72A冷拉碳素鋼彈簧耐腐蝕問(wèn)題分析

何 洋 李洋洋 樊紹彥 向紫琪 邵景昌

（公牛集團(tuán)股份有限公司研究院 寧波 315318）

前言

72A冷拉碳素鋼由于成本低廉，在家電和民用電工等對(duì)產(chǎn)品成本控制比較嚴(yán)格的領(lǐng)域被比較廣泛作為經(jīng)濟(jì)型彈簧的主流設(shè)計(jì)用材。但由于該類(lèi)鋼絲材料本身性能方面的局限性導(dǎo)致制造的彈簧可能出現(xiàn)耐鹽霧腐蝕性差等問(wèn)題。因此需要系統(tǒng)分析問(wèn)題的原因，并制定有效的解決措施。

1 問(wèn)題原因分析

由于該類(lèi)鋼絲屬于普通碳素鋼，沒(méi)有添加鉻或者鎳等防銹的材料成分，本身不具有良好的防銹能力，防銹能力是通過(guò)后處理增加防銹鍍層來(lái)實(shí)現(xiàn)的。因此分析思路聚焦鍍層，主要從鍍層材質(zhì)和鍍層工藝兩個(gè)方面展開(kāi)。

1.1 鍍層材質(zhì)分析

問(wèn)題彈簧使用鍍鎳材質(zhì)，因此首先評(píng)估鎳的防銹能力。查閱文獻(xiàn)資料[1,2]，從技術(shù)方面評(píng)估鍍鎳方案防銹能力可以滿足48 h鹽霧試驗(yàn)要求。

進(jìn)行鍍鎳硬幣的鹽霧試驗(yàn)，分別進(jìn)行了完整鍍鎳硬幣及鍍鎳硬幣截面的48 h鹽霧試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，鍍鎳硬幣鍍鎳位置沒(méi)有出現(xiàn)任何銹斑，斷口位置出現(xiàn)紅色鐵銹斑，原因是：鍍鎳硬幣基體為鐵，端面截?cái)嗪箬F本身防銹能力很差，主要靠表層鍍鎳防銹。

圖1 鍍鎳硬幣鹽霧試驗(yàn)

另外硬幣表面的凸凹及棱角比彈簧更分明，因此鍍層附著要求更高，漏鍍的可能性更大，但鍍鎳硬幣鍍層位置在鹽霧試驗(yàn)后表現(xiàn)良好，說(shuō)明鎳材質(zhì)的防銹能力是完全可以勝任彈簧防銹的要求，鍍層材質(zhì)防銹能力本身沒(méi)有問(wèn)題。

1.2 鍍層工藝分析

鍍層工藝分析主要從鍍層厚度是否合適和是否漏鍍兩個(gè)方面進(jìn)行展開(kāi)。

關(guān)于是否漏鍍，進(jìn)行了彈簧的掃描電鏡照片分析，見(jiàn)圖2。從SEM照片可以看出，確實(shí)存在漏鍍的位置。

造成鍍鎳彈簧漏鍍鹽霧試驗(yàn)不通過(guò)的原因分析有2種可能：

1）彈簧表面的質(zhì)量較差，或有雜質(zhì)存在

初步考慮可以采取的解決措施是進(jìn)一步控制彈簧表面的粗糙度，并在做鍍層前進(jìn)行必要的前處理；

2）鍍層太薄，對(duì)缺陷位置遮蓋能力不足，導(dǎo)致缺陷位置漏鍍

實(shí)際測(cè)鍍層厚度為：硬幣鍍鎳層14.254 um、公牛彈簧鍍鎳0.965 um，鍍層厚度比硬幣薄，初步考慮可以采取的解決措施是：適當(dāng)增加鍍層的厚度提升鍍層對(duì)缺陷位置的遮蓋能力。

2 解決方案可行性評(píng)估

2.1 鍍鎳工藝改善的可實(shí)施性評(píng)估

1）彈簧表面粗糙度由采購(gòu)的卷絲決定，卷絲進(jìn)行表面打磨處理難以控制。

2）鎳屬于硬質(zhì)材料，增加厚度后，彈簧在使用過(guò)程中壓縮變形存在鎳層剝離的風(fēng)險(xiǎn)（這點(diǎn)和硬幣的使用工況不同）且鎳層加厚會(huì)大大影響電鍍效率，造成鍍鎳成本大幅增加。

因此從技術(shù)和成本方面評(píng)估，以上兩個(gè)改善措施均不可行。解決思路調(diào)整為：變更鍍層材質(zhì)或者直接使用防銹彈簧材質(zhì)。

2.2 鍍鋅材料和工藝方案評(píng)估

鋅層可以做的較厚，便于覆蓋彈簧表面缺陷，鋅質(zhì)地柔軟在彈簧來(lái)回反復(fù)壓縮和伸長(zhǎng)過(guò)程中不會(huì)剝離，且電鍍效率較高，更換鍍鋅后盡管鍍層厚度增加導(dǎo)致耗鋅量增加，但綜合成本和目前在用方案基本持平，結(jié)合查閱的文獻(xiàn)資料[3,4]初步判斷技術(shù)和成本可行。

