大規(guī)格油淬火回火彈簧鋼絲斷裂分析

龔夢(mèng)強(qiáng)，汪開忠，尹德福，張曉瑞，丁 雷，王自敏

（馬鞍山鋼鐵股份有限公司，安徽 馬鞍山 243000）

51CrV4彈簧鋼具有良好的淬透性和熱敏感性的優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)過(guò)油淬火回火后具有較高的彈性極限、強(qiáng)度極限、疲勞性能及較好的塑性及韌性[1-4]。因此，廣泛應(yīng)用于汽車、鐵路車輛等部件上。油淬火回火彈簧鋼絲的性能會(huì)直接影響彈簧成品的性能，油淬火回火彈簧鋼絲要經(jīng)過(guò)一系列的加工處理，包括拉拔、熱處理（油淬火+回火）、探傷等。鋼絲廠使用直徑Φ20mm規(guī)格51CrV4彈簧鋼熱軋盤條拉拔到Φ18mm，進(jìn)行熱處理和探傷后發(fā)下游客戶。下游客戶在開卷過(guò)程中發(fā)生斷裂。為了弄清鋼絲發(fā)生斷裂的原因，本文通過(guò)宏觀觀察、掃描電鏡、光學(xué)顯微鏡等方法進(jìn)行了深入分析。

1 檢驗(yàn)過(guò)程與結(jié)果

1.1 斷口形貌觀察

1.1.1 宏觀形貌觀察

斷口試樣經(jīng)超聲波清洗后采用掃描電鏡觀察斷口形貌；整個(gè)斷口呈現(xiàn)脆性平齊的斷裂形態(tài)，存在縱向裂紋，裂紋源區(qū)、擴(kuò)展區(qū)清晰可見，如圖1所示。其中瞬斷區(qū)所占斷口面積比例較大，為脆性斷口[5]。

圖1 斷裂彈簧鋼絲宏觀形貌

1.1.2 微觀形貌觀察

將切下的斷口用超聲波清洗后，用掃描電鏡觀察，由圖2可知，裂紋源區(qū)為沿晶斷裂，未發(fā)現(xiàn)明顯的夾雜。由圖3可知，擴(kuò)展區(qū)為沿晶斷裂。由圖4可知，瞬斷區(qū)為沿晶加韌窩斷裂。一般來(lái)說(shuō)，淬火裂紋的微觀斷裂機(jī)制為沿晶斷裂。斷裂的彈簧鋼絲斷裂源微觀形貌也為沿晶斷裂。

圖2 斷裂彈簧鋼絲裂紋源區(qū)形貌

圖3 斷裂彈簧鋼絲擴(kuò)展區(qū)形貌

圖4 斷裂彈簧鋼絲瞬斷區(qū)形貌

1.2 化學(xué)成分分析

材料為Φ18 mm大規(guī)格油淬火回火鋼絲斷裂樣品，經(jīng)光譜分析，其化學(xué)成分如表1所示，結(jié)果表明其成分符合eNl0089中51CrV4鋼化學(xué)成分技術(shù)條件要求。

表1 材料化學(xué)成分(wt%)

1.3 表面缺陷及顯微組織分析

在斷裂彈簧鋼絲斷口處取樣、磨制及機(jī)械拋光后用含量為4%的硝酸酒精腐蝕，然后在金相顯微鏡下觀察試樣脫碳層組織，如圖5所示?？梢姡撛嚇颖砻嫖匆娒黠@脫碳。隨后用4%硝酸酒精腐蝕并觀察組織。組織為回火屈氏體，樣品中心無(wú)偏析，如圖6所示，為51CrV4彈簧鋼經(jīng)淬火+中溫回火后的正常組織。在斷裂源位置發(fā)現(xiàn)1條裂紋，裂紋深度為1 mm，裂紋兩側(cè)未見明顯脫碳和氧化，如圖7所示。

圖5 彈簧鋼絲脫碳100x

圖6 彈簧鋼絲中心組織500x

圖7 彈簧鋼絲裂紋表面形貌

1.4 夾雜物分析

在彈簧鋼絲裂紋源附近用線切割切取試樣。然后磨制成金相試樣并對(duì)其進(jìn)行夾雜物級(jí)別分析。按照GB/T10561標(biāo)準(zhǔn)中A法進(jìn)行夾雜物評(píng)定。彈簧鋼絲非金屬夾雜物級(jí)別符合GB/T1222中非金屬夾雜物的規(guī)范要求。

表2 非金屬夾雜物評(píng)級(jí)（級(jí)）

1.5 硬度分析

用洛氏硬度儀在樣品上從截面的邊緣處到中心部位再到邊緣五個(gè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試（見圖8），洛氏硬度測(cè)試結(jié)果如表3所示，TJ/CL 285-2014彈簧要求45-51 HRC，油淬火鋼絲硬度結(jié)果偏下限，硬度偏差為1.8 HRC，較均勻。

表3 洛氏硬度(HRC)

圖8 硬度取點(diǎn)示意圖

2 分析討論

經(jīng)檢測(cè)，斷簧的化學(xué)成分，非金屬夾雜物級(jí)別，脫碳，金相顯微組織均符合技術(shù)規(guī)范要求，這說(shuō)明該彈簧原材料的冶金質(zhì)量符合要求。但彈簧鋼絲硬度偏下限，說(shuō)明大規(guī)格彈簧鋼絲的油淬火回火工藝有待優(yōu)化。另外，通過(guò)對(duì)斷口進(jìn)行檢測(cè)可知，該斷裂起源于表面裂紋，斷口為沿晶斷裂，斷口起源位置未觀察到明顯的冶金缺陷，由此推斷，斷裂面形成沿晶裂紋原因是淬火應(yīng)力所致，隨著時(shí)間的推移，在應(yīng)力釋放時(shí)，裂紋逐漸擴(kuò)展，直至表面薄弱處斷裂[6-9]。因此，針對(duì)大規(guī)格彈簧鋼絲還需要進(jìn)一步優(yōu)化鋼絲的油淬火回火工藝來(lái)盡量降低鋼絲淬火應(yīng)力。另外，要考慮拉拔設(shè)備的拉拔能力，盡量保證每道次的變形量均衡；應(yīng)該在保證產(chǎn)品質(zhì)量、尺寸的情況下減少道次，提高生產(chǎn)效率[10]。據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)可知[11]，可以采用重復(fù)淬火的方式，隨著加熱次數(shù)的增加，奧氏體晶粒和合金碳化物變得均勻細(xì)小，合金元素和合金碳化物充分溶解，使組織細(xì)化和均勻。

對(duì)于大規(guī)格油淬火回火鋼絲的油淬火回火工藝有待進(jìn)一步優(yōu)化，要控制好熱處理質(zhì)量，制定正確的熱處理工藝參數(shù)，并加強(qiáng)對(duì)熱處理工藝的管理，并在熱處理工藝完成后應(yīng)注意工件質(zhì)量的監(jiān)督檢查，加強(qiáng)探傷檢驗(yàn)的準(zhǔn)確度，同時(shí)抽檢鋼絲熱處理后的組織和硬度。

3 結(jié)論

大規(guī)格油淬火回火鋼絲在淬火過(guò)程中產(chǎn)生裂紋，裂紋引起鋼絲表面應(yīng)力集中，導(dǎo)致斷裂。針對(duì)上述原因，提出了預(yù)防措施，保證大規(guī)格油淬火回火鋼絲的質(zhì)量。