65Mn鋼彈簧片斷裂故障分析及制造中的問題

賈慶雪，劉連生

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1 65Mn鋼的特點

65Mn鋼屬于含錳量較高的碳鋼，wMn約為1%，使鋼的淬透性增加，可以進行油冷。wC為0.62%～0.70%，使鋼具有高的強度和硬度，彈性好。但有回火脆性、冷作變形塑性差、焊接性也不好等缺點，尤其缺口敏感性較強。

2 典型的彈簧片斷裂故障

2.1 故障現象

故障件Ⅰ：65Mn鋼碟形摩擦彈簧片在沖床上作壓縮循環機械穩定化處理中，受拉應力的中心孔邊緣被撕裂。

故障件Ⅱ：減振彈簧片在裝配中，應力集中的折角位置斷裂。

2.2 原因分析

上述兩種彈簧片多次發生過斷裂，且數量很多。雖然將彈簧片的硬度降為40HRC，或特別強調消除回火脆性和除氫工藝，但都未能解決斷裂問題。

彈簧片的名義厚度在0.25mm和0.30mm，都很薄。帶料的供貨為退火狀態，經沖切、彎曲成形加工。由于65Mn鋼的缺口敏感性比較高，沖切飛邊或圓孔的不良倒角這些缺陷，在受拉應力時，極易誘發裂紋源而斷裂。因此，加工缺陷應是彈簧片產生斷裂的主要因素，屬于機械加工不當所致。

2.3 解決方法

彈簧片邊緣的飛邊在彎曲成形前應打磨掉，保持邊緣平整光滑。受拉應力的工作面，應為沖切邊緣的R面，且不可為沖切飛邊面。孔的邊緣飛邊用鉆頭在鉆床上去除是錯誤的，不僅會形成“刀口”狀，而且還是棱狀（振動所致），應改用砂棒將孔的邊緣打磨光滑。

3 設計要求

彈簧的硬度設計為44～52HRC。但是彈簧片屬于小尺寸、薄的彈性元件，要求的彈性變形更多，工作應力更大。雖然工作原理一樣，但是工作特點卻有別于較大截面尺寸的彈簧件。65Mn鋼彈簧片的硬度低于46HRC時（回火溫度高），雖然韌性較高，但強度極限和彈性極限又太低，抗應力松弛性能顯著降低，易變形失效。而高于51HRC（回火溫度低），雖然強度極限和彈性極限都比較高，但韌性低，比較脆，缺口敏感性相應增加，疲勞極限往往也不高。因此，彈簧片硬度的正確設計值應在46～51HRC。此外，保證晶粒度大于7級是必要的。細晶粒有利于提高韌性和疲勞極限，同時避免產生粗大的馬氏體組織，也可以減少缺口敏感性。

4 熱處理工藝

65Mn鋼彈簧片的熱處理制度見表1。

表1 65Mn鋼彈簧片的熱處理制度

4.1 淬火工藝

原淬火工藝方法是將彈簧片埋入奧氏體不銹鋼盒中的木炭粉進行保護。加熱結束后，將盒子中的彈簧片與木炭粉一起倒入油中完成淬火冷卻。但這種方法不環保，已經不再采用。目前采用氮氣保護馬弗爐加熱和油冷，操作簡單，淬火效果比較好。

65Mn鋼的臨界溫度（近似值）：Ac1≈726℃；Ac3≈755℃；Ms≈270℃；Mf≈-55℃。彈簧片為獲得細晶粒和減少殘留奧氏體，淬火溫度常采用810℃±10℃，晶粒度控制在7級以上。高于830℃易造成晶粒粗大，脆性增加。低于800℃又會有少量未溶解的鐵素體，使抗微塑性變形能力降低。

淬火時，零件入油后首先在表面產生蒸氣膜，然后蒸氣膜轉變為沸騰狀態，進入快速冷卻階段。因此，將彈簧片綁成單串淬火比較好，但是效率低。如果將若干串捆成一束，又較長，由于彈簧片被大量蒸氣泡包圍，且蒸氣泡向上運動，延遲了上端的冷卻速度，會導致上端彈簧片淬火硬度偏低。因此，每一束的串數不能多，也不能太長。另一個是彈簧片可以兩片疊在一起綁扎，多片疊在一起，片與片之間蒸氣膜的作用會使冷卻速度更慢。此外，將彈簧片包在鋼絲網中淬火也是不可行的。

采用鹽浴爐加熱，應對鹽槽進行脫氧處理。加熱時間也不宜長，一般1min或1.5min，加熱透即可，防止脫碳和腐蝕。且淬火后應立即用熱水煮、然后清水漂洗，將零件表面殘留的鹽去除干凈。

薄的彈簧片不宜采用真空淬火，主要是目前真空淬火轉移速度比較慢，造成彈簧片溫度散失，出現其他組織，淬火后的硬度低，一致性也差。

如果彈簧片經過硝鹽浴310～350℃、保持15～20min的貝氏體等溫淬火（淬火后仍需要油冷或水冷），硬度可以獲得46～51HRC。與普通的淬火、回火比較，等溫淬火可以獲得更高的綜合力學性能（強韌性），特別是鋼的屈強比和彈性極限的提高尤為顯著。同時淬火應力小，彈簧的畸變小，具有更高的疲勞壽命。

4.2 回火工藝

彈簧鋼的回火組織為屈氏體，彈性極限出現峰值。且回火后應力也得到充分消除，有利于提高材料的抗微塑性變形能力，彈性好。

65Mn鋼彈簧片的硬度46～51HRC，一般在370～400℃內選擇回火溫度。建議彈簧片的試回火從380℃開始，避免溫度過高、硬度偏下限或低于46HRC，最好控制在47～50HRC。此外，65Mn鋼有回火脆性，回火后優先選擇油冷（采用回火用冷卻油），可以防止銹蝕。水冷應采用高于60℃的熱水，減少熱應力。

修整尺寸后的彈簧片，為消除加工應力，減少變形，應進行補充消除應力處理。溫度一般比回火溫度低30～50℃，保溫60min，油冷。對于精度要求高的彈簧片，正常的回火或補充消除應力處理都應在夾具中定形加熱。

4.3 機械穩定化處理

為了提高彈簧片的抗松弛穩定性，應通過強迫彎曲松弛殘余應力。彎曲度按設計的工作要求執行，一般5～10次即可，摩擦彈簧片的機械穩定化可能需要幾十次。同時，機械穩定也是評價彈簧片韌性的最好方法。

5 結束語

1）彈簧片的裂紋源主要產生于沖切飛邊或孔的不良倒角處，加工缺陷應是產生斷裂的主要因素。

2）彈簧片的硬度應控制在46～51HRC，獲得高的屈服強度和彈性性能，又有一定的韌性。

3）保證晶粒度大于7級，細晶粒有利于提高彈簧片的韌性和疲勞極限。

4 ）將若干串彈簧片綁成一束，會導致上端彈簧片淬火硬度偏低。因此，每一束的串數不能多，長度也要控制，且不能將彈簧片疊在一起綁扎。