65Mn弹簧垫圈断裂分析

张跃飞，陈 林，刘艳稳

(1.中国人民解放军驻一六二厂军事代表室，贵州安顺561018;2.中航工业贵州贵航飞机设计研究所，贵州安顺561018)

0 引言

65Mn钢强度高、淬透性好、脱碳倾向小、价格低廉、切削加工性好;但该钢有过热敏感性，易产生淬火裂纹，并有回火脆性。65Mn钢用途较广，主要生产成钢丝、钢带，用于制造各种截面较小的扁弹簧、圆弹簧、板簧和弹簧片等［1］。

某型产品正极触片组件选用了GB/T 859—1987 4发蓝状态的弹簧垫圈。为了提高导电性、导热性、抗氧化性并保持接触电阻稳定，入厂后将该弹簧垫圈由发蓝状态改制为镀银状态。在现场进行产品装配时，该型弹簧垫圈在螺钉未拧到位的情况下出现裂纹或断裂，失效弹簧垫圈均为同一改制批次。改制工艺流程为:退膜(弱浸蚀:硫酸)→电解除油(阳极)→光亮腐蚀(出光:铬酐、硫酸)→镀铜→镀银→浸亮(氨水)→钝化。弹簧垫圈虽小，一旦发生问题就会使紧固件防松失效，导致整个产品不能正常工作，将会给产品制造和使用造成严重影响［2］。

1 试验过程与结果

1.1 宏观观察

弹簧垫圈的宏观形貌如图1～图3所示。裂纹沿垫圈径向，裂纹在内侧张开较大，裂纹起源于内侧，裂纹附近无塑性变形。断口呈金属光泽，断面干净。在体视显微镜下观察，整个断面呈细粒状，断口上可观察到均匀分布的小刻面;断口未见夹杂、疏松等冶金缺陷。

1.2 微观观察

采用扫描电镜对弹簧垫圈断口进行微观观察发现:断口呈冰糖状特征，为沿晶断裂(图4);有二次裂纹产生，裂纹源不明显;断口晶面平坦，无腐蚀产物;可见白亮的、不规则的细亮条，并存在鸡爪痕和气泡特征(图5);断口呈典型的脆性断裂特征(图6)。

图1 裂纹位置Fig.1 Crack position

图2 裂纹宏观形貌Fig.2 Crack appearance

图3 断口宏观形貌Fig.3 Appearance of fracture surface

1.3 化学成分分析

对断裂弹簧垫圈进行了化学成分检测，弹簧垫圈的主要元素含量均符合相关技术要求。

1.4 金相检验

在靠近断口位置截取金相试样，采用金相显微镜对试样进行显微组织观察，夹杂物符合要求。经4%(质量分数)硝酸酒精腐蚀后，显微组织为正常的马氏体+残余奥氏体(图7)。

图4 沿晶断裂形貌特征Fig.4 Morphology of intergranular fracture

图5 鸡爪痕形貌特征Fig.5 Morphology of crow foot feature

图6 气泡形貌特征Fig.6 Morphology of the bubble

图7 显微组织形貌特征Fig.7 Microstructure

1.5 氢含量测定

在同一改制批中选取未裂(A组)和断裂(B组)的弹簧垫圈若干件，采用测氢仪进行氢含量测定，结果见表1。

表1 氢含量测定结果Table 1 Results of the hydrogen content testing

2 分析与讨论

2.1 断裂性质分析

综合各种试验结果:宏观上弹簧垫圈裂纹沿垫圈径向，裂纹附近无塑性变形;断口呈金属光泽，断面干净;整个断面呈细粒状，断口上均匀分布有小刻面;断口未见夹杂、疏松等冶金缺陷。微观上裂纹源不明显，断口呈冰糖状特征，为沿晶断裂;有二次裂纹产生，裂纹源不明显;断口晶面平坦，无腐蚀产物;可见白亮的、不规则的细亮条，并存在鸡爪痕和气泡特征;断口呈典型的脆性断裂特征。通过分析化学成分和金相组织，可知弹簧垫圈的材质符合相关标准要求，但是氢含量明显偏高;因此，该弹簧垫圈断裂性质为氢脆断裂。

2.2 H来源分析

从弹簧垫圈的工艺流程中可以看出，弹簧垫圈中的H来源于以下2个环节:

一是弹簧垫圈电镀前处理的酸洗环节，即退膜和光亮腐蚀。在酸洗过程中，不仅零件表层的油污、附着物、氧化物与酸发生化学反应，而且部分基体还会和酸发生置换反应，此时产生的H会大量扩散渗入金属基体［3］;因此，镀层及零件中将富含H，而酸洗槽液的成分、酸洗温度、酸洗时间以及合金成分等都会影响H的含量。

