對某裝甲車彈簧斷裂問題的分析

李望偉，譚佐富

(駐重慶地區(qū)軍代室，重慶 400050)

承制單位在裝配某履帶式裝甲車閥件時，發(fā)現(xiàn)潤滑系定壓閥彈簧(以下簡稱053 彈簧)斷裂3 件，如圖1 所示。斷裂位置基本在距離端面第一、二圈處，斷口形態(tài)呈沿鋼絲橫截面45°方向，分2 個階段斷裂，斷口肉眼可見光亮結(jié)晶狀。宏觀斷口屬于早期脆性斷裂形貌。

圖1 定壓閥彈簧

1 原因分析

1.1 批次檢查情況

根據(jù)記錄，承制單位庫存053 彈簧20 × ×年以前庫存67 件，20 × ×年11月17月新加工入庫30 件，20 × ×年2月23月新加工入庫25 件。20 × ×年6月15月、8月31月、10月19月裝配車間分別向物質(zhì)部領(lǐng)取了2 件、14 件、51 件共計67 件053 彈簧進行裝配，其中20 × ×年批產(chǎn)品28 臺，20 × ×年批產(chǎn)品14 臺。3月7月，在裝配過程中053 彈簧出現(xiàn)斷裂，裝配車間立即對67 件053 彈簧裝配后剩余件進行了隔離。裝配車間領(lǐng)用日期在20 × ×年11月17月新加工入庫之前，由此可判定，斷裂的彈簧生產(chǎn)批次為× ×年以前庫存的67 件，涉及的產(chǎn)品為20 × ×年批產(chǎn)品28 臺，20 × ×年批產(chǎn)品14 臺。

1.2 彈簧材料分析

將1 件斷裂的彈簧及斷裂批67 件中未斷裂的2 件彈簧磨火花鑒別為60Si2MnA。053 彈簧，產(chǎn)品設(shè)計圖紙規(guī)定材料采用65Si2MnA，材料標(biāo)準為GB5218—85，硬度要求為42 ～49HRC。經(jīng)對GB5218—85 以及GB1222 等材料標(biāo)準的查閱，標(biāo)準中均無此材料，該材料為非標(biāo)準材料，且目前鋼材市場上無法采購，GB5218—85 中接近牌號65Si2MnA 的材料只有60Si2MnA 和65Si2MnWA。以下將結(jié)合產(chǎn)品圖紙要求，通過理論計算的方法，驗證采用上述兩種材料替代65Si2MnA制造053 彈簧的可行性。

參照標(biāo)準GB1239 普通圓柱螺旋彈簧，結(jié)合產(chǎn)品的技術(shù)要求，053 彈簧的計算結(jié)果見表1。

表1 053 彈簧規(guī)定與計算結(jié)果

計算結(jié)果表明，采用60Si2MnA、65Si2MnWA 兩種材料制造彈簧，彈簧剛度系數(shù)均相同，均能滿足產(chǎn)品圖要求的工作壓力(工作壓力小于最大彈性力)，且圖紙規(guī)定的工作行程均在兩種材料的彈性變形量最大變形范圍以內(nèi)，可以滿足設(shè)計要求。由于60Si2MnA、65Si2MnWA 制造彈簧的不同之處僅在于65Si2MnWA 相對60Si2MnA 含碳量高0.05%、添加了微量W，熱處理后的強度等級略有提高，但均屬于中等強度的高碳低合金的彈簧鋼。

1.3 彈簧制造流程分析

彈簧制造流程為:鋼絲繞簧——熱處理——吹砂——彈簧校型、壓力試驗——氧化——入庫(帶下劃線工序為外協(xié))。因此產(chǎn)生斷裂原因在于原材料、彈簧繞制質(zhì)量、熱處理、氧化4 個環(huán)節(jié)之中。以下將從4 個環(huán)節(jié)的檢測情況，進行分析。

1)原材料化學(xué)成分分析

成分分析如表2 所示。根據(jù)表2 可以看出，053 零件的化學(xué)成分在規(guī)定范圍以內(nèi)，材料符合標(biāo)準GB5218《合金彈簧鋼》中60Si2MnA 的有關(guān)規(guī)定［1-2］。

