座椅调角器盘簧断裂原因分析

2019-09-19周爱兵李云霞

装备制造技术 2019年7期

周爱兵，李云霞

（柳州五菱汽车工业有限公司山东分公司，山东青岛266555）

某公司送检了一件左前座椅调角器盘簧，该盘簧是在座椅下线检查时发现调角器失效，进而发现盘簧断裂的。据了解，该零件在前期装配过程中也出现过类似质量问题，但数量较少，近期发生多起盘簧断裂事件，故障率超过5%，故委托我实验室进行故障原因分析。笔者通过对断裂盘簧进行的一系列理化检验，分析了其断裂的原因。

1 理化检验

1.1 宏观检验

图1为失效的盘簧，断裂及测试位置如标注位置所指，图2为断口宏观图。从断裂面看，断面起伏较大，整体呈浅灰色，在断面的右下角有一细小黑色圆点，颜色明显较其它区域深，推测此处为裂纹源，此处先裂开，在空气中氧化后颜色发生改变。裂纹沿着红色箭头所指的方向扩展，最后断裂于裂纹源对面的方向。裂纹面整体比较平滑，在终断区可见明显的剪切唇。剪切唇断口光滑，与主应力方向呈45°角，外表面有毛边特征，剪切唇的对面为裂源[1]。通过剪切唇法，进一步锁定了裂纹源的位置。

图1 失效的调角器盘簧

图2 盘簧断口宏观形貌

据了解，盘簧的生产工艺为：拉拔→压扁→800℃油淬→500℃回火→调直→高频局部加热→内端折弯→绕簧→外端折弯→剪断→290℃定型回火→表面处理。

1.2 化学成分分析

在盘簧上截取试样，利用斯派克MAXx06-F型台式直读光谱仪进行基体材料的化学成分分析，结果见表1。材料符合GB/T1222-2007对65Mn弹簧钢的要求。

表1 调角器盘簧的化学成分（质量分数）

1.3 硬度测试

在盘簧上截取试样，使用HBRV-187.5型电动布洛维硬度计对其进行硬度测试，测试结果为42.0～43.5 HRC，图纸要求硬度为42～45HRC，符合图纸要求。用DHV-1000Z型数显显微硬度计在断口及附近测试，结果为410～425 HV1，依据 GB/T 1172-1999相当于洛氏硬度42.5～43.5 HRC，也符合图纸工艺要求。

1.4 力学测试

用厂家提供的故障件同批次拉伸试样，在AI-7000LA5型伺服控制电脑系统拉力试验机进行拉伸试验，结果符合GB/T1222-2007对65Mn弹簧钢的力学性能要求。结果见表2。

表2 力学性能测试结果

1.5 金相检验

在垂直于断口的截面上进行金相取样，经磨平、抛光，置于GX40-DS金相显微镜下观察非金属夹杂物情况，主要夹杂物为硅酸盐类和球状氧化物，依据GB/T10561-2005，非金属夹杂物级别评级为C0.5D0.5。夹杂物比较少，说明钢的纯净度比较高，夹杂物不是引起断裂的原因。如图3所示。

图3 断口附近非金属夹杂物

磨抛后，在断口的外侧附近发现多条裂纹。裂纹长度短，开口较大，比较符合受外力弯曲所产生的裂纹形态，最长的一条裂纹为0.26 mm×0.07 mm。如图4所示。

图4 裂纹源附近的裂纹

用体积分数4%的硝酸酒精溶液对试样进行浸蚀，在金相显微镜下观察，裂纹源及附近裂纹两侧未见明显脱碳现象，断口附近以及远离断口区域的金相组织为正常的回火索氏体组织加少量铁素体，根据GB/T13320-2007可评回火索氏体3级。裂纹两侧未见明显脱碳，表明裂纹是在高频局部加热后的工艺中或使用中产生的（如图5、图6所示）。

图5 断口及附近裂纹组织

图6 金相组织

1.6 断口分析

利用JCM-600Plus台式扫描电子显微镜对断口进行观察，高倍下，明显可见裂纹源有黑色氧化腐蚀产物和一些晶体状物质。说明此处最先开裂，在空气中氧化，呈现不同于其它地方的黑色（如图7、图8所示）。

图7 断裂源形貌图

图8 断裂源形貌图

扩展区的微观特征为准解理和韧窝（如图9、10所示）。终断区的微观特征为拉长韧窝（如图11、12所示）。可见，样品的失效模式为韧脆混合断裂。

图9 断口扩展区形貌图

图10 断口扩展区形貌图

图11 终断区形貌图

图12 终断区形貌图

利用JCM-600Plus台式扫描电子显微镜+能谱仪对断口进行能谱（EDS）半定量分析，裂纹源分析位置及EDS谱见图13、14，成份分析结果见表3、表4。从表3、表4可见，除盘簧的基体元素外，检测到了高含量的氧元素、锌元素、磷元素、氯元素；同时作为对比，对盘簧的终断区也进行了能谱的半定量分析，分析位置及EDS谱见图15，成份分析结果见表5，结果显示除了基体元素外，氧元素和碳元素比较高，其它元素都在正常范围内。两区域最大的区别在于裂纹源区存在高含量的氯元素、磷元素。根据委托方提供的加工工艺，推断氯元素、磷元素是在磷化处理时进入裂纹的，即裂纹产生于酸洗磷化处理之前。氧元素含量高进步一辅证了此处是断裂源。

图13 断裂源形貌图及能谱分析-1

图14 断裂源形貌图及能谱分析-2

表3 位置1-EDS分析结果

表4 位置2-EDS分析结果

图15 终断区形貌图及能谱分析-3

表5 位置3-EDS分析结果

2 分析与讨论

（1）上述试验结果表明，断裂盘簧的化学成分符合GB/T1222-2007对65Mn弹簧钢的要求；通过对此盘簧同批次原材料进行力学性能试验，也符合GB/T1222-2007对弹簧钢的力学性能要求。断口及远离断口区域的显微组织为回火索氏体3级，符合GB/T13320-2007的要求。非金属夹杂物也在正常范围之内。说明原材料是合格的。

（2）通过宏观和微观检查，断裂起始于盘簧的外圆弧与端面的交界位置，然后向对侧快速扩展至断裂。断口的断裂源在样品表面，断裂源有氧化现象，且存在氯元素、磷元素。样件表面存在多条横向裂纹，裂纹长度短，开口较大，金相组织正常；断口的断裂形式为韧脆混合断裂。

（3）产生该样件失效的原因可能为：产品在加工过程中，在样品表面产生了细小裂纹，形成了裂纹源，降低了材料强度，导致了断裂的产生。单从裂纹的产生途径来说，方式有多种：一是材料本身不合格，上述理化检验过程已经排除；二是热处理过程中产生淬火裂纹，如果是淬火裂纹，那么零件极有可能会存在过热现象，组织会比较粗大。经检，盘簧的组织是回火索氏体三级，符合技术要求，且裂纹的形态不符合淬火裂纹曲折刚直，尾部尖锐的形态[2]，排除此种原因；三是产品在成型加工过程中，材料产生了破坏；四是使用过程中受力产生了裂纹，如果是使用中产生的原始裂纹，裂纹源处不会快速形成黑色氧化物。根据断裂源处存在氯元素、磷元素，而扩展区没有，推断氯元素、磷元素是在磷化处理时进入裂纹的，即裂纹产生于酸洗磷化处理之前。那么断裂原因锁定在盘簧折弯/绕簧的过程中。