摘 要:某設備在維護過程中發現設備內的彈性圓柱銷開裂失效,通過宏觀觀察、化學成分分 析、硬度測試、金相檢驗、斷口分析、氫質量分數測定等方法對彈性圓柱銷的失效原因進行了分析. 結果表明:彈性圓柱銷在退鍍工序后沒有進行相應的除氫工序,氫滲入了圓柱銷內部,導致該彈性 圓柱銷發生氫脆失效.
關鍵詞:６５Mn彈簧鋼;彈性圓柱銷;退鍍;失效;氫脆
中圖分類號:TG１１５．２ 文獻標志碼:B 文章編號:１００１Ｇ４０１２(２０２０)０２Ｇ００５８Ｇ０３
６５Mn彈簧鋼強度高、淬透性好、脫碳傾向小、 切削加工性好且價格低廉,常用來加工成各種小規 格彈性件[１].６５Mn彈簧鋼耐蝕性差,常在其加工 成的零件表面進行電鍍鎘處理,然而在電鍍、酸洗及 放氫型腐蝕環境中均會產生氫,使電鍍鎘技術存在 氫脆的隱患[２Ｇ３].氫脆往往導致材料延遲性的脆性 破壞,不易被發現,且一般為批次性問題,危害較大, 在生產和使用過程中需引起足夠重視.
某設備在維護過程中發現設備內的６５Mn彈 簧鋼彈性圓 柱 銷 開 裂 失 效,該 彈 性 圓 柱 銷 的 工 藝 流程為:落料 → 成 型 → 熱 處 理 → 探 傷 → 表 面 電 鍍 鎘→檢驗.筆者對失效的彈性圓柱銷進行了相關 檢驗和分析,找出了失效圓柱銷的開裂原因,并提 出了相應的解決措施.
１ 理化檢驗
１．１ 宏觀觀察
通過體 視 顯 微 鏡 對 失 效 圓 柱 銷 進 行 觀 察,如 圖１所示.可見失效圓柱銷的裂紋位于圓柱銷開口 正對面,沿彈性圓柱銷軸向分布,裂紋呈連續而曲折 的鋸齒狀,未見分叉.圖１中上、下兩件為未開裂的 彈性圓柱銷.
１．２ 化學成分分析
在失效圓柱銷上取樣進行化學成分分析,分析 結果見表１.結果表明失效圓柱銷的化學成分符合 GB/T３２７９－２００９«彈簧鋼熱軋鋼板»對６５Mn彈簧 鋼的成分要求.
１．３ 硬度測試
在失效圓柱銷上取樣進行顯微維氏硬度測試, 測得 硬 度 為 ５２３ HV０．５,工 藝 要 求 為 ４２０~ ５６０HV０．５,可見失效圓柱銷的硬度滿足工藝要求.
１．４ 金相檢驗
在失效圓柱銷上取樣進行金相檢驗,如圖２所 示,可見其顯微組織主要為回火馬氏體,未見條帶狀 組織和脫碳現象.
１．５ 斷口分析
失效圓柱 銷 的 外 表 面 已 裂 開,內 表 面 尚 有 連 接,將內 表 面 連 接 處 人 為 打 開,通 過 FEIQuanta ６５０型 掃 描 電 鏡 (SEM)對 斷 口 進 行 觀 察. 斷 口 SEM 形貌如圖３所示,可見裂紋起源于彈性圓柱 銷外側亞 表 面,向 內 擴 展.擴 展 區 占 整 個 斷 口 的絕大部分,呈現沿晶的脆性斷裂形貌,內表面連接 區域占整個斷口的比例很小,為人為撕裂的斷口. 整個斷口表 面 未 見 明 顯 的 塑 性 變 形,未 見 明 顯 的 冶金缺陷.
