65Mn彈性擋圈脆斷及熱處理工藝優化

徐 磊，楊 健，汪迪坤，王楨楠，韓和兵

(中國電子科技集團公司第二十一研究所，上海 200233)

0 引 言

彈性擋圈也叫卡簧，分為軸用彈性擋圈和孔用彈性擋圈，安裝于槽軸上，用于固定零部件的軸向運動。這類擋圈的內徑比裝配軸徑稍小，安裝時需用卡簧鉗鉗嘴插入擋圈的鉗孔中，壓縮擋圈，才能放入預先加工好的軸槽上。但在電機裝配過程中發現，65Mn彈性擋圈存在脆斷問題，稍一用力，即發生斷裂，影響裝配進度[1]。本文對發生脆斷問題的65Mn彈性擋圈進行歸類，并對其進行硬度測試，如表1所示。

表1 7個不同規格彈簧擋圈的硬度

硬度測試發現，只有17 mm規格的65Mn彈性擋圈硬度較低，硬度值為44.5 HRC，隨機對此種規格的65Mn彈性擋圈進行取樣，取樣數×10個，進行現場試裝，測試其是否擁有較好的彈性。經過試裝，17 mm規格的65Mn彈性擋圈10個試樣全部合格，該規格所有試樣均具有良好的彈性，且均未產生斷裂或裂紋。

另隨機抽取10個22 mm規格的65Mn彈性擋圈進行試裝測試。試裝時，有4個擋圈試樣發生斷裂，具體斷裂情況如圖1所示。

圖1 斷裂擋圈斷裂位置

取斷裂的擋圈試樣與未斷裂的擋圈試樣進行硬度測試，斷裂擋圈硬度為58 HRC，未斷裂擋圈硬度為53.5 HRC，可以說明擋圈的脆斷與擋圈的硬度有關。

1 65Mn彈性擋圈的應力分布

按照GB/T 894-2017軸用彈性擋圈國家標準規定的20 mm彈性擋圈尺寸進行建模。依據彈性擋圈試裝時的受力情況，進行不同變形量的靜態力學模擬仿真，以擋圈的兩個小孔中的一個為固定點，另外一個小孔向固定的小孔分別位移0.5 mm、1 mm、1.5 mm、2 mm、2.5 mm、3 mm作為邊界條件，計算不同變形狀態下的彈性擋圈純彈性變形時的應力分布[2]，具體應力分布圖如圖2～圖7所示。

圖2 形變量為0.5 mm下，擋圈的應力分布

圖3 形變量為1.0 mm下，擋圈的應力分布

圖4 形變量為1.5 mm下，擋圈的應力分布

圖5 形變量為2.0 mm下，擋圈的應力分布

圖6 形變量為2.5 mm下，擋圈的應力分布

圖7 形變量為3.0 mm下，擋圈的應力分布

從不同變形量的應力分布圖可以看出，65Mn彈性擋圈彈性測試時應力主要集中在三個區域，變形量不斷增大，彈性擋圈受到的最大應力也不斷增大，不同變形量下彈性擋圈受到的最大應力如表2所示。

表2 不同形變量下，20 mm彈性擋圈承受的最大應力

從65Mn彈性擋圈的應力仿真結果可以看出，在測試彈性的過程中給的變形量不同，擋圈所承受的應力差異巨大。從裝配過程來看，在測試65Mn彈性擋圈彈性時，20 mm擋圈變形量最小也會大于3 mm，此時擋圈所承受的應力值已經遠超過其強度極限，擋圈在應力集中處斷裂應屬過載過大斷裂。從4個斷裂擋圈的斷裂位置圖也可以看到，擋圈的斷裂位置均為應力集中的三個區域。同樣的測試過程還有7個擋圈未斷裂，從硬度測試結果看，未斷裂擋圈硬度稍低，對應其屈強比會有所降低，表現為有一定的塑性變形能力。因此在進行彈性能測試施加應力的過程中，應力首先超過其屈服強度，造成擋圈發生一定量的塑性變形，塑性變形會引起變形區域的局部強化且會引起應力的自適應調整，而計算與仿真是無法仿真出材料發生塑性變形后的應力大小與分布的。硬度較高的擋圈更容易斷裂，是由于其屈強比高，當其所承受的應力稍微超過其屈服應力時，此應力也非常接近其所承受的最大應力，由于微觀結構上的差異，如點缺陷、線缺陷、面缺陷，而產生裂紋，在巨大應力作用下，裂紋迅速擴張，造成斷裂失效。

從靜態力學仿真結果與65Mn材料的力學性能看，20 mm規格的65Mn彈性擋圈最大變形量不超過1.5 mm。如果超過此變形量，僅從彈性變形計算來看，擋圈承受的應力會超過其強度極限而斷裂失效。

據此可以判斷，65Mn彈性擋圈在測試過程中出現斷裂的主要原因有：材料硬度過高，造成屈強比高，導致材料基本沒有塑性變形能力，在施加載荷過程中，無法通過塑性變形自適應調整自身應力分布，造成局部應力過載而發生斷裂。

2 65Mn彈性擋圈熱處理工藝優化

針對65Mn彈性擋圈硬度過大的問題，本文采用熱處理方法對該材料進行調質。加工65Mn彈性擋圈往往采用淬火+回火熱處理工藝：840 ℃/10 min→油焠→340 ℃/(1～2)h。回火熱處理過程中由于溫度較低，箱式熱處理爐在加熱過程中僅依靠爐底與爐膛內空氣進行熱量傳導，速度較慢。而65Mn彈性擋圈又直接堆積在爐膛內，因此會造成有效加熱時間長短不一[3]，回火保溫時間對65Mn彈性擋圈的硬度和彈性有著直接影響，影響關系如圖8所示。

圖8 65Mn擋圈回火保溫時間和硬度的關系曲線

高溫淬火后，65Mn擋圈的硬度為62 HRC。回火30 min后，硬度降為57 HRC，隨著回火溫度時間的延長，65Mn的硬度也不斷下降。但是當回火溫度延長至120 min后，硬度降低至45 HRC，繼續延長回火時間，硬度變化趨于水平。考慮到工件加熱時為堆放狀態，因此65Mn彈性擋圈的熱處理工藝修改為：(840 ℃±10 ℃)/(10～30)min+油淬+(340 ℃±10 ℃)/(180±10)min，硬度為44 HRC～50 HRC。

對比新舊工藝處理后的65Mn彈性擋圈的金相圖譜如圖9所示。

圖9 新舊工藝處理的65Mn彈性擋圈金相圖

原有工藝處理后的部分65Mn彈性擋圈金相以回火馬氏體為主，表面部分區域存在微裂紋，說明原工藝回火效果不佳，淬火應力與相變應力未完全去除。優化工藝處理后的65Mn彈性擋圈金相表面存在黑色碳析出物，金相由馬氏體轉變為回火屈氏體，應力去除效果較好，證明優化后的工藝有效。

3 結 語

65Mn彈性擋圈材料硬度過高，造成屈強比高，導致材料基本沒有塑性變形能力。在施加載荷過程中，無法通過塑性變形自適應調整自身應力分布，造成局部應力過載而發生斷裂。通過優化熱處理工藝，延長回火保溫時間，可以將彈性擋圈的金相轉變為回火屈氏體，有效降低材料硬度，提升材料韌性，減少裝配工作中65Mn彈性擋圈的脆斷問題。