鉸鏈彈簧磷化后斷裂失效分析及改進(jìn)

行李艙鉸鏈彈簧連接行李艙蓋鉸鏈與車身，利用在行李艙蓋開啟與關(guān)閉運(yùn)動過程中其扭轉(zhuǎn)產(chǎn)生的彈性勢能，克服行李艙蓋重力，減輕舉升操作力與減緩關(guān)閉的沖擊力，并保持開啟功能。一旦鉸鏈彈簧斷裂，行李艙蓋自動彈起功能失效，造成客戶抱怨，影響品牌形象[1]。

某整車下線功能檢測時發(fā)現(xiàn)行李艙蓋無法打開，拆卸蓋體后，發(fā)現(xiàn)行李艙鉸鏈彈簧斷裂。車輛裝配后，未出廠銷售出現(xiàn)彈簧斷裂，不同批次鉸鏈彈簧多次出現(xiàn)裝配后及0千米新車斷裂問題，彈簧生成廠家急需確定彈簧斷裂原因、改進(jìn)工藝過程，避免故障重復(fù)發(fā)生。

斷裂件檢測及失效原因分析

1.設(shè)計技術(shù)要求

鉸鏈彈簧材料為SAE9254。調(diào)質(zhì)處理，硬度49～54HRC，彈簧直徑 3.8mm ，金相組織要求回火屈氏體，表面要求磷化處理后電泳包覆，抗拉強(qiáng)度 1680～ 2010MPa， 0

2.宏觀形貌

斷裂鉸鏈彈簧如圖1所示，紅圈所示為斷裂部位，箭頭所指斷裂位置對應(yīng)未斷前的完整形貌。斷口正面宏觀形貌如圖2所示，彈簧斷裂位置在掛鉤桿部彎折處，斷口斷裂走向明顯，終斷區(qū)（剪切唇）占外圓一周3/4以上，說明在拉應(yīng)力作用下斷裂。斷裂源位于彎折處內(nèi)測表面，此處堆積銹蝕，斷裂源對側(cè)沿圓周1/3的區(qū)域，表面紅銹堆積，其余斷裂擴(kuò)展區(qū)為紅銹呈斑點(diǎn)分布。

3.能譜分析

能譜檢測斷口開裂源紅銹堆積處，檢測位置及結(jié)果如圖3所示。檢測結(jié)果顯示，除碳（C）、氧（O）及鐵（Fe）元素外，磷（P）元素較多，彈簧表面經(jīng)磷化處理，說明開裂源處的銹蝕為磷化液滲入導(dǎo)致。

4.微觀形貌

斷口經(jīng)過除銹處理及使用無水乙醇超聲波清洗，將覆蓋在斷口上的灰塵及鐵銹去除，便于形貌觀察，圖4a、圖4b及圖4c，分別是圖2斷口正面上標(biāo)記的A、B、C位置的微觀形貌。

其中，圖4a中斷裂源區(qū)表面銹蝕嚴(yán)重，孔洞及凹坑均為氧化銹蝕坑，部分原始斷口形貌造破壞，但能識別出沿晶形貌、撕裂棱及少量韌窩；圖4b中擴(kuò)展區(qū)微觀形貌為沿晶形貌、撕裂棱及少量韌窩，沿晶裂紋明顯；圖4c剪切唇形貌主要為韌窩。結(jié)合宏觀形貌分析，彈簧在拉應(yīng)力的作用下脆性斷裂。

5.材料化學(xué)成分分析

在彈簧直桿部位取樣，采用直讀光譜儀進(jìn)行化學(xué)成分分析，材料為SAE9254，符合設(shè)計材料規(guī)定（見表1）。

6.硬度測試

7.金相分析

在彈簧直桿部位取樣，用洛氏硬度計在圓柱形試樣橫截面的1/4直徑位置測試洛氏硬度，結(jié)果見表2。硬度要求49～54HRC，基體硬度符合技術(shù)要求。

橫截面取樣為斷口往下3cm處，縱截面取樣沿開裂源處軸向切開斷口。圖5a所示為彈簧橫截面表面金相組織；圖5b所示為斷裂源處縱截面未侵蝕金相；圖5c所示為彈簧橫截面心部金相組織；圖5d所示為斷裂源處縱截面侵蝕后金相組織。

彈簧金相組織為回火屈氏體表面未見脫碳及增碳，裂紋源附件外圓表面存在多條與斷裂方向平行的微裂紋，微裂紋兩側(cè)無氧化脫碳，說明材料脆性大，有延遲開裂的傾向。

8.分析與討論

鉸鏈彈簧材料、硬度及金相組織均符合設(shè)計要求，彈簧形狀及尺寸經(jīng)設(shè)計排除異常。彈簧先脆性開裂后因受力面減小而過載斷裂，斷裂源位于彈簧彎折處內(nèi)側(cè)表面，在斷裂源同側(cè)附近有多條與斷裂方向平行的微裂紋，說明彈簧脆性較大。結(jié)合能譜分析，斷裂源處受外力之前已經(jīng)出現(xiàn)微裂紋，微裂紋形成在彈簧最終回火工藝之后，為延遲裂紋。結(jié)合斷口有沿晶形貌及沿晶裂紋，斷裂形式為延遲斷裂。

