65Mn鋼是一種使用廣泛的彈簧鋼，該鋼的碳含量高，具有強度高、淬透性好、硬度高、脫碳傾向小、切削加工性能好及價格低廉等優(yōu)點，但也有過熱敏感性、易產(chǎn)生淬火裂紋、回火脆性等缺點。65Mn鋼在緊固件行業(yè)用途較廣，主要用于生產(chǎn)各類彈性墊圈、彈性圓柱銷以及一些擋圈等彈性元件。
某規(guī)格為M16的螺母與錐形墊圈組合產(chǎn)品中的螺母材料為40CrNiMoA鋼，錐形墊圈材料為65Mn鋼，螺母和墊圈表面均經(jīng)過達克羅處理，在裝配過程中，多件錐形墊圈出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象。研究人員采用宏觀觀察、化學(xué)成分分析、掃描電鏡(SEM)分析、金相檢驗、硬度測試等方法分析了墊圈斷裂的原因，以避免該類問題再次發(fā)生。
1、 理化檢驗
1.1 宏觀觀察
從多件斷裂的錐形墊圈中隨機選取1件墊圈，該墊圈宏觀形貌如圖1所示。
墊圈與螺母為組合件，斷裂部位在墊圈支撐面上。墊圈表面至少6處存在明顯裂紋，斷裂墊圈部分脫落；六方扳擰處存在表面達克羅涂層損傷和脫落；隨機選取2個斷口觀察，其斷面均呈銀灰色，未見腐蝕現(xiàn)象，斷面存在較多的閃光小刻面，未見明顯宏觀塑性變形痕跡。
1.2 化學(xué)成分分析
在錐形墊圈斷口附近取樣，去掉達克羅涂層后對試樣進行化學(xué)成分分析，采用碳硫儀分析C、S元素，用光譜儀分析其余元素，結(jié)果如表1所示。由表1可知：斷裂墊圈的化學(xué)成分符合 GB/T 1222—2007《彈簧鋼》的要求。
1.3 掃描電鏡分析
在斷口1和斷口2處截取試樣，將其置于掃描電鏡下觀察，結(jié)果如圖2所示。由圖2可知：二者斷口形貌相似，斷口處可見大量沿晶+少量韌窩+少量二次裂紋，未見放射棱線和雞爪痕等氫脆特征。
1.4 金相檢驗
在斷口處取樣，依據(jù)GB/T 13298—2015《金屬顯微組織檢驗方法》制備金相試樣，經(jīng)鑲嵌、磨制及拋光后，選用體積分?jǐn)?shù)為4%的硝酸乙醇溶液腐蝕試樣，將金相試樣置于光學(xué)顯微鏡下觀察，結(jié)果如圖3所示。由圖3可知：墊圈表面存在多條顯微裂紋，深度約為0.007mm，未見對力學(xué)性能影響較大的非金屬夾雜物，顯微組織為回火屈氏體，未見過熱過燒、脫碳等缺陷。
1.5 硬度測試
斷裂墊圈規(guī)格較小，無法進行洛氏硬度測試，只能進行維氏硬度測試，參照GB/T 4340.1—2009《金屬材料 維氏硬度試驗 第1部分：試驗方法》進行試驗，試驗載荷為294.2N，保載時間為15s，3點實測值分別為 540，548，546HV，平均值為545HV，即52HRC，依據(jù)GB/T 1172—1999《黑色金屬硬度計強度換算值》，可知結(jié)果超出墊圈標(biāo)準(zhǔn)值。
2、 綜合分析
斷裂墊圈支撐面受力部位的表面涂層存在損傷，支撐面表面有多條裂紋，裂紋從支撐面沿厚度方向延伸。宏觀斷口呈亮灰色，存在較多閃光小刻面，未見腐蝕色彩和塑性變形痕跡；微觀斷口可見大量沿晶+少量韌窩+少量二次裂紋；墊圈支撐面表面存在深度約為0.007mm的微裂紋，顯微組織為回火屈氏體，未見脫碳及過燒現(xiàn)象；墊圈硬度超出42~50HRC標(biāo)準(zhǔn)值要求。