采用72 A冷拉碳素鋼進(jìn)行鍍鋅處理,測(cè)試鍍鋅層厚度2.754 um。比鍍鎳方案厚一倍以上。進(jìn)行SEM分析，照片如圖3。從SEM照片可以看到，鍍鋅層厚度較后，可以完全裹覆鋼絲上的粗糙位置，對(duì)鋼絲起到良好的包覆作用。

進(jìn)行48 h鹽霧試驗(yàn)后彈簧沒(méi)有出現(xiàn)銹斑。以圖4為48 h鹽霧試驗(yàn)之后鍍鎳彈簧和鍍鋅彈簧的銹斑情況比對(duì)照片。

圖2 鍍鎳彈簧表面形貌

圖3 鍍鋅彈簧表面形貌

從以上技術(shù)、成本分析及實(shí)際打樣及測(cè)試效果評(píng)估，采用鍍鋅材料和工藝方案可行，但缺點(diǎn)是不環(huán)保，在國(guó)家環(huán)保政策日益趨嚴(yán)的大環(huán)境下，需要考慮儲(chǔ)備非電鍍方案。

2.3 SUS304不銹鋼方案評(píng)估

進(jìn)行48 h鹽霧試驗(yàn)后彈簧沒(méi)有出現(xiàn)銹斑，耐腐蝕性合格。但更換材質(zhì)后壓縮力值變小，導(dǎo)致推開(kāi)保護(hù)門(mén)的力值變小，影響用戶用電源線插頭上的插銷(xiāo)推開(kāi)保護(hù)門(mén)的手感。彈簧安裝的產(chǎn)品形態(tài)和實(shí)際工況位置見(jiàn)墻壁開(kāi)關(guān)圖5。

針對(duì)這個(gè)問(wèn)題需要通過(guò)增加鋼絲直徑或減少?gòu)椈扇?shù)來(lái)提升力值。

另外成本方面，采用不銹鋼SUS304方案成本增加較多，72A冷拉彈簧0.005 5元/個(gè)，不銹鋼方案0.008元/個(gè)，按照每年保守用量5億只，測(cè)算成本增加超過(guò)100萬(wàn)。

圖4 鍍鋅彈簧和鍍鎳彈簧鹽霧試驗(yàn)

3 解決措施

根據(jù)解決方案的技術(shù)可行性、環(huán)保及成本等因素綜合評(píng)估，解決該問(wèn)題的方案建議有以下2個(gè)：

1）仍維持采用72A冷拉碳素鋼材質(zhì)不變。具體解決措施有如下3點(diǎn)，需要同時(shí)實(shí)施才能完全杜絕鹽霧起銹問(wèn)題。

①鋼絲表面粗糙度進(jìn)行管控

具體實(shí)施方案：鋼絲的表面粗糙度在鋼絲來(lái)料中作為重要入場(chǎng)檢驗(yàn)項(xiàng)目（要求表面毛刺或者凸臺(tái)高度必須小于0.1 mm），以約束上游鋼絲生產(chǎn)廠家在鋼絲的拉制過(guò)程中對(duì)于表面的粗糙度進(jìn)行監(jiān)控，成卷之前如檢測(cè)達(dá)不到要求必須對(duì)表面進(jìn)行打磨處理。

②鋼絲表面油污清除

具體實(shí)施方案：要求鋼絲生產(chǎn)廠家在鋼絲成卷之前進(jìn)行鋼絲表面的堿洗，以去除表面油污和其他雜質(zhì)。

③鍍層材料及工藝進(jìn)行變更

具體實(shí)施方案：鍍層由鍍鎳方案調(diào)整為鍍鋅方案，并對(duì)鍍層的均勻性和鍍層厚度進(jìn)行管控（要求鍍層厚度在2.5 um以上，鍍層表面沒(méi)有手指可以感覺(jué)到的毛刺、凸起或者凹坑），以約束并控制電鍍廠對(duì)電鍍時(shí)間和電鍍電流大小進(jìn)行規(guī)范和明確，保證鍍層均勻附著，且鍍層厚度在要求范圍內(nèi)。

2）變更材質(zhì)為不銹鋼SUS304鋼絲

圖5 彈簧應(yīng)用產(chǎn)品形態(tài)和實(shí)際工況位置

具體實(shí)施方案：針對(duì)切換SUS304鋼絲材質(zhì)后，壓縮力值變小問(wèn)題，將彈簧鋼絲直徑由72A冷拉碳素鋼的0.3 mm調(diào)整為SUS 304的0.4 mm，并將彈簧圈數(shù)由11圈調(diào)整為9圈，以保證推開(kāi)保護(hù)門(mén)的手感方面用戶體驗(yàn)完全相同。

4 結(jié)論

A，B兩個(gè)解決措施均可以完全解決72A冷拉碳素鋼彈簧耐腐蝕問(wèn)題，但秉承公司一貫貫徹的綠色發(fā)展理念，從企業(yè)社會(huì)責(zé)任角度考慮，放棄電鍍不環(huán)保方案，承擔(dān)環(huán)保方案的成本增加。最終確定的解決方案為：切換SUS304不銹鋼鋼絲方案。