錢國(guó)強(qiáng)，陳 昕，張韶佳

(中航工業(yè)昌河飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，江西 景德鎮(zhèn) 333000)

0 引言

螺旋壓縮彈簧號(hào)稱“簧中王”，在整個(gè)工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛。50CrVA 彈簧鋼具有淬透性好、不易脫碳、表面質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于各種機(jī)械[1-3]。為提高彈性零件抗蝕性能和精飾表面，很多彈性零件都要進(jìn)行表面處理，如發(fā)蘭、鍍鋅、鍍鎘等。但電鍍后，彈性零件在裝配或使用時(shí)，甚至在電鍍過程中都有發(fā)生斷裂的現(xiàn)象，其中鎘脆斷裂由于具有很大的突發(fā)性，危害較大[4-5]。

50CrVA壓縮彈簧疲勞試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)批次性斷裂。失效彈簧主要工藝流程：熱處理→磁粉檢測(cè)→噴丸→鍍鎘-鈦→除氫→鍍層檢測(cè)→疲勞試驗(yàn)。制造指令中對(duì)熱處理后的彈簧硬度要求為HRC 45～54。對(duì)失效件彈簧進(jìn)行宏、微觀觀察、金相、能譜及硬度分析，發(fā)現(xiàn)其斷裂位置及斷裂性質(zhì)基本相同，本研究對(duì)其中1件進(jìn)行詳細(xì)分析。

1 宏觀觀察

失效彈簧宏觀形貌見圖1a，斷口位于支承圈與有效圈緊密接觸部位。用實(shí)體顯微鏡觀察彈簧各圈裂紋情況，斷口部位側(cè)表面可見徑向裂紋。掃描電鏡下觀察可見，裂紋長(zhǎng)2.996 mm，裂紋中部有一寬0.048 mm、深0.029 mm的橢圓形凹坑，裂紋起源于凹坑部位，寬度由凹坑處向兩端逐漸減小。彈簧斷裂端支承圈與有效圈接觸部位兩側(cè)4.4 mm范圍內(nèi)可見較多大小不一的橢圓形凹坑，深0.026～0.033 mm、寬0.033～0.108 mm(圖1b)。

失效彈簧斷口宏觀形貌見圖2a。由圖2a可見，斷口整潔，斷面呈灰色，無光澤，斷面由徑向斷口和周向斜劈斷口兩部分組成，斷口附近無塑性變形特征，斷面可見粗大的放射棱線，裂紋起源于凹坑處，呈點(diǎn)源特征。

取同批未進(jìn)行疲勞試驗(yàn)的完好(未鍍鎘及鍍鎘)彈簧進(jìn)行觀察及分析，彈簧表面無宏觀缺陷；將完好彈簧用切割機(jī)進(jìn)行切割后觀察，對(duì)比失效件及完好彈簧支承圈、有效圈之間表面情況，結(jié)果見圖2b。可見，鍍鎘彈簧兩圈緊密接觸部位及兩側(cè)凹坑較多，未鍍鎘彈簧相同部位及兩側(cè)發(fā)現(xiàn)灰黑色斑點(diǎn)痕跡，3件彈簧該部位均無裂紋缺陷。

圖1 失效件彈簧形貌Fig.1 Appearance of failed spring

圖2 斷口宏觀形貌及表面形貌對(duì)比Fig.2 Macroscopic morphology of fracture and contrast of surface appearance

2 斷口微觀及金相組織分析

斷口經(jīng)超聲清洗后置于掃描電鏡下觀察，可見：源區(qū)處微觀特征為沿晶+解理形貌(圖3a)；斷面擴(kuò)展區(qū)存在較多二次裂紋，微觀特征為沿晶形貌(圖3b)；沿棱線發(fā)散方向觀察，徑向斷口均呈現(xiàn)沿晶特征，周向斜劈斷口微觀特征為淺韌窩形貌(圖3c)。