2)彈簧繞制質(zhì)量

繞制質(zhì)量如表3 所示。

表2 60Si2MnA 化學(xué)成分(%)理化分析結(jié)果

表3 彈簧繞制質(zhì)量

通過對彈簧外形的實際檢測，彈簧有效圈數(shù)、直徑、自由高度、外徑、負荷、外觀等均符合產(chǎn)品圖紙規(guī)定。

3)熱處理質(zhì)量分析

通過對斷裂彈簧實物進行取樣分析，053 彈簧硬度為1號:57.5 HRC;2 號:61.8 HRC，比零件規(guī)定的42 ～49HRC 硬度值上限，高出HRC8.5 ～12.8;金相為“回火馬氏體”，按照規(guī)定的硬度值熱處理后的組織應(yīng)為“回火屈氏體”，因此，從熱處理上分析可知，該零件熱處理質(zhì)量不合格。

4)氧化處理分析

經(jīng)查證，彈簧氧化處理過程嚴格采用10% 的磷酸洗0.5 ～1 min除油活化預(yù)處理，以及堿液中130 ～140 ℃、30 min的氧化處理進行。因酸洗過程極短，且通過熱堿液處理，因此排除該過程產(chǎn)生氫脆。

1.4 問題定位及機理分析

通過上述理論計算、檢測、分析，結(jié)合彈簧服役條件及使用工況，可以排除是原材料選用、原材料成分、彈簧繞制質(zhì)量、氧化等環(huán)節(jié)的制造因素。該彈簧斷裂失效是由于熱處理回火不當(dāng)(溫度過低)造成強度高、脆性大，失去彈簧的彈性變形功能，加之該彈簧為預(yù)壓縮裝配，且高強度鋼對微缺陷敏感性高，易引起應(yīng)力集中，綜合因素造成的脆性斷裂。

彈簧鋼的熱處理機理是:在彈簧繞制成型后淬火、420 ～520 ℃中溫回火，獲得回火屈氏體組織。回火溫度的選擇是彈簧鋼功能發(fā)揮的主要因素之一，中溫回火實現(xiàn)彈性參數(shù)與韌性參數(shù)的平衡，即既保證足夠的彈性又保證一定的韌性。若回火溫度低于300 ℃，雖然彈性參數(shù)提高，但由于未能消除淬火內(nèi)應(yīng)力和高碳馬氏體本身的固有脆性，回火高碳馬氏體表現(xiàn)出強度高、脆性大、韌性低，由于韌性太差，在偶然的撞擊或應(yīng)力集中，彈簧便會發(fā)生脆性斷裂。

經(jīng)查，60Si2MnA 淬火+450 ～470 ℃中溫回火(也是工藝規(guī)定溫度)后的硬度才能達到硬度42 ～49HRC，組織為回火屈氏體，具備彈簧功能。而實際斷裂件硬度為1 號57. 5 HRC、2 號61.8 HRC，組織為回火馬氏體，顯然斷裂批零件淬火充分，但回火溫度偏低(低于300 ℃)，造成組織不當(dāng)，強度高、脆性大。

2 對策研究

針對問題，應(yīng)從技術(shù)和管理2 個方面予以全面清理閉環(huán)，杜絕類似問題發(fā)生。

一是20 × ×年產(chǎn)品閥件彈簧均裝配新制的65Si2MmWA彈簧，20 × ×年批彈簧全部報廢隔離;二是針對20 × ×年批產(chǎn)品上裝配的053 彈簧，在規(guī)定時間內(nèi)全部更換;三是65Si2MmWA 經(jīng)試驗驗證后，辦理技術(shù)狀態(tài)更改手續(xù);四是嚴格控制熱處理工藝過程，保證后續(xù)彈簧加工質(zhì)量。

［1］GB5218—1999，合金彈簧鋼絲［S］.1999.

［2］GB1222—2007，彈簧鋼［S］.2007.