65Mn钢弹簧片断裂故障分析及制造中的问题

贾庆雪，刘连生

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1 65Mn钢的特点

65Mn钢属于含锰量较高的碳钢，wMn约为1%，使钢的淬透性增加，可以进行油冷。wC为0.62%～0.70%，使钢具有高的强度和硬度，弹性好。但有回火脆性、冷作变形塑性差、焊接性也不好等缺点，尤其缺口敏感性较强。

2 典型的弹簧片断裂故障

2.1 故障现象

故障件Ⅰ：65Mn钢碟形摩擦弹簧片在冲床上作压缩循环机械稳定化处理中，受拉应力的中心孔边缘被撕裂。

故障件Ⅱ：减振弹簧片在装配中，应力集中的折角位置断裂。

2.2 原因分析

上述两种弹簧片多次发生过断裂，且数量很多。虽然将弹簧片的硬度降为40HRC，或特别强调消除回火脆性和除氢工艺，但都未能解决断裂问题。

弹簧片的名义厚度在0.25mm和0.30mm，都很薄。带料的供货为退火状态，经冲切、弯曲成形加工。由于65Mn钢的缺口敏感性比较高，冲切飞边或圆孔的不良倒角这些缺陷，在受拉应力时，极易诱发裂纹源而断裂。因此，加工缺陷应是弹簧片产生断裂的主要因素，属于机械加工不当所致。

2.3 解决方法

弹簧片边缘的飞边在弯曲成形前应打磨掉，保持边缘平整光滑。受拉应力的工作面，应为冲切边缘的R面，且不可为冲切飞边面。孔的边缘飞边用钻头在钻床上去除是错误的，不仅会形成“刀口”状，而且还是棱状（振动所致），应改用砂棒将孔的边缘打磨光滑。

3 设计要求

弹簧的硬度设计为44～52HRC。但是弹簧片属于小尺寸、薄的弹性元件，要求的弹性变形更多，工作应力更大。虽然工作原理一样，但是工作特点却有别于较大截面尺寸的弹簧件。65Mn钢弹簧片的硬度低于46HRC时（回火温度高），虽然韧性较高，但强度极限和弹性极限又太低，抗应力松弛性能显著降低，易变形失效。而高于51HRC（回火温度低），虽然强度极限和弹性极限都比较高，但韧性低，比较脆，缺口敏感性相应增加，疲劳极限往往也不高。因此，弹簧片硬度的正确设计值应在46～51HRC。此外，保证晶粒度大于7级是必要的。细晶粒有利于提高韧性和疲劳极限，同时避免产生粗大的马氏体组织，也可以减少缺口敏感性。

4 热处理工艺

65Mn钢弹簧片的热处理制度见表1。

表1 65Mn钢弹簧片的热处理制度

4.1 淬火工艺

原淬火工艺方法是将弹簧片埋入奥氏体不锈钢盒中的木炭粉进行保护。加热结束后，将盒子中的弹簧片与木炭粉一起倒入油中完成淬火冷却。但这种方法不环保，已经不再采用。目前采用氮气保护马弗炉加热和油冷，操作简单，淬火效果比较好。

65Mn钢的临界温度（近似值）：Ac1≈726℃；Ac3≈755℃；Ms≈270℃；Mf≈-55℃。弹簧片为获得细晶粒和减少残留奥氏体，淬火温度常采用810℃±10℃，晶粒度控制在7级以上。高于830℃易造成晶粒粗大，脆性增加。低于800℃又会有少量未溶解的铁素体，使抗微塑性变形能力降低。

淬火时，零件入油后首先在表面产生蒸气膜，然后蒸气膜转变为沸腾状态，进入快速冷却阶段。因此，将弹簧片绑成单串淬火比较好，但是效率低。如果将若干串捆成一束，又较长，由于弹簧片被大量蒸气泡包围，且蒸气泡向上运动，延迟了上端的冷却速度，会导致上端弹簧片淬火硬度偏低。因此，每一束的串数不能多，也不能太长。另一个是弹簧片可以两片叠在一起绑扎，多片叠在一起，片与片之间蒸气膜的作用会使冷却速度更慢。此外，将弹簧片包在钢丝网中淬火也是不可行的。

采用盐浴炉加热，应对盐槽进行脱氧处理。加热时间也不宜长，一般1min或1.5min，加热透即可，防止脱碳和腐蚀。且淬火后应立即用热水煮、然后清水漂洗，将零件表面残留的盐去除干净。

薄的弹簧片不宜采用真空淬火，主要是目前真空淬火转移速度比较慢，造成弹簧片温度散失，出现其他组织，淬火后的硬度低，一致性也差。

如果弹簧片经过硝盐浴310～350℃、保持15～20min的贝氏体等温淬火（淬火后仍需要油冷或水冷），硬度可以获得46～51HRC。与普通的淬火、回火比较，等温淬火可以获得更高的综合力学性能（强韧性），特别是钢的屈强比和弹性极限的提高尤为显著。同时淬火应力小，弹簧的畸变小，具有更高的疲劳寿命。

4.2 回火工艺

弹簧钢的回火组织为屈氏体，弹性极限出现峰值。且回火后应力也得到充分消除，有利于提高材料的抗微塑性变形能力，弹性好。

65Mn钢弹簧片的硬度46～51HRC，一般在370～400℃内选择回火温度。建议弹簧片的试回火从380℃开始，避免温度过高、硬度偏下限或低于46HRC，最好控制在47～50HRC。此外，65Mn钢有回火脆性，回火后优先选择油冷（采用回火用冷却油），可以防止锈蚀。水冷应采用高于60℃的热水，减少热应力。

修整尺寸后的弹簧片，为消除加工应力，减少变形，应进行补充消除应力处理。温度一般比回火温度低30～50℃，保温60min，油冷。对于精度要求高的弹簧片，正常的回火或补充消除应力处理都应在夹具中定形加热。

4.3 机械稳定化处理

为了提高弹簧片的抗松弛稳定性，应通过强迫弯曲松弛残余应力。弯曲度按设计的工作要求执行，一般5～10次即可，摩擦弹簧片的机械稳定化可能需要几十次。同时，机械稳定也是评价弹簧片韧性的最好方法。

5 结束语

1）弹簧片的裂纹源主要产生于冲切飞边或孔的不良倒角处，加工缺陷应是产生断裂的主要因素。

2）弹簧片的硬度应控制在46～51HRC，获得高的屈服强度和弹性性能，又有一定的韧性。

3）保证晶粒度大于7级，细晶粒有利于提高弹簧片的韧性和疲劳极限。

4 ）将若干串弹簧片绑成一束，会导致上端弹簧片淬火硬度偏低。因此，每一束的串数不能多，长度也要控制，且不能将弹簧片叠在一起绑扎。