將彈簧斷裂端斷口附近沿橫截面切割制備金相試樣，其組織形貌如圖4a所示。金相組織正常，未見冶金缺陷，試樣表面可見橢圓形凹坑。從失效件裂紋處橫向剖截面制備金相試樣，裂紋形貌如圖4b、圖4c所示。裂紋由外表面向內(nèi)部擴(kuò)展，外表面起源處及裂紋兩側(cè)附近金相組織正常，無脫碳現(xiàn)象；裂紋無分叉現(xiàn)象，兩邊耦合性較好，尾部尖銳。

圖3 斷口顯微形貌Fig.3 Microscopic appearances of fracture

圖4 失效件截面金相及裂紋顯微形貌Fig.4 Cross sectional metallurgical structure of failed part and microstructure of crack

3 成分與硬度分析

將斷口清潔后進(jìn)行能譜分析，源區(qū)附近Cd元素含量見圖5a，整個(gè)徑向斷面上均有Cd元素能譜顯示，含量由源區(qū)向斷口內(nèi)部逐漸降低；斜劈斷口能譜無Cd元素顯示(圖5b)。對(duì)未鍍鎘彈簧灰黑色異常區(qū)域進(jìn)行能譜分析，能譜顯示該區(qū)域O含量較高，無其他異常元素。將失效件裂紋人工打開，清潔后進(jìn)行能譜分析，結(jié)果見圖5c，掃描圖片顯示鎘層熔化。

對(duì)失效彈簧進(jìn)行顯微硬度檢測(cè)。依據(jù)GB/T 1172—1999《黑色金屬硬度及強(qiáng)度換算值》，彈簧硬度要求范圍為HV 441～578，實(shí)測(cè)失效件彈簧硬度位于HV 482～490，符合要求。

4 分析與討論

該彈簧屬螺旋壓縮彈簧，根據(jù)螺旋彈簧受載時(shí)的應(yīng)力及應(yīng)變特點(diǎn)，最大應(yīng)力產(chǎn)生在簧絲截面內(nèi)側(cè)點(diǎn)，即斷口的源區(qū)位置點(diǎn)。

由宏觀擴(kuò)展棱線及微觀形貌可知，斷口起源于支承圈與有效圈緊密接觸部位0.029 mm深凹坑處。

彈簧斷面由徑向斷口和斜劈斷口組成；斷口整潔，斷面呈灰色，無光澤；失效件斷裂特征為沿晶斷裂，斜劈斷口微觀形貌呈韌窩特征，裂紋由彈簧表面起源，沿徑向擴(kuò)展，擴(kuò)展到一定程度后沿周向彈簧的變形組織界面快速斷裂形成斜劈斷口；能譜分析顯示整個(gè)徑向斷面含Cd元素，源區(qū)存在Cd元素，從源區(qū)沿?cái)U(kuò)展棱線Cd元素含量逐漸降低；失效件彈簧未斷裂端存在徑向裂紋，由彈簧表面向內(nèi)部擴(kuò)展，能譜分析顯示徑向裂紋斷面存在熔化鎘層區(qū)，掃描電鏡下觀察到徑向斷口微觀沿晶形貌存在較多二次裂紋；失效件兩匹配斷口附近無塑性變形特征，可知源區(qū)為脆性斷裂；綜上所述，可判斷彈簧斷裂性質(zhì)為鎘致脆性斷裂。

