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60Si2CrVA弹簧钢、弹簧圆钢棒失效开裂的原因与热处理预防措施
作者:上海聚晋实业有限公司     点击:2482     发布时间:2011-09-08

60Si2CrVA合金弹簧钢具有优良的弹性力学性能,因此在很多弹簧产品中得到了应用。然而60Si2CrVA弹簧钢在实际使用过程中经常出现早期失效断裂的现象。一些研究人员认为内部缺陷是造成早期失效的主要原因,主要包括由材料的石墨化、异常组织、非金属夹杂物等原因引起的失效。此外,材料表面的缺陷,如表面脱碳和表面的凹坑、划痕等缺陷也可导致弹簧的失效。也有一些研究人员研究了热处理对60Si2CrVA弹簧钢组织和力学性能的影响规律,认为热处理工艺对弹簧钢组织和力学性能影响较大,并通过大量试验得出60Si2CrVA弹簧钢的抗拉强度在890~910℃之间随淬火温度的升高而增大,在910~930℃之间随淬火温度的升高而减小,而在400~440℃回火时抗拉强度随回火温度的升高而降低。一些国外学者对弹簧失效也作了大量研究,认为弹簧的应力分布、材料性能及制造工艺对弹簧失效影响较大。为解决弹簧断裂失效的问题,本文结合某电梯中圆柱弹簧典型产品在实际生产企业中的工艺过程和失效断口的典型形貌,运用原子吸收光谱、断口电镜扫描、金相检验等方法,综合分析了60Si2CrVA圆柱弹簧失效断裂的原因,并提出解决问题的有效方案。1、表面缺陷60Si2CrVA弹簧圆柱钢的加工过程须经过轧制、拉拔等一系列冷热加工程序,其表面不可避免地会生各种缺陷。通过对失效弹簧断口的观察,发现弹簧表面存在不同程度的划痕及凹坑等缺陷,这些缺陷在弹簧加载后会产生应力集中和微裂纹源。拉拔时由于模具的孔不光洁或润滑不足而产生的纵向长条划伤(而划痕深度不得超过 材料规定的公差范围),这些划痕很有可能导致弹簧在工程实践中的断裂失效。材料因锈蚀而产生的麻点或凹坑缺陷,具有一定深度,是产生早期断裂失效的缺陷之一。因此,材料绕制弹簧前必须进行表面光整加工,消除表面的麻点和凹坑等缺陷,才能保证弹簧加载后的力学性能。2、原材料的化学成分原材料的化学成分是保证弹簧力学性能的根本,也是制定热处理工艺的依据,因此化学成分的检测是材料进入加工阶段的重要环节。以下为60Si2CrVA弹簧钢原材料的化学成分分析数据,与钢的GB1222-84中数据对比后发现,材料中的Si元素含量明显超出国家标准。试样的60Si2CrVA弹簧钢的化学成分:C:0.56       Si:3.01       Mn:0.51      Cu:0.95       P:0.008       S:0.005GB1222-84数据:C:0.56~0.64  Si:1.40~1.80   Mn:0.40~0.70  Cu:0.90~1.20   P:0.030   S:0.030在中高碳弹簧钢中都含有一定量的硅。硅对提高弹簧钢的强度、抗弹性减退等性能有着重要作用。但其也有不利的一面,因为硅是非碳化物形成元素,含3%Si的FeC合金的自由能比无硅钢高3倍,从而大大提高了渗碳体的不稳定性,促进石墨的析出,所以高硅弹簧钢的石墨化倾向比较大。就石墨本身而言,本质上属于一种夹杂物,它可破坏金属基体的连续性,降低固熔体中的碳含量,对钢材的疲劳和强度等性能都有不良的影响。因此,建议生产企业在钢材的采购时必须做好检验工作。当弹簧承受载荷后,缺陷处产生应力集中,随着交变应力的作用,微细裂纹将扩展为宏观大裂纹,直至发生断裂失效。3、热处理工艺60Si2CrVA弹簧一般采用的热处理工艺为860℃淬火,油冷,后在390℃回火,水冷。失效断口的典型金相组织经过金相检验发现组织中有残余奥氏体存在,这是由于淬火时冷却速度过快或热处理操作未严格按照工艺进行而造成。60Si2CrVA弹簧在淬火后须进行回火,其目的是降低脆性,提高韧性,稳定组织。但是回火过程中其韧度并不是单调上升的,而是在200~350℃和450~650℃之间出现两个低谷,若在这两个温度范围进行回火,则其冲击韧度不但不会升高,反而显著下降,这一现象称为钢的回火脆性。因此,在制定热处理工艺时应该防止回火脆性的产生,避开该温度区间。由于Mn,Cr,Ni元素能够促进钢材料的脆性产生,而Mo ,Ti,V,Al等元素则可改善脆性,Si元素可以有效地推迟脆性温度区,所以一般在390℃回火时很容易产生回火脆性,导致弹簧发生早期的断裂失效现象,影响弹簧的使用寿命。虽然合金钢有回火脆性现象,但只要采取一定的方法是可以减轻或消除的。合金钢在较高温度下回火,能够获得较好的韧塑性。根据60Si2CrVA弹簧钢的热处理规范,可采取在410~430℃之间进行回火,并延长保温时间。4、结论1)结合工程实践以及典型失效断口的测试分析,可以知道造成60Si2CrVA弹簧失效的主要原因有原材料的表面质量、化学成分、组织结构中的缩孔、缩松等缺陷以及热处理工艺。2)弹簧钢原材料的表面划痕和凹坑可以通过光整加工消除应力集中;化学成分的调节、组织中的缩孔、缩松和裂纹等结构缺陷与钢铁企业的生产工艺紧密相关,可以对比同类产品的成分含量,择优采购;热处理时可在较高温度下回火,适当延长保温时间,以获得较好的韧塑性,避免回火脆性的产生。
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