汽車電尾彈簧電泳后斷裂失效分析

王長(zhǎng)樂(lè)，朱文浩，李明偉，王子勉，葛炎龍，柴敬超，康克家2，

1.鞏義市恒銘金屬制品有限公司 河南鞏義 451253

2.河南省油淬火-回火彈簧鋼絲工程技術(shù)研究中心 河南鞏義 451253

3.河南工業(yè)大學(xué) 河南鄭州 450001

4.河南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司 河南鄭州 450016

1 序言

目前，中高檔汽車均采用電動(dòng)后備箱，即后備箱采用電動(dòng)或遙控方式開(kāi)起或關(guān)閉。尾門撐桿是保證汽車電動(dòng)尾門正常工作的核心零部件，電尾彈簧則是尾門撐桿的關(guān)鍵部件之一[1]。若由于電尾彈簧性能衰減或突發(fā)性彈簧斷裂等原因而造成電動(dòng)尾門無(wú)法打開(kāi)，則將會(huì)對(duì)用戶造成較差的用車體驗(yàn)，且失去電動(dòng)后備箱的便捷性優(yōu)勢(shì)。因此，尾門撐桿用彈簧對(duì)力值穩(wěn)定性和力值抗衰減性能等要求非常高，對(duì)所用彈簧鋼絲的力學(xué)性能要求也非常嚴(yán)苛。目前，市面上電尾彈簧所用原材料絕大部分采用進(jìn)口鋼絲，國(guó)產(chǎn)鋼絲只占少量市場(chǎng)份額。

國(guó)內(nèi)某彈簧廠生產(chǎn)的SAE9254HV超高強(qiáng)度電尾彈簧在電泳后壓并測(cè)試過(guò)程發(fā)生斷裂，斷裂彈簧如圖1所示。該彈簧采用的原材料為直徑3.8mm、抗拉強(qiáng)度≥2200MPa的超高強(qiáng)度鋼絲。鋼絲生產(chǎn)工藝流程為：盤條酸洗→磷化→拉拔→加熱→油淬火→中溫回火→無(wú)損檢測(cè)→包裝。電尾門彈簧生產(chǎn)工藝流程為：選料→繞簧→去應(yīng)力退火→熱壓成形→端面磨平→低溫定形→電泳→壓并測(cè)試→植絨。本文對(duì)斷裂彈簧進(jìn)行化學(xué)成分分析、斷口形貌分析、金相組織檢測(cè)和顯微硬度檢測(cè)，查明其斷裂原因，并提出了合理性的改進(jìn)建議。

圖1 電泳后壓并部分?jǐn)嗔褟椈?/p>

2 理化檢驗(yàn)

2.1 斷口宏觀形貌

圖2所示為體視顯微鏡下彈簧斷口宏觀形貌，斷口可見(jiàn)放射狀花樣，裂紋擴(kuò)展紋路清晰，放射線收斂方向即裂紋起始位置[2，3]，可知裂紋起源于A處表面附近，裂紋沿圖中箭頭方向擴(kuò)展直至斷裂，可見(jiàn)裂紋起源區(qū)A、裂紋擴(kuò)展區(qū)B、終斷區(qū)C。

圖2 體視顯微鏡下彈簧斷口宏觀形貌

2.2 斷口微觀形貌

在掃描電鏡下觀察斷口形貌，各區(qū)域微觀形貌如圖3所示，未發(fā)現(xiàn)夾雜、折疊等缺陷。由圖3a可見(jiàn)，裂紋起源區(qū)以沿晶斷裂為主，晶粒沿晶界開(kāi)裂，該區(qū)晶界已明顯弱化、脆化。自裂紋起源區(qū)開(kāi)始，裂紋沿徑向不斷向內(nèi)擴(kuò)展，沿晶斷裂區(qū)域之后，斷面特征逐步向韌窩過(guò)渡，該區(qū)域即為斷面的穩(wěn)定擴(kuò)展區(qū)（見(jiàn)圖3b）。由圖3c可見(jiàn)，終斷區(qū)呈韌窩形貌，且韌窩數(shù)量增多。彈簧斷面大部分區(qū)域（擴(kuò)展區(qū)+終斷區(qū)）都存在韌窩，說(shuō)明材料塑性較好[4，5]。

圖3 彈簧斷口不同區(qū)域微觀形貌

2.3 材料化學(xué)成分

在彈簧斷樣上取試樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見(jiàn)表1。由表1可看出，彈簧鋼化學(xué)成分符合SAE9254HV技術(shù)要求。

表1 SAE9254HV彈簧鋼化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

2.4 金相分析

在彈簧斷口附近沿橫向位置進(jìn)行取樣，經(jīng)過(guò)鑲樣、砂紙打磨和機(jī)械拋光后，用體積分?jǐn)?shù)4%的硝酸酒精溶液腐蝕，在金相顯微鏡下觀察到基體組織為回火屈氏體，樣品邊部無(wú)明顯脫碳，組織均勻無(wú)異常，如圖4所示。因此，可排除鋼絲脫碳、組織異常因素的影響。

