波形垫圈的延迟断裂 - 碟形弹簧 - 碟簧

延迟断裂是波形垫圈使用过程中较常见的一种缺陷。近期研究表明延迟断裂主要发生在回火马氏体钢中，产生延迟断裂条件有：
①使用应力≥1200Mpa；
②断裂产生于拉应力最大处，压应力一般不会产生延迟断裂；
③350℃左右中温回火，往往导致波形垫圈的延迟断裂敏感性增大；④延迟断裂多产生于原始奥氏体晶粒处，P、S及其化合物在晶界的析出、碳化物在晶界的析出和集聚、氢在晶界的聚集都会增大波形垫圈延迟断裂的敏感性。
1、波形垫圈断裂实例
波形垫圈（见图1）以65Mn钢板冲压成形，经淬火（810℃×35min）、回火（350℃×60--70min）、酸洗、表面镀锌、驱氢（190℃×5h），硬度45-48HRC，表面镀锌层5--8μm。
      装机一个月后进行例行检查，发现部分垫圈已经碎裂。
   2、试验过程与结果
   2、1化学成分分析
    波形垫圈同批原材料的化学成分分析结果见表1。可见原材料的合金元素和杂质含量均符合GB/T1222-2007《弹簧钢》标准要求。
表1            65Mn波形垫圈化学成分      (质量分数W%)
项目CMnSP备注
GB/T12220.62-0.700.90-1.20≤0.035≤0.004
实测值0.650.980.0190.032

2、2断口分析
检查3个断裂的波形垫圈表面镀锌层基本完好，无明显的划痕、损伤，观察断口宏观形貌，裂纹均由波形垫圈的波谷处起裂，各断口新鲜无塑性变形。断裂源区均位于垫圈受力最大处，裂纹起源于垫圈近表层，主要分布在晶界处，形成沿晶断裂，瞬断区有少量的剪切唇，并有少量韧窝，这是典型的氢脆断口形貌。
2、3组织、硬度检查
断裂垫圈的显微组织均为回火屈氏体+少量碳化物，表层无脱碳。
经表面洛氏硬度HR30N测量，1#垫圈硬度为48.0HRC，2#垫圈硬度为47.5HRC；用维氏硬度检测其硬度分别为520HV5，525HV5（根据GB1172换算成洛氏硬度为50.5HRC，51HRC）。
3、分析与验证
3、1对硬度测试方法的分析
断裂垫圈用HV5检测其为520HV5，525HV5（根据GB1172换算成洛氏硬度为50.5HRC，51HRC；用HRA或HR30N检测硬度仅为47.5-48HRC，说明两类硬度测试方法及其结果存在明显的差异。
该波形垫圈工艺规程上规定硬度按HRA或HR30N进行测定，而查阅硬度试验标准，发现GB/T230.1-2009《金属材料洛氏硬度试验方法》中HRA可测试试样的最小厚度约为0.56mm（按46.0HRC计算）, GB/T1818-1994《金属材料表面洛氏硬度试验方法》中HR30N可测试的试样的最小厚度约为0.45mm（按46.0HRC计算）, ASTME18-2007 《金属材料洛氏和表面洛氏硬度试验方法》可测试试样的最小厚度约为0.63mm（按46.0HRC计算）,HR30N可测试试样的最小厚度约为0.476 mm（按46.0HRC计算）。另外，GB/T4340.1-2009《金属材料维氏硬度试验方法》中HV5可测试试样的最小厚度约为0.2 mm（按46.0HRC计算）, HV10可测试试样的最小厚度约为0.3 mm（按46.0HRC计算）。波形垫圈的名义厚度仅为0.45 mm，工艺规程上规定用HRA或HR30N进行测量明显不符合硬度试验标准要求。零件厚度不足而被施加载荷相对很大，导致零件过度变形，必然使其检测的硬度值远低于零件的实际硬度，合理的硬度试验方法是选用HV5或HV10对零件硬度进行测定。
