼氫脆斷口的分析及消除［J］.理化檢驗:物理分冊，2003，39(7):337 －338.