圖4 斷裂彈簧顯微組織

2.5 顯微硬度檢測(cè)

在彈簧斷口附近取樣進(jìn)行顯微硬度檢測(cè)，結(jié)果如圖5所示。從圖5可看出，邊部硬度較高，心部硬度略低，從邊部到心部硬度略有下降，符合鋼絲淬火、回火后彈簧鋼硬度規(guī)律；硬度最大值639HV，最小值為615HV，最大差值為24HV，邊部和心部硬度值相差不大，硬度分布總體較為均勻，這也從側(cè)面證明了組織的整體均勻性。

圖5 斷裂彈簧橫截面顯微硬度分布

3 斷裂原因分析

從上述檢測(cè)結(jié)果來(lái)看，鋼絲的化學(xué)成分、基體組織、脫碳層深度及硬度未見(jiàn)異常。從斷口的微觀形貌來(lái)看，斷口大部分區(qū)域存在韌窩，排除材料韌性不足導(dǎo)致斷裂的可能性。

體視顯微鏡的觀察結(jié)果顯示，裂紋源起源于彈簧邊部的一處表面附近，進(jìn)而沿徑向擴(kuò)展，最終導(dǎo)致彈簧斷裂（見(jiàn)圖2）。對(duì)裂紋源區(qū)的微觀斷口進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)靠近材料表面的斷口裂紋源區(qū)呈現(xiàn)沿晶斷裂的斷口特征；該區(qū)斷口呈冰糖狀沿晶斷裂斷口，晶粒間存在沿晶裂紋，具有氫致斷裂的典型微觀形貌特征[6-9]，分析可能為氫脆所致。排查鋼絲加工工藝和彈簧加工工藝，發(fā)現(xiàn)盤條的酸洗和彈簧電泳兩個(gè)環(huán)節(jié)會(huì)有氫氣生成，如果是酸洗所致，局部發(fā)生氫脆后的鋼絲在拉拔以及彈簧繞簧過(guò)程就會(huì)發(fā)生斷裂，因此排除盤條酸洗所致。結(jié)合電尾彈簧生產(chǎn)工藝流程，電泳是電泳涂料在陰陽(yáng)兩極，施加于電壓作用下，帶電荷的涂料離子移動(dòng)到陰極，并與陰極表面所產(chǎn)生的堿性作用形成不溶解物，沉積于彈簧表面。電解質(zhì)溶液為氫氧化鈉堿性環(huán)境，氫氧化鈉電解池陰陽(yáng)極的電極反應(yīng)式如下。

陽(yáng)極：4OH-－4e-＝O2↑＋2H2O

陰極：4H2O＋4e-＝4OH-＋2H2↑

電尾彈簧在電泳過(guò)程中不可避免地存在析氫、滲氫過(guò)程，析出的氫一部分以氫分子形式溢出表面，另一部分吸附于彈簧基體表面而滲入鋼絲，會(huì)通過(guò)擴(kuò)散的方式進(jìn)入并分布于各種可逆氫陷阱中，這類缺陷包括位錯(cuò)、空位、小角度晶界等[10，11]。進(jìn)入金屬試樣內(nèi)部的H在自身的應(yīng)力場(chǎng)與氫陷阱周圍的應(yīng)力場(chǎng)的交互作用下，使得H在陷阱處聚集并結(jié)合成H2，造成氫陷阱處的晶界存在氫壓[12，13]。氫壓的存在使陷阱處與其他區(qū)域構(gòu)成應(yīng)力梯度，將誘導(dǎo)周圍的H不斷向氫陷阱處擴(kuò)散，繼而在氫陷阱周圍形成空洞。隨著空洞內(nèi)氫氣濃度的不斷提高，氫壓逐漸增加，當(dāng)其超過(guò)材料的局部斷裂強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致裂紋的形核與擴(kuò)展，形成氫致裂紋，導(dǎo)致材料斷裂[14，15]。因電尾彈簧強(qiáng)度非常高，抗拉強(qiáng)度超過(guò)2200MPa，而且材料強(qiáng)度越高，對(duì)氫越敏感，所以最終導(dǎo)致彈簧在表面氫致微裂紋處發(fā)生開(kāi)裂，并在應(yīng)力作用下迅速擴(kuò)展，最終失穩(wěn)斷裂。

綜上所述，電尾彈簧在電泳過(guò)程中局部表面脆化形成顯微裂紋是壓并斷裂的主要原因。

4 結(jié)束語(yǔ)

電尾彈簧在電泳過(guò)程中因表面聚集氫造成彈簧表面局部發(fā)生脆化，電泳后壓并測(cè)試時(shí)，彈簧表面會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中，在表面脆化處形成裂紋源，并擴(kuò)展斷裂。針對(duì)以上情況，對(duì)電泳加工工藝提出了以下改進(jìn)措施和建議。

1）彈簧電泳時(shí)，在保證電泳層質(zhì)量的前提下，應(yīng)盡量縮短電泳時(shí)間，防止出現(xiàn)局部滲氫腐蝕，造成彈簧表面局部脆化。

2）電泳后盡量采用有效除氫工藝，如加熱除氫。