3、2对断口的讨论
波形垫圈安装处于压平状态，波峰（或波谷）处在主要受拉力作用。波形垫圈发生早期断裂，源区周围无明显加工缺陷，断口平齐呈沿晶断裂，晶粒轮廓清晰，混合有撕裂棱和韧窝，无腐蚀产物和塑性变形。这些特征表明波形垫圈断裂为沿晶脆性断裂。由于硬度测试方法的原因使零件的实际硬度超过要求的上限规定，会导致脆性增加，但单一的硬度偏高不会使波形垫圈断口呈沿晶特征。从零件的生产工艺可见，导致这种沿晶断口可能是氢脆、回火脆性与硬度超标的综合作用的结果。
3、3验证试验
为鉴别氢脆、回火脆性与高硬度的影响关系，分别进行氢脆验证试验、回火脆性试验。
①氢脆验证试验
在原工艺参数（350℃回火）的范围内，将波形垫圈镀锌后，改变驱氢时间，分别用4h、8h、12h、16h进行驱氢试验，并进行断口和氢含量检查。对经上述不同时间驱氢的波形垫圈断口进行检查，驱氢在4h的波形垫圈基本上为沿晶断口，超过8h的波形垫圈虽为沿晶加少量韧窝的混合断口，但微观上均有明显的沿晶特征。这可能与残余氢和硬度偏高（硬度为52HRC）有关。硬度高意味着强度很高，提高了波形垫圈的氢敏感性而出现氢脆。
②回火脆性验证试验
调整回火温度分别在370℃、390℃、410℃温度下回火，电镀后进行断口和维氏硬度检查，并按GB/T1172进行洛氏硬度换算。结果见表2。
表2                    回火脆性验证试验结果
回火温度/℃维氏硬度HV5洛氏硬度HRC
37053651.5
39049548.5
41046346.5

可见在370℃回火时，波形垫圈硬度大于51.0HRC,出现大量沿晶+少量韧窝的脆性断口,而在390～410℃回火时,硬度为46.5-48.5HRC,出现大量韧窝 + 个别沿晶的韧性断口。
当硬度在46-51HRC之间的波形垫圈如不镀锌，其断口均为韧性断口，这说明波形垫圈的沿晶断裂既不属于第一类回火脆性，也不属于第二类回火脆性，其特征变化主要与回火后的硬度高低以及氢合量变化有关。
材料的化学成分无明显的有害元素，氢脆断裂与其基体残余氢含量和强度匹配有直接关系，采用390-410℃回火，可以将波形垫圈的实际硬度控制在技术要求46-49HRC范围，与8h驱氢后的残余氢含量匹配可以保证波形垫圈使用中不出现脆性断裂。
随驱氢时间延长，波形垫圈氢含量逐渐降低，但驱氢12h后残余氢含量基本不再变化，因此，对该波形垫圈选用12h驱氢合理有效，如果将硬度控制在43-45HRC范围内则可大大提高其使用可靠性。
4、延迟断裂机制
  无论从检验结果，还是理论分析都认为：氢含量偏高是波形垫圈产生延迟断裂的主要原因，延迟的过程实际上是氢在弹簧钢中扩散、聚集，造成断裂的过程。关于氢致开裂的机理众说纷纭，有三大类：压力理论、结合能理论和过程理论，这三种理论对氢致开裂过程的描述是一致的，这个过程可简述如下：
①钢中的氢来自内生和外部渗入两个途径。
内生指冶炼时溶解了钢中的氢，随着温度降低溶解度下降，氢在钢内的不规整处，如晶界、相界或微裂纹处析出；氢在钢中形成间隙固溶体，由于奥氏体的间隙大于铁素体，氢在奥氏体中的溶解度大于在铁素体的溶解度，钢锭冷却过程中，奥氏体转变为铁素体时必然有氢析出。
