開關(guān)用不銹鋼彈簧片成型工藝斷裂的原因分析

屈永勝

摘要：電梯門系統(tǒng)的層門門鎖裝置，是電梯最基本、最重要也最核心的安全回路。門鎖電氣開關(guān)是對層門開關(guān)門動(dòng)作進(jìn)行控制的重要手段，電氣開關(guān)的使用壽命直接關(guān)系到電梯層門門鎖的安全使用。為找出電氣開關(guān)彈簧片斷裂失效的原因，通過斷口的宏觀檢查、影像測量儀的斷口微觀分析，光譜儀的基體材料化學(xué)成分分析，維氏硬度儀的硬度測試、金相分析、折彎工藝分析等多角度綜合分析。結(jié)果表明：冷變形導(dǎo)致的馬氏體組織相變和折彎內(nèi)角過小是彈簧片斷裂的兩個(gè)主要原因，對斷裂的發(fā)生起到了促進(jìn)作用。

關(guān)鍵詞：不銹鋼;彈簧片;斷裂;分析

前言：

彈簧片選用SUS301不銹鋼材質(zhì)，作為電氣開關(guān)的核心部件，在實(shí)際的生產(chǎn)現(xiàn)場，有發(fā)現(xiàn)存在斷裂失效現(xiàn)象，使用壽命甚至低于普通碳鋼。本文通過對彈簧片斷口宏微觀、基材、硬度、金相、折彎工藝等對彈簧片的斷裂原因進(jìn)行綜合分析，為預(yù)防此類故障的再發(fā)生提供借鑒，以避免此類失效再次發(fā)生。

一、分析過程與結(jié)果

（一）宏觀檢查分析

1.斷裂彈簧片拼接后宏觀檢查

（1）彈簧片整體表面光滑亮麗，無腐蝕;

（2）斷裂發(fā)生位置在折彎位置;

（3）斷口部位邊緣有明顯的模具折彎壓痕印，未見其他部位的磕碰、彎曲或明顯的塑性變形等異?，F(xiàn)象;

（4）斷口邊緣及中心的斷裂面整體平整，不能看出和判斷此斷裂是否具有方向性;

（5）彈簧片的折彎方向和發(fā)紋方向成90o方向。

2.宏觀檢查結(jié)果分析

（1）根據(jù)產(chǎn)品圖紙可知，該位置有圓角R1，且折彎內(nèi)角度為164o，不存在設(shè)計(jì)上的應(yīng)力集中源;

（2）彈簧片的折彎方向和發(fā)紋方向成90o方向，折彎工藝設(shè)計(jì)合理，折彎方向不是導(dǎo)致彈簧片斷裂的原因;

（3）斷口邊緣有明顯的模具折彎壓痕印記，所以不排除模具沖壓時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力集中導(dǎo)致的斷裂（一般為凸模角過小和廢料壓傷導(dǎo)致的應(yīng)力集中）。

（二）微觀觀察分析

影像測量儀結(jié)果斷面分為2部分，一邊光滑，一邊粗糙，明顯且具有方向性，即從折彎外側(cè)面向折彎面斷裂，但并未發(fā)現(xiàn)明顯的斷裂中心源，可排除模具沖壓過程產(chǎn)生的應(yīng)力集中導(dǎo)致的斷裂;且未發(fā)現(xiàn)明顯的微坑洞，可排除模具沖壓時(shí)的廢料壓傷產(chǎn)生的應(yīng)力集中導(dǎo)致的斷裂;

（三）基材成分分析

此彈簧片各化學(xué)元素均符合國標(biāo)的要求，Cr和Ni主要元素含量飽滿，P和S元素含量都不高。因此，從元素含量角度，化學(xué)成分不是該不銹鋼彈簧片發(fā)生斷裂的主要原因。

（四）硬度檢測分析

此SUS301彈簧片硬度要求值490～510HV，檢測結(jié)果分析，硬度值在材料允許的的圍內(nèi)，數(shù)值略偏高。符合其工藝要求的硬度值，故硬度也不是發(fā)生斷裂的主要原因。

