氣門外彈簧斷裂分析

趙志敏 朱 莉

(中車戚墅堰機(jī)車有限公司 江蘇 常州 213011)

0 引言

氣門彈簧通常包括內(nèi)、外彈簧，內(nèi)、外彈簧下端支撐在彈簧座上，上端頂在氣門桿上部的彈簧上座的下面，彈簧生產(chǎn)時(shí)需經(jīng)磁粉探傷，不能有裂紋存在[1]。某型機(jī)車上的氣門外彈簧的材料牌號(hào)為50CrVA，其生產(chǎn)過程大致如下：鋼坯經(jīng)軋制、拉拔、退火處理后，成為彈簧鋼棒，再冷卷卷成彈簧狀，然后經(jīng)剪切、粗磨，再進(jìn)行淬火、回火熱處理及噴丸處理，后經(jīng)過全壓縮檢測(cè)參數(shù)合格后進(jìn)行磁粉探傷。該氣門外彈簧在機(jī)車運(yùn)行中發(fā)生了斷裂失效，下文通過宏觀檢查、金相分析、化學(xué)成分分析以及硬度檢測(cè)等來分析其斷裂產(chǎn)生的原因，提出并實(shí)施多項(xiàng)改進(jìn)措施防止此類失效再次發(fā)生。

1 理化分析

1.1 宏觀檢查

失效彈簧試樣的局部形貌如圖1所示，由圖可見該彈簧表面存在一條拉痕，此拉痕沿彈簧絲的縱向分布于彈簧表面，拉痕在此段彈簧試樣上總長約有35 mm。圖2所示為彈簧斷口形貌，由圖可見斷面較為光亮，與彈簧絲的縱向大約呈45°夾角，斷裂源位于表面拉痕處，斷面的大部分為裂紋快速擴(kuò)展而形成的放射狀撕裂棱，由此判斷該斷口為高應(yīng)力下的低周疲勞斷裂。

圖1 失效彈簧的局部形貌

圖2 失效彈簧的斷口形貌

1.2 非金屬夾雜物檢驗(yàn)

沿試樣縱向進(jìn)行磨拋后在顯微鏡下觀察，根據(jù)GB/T 10561—2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖顯微檢驗(yàn)法》，其非金屬夾雜物評(píng)級(jí)結(jié)果如表1所示，非金屬夾雜物照片如圖3所示。

表1 非金屬夾雜物評(píng)級(jí)結(jié)果

圖3 失效彈簧試樣的非金屬夾雜物

1.3 金相檢驗(yàn)

失效彈簧疲勞源處橫截面的拋光態(tài)形貌如圖4所示，該疲勞源處的拉痕實(shí)為一條裂紋，裂紋前段總深約為0.264 mm，兩側(cè)存在少量的氧化物顆粒，從圖4可見裂紋前段與試樣表面大約呈60°的夾角，相對(duì)較寬，裂紋后段相對(duì)較細(xì)且曲折，尾部尖銳。試樣經(jīng)4%的硝酸酒精溶液腐蝕后，裂紋處金相組織如圖5所示，可見前段較寬裂紋的兩側(cè)存在氧化脫碳現(xiàn)象，脫碳層深度約為0.065 mm，后段裂紋較細(xì)且兩側(cè)無脫碳，這說明前段較寬裂紋應(yīng)是在熱處理之前就存在的，在后續(xù)過程中又進(jìn)一步擴(kuò)展而產(chǎn)生了后段的較細(xì)裂紋，在該裂紋附近還存在幾條與其方向基本一致的細(xì)裂紋，細(xì)裂紋兩側(cè)也輕微脫碳且其在試樣表面的開口不明顯，放大后分別如圖6、圖7所示。圖8所示為試樣心部組織照片，組織為回火屈氏體。

圖4 失效彈簧疲勞源處橫截面的拋光態(tài)形貌

圖5 失效彈簧疲勞源處的橫截面金相組織

1.4 硬度檢測(cè)

對(duì)失效彈簧試樣基體3個(gè)不同位置進(jìn)行洛氏硬度檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果如表2所示。

圖6 細(xì)裂紋兩側(cè)的金相組織(1)

圖7 細(xì)裂紋兩側(cè)的金相組織(2)

圖8 失效彈簧試樣的心部金相組織

表2 失效彈簧試樣的基體洛氏硬度值

1.5 化學(xué)成分分析

對(duì)彈簧取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，可見各元素含量均滿足GB/T 1222—2016《彈簧鋼》標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)50CrVA鋼的技術(shù)要求，檢測(cè)結(jié)果如表3所示。