將裂紋源區進一步放大觀察,如圖４所示,可 見裂紋源 區 斷 面 干 凈,未 見 腐 蝕 產 物.斷 口 裂 紋 擴展區 SEM 形貌如圖５所示,可見斷口裂紋擴展 區呈沿晶分離狀,晶粒輪廓鮮明,晶面上可觀察到 變形線,為 典 型 的 氫 脆 微 觀 斷 口.最 后 人 為 打 開 斷口,如圖６所示,可觀察到細小的韌窩和斷裂的 鍍鎘層.
１．６ 氫質量分數測定
通過 ONH２０００型氧氮氫氣體分析儀對３件失 效圓柱銷進行氫質量分數測定,氫質量分數分別為 ０．０００４１％,０．０００５５％,０．０００８６％.
２ 分析與討論
失效 圓 柱 銷 的 化 學 成 分 滿 足 GB/T ３２７９－ ２００９要求,斷面未見明顯的塑性變形及冶金缺陷, 初步排除過載斷裂和原材料缺陷產生裂紋的可能. 失效圓柱銷的裂紋位于圓柱銷開口正對面,沿彈性 圓柱銷軸向分布.有文獻指出,帶狀組織對彈性圓 柱銷的性能影響很大,主要表現為各向異性,造成彈 性圓柱銷徑向開裂[４].但失效圓柱銷顯微組織為回 火馬氏體,未見帶狀組織,可排除帶狀組織造成彈性 圓柱銷開裂的可能.失效圓柱銷的顯微組織未見脫 碳,排除脫碳導致圓柱銷強度不足而開裂的可能.
失效圓柱銷裂紋呈連續而曲折的鋸齒狀,未見 分叉,這是氫脆裂紋的典型形貌.裂紋起源于圓柱 銷外側亞表面,整個斷面干凈,未見腐蝕產物.裂紋 擴展區占整個斷口的絕大部分,微觀斷口呈冰糖狀 沿晶分離,晶粒輪廓鮮明,晶面上可觀察到變形線, 為典型的氫脆斷口微觀形貌.
氫質 量 分 數 測 定 試 驗 發 現 失 效 圓 柱 銷 含 有 ０．０００４１％~０．０００８６％的氫.一 般 鋼 中 氫 質 量 分 數為０．０００５％~０．００１％時就會產生氫致裂紋[５],但 有文獻表明,氫脆敏感性隨鋼鐵材料強度的提高而 急劇增加[６].特別是當抗拉強度超過１０００MPa后 即使在氫質量分數較低的情況下材料也可能發生氫 脆斷裂.而失效圓柱銷的顯微維氏硬度換算成抗拉 強度后達到１７４９~１７８１ MPa,對于如此高強度的 鋼而言,即使是０．０００４１％的氫也完全可以造成氫 脆開裂.結合裂紋宏觀形貌、斷口微觀形貌、硬度、 金相及 氫 質 量 分 數 判 斷 失 效 圓 柱 銷 發 生 了 氫 脆 開裂.
發生氫脆通常需要兩個必要條件,一是必須有 氫的發生源,二是對象金屬需對氫敏感[７Ｇ８].調查發 現,因該批彈性圓柱銷出廠檢驗時硬度偏低,故生產 廠家對該批圓柱銷增加了一次熱處理.熱處理前需 先用稀鹽酸退掉圓柱銷表面發藍層,然后退火→淬 火→回火.熱處理前退鍍后廠家沒有增加相應的除 氫工序,未及時除氫,導致氫滲入圓柱銷,這便是氫 的來源.失效圓柱銷的材料為６５ Mn彈簧鋼,該材 料的強度很高,為氫脆敏感材料.本次失效滿足氫 脆發生的兩個必要條件,在裝配拉應力的作用下該 圓柱銷產生了徑向氫脆開裂.
３ 結論及建議
失效圓柱銷在退鍍工序后沒有進行相應的除氫 工序,氫滲入了圓柱銷內部,導致該彈性圓柱銷發生 氫脆失效.
建議后續生產中,在退鍍及其他產生析氫反應 的工序后增加除氫工序,以及時除去材料中的氫,避 免氫脆的產生.
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