圖5 能譜分析Fig.5 Energy spectrum analysis

鎘脆是一種特殊的脆性斷裂形式，形成鎘脆必須滿足3個(gè)基本條件[6]，即存在Cd元素、適當(dāng)?shù)睦瓚?yīng)力和較高的溫度。彈簧經(jīng)過表面鍍鎘處理，再加上彎制成形過程后，簧絲具有一定殘余應(yīng)力，疲勞試驗(yàn)工序中指出：疲勞試驗(yàn)施加載荷應(yīng)使彈簧達(dá)到圈并圈程度，因此受到一定載荷的壓應(yīng)力，前2個(gè)鎘脆條件已滿足。發(fā)生鎘脆的第3個(gè)必要條件是要存在一個(gè)較高的溫度[7]，從失效件工藝過程來看，整個(gè)過程只有除氫工序才有180～200 ℃高溫環(huán)境，至少23 h。Cd的熔點(diǎn)只有321 ℃，環(huán)境溫度低于此溫度就可以發(fā)生鎘脆裂紋[8-10]，彈簧除氫溫度雖然遠(yuǎn)低于Cd的熔點(diǎn)，但從圖5c鎘層形貌及能譜分析可知，除氫確實(shí)存在局部超溫現(xiàn)象。如果溫度超過250 ℃，金屬Cd會(huì)臨界于固、液兩態(tài)之間，加之彈簧內(nèi)圈存在較大的拉應(yīng)力且表面未及時(shí)防銹而氧化腐蝕，Cd會(huì)以液態(tài)甚至原子形式滲入到金屬的晶體之間，使彈簧金屬晶間結(jié)合力明顯降低，導(dǎo)致彈簧在外力作用下產(chǎn)生脆斷[11]。

金相顯微觀察失效件裂紋表面起源，裂紋無分叉，無脫碳現(xiàn)象，裂紋兩邊耦合性很好，尾部尖銳；裂紋兩側(cè)金相組織正常，組織無過熱特征；因此，裂紋起源于熱處理之后、鍍層檢測(cè)工序之前。

失效彈簧均斷裂于有效圈第一圈緊密接觸部位凹坑處。未進(jìn)行疲勞試驗(yàn)的完好鍍鎘彈簧該區(qū)域內(nèi)表面無凹坑，支承圈之間4.4 mm范圍內(nèi)可見較多大小不一的橢圓形凹坑，兩圈緊密接觸部位及兩側(cè)凹坑較多。

同批次未鍍鎘彈簧支撐圈與有效圈緊密接觸部位及兩側(cè)能譜顯示O元素較高，說明黑灰色斑點(diǎn)痕跡為氧化物，查看彈簧制造指令，熱處理后的噴丸、總檢無表面防銹操作說明，觀察彈簧制造工序，發(fā)現(xiàn)噴丸和總檢共約2 d時(shí)間，對(duì)另一批次總檢后彈簧進(jìn)行破壞觀察，支撐圈與有效圈緊密接觸部位發(fā)現(xiàn)銹蝕斑特征；因此，支撐圈與有效圈之間的凹坑起源于噴丸與總檢之間的放置時(shí)間段，鍍鎘過程對(duì)銹蝕部位的腐蝕促進(jìn)了凹坑的形成。

綜上所述，彈簧的斷裂性質(zhì)為鎘脆，噴丸與總檢工序中防銹不當(dāng)而產(chǎn)生的銹蝕是發(fā)生鎘致脆性斷裂的直接原因，鎘脆出現(xiàn)在除氫工序。

5 結(jié)論與建議

1)彈簧的斷裂性質(zhì)為鎘脆；支承圈與有效圈緊密接觸部位及兩側(cè)有較多凹坑分布，失效件均斷裂于支承圈與有效圈之間凹坑處。

2)鎘脆出現(xiàn)在除氫工序，彈簧鎘脆斷裂與除氫過程中超溫及噴丸與總檢工序中防銹不當(dāng)而產(chǎn)生的銹蝕有關(guān)。

3)在噴丸與總檢工序指令后增加防銹處理，并進(jìn)行嚴(yán)格控制把關(guān)；對(duì)彈簧整個(gè)加工過程中防銹處理進(jìn)行嚴(yán)格控制，并嚴(yán)格控制除氫工序溫度，按時(shí)對(duì)爐子進(jìn)行溫度校正。