表3 化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) /%

2 綜合分析與結(jié)論

彈簧表面沿彈簧絲縱向分布的裂紋，其產(chǎn)生途徑的分析如下：(1)在彈簧冷卷時(shí)，卷簧機(jī)的導(dǎo)輪上有毛刺等，卷制過程中在彈簧表面上留下沿縱向分布的拉痕；(2)在生產(chǎn)彈簧鋼棒的拉拔過程中會(huì)產(chǎn)生表面連續(xù)的劃傷，產(chǎn)生原因是拔絲模具?？字袔нM(jìn)金屬碎屑，潤滑劑不潔凈，含有氧化鐵皮或砂等，以及拉拔過程中鋼棒受到模盒、拉絲機(jī)突出部分的機(jī)械損傷；(3)在生產(chǎn)彈簧鋼棒的軋制過程中會(huì)產(chǎn)生折疊缺陷，產(chǎn)生原因是鋼坯表面存在的尖銳棱角、毛刺飛邊等，在軋制時(shí)沿縱向壓入金屬內(nèi)部，形成折疊，折疊通常是沿軋制方向或連續(xù)或斷續(xù)地出現(xiàn)在鋼棒的局部或全長，在橫斷面上與表面呈小角度交角狀，內(nèi)有氧化鐵皮。

理化檢驗(yàn)結(jié)果分析：彈簧表面沿彈簧絲縱向分布的裂紋兩側(cè)有氧化物顆粒，且裂紋兩側(cè)脫碳，并與表面呈60°夾角，該裂紋附近還存在幾條與其方向基本一致的細(xì)裂紋，細(xì)裂紋兩側(cè)也輕微脫碳且其在試樣表面的開口不明顯，故判斷這些金相上所見的裂紋均為折疊。

根據(jù)以上分析得出：彈簧鋼坯在軋制時(shí)產(chǎn)生了折疊，之后又未被發(fā)現(xiàn)消除，在彈簧使用過程中，折疊處由于高度應(yīng)力集中而成為疲勞源，后經(jīng)擴(kuò)展導(dǎo)致了疲勞斷裂。氣門外彈簧處于高應(yīng)力交變疲勞工作狀態(tài)，其疲勞失效對(duì)材料的各類裂紋缺陷極為敏感[2]，一旦材料表面有微小的缺陷或裂紋存在，應(yīng)力馬上會(huì)集中在缺陷周圍，當(dāng)集中的應(yīng)力增大到大于材料的極限應(yīng)力時(shí)，就會(huì)發(fā)生疲勞失效現(xiàn)象[3]。

3 改進(jìn)措施及效果

為降低在使用過程中彈簧因表面缺陷而產(chǎn)生失效的概率，提高彈簧的可靠性，生產(chǎn)廠商實(shí)施了以下改進(jìn)措施并取得了良好效果：

(1)為消除彈簧鋼坯軋制過程中產(chǎn)生的折疊缺陷，彈簧鋼棒生產(chǎn)廠家在鋼坯軋制前增加了外觀檢查工序，檢查鋼坯表面狀態(tài)，確保表面光滑平整，發(fā)現(xiàn)有尖銳的棱角或毛刺等進(jìn)行去除處理。據(jù)統(tǒng)計(jì)，自增加該工序后，彈簧鋼棒表面再未發(fā)現(xiàn)折疊缺陷。

(2)彈簧生產(chǎn)廠家購入成品彈簧鋼棒時(shí)無入廠檢查工序，為防止不合格原材料入廠，針對(duì)此類小直徑的彈簧鋼棒，廠家增加了入廠渦流探傷檢測(cè)，每批次按比例進(jìn)行抽樣檢查。如發(fā)現(xiàn)個(gè)別成品彈簧鋼棒存在劃傷及細(xì)紋，定為不合格品，不能入廠。

(3)氣門彈簧成品在入庫前需經(jīng)過磁粉探傷檢測(cè)，文中失效彈簧的表面裂紋未被發(fā)現(xiàn)，說明探傷過程中有漏探現(xiàn)象，針對(duì)此問題，廠家改進(jìn)磁粉探傷機(jī)，將紅磁粉濕法探傷改為熒光磁粉濕法探傷，將磁化方法改為復(fù)合磁化，提高了探傷靈敏度，提升了缺陷的檢出率，避免存在缺陷的彈簧進(jìn)行裝車使用。