65Mn彈性擋圈脆斷及熱處理工藝優(yōu)化

徐 磊，楊 健，汪迪坤，王楨楠，韓和兵

(中國電子科技集團公司第二十一研究所，上海 200233)

0 引 言

彈性擋圈也叫卡簧，分為軸用彈性擋圈和孔用彈性擋圈，安裝于槽軸上，用于固定零部件的軸向運動。這類擋圈的內(nèi)徑比裝配軸徑稍小，安裝時需用卡簧鉗鉗嘴插入擋圈的鉗孔中，壓縮擋圈，才能放入預先加工好的軸槽上。但在電機裝配過程中發(fā)現(xiàn)，65Mn彈性擋圈存在脆斷問題，稍一用力，即發(fā)生斷裂，影響裝配進度[1]。本文對發(fā)生脆斷問題的65Mn彈性擋圈進行