外部渗入指波形垫圈在酸洗、电镀或在酸性环境中使用，氢气由外部渗入钢中。波形垫圈经酸洗、镀锌处理后钢中氢含量从0.1PPm上升到11PPm是典型的外部渗氢实例。
②在250℃以下,钢中的合金元素和夹杂物几乎不能扩散,氢原子直径小(0.106nm)仍能活跃地进出，因此氢气的渗入和去除是可逆的。即使在常温下长期存放，渗入的氢也能缓慢地释放，随着温度升高，氢扩散速度加快，因此烘烤是有效的驱氢方法。
③钢的组织结构不均匀，内部应力集中都会导致氢在钢中局部区域集聚，这些氢集聚的区域俗称“氢陷阱”。反映陷阱特性的三个参数是：陷阱密度（NX陷阱）、陷阱深度（UB）和填充度或浓度（CX）。氢陷阱又可以分为“组织陷阱”和“应力陷阱”，波形垫圈的延迟断裂是组织陷阱和应力陷阱综合作用的结果。
④组织陷阱指钢中晶界、相界、夹杂物与基体交界处和显微空隙处，落入陷阱中的氢成为不可逆的氢。氢陷阱的存在使氢的溶解度增大，有效扩散系数降低，局部氢溶度增高，进而发展成裂纹源。组织陷阱的密度和深度主要取决于钢的化学成分、晶粒度和显微组织，一般来说，合金钢的陷阱密度和深度大于碳素钢；马氏体钢的陷阱密度最高，奥氏体钢的陷阱密度最低；索氏体组织陷阱密度最低、深度也最浅。
⑤应力陷阱指钢材压力加工和热处理使的内部晶格畸变、位错堆积、夹杂物的破碎、显微空洞和微裂纹处成为氢的汇聚点。应力陷阱是可逆性陷阱，应力消除后氢陷阱随之消失。最深的应力陷阱往往在承受拉应力最大的区域，溶解于钢中的氢逐渐向深陷阱（UB≥58KJ/mol）汇集，使陷阱处应力进一步增大，当内应力超过结合力时，钢中产生微裂纹，随着氢不断扩散、聚集，裂纹逐渐增大，最终造成钢材料突然断裂。
⑥波形垫圈氢陷阱的深度与弹簧钢服役时的应力状态有关，垫圈承受的压应力增大，陷阱的深度随之加深。只有在足够深的陷阱中填充足够量的氢时才能引发延迟断裂，陷阱不够深或氢填充度不足只能引起氢脆，不致于产生延迟断裂。合金钢和碳素钢的氢脆和延迟断裂造成钢的力学性能变化是迥然不同的，氢脆对钢的抗拉强度变化不大，但塑性指标急剧下降，集中体现在断面收缩率上；延迟断裂集中体现在钢的抗拉强度和冲击强度下降上。
5、结论
⑴波形垫圈硬度检测方法有技窍，选择不当，波形垫圈实际硬度超出技术要求，导致零件韧性降低，延迟断裂发生，是引起波形垫圈脆性断裂的主要原因。
⑵波形垫圈回火温度控制在400-420℃为佳，选择HV5检测硬度，控制硬度在43-46HRC，电镀后驱氢时间不低于12h，可避免波形垫圈延迟断裂。
⑶波形垫圈为减少酸洗和电镀等过程中产生延迟断裂的危险性，而采用喷丸+非电解达克罗涂覆层防腐。
参考文献
1.GB/T230.1-2009 金属材料洛氏硬度试验方法第一部分:试验方法〔S〕.北京:中国标准出版社,2009.
    2.GB/T1818-1994 金属材料表面洛氏硬度试验方法〔S〕.北京:中国标准出版社,1994.
3.GB/T4340.1-2009金属材料维氏硬度试验方法  第一部分:试验方法〔S〕.北京:中国标准出版社,2009.
4.ASTM E18-07金属洛氏和表面洛氏硬度试验方法〔S〕.
5.张先鸣.摩托车用弹簧垫圈的热处理［J］.摩托车技术，2004（3）：17-18.