延遲斷裂的原因分析：延遲斷裂分為應(yīng)力腐蝕和高強(qiáng)度鋼延遲開裂兩種。其中，應(yīng)力腐蝕是材料、腐蝕介質(zhì)及應(yīng)力的共同作用；高強(qiáng)鋼延遲開裂是材料在靜止應(yīng)力作用下，經(jīng)過一定時間后突然發(fā)生脆性破壞，是材料、環(huán)境和應(yīng)力作用的相互結(jié)果。

行李艙鉸鏈彈簧生產(chǎn)工藝流程為：冷拔 $$ 淬火回火 $$ 卷簧 $$ 去應(yīng)力回火 $$ 包塑 $$ 表面處理（磷化后電泳）一包裝。從彈簧彎折處內(nèi)外兩側(cè)的表面銹蝕堆積情況同時結(jié)合能譜結(jié)果分析，表面的延遲裂紋應(yīng)該發(fā)生在電泳之前或電泳過程，腐蝕環(huán)境存在。而彈簧本身為高強(qiáng)度鋼，所以應(yīng)力腐蝕與高強(qiáng)度的延遲開裂因素均可存在[2-4]。

高強(qiáng)鋼延遲開裂的主要因素有三點(diǎn)：

1）馬氏體與其回火組織。

2）應(yīng)力，殘余應(yīng)力和工作應(yīng)力。

3）材料中含有一定的氫。

其中馬氏體及其回火組織是延遲開裂的必要條件，應(yīng)力和材料中的氫是延遲開裂的充分條件。鋼的強(qiáng)度越高，氫致延遲開裂的風(fēng)險越大，尤其是強(qiáng)度在1000MPa以上的尤為敏感。

彈簧材料屬鉻錳硅鋼，硬度51.9HRC對應(yīng)強(qiáng)度1830MPa左右，鋼熱處理產(chǎn)生的組織應(yīng)力及卷簧（彎折）過程產(chǎn)生的形變應(yīng)力，導(dǎo)致彈簧表面殘余應(yīng)力較大。彈簧表面的磷化及電泳過程中都會不可避免的存在析氫與滲氫的過程。使得氫粒子滲入彈簧。而且彎折表面存在應(yīng)力集中，材料內(nèi)部的氫會向應(yīng)力集部位擴(kuò)散，而這些應(yīng)力集中的部位往往缺陷較多（原子點(diǎn)陣錯位、空穴等），氫粒子結(jié)合成原子再匯聚結(jié)合成氫分子，使材料內(nèi)部產(chǎn)生巨大壓力。因此避免鉸鏈彈簧延遲開裂問題，需從減少殘余應(yīng)力及控制材料內(nèi)部氫含量兩方面考慮5，6。

改進(jìn)工藝

基于斷裂原因，提出如下改進(jìn)工藝過程。

1）因彈簧硬度本身已在技術(shù)要求的中值，為了保證零件的強(qiáng)度，高溫回火溫度不宜變動，建議改進(jìn)去應(yīng)力回火工藝，減少殘余應(yīng)力。據(jù)悉生產(chǎn)廠家的去應(yīng)力回火工藝為（ 360±15 ） °C 保溫 35min ，去應(yīng)力回火溫度偏低，建議調(diào)整（ 390±10 ） °C 保溫 35min 。

2）彈簧表面處理（磷化后電泳）工藝會帶入氫，而現(xiàn)行工藝中除了表面中和清洗，沒有去氫處理工藝過程，建議表面處理后增加熱除氫工藝。

生產(chǎn)廠家配合整改，優(yōu)化了去應(yīng)力回火工藝，增加熱除氫工藝過程，對鉸鏈彈簧彎折處進(jìn)行殘余應(yīng)力檢測，去應(yīng)力回火工藝優(yōu)化后表面殘余應(yīng)力降低 40% （見表3）。改進(jìn)后至今該行李艙鉸鏈彈簧裝配及0千米新車未發(fā)生斷裂問題。

結(jié)語

1）行李艙鉸鏈彈簧是在正常工作應(yīng)力下的氫致延遲斷裂，斷裂前此處已存在表面裂紋，表面裂紋為去應(yīng)力回火不充分所致。

2）應(yīng)力和材料中的氫是延遲斷口的充分條件，彈簧彎折處應(yīng)力集中，殘余應(yīng)力大，材料內(nèi)部氫容易向此擴(kuò)散，彈簧表面磷化及電泳過程有滲氫風(fēng)險，但后續(xù)未做去氫處理，兩方面因素均增加了彈簧延遲斷裂的風(fēng)險。

3）合理的去應(yīng)力回火可以有效減少彈簧殘余應(yīng)力，將去應(yīng)力回火工藝參數(shù)由（ 360±15 ） ^°C/35min 改為（ 390±10 ） ，同時增加磷化電泳后表面除氫處理工藝，彈簧延遲斷裂問題得到有效控制。

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