彈簧鋼矯直時斷裂的分析*

□ 吉 頌

馬鞍山鋼鐵股份有限公司 安徽馬鞍山 243003

1 彈簧鋼概述

油淬火回火彈簧鋼通常用于制造各種高應力彈簧,其中,大規(guī)格油淬回火彈簧鋼主要用于制作乘用車懸架簧等。原材料彈簧鋼盤條加工彈簧時,通常采用熱繞簧方式,深加工流程為熱軋盤條,矯直,定徑,剝皮,探傷,鋸切,熱卷簧,油淬火回火熱處理,噴丸,熱強壓,整型。彈簧是安全零部件,性能和表面質(zhì)量的要求都較高,表面不得有裂紋、擦傷等缺陷。某深加工企業(yè)在進行彈簧鋼熱軋盤條到棒材的矯直加工時,發(fā)生斷裂現(xiàn)象。筆者對斷裂原因進行分析,并進行相應改進。

2 宏觀斷口形貌分析

該企業(yè)加工彈簧鋼剝皮材,具體工藝流程為熱軋盤條上料,開卷,矯直,定徑,拉料,剝皮,探傷,鋸切,成品檢驗,打捆,稱重,入庫。斷裂發(fā)生在矯直過程中,鋼種為54SiCrV6。彈簧鋼斷裂部位的斷口形貌如圖1所示,斷口形態(tài)較為一致,紅圈位置為裂紋起源處,均為表面起裂,之后裂紋擴展,直至失穩(wěn)斷裂。此外,斷裂樣表面發(fā)現(xiàn)擦傷及變形。

圖1 斷裂部位斷口形貌

3 掃描電鏡斷口分析

對彈簧鋼斷口進行掃描電鏡分析,掃描電鏡下斷口形貌如圖2所示,可以清楚地看到裂紋源自表面,之后向內(nèi)部擴展。裂紋源區(qū)形貌如圖3所示,裂紋擴展區(qū)形貌如圖4所示。裂紋源區(qū)有許多微小空洞,也就是韌窩,應該是在矯直的扭轉(zhuǎn)過程中加載的應力不當,導致表面萌生微裂紋。隨著應力繼續(xù)增大,微裂紋直接互相連接,并逐漸擴大,形成裂紋擴展。裂紋擴展區(qū)呈輻射狀河流樣花紋,為準解理斷裂。在裂紋擴展區(qū)達到一定大小后,剩余界面上的實際載荷遠超材料的抗拉強度,發(fā)生失穩(wěn),裂紋迅速擴展,形成放射區(qū)和剪切唇,發(fā)生斷裂。裂紋源處未發(fā)現(xiàn)夾雜,可排除外來夾雜引起斷裂的可能性。

圖2 掃描電鏡下斷口形貌

圖3 裂紋源區(qū)形貌

圖4 裂紋擴展區(qū)形貌

4 材料組織及硬度分析

對斷口處的金相組織進行分析,確認組織為珠光體加少量鐵素體,未見其它異常組織。這一組織具有優(yōu)秀的綜合強塑性,尤其是塑韌性較好,加工性能優(yōu)。無明顯脫碳層,說明并非脫碳引起表面硬度低導致斷裂。

在斷口的正下方取樣,按照GB/T 231.1—2018《金屬材料 布氏硬度試驗 第1部分:試驗方法》進行進行布氏硬度檢驗。布氏硬度(HBW)范圍為297～304,符合熱軋態(tài)布氏硬度(HBW)不高于321的要求,并且波動范圍小。裂紋起源區(qū)的硬度和其它區(qū)域的硬度一致,說明熱軋態(tài)盤條的組織及硬度分布均勻,證明材料組織性能并非是引起矯直斷裂的原因。

斷口布氏硬度(HBW)分布如圖5所示,陰影區(qū)為裂紋源位置。斷口金相組織如圖6所示。

圖5 斷口布氏硬度(HBW)分布

圖6 斷口金相組織

5 矯直操作優(yōu)化

通過對材料進行分析,確認并非是材料異常原因?qū)е鲁C直斷裂。斷裂樣發(fā)現(xiàn)表面擦傷及變形,說明矯直過程存在不當操作。因此,對矯直過程的操作步驟進行分析。線材到棒材矯直如圖7所示。第一步為調(diào)整線頭狀態(tài),使線頭呈微向下彎曲狀態(tài),拉回喂絲導向槽裝置,操作夾送輥輪正轉(zhuǎn),將線頭送出喂絲導槽。第二步為將矯直機操作模式設為手動,確定水平主動輪能正常轉(zhuǎn)動,打開水平主動輪。第三步為將矯直機操作模式設為自動,橫移裝置夾持線材橫移,將料頭送入預矯直機水平預矯直機輪中。第四步為設置夾送輥夾緊,施加壓力,進行矯直拉料及定徑。

圖7 線材到棒材矯直

夾送輥拉料裝置的壓力調(diào)整十分關(guān)鍵,設定范圍為70～110 bar(1 bar=100 kPa),具體設定值可以根據(jù)矯直情況進行調(diào)整。經(jīng)了解,由于操作人員考慮到彈簧鋼強度較高,為了保證矯直后的直線度,將夾送輥壓力設置為105 bar。根據(jù)矯直斷裂分析結(jié)果,對夾送輥壓力值進行下調(diào)優(yōu)化,當夾送輥壓力值為85 bar時,彈簧鋼線材矯直均未發(fā)生斷裂,并且矯直后的棒材直線度滿足技術(shù)要求。

6 分析結(jié)論

針對彈簧鋼在矯直時發(fā)生斷裂的問題進行分析,裂紋起源于表面,斷口未見明顯非金屬夾雜,說明并非冶金質(zhì)量問題帶來外來夾雜引起的斷裂。材料組織為珠光體加少量鐵素體,組織韌性高,適合矯直等深加工,并且表面無全脫碳,總脫碳符合標準要求,布氏硬度分布均勻,說明斷裂與材料組織及性能無關(guān)。

斷裂樣表面發(fā)現(xiàn)擦傷及變形,證明矯直過程存在不當操作。對矯直設備參數(shù)進行檢查,發(fā)現(xiàn)夾送輥壓力設定值偏大,發(fā)生擠壓變形,造成彈簧鋼矯直過程中局部應力過大。此外,在矯直過程中還存在扭轉(zhuǎn)力,在多種外力加載下,彈簧鋼發(fā)生斷裂。

7 結(jié)束語

彈簧鋼對性能和表面質(zhì)量的要求都較高,要求表面不得有裂紋、擦傷等缺陷。除了控制原材料熱軋盤條的內(nèi)部質(zhì)量和表面質(zhì)量外,在深加工時還要控制不可以產(chǎn)生表面擦傷和變形,注意設備參數(shù)的配適度。所分析彈簧鋼線材到棒材矯直斷裂就是由夾送輥壓力值過大而引起,通過下調(diào)至合適的壓力值,解決了這一矯直斷裂問題。