（五）金相分析（因缺少專業(yè)設(shè)備，此處只進(jìn)行冷加工過程金相的理論分析）

相關(guān)研究表明301奧氏體不銹鋼的冷成型制造工藝中會(huì)產(chǎn)生奧氏體不銹鋼因加工硬化致使應(yīng)力腐蝕敏感性升高而失效的問題，易形成應(yīng)力腐蝕開裂甚至斷裂的發(fā)生。

此形變過程其實(shí)就是發(fā)生了馬氏體相變，對于亞穩(wěn)態(tài)奧氏體不銹鋼，冷成形時(shí)，部分奧氏體會(huì)發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，以切邊方式在極短時(shí)間內(nèi)發(fā)生無擴(kuò)散的馬氏體相變。

化學(xué)成分和變形量是影響奧氏體穩(wěn)定性的主要因子，化學(xué)成分越低越低或者變形量越大，材料穩(wěn)定性就越差，即對應(yīng)馬氏體相變量越大，彈簧片就越容易斷裂。因缺少專業(yè)設(shè)備限制，無法進(jìn)行金相分析，保留此斷裂因素。

（六）折彎工藝分析

彈簧片斷裂發(fā)生位置為折彎線位置，而板材折彎是一個(gè)板材經(jīng)歷彈性變形到彈-塑性變形直至產(chǎn)生永久塑性變形過程

1.板材折彎工藝使彎曲區(qū)域變薄

板材彎曲時(shí)，外層材料受到拉伸，內(nèi)層材料受到壓縮，以應(yīng)變中性層為界，外側(cè)區(qū)域受拉變薄，內(nèi)側(cè)區(qū)域受壓增厚，變薄的區(qū)域大于內(nèi)側(cè)增厚區(qū)域，使彎曲區(qū)域厚度變薄。

2.折彎模和折彎設(shè)備因素使彎曲區(qū)域變薄和馬氏體相變

板材彎曲區(qū)域的變薄除了正常的折彎工藝使得折彎區(qū)域變薄外，折彎模的設(shè)計(jì)（合模間隙、模具表面光潔度、鑲件平整度、孔位位置）和折彎設(shè)備參數(shù)（合模速度）也會(huì)進(jìn)一步加劇彎曲區(qū)域的厚度變薄，甚至馬氏體相變。

3.板材折彎延伸率和折彎半徑的關(guān)系

板材折彎延伸率大于板材材料自身允許的延伸率時(shí)，就會(huì)發(fā)生開裂甚至斷裂，研究發(fā)現(xiàn)板材的延伸率與板材內(nèi)緣的相對折彎半徑之間存在一定的函數(shù)關(guān)系，如圖1所示：具體函數(shù)方程式為：

y=-0.3088ln（x）+0.4549

式中：y——板材的延伸率

X——板材內(nèi)緣相對折彎半徑

其中板材內(nèi)緣相對折彎半徑=板材折彎內(nèi)緣折彎半徑/板材折彎前厚度，經(jīng)換算后，上述函數(shù)方程式可轉(zhuǎn)換為：

根據(jù)參數(shù)及上面計(jì)算結(jié)果，可以得出板材的極限變形程度，即最小折彎半徑。采用大于最小折彎半徑的半徑進(jìn)行折彎，可以有效減少板材折彎時(shí)開裂斷裂的破壞，提高板材加工工藝水平。

二、結(jié)論

通過對彈簧片的斷口、基材成分、硬度、金相、折彎工藝等的分析，不難看出，冷變形導(dǎo)致的馬氏體組織相變和折彎內(nèi)角半徑過小是導(dǎo)致彈簧片斷裂的2個(gè)主要原因，對斷裂的發(fā)生起到了促進(jìn)作用。在實(shí)際彈簧片的成型工藝過程中，需注意調(diào)整合適的上下模合模間隙和合理的沖壓速度，同時(shí)避免模板鑲塊的干涉（含鋁孔），減少馬氏體組織相變的發(fā)生;采用大于最小彎曲半徑的加工工藝，減小板材的變形量。

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