通常氫脆、應(yīng)力腐蝕、液態(tài)金屬致脆、過燒及回火脆性引起的斷口大多呈沿晶斷裂特征。顯微組織未見過燒現(xiàn)象，排除過燒問題；斷口表面未見腐蝕形貌，排除應(yīng)力腐蝕的影響；錐形墊圈和螺母表面的處理方式均為達克羅處理，不存在低熔點金屬，如鎘等，排除液態(tài)金屬致脆原因；墊圈斷口晶面未見雞爪痕和撕裂棱等典型氫脆特征，同時墊圈表面處理方式為達克羅，未進行電鍍處理，可排除氫脆影響。常規(guī)檢測手段難以判斷回火脆性，人工打斷斷口分析對回火脆性判斷至關(guān)重要。為進一步確認(rèn)斷裂錐形墊圈是否存在回火脆性，人工打斷同批完好墊圈，觀察其斷口形貌是否與斷裂墊圈一致。人工斷口宏觀形貌和SEM形貌如圖4所示。
人工打斷斷口宏觀存在大量閃光小刻面，微觀可見大量沿晶+少量韌窩+少量二次裂紋，晶面干凈，未見雞爪痕及撕裂棱，與裝配斷裂墊圈斷口形貌一致，因此判定該批錐形墊圈存在回火脆性，導(dǎo)致安裝斷裂。
表2為65Mn鋼的常用淬火、回火制度，結(jié)合安裝斷裂墊圈的硬度，可知該批65Mn鋼錐形墊圈的回火溫度應(yīng)小于350℃，正好處于65Mn鋼的第一類回火脆性溫度區(qū)，導(dǎo)致該批次墊圈存在回火脆性。微量雜質(zhì)元素是造成回火脆性的最根本原因，其擴散并偏析到晶界和界面處，降低了界面的鍵合能。由于墊圈硬度超出標(biāo)準(zhǔn)要求，導(dǎo)致塑性較差，且支撐面表面存在微裂紋，在外部較快的安裝速率下，微裂紋受沖擊作用沿晶界薄弱處延伸，直至斷裂。
選取同批完好墊圈，去掉達克羅涂層后，對其進行再回火驗證。對再回火后的墊圈進行硬度測試及人工斷口分析，具體硬度試驗結(jié)果如表3所示。人工打斷斷口的宏觀及SEM 形貌如圖5所示。
再回火后該批墊圈硬度降至476HV，換算成洛氏硬度為47.5HRC，滿足該批錐形墊圈標(biāo)準(zhǔn)值42~50HRC的要求。再回火后人工斷口宏觀及SEM形貌如圖5所示。由圖5可知：再回火后人工斷口為灰白色，未見明顯亮刻面，微觀主要為韌窩形貌，消除了沿晶特征。
3、 結(jié)論及建議
(1)65Mn鋼錐形墊圈安裝斷裂的性質(zhì)為沿晶脆性斷裂。造成斷裂的主要原因為熱處理回火制度選取不當(dāng)，造成在第一類回火脆性區(qū)回火，產(chǎn)生了回火脆性；墊圈硬度超出標(biāo)準(zhǔn)要求，進一步增加了脆性風(fēng)險；在較高的安裝速率下，墊圈表面微裂紋受沖擊作用而沿晶界薄弱區(qū)延伸，直至斷裂。
(2)建議將65Mn鋼錐形墊圈的回火工藝溫度調(diào)整為360~410℃，保溫2h油冷，避開回火脆性區(qū)。在保證標(biāo)準(zhǔn)要求的前提下，盡量降低墊圈的硬度，以提升韌性；必要時可增加韌性試驗，降低安裝斷裂風(fēng)險。
作者：許永春1，程全士1，沈鵬1，竇建偉1，楊保建1，時杭2，黃帥2，王冉2
單位：1.航天精工股份有限公司；
2.河南航天精工制造有限公司
來源：《理化檢驗-物理分冊》2023年第12期
