碟形弹簧产生裂纹原因分析

荀　环,尹祖成,杨阔飞

(齐齐哈尔北方有限责任公司冶金技术中心,黑龙江齐齐哈尔　161000)

摘  要:通过对断裂碟簧的化学成分、硬度、金相、扫描电镜和能谱分析,指出了非金属夹杂物,特别是硫化物含量偏高,以及严重的带状组织,阻断了组织的连续性,是产生裂纹的主要原因。

关键词:碟簧;开裂;非金属夹杂

　  碟形弹簧是我厂某产品上的重要零件,它的主要功能是避免零件间的刚性接触,并吸收和传递动能,对产品架体起到支承和缓冲作用。选用材料是60Si2MnA钢,经落料成型、热处理、喷砂、静压、表面处理、除氢、二次静压等工序以保证所需结构、强度、防腐性和可靠性。该碟簧在生产过程中发现二次静压出现裂纹,裂纹沿径向分布,且裂纹出现率较高。图1为失效碟簧的宏观形貌。

图1　断裂碟簧的宏观形貌

1　裂纹及产生原因分析

1.1　化学成分及硬度检测

　　在断裂碟簧1-3部位处(见图1)切取试样,进行化学成分和硬度检验。检验结果表明,其化学成分符合相关标准要求,硬度满足产品技术要求。

1.2　金相组织检验

在断裂碟簧1-1部位切取试样(见图1),进行金相组织检验。试样金相组织为回火屈氏体,组织呈带状分布。试样非金属夹杂物:A型(硫化物),细3.0级;B型(氧化物),粗2.0级。YB476-1964《火炮零件用合金结构钢钢号及技术条件》标准中第8条规定A型和B型非金属夹杂物都不能超过2.0级,两者之和不超过3.5级。

1.3　断口分析

在断裂碟簧1-2部位(见图1)的断口处取样,经超声波清洗(丙酮溶液),用扫描电镜观察其宏观断口形貌,试样属层状断口,断口较平,扩展方向不明显,见图2a。在100倍下观察断口的微观形貌,沿原材料轧制方向有规律分布的非金属夹杂物,见图2b;高倍下两断口均为沿晶,并以脆性为主的准解理断口,见图2c。

图2　碟簧断口的宏观形貌(a)和微观形貌(b,c)

1.4　能谱分析

对金相试样中的非金属夹杂物进行能谱分析,从能谱分析结果可以得出,沿带状组织分布的长条形非金属夹杂物为硫化物。碟簧中硫化物的高倍形态见图3a,其能谱分析图见图3b。

图3　碟簧中硫化物的高倍形态(a)及其能谱分析图(b)

1.5　综合分析

化学成分和硬度检验符合标准和产品技术要求,不是产生裂纹的原因。经金相检验、扫描电镜、能谱分析可知,非金属夹杂物特别是硫化物较多,这些夹杂物的存在破坏了基体金属的连续性[1],同时,造成较严重的带状组织分布,带状偏析严重,断口为层状断口。另外,部分硫化物在下料冲型时被切断,在碟簧内外圆表面形成类似于V型缺口的缺陷。

碟簧表面处理时,在内外圆表面缺陷处易被腐蚀,造成局部沿晶脆性增加,静压受力后此处先开裂。同时表面处理后去氢不彻底,也易使裂纹源处产生脆性,造成局部沿晶断裂。

2　改进措施

根据碟簧裂纹分析结果,将该批碟簧原材料停用,重新选用材料并进行经复验,要求非金属夹杂等项目符合相关标准要求;同时,生产中严格执行工艺,保证除氢时间。重新生产的碟簧,静压试验中没有产生裂纹,装配使用效果良好。

3　结论

(1)由于碟簧原材料存在较多的非金属夹杂物,特别是硫化物,这些非金属夹杂物破坏了基体的连续性,同时造成带状组织,表面处理后易在其缺陷处产生腐蚀和氢脆,长时间受力时在缺陷处产生开裂。

(2)控制原材料的非金属夹杂物含量,是解决碟簧裂纹的主要办法,同时严格执行表面处理后除氢工艺,也是避免碟簧裂纹产生的一个辅助措施。经严格控制原材料质量,认真执行除氢工艺后,生产的碟簧满足了产品使用要求。