二是弹簧垫圈的镀铜、镀银环节。电镀是一种电化学过程，同时也是一种氧化还原过程，将被镀零件浸在金属盐的溶液中作为阴极，镀覆金属作为阳极，在零件表面就会沉积出金属镀层。以镀铜为例，在金属Cu的阳极板上，金属Cu失去电子，发生变成Cu2+的氧化反应:Cu→Cu2++2e，金属Cu的阳极板在某种条件下出现钝态，将发生以下副反应:4OH－→2H2O+O2+4e;在阴极Cu2+获得电子，发生变成金属Cu的还原反应:Cu2++2e→Cu，同时，阴极上还发生H+还原为H的副反应:2H++2e→H2。由上述反应式可以看出:阴极表面沉积金属镀层的同时，常伴随着析氢反应的发生［4］。

虽然弹簧垫圈在电镀后都要进行除氢处理，但如果除氢工艺有偏差，使得电镀后除氢不彻底，会造成弹簧垫圈氢含量高而导致氢脆断裂。经对弹簧垫圈生产过程记录进行调查，发现该批弹簧垫圈在电镀后搁置约20 h，未能及时除氢;且除氢时间仅为2 h，低于标准规定的4 h。

2.3 断裂原因分析

从微观角度看，H原子具有最小的原子半径，即RH=0.053 nm，所以非常容易进入金属基体的内部晶格，在外部应力的作用下，金属基体将发生位错，导致H通过在金属中的扩散实现向三向应力集中区域富集，并由H原子变为H分子，在H富集的部位将产生巨大的体积膨胀效应，这种在晶粒边界或位错塞积处的膨胀效应导致了裂纹的形成。裂纹扩展的速率因材料种类和H浓度而不尽相同，最终在一定应力的协同作用下，发生氢脆断裂［5］。

一般钢中含氢量在(5～10)×10－6就会产生氢脆裂纹［6］，而失效弹簧垫圈中的氢含量平均值为25.6 ×10－6，明显偏高;另外，65Mn 弹簧垫圈强度高，对氢的敏感性较高，因此，装配弹簧垫圈后，基体中的H在装配应力的作用下发生H的聚集，最终形成氢脆断裂［7］。

3 改进措施

根据 HB/Z 5074—1993电镀银工艺和 HB 5335—1994金属镀覆和化学镀覆工艺质量控制规定，结合弹簧垫圈的材料特性，零件镀银后除氢的时间间隔不得超过4 h，除氢处理温度为(190±10)℃，除氢时间4 h，并且镀前处理严禁强酸腐蚀和阴极除油。

根据改进后的工艺重新改制了一批弹簧垫圈，按照GB/T 859—1987轻型弹簧垫圈的规定，分别进行了弹性试验、韧性试验、硬度检测、抗氢脆试验，各项试验均合格，且在实际装配过程中及在装配24 h后检查，未发生断裂现象，证明改进措施有效。

4 结论

1)通过对弹簧垫圈进行金相检验和化学成分分析，发现其组织正常、元素含量符合标准要求;通过对弹簧垫圈进行宏观、微观观察，并结合氢含量的测定结果，判断弹簧垫圈断裂性质为氢脆断裂。

2)通过分析弹簧垫圈的工艺流程，判断弹簧垫圈断裂是由于电镀前的不当酸洗和电镀后除氢不及时、不彻底所致。

3)根据改进工艺流程后加工的弹簧垫圈通过了标准要求的各项试验，说明弹簧垫圈断裂的性质和原因分析正确，改进措施有效。

［1］《中国航空材料手册》编辑委员会.中国航空材料手册:第1卷［M］.北京:中国标准出版社，2002:350.

［2］郭伟.多途径预防65Mn弹簧垫圈氢脆问题［J］.航天标准化，2006，3:41 －43.

［3］刘复荣，代利强，孙兵，等.65Mn弹性连接片断裂分析［J］.柴油机设计与制造，2007，15(4):44 －46.

［4］李金桂.电镀氢脆故障及应对措施［J］.材料保护，2006，39(8):51－53.

［5］王斌.某导弹位标器用弹簧垫圈失效分析［J］.理化检验:物理分册，2005，41(7):361 －362.

［6］胡晓辉.3Cr13钢弹簧片断裂分析［J］.理化检验:物理分册，2005，41(10):515 －517.

［7］余志刚.0SiMn2MoVA钢氢脆断口的分析及消除［J］.理化检验:物理分册，2003，39(7):337 －338.