对某装甲车弹簧断裂问题的分析

2012-07-02李望伟谭佐富

兵器装备工程学报 2012年5期

李望伟，谭佐富

(驻重庆地区军代室，重庆 400050)

承制单位在装配某履带式装甲车阀件时，发现润滑系定压阀弹簧(以下简称053 弹簧)断裂3 件，如图1 所示。断裂位置基本在距离端面第一、二圈处，断口形态呈沿钢丝横截面45°方向，分2 个阶段断裂，断口肉眼可见光亮结晶状。宏观断口属于早期脆性断裂形貌。

图1 定压阀弹簧

1 原因分析

1.1 批次检查情况

根据记录，承制单位库存053 弹簧20 × ×年以前库存67 件，20 × ×年11月17月新加工入库30 件，20 × ×年2月23月新加工入库25 件。20 × ×年6月15月、8月31月、10月19月装配车间分别向物质部领取了2 件、14 件、51 件共计67 件053 弹簧进行装配，其中20 × ×年批产品28 台，20 × ×年批产品14 台。3月7月，在装配过程中053 弹簧出现断裂，装配车间立即对67 件053 弹簧装配后剩余件进行了隔离。装配车间领用日期在20 × ×年11月17月新加工入库之前，由此可判定，断裂的弹簧生产批次为× ×年以前库存的67 件，涉及的产品为20 × ×年批产品28 台，20 × ×年批产品14 台。

1.2 弹簧材料分析

将1 件断裂的弹簧及断裂批67 件中未断裂的2 件弹簧磨火花鉴别为60Si2MnA。053 弹簧，产品设计图纸规定材料采用65Si2MnA，材料标准为GB5218—85，硬度要求为42 ～49HRC。经对GB5218—85 以及GB1222 等材料标准的查阅，标准中均无此材料，该材料为非标准材料，且目前钢材市场上无法采购，GB5218—85 中接近牌号65Si2MnA 的材料只有60Si2MnA 和65Si2MnWA。以下将结合产品图纸要求，通过理论计算的方法，验证采用上述两种材料替代65Si2MnA制造053 弹簧的可行性。

参照标准GB1239 普通圆柱螺旋弹簧，结合产品的技术要求，053 弹簧的计算结果见表1。

表1 053 弹簧规定与计算结果

计算结果表明，采用60Si2MnA、65Si2MnWA 两种材料制造弹簧，弹簧刚度系数均相同，均能满足产品图要求的工作压力(工作压力小于最大弹性力)，且图纸规定的工作行程均在两种材料的弹性变形量最大变形范围以内，可以满足设计要求。由于60Si2MnA、65Si2MnWA 制造弹簧的不同之处仅在于65Si2MnWA 相对60Si2MnA 含碳量高0.05%、添加了微量W，热处理后的强度等级略有提高，但均属于中等强度的高碳低合金的弹簧钢。

1.3 弹簧制造流程分析

弹簧制造流程为:钢丝绕簧——热处理——吹砂——弹簧校型、压力试验——氧化——入库(带下划线工序为外协)。因此产生断裂原因在于原材料、弹簧绕制质量、热处理、氧化4 个环节之中。以下将从4 个环节的检测情况，进行分析。

1)原材料化学成分分析

成分分析如表2 所示。根据表2 可以看出，053 零件的化学成分在规定范围以内，材料符合标准GB5218《合金弹簧钢》中60Si2MnA 的有关规定［1-2］。

2)弹簧绕制质量

绕制质量如表3 所示。

表2 60Si2MnA 化学成分(%)理化分析结果

表3 弹簧绕制质量

通过对弹簧外形的实际检测，弹簧有效圈数、直径、自由高度、外径、负荷、外观等均符合产品图纸规定。

3)热处理质量分析

通过对断裂弹簧实物进行取样分析，053 弹簧硬度为1号:57.5 HRC;2 号:61.8 HRC，比零件规定的42 ～49HRC 硬度值上限，高出HRC8.5 ～12.8;金相为“回火马氏体”，按照规定的硬度值热处理后的组织应为“回火屈氏体”，因此，从热处理上分析可知，该零件热处理质量不合格。

4)氧化处理分析

经查证，弹簧氧化处理过程严格采用10% 的磷酸洗0.5 ～1 min除油活化预处理，以及碱液中130 ～140 ℃、30 min的氧化处理进行。因酸洗过程极短，且通过热碱液处理，因此排除该过程产生氢脆。

1.4 问题定位及机理分析

通过上述理论计算、检测、分析，结合弹簧服役条件及使用工况，可以排除是原材料选用、原材料成分、弹簧绕制质量、氧化等环节的制造因素。该弹簧断裂失效是由于热处理回火不当(温度过低)造成强度高、脆性大，失去弹簧的弹性变形功能，加之该弹簧为预压缩装配，且高强度钢对微缺陷敏感性高，易引起应力集中，综合因素造成的脆性断裂。

弹簧钢的热处理机理是:在弹簧绕制成型后淬火、420 ～520 ℃中温回火，获得回火屈氏体组织。回火温度的选择是弹簧钢功能发挥的主要因素之一，中温回火实现弹性参数与韧性参数的平衡，即既保证足够的弹性又保证一定的韧性。若回火温度低于300 ℃，虽然弹性参数提高，但由于未能消除淬火内应力和高碳马氏体本身的固有脆性，回火高碳马氏体表现出强度高、脆性大、韧性低，由于韧性太差，在偶然的撞击或应力集中，弹簧便会发生脆性断裂。

经查，60Si2MnA 淬火+450 ～470 ℃中温回火(也是工艺规定温度)后的硬度才能达到硬度42 ～49HRC，组织为回火屈氏体，具备弹簧功能。而实际断裂件硬度为1 号57. 5 HRC、2 号61.8 HRC，组织为回火马氏体，显然断裂批零件淬火充分，但回火温度偏低(低于300 ℃)，造成组织不当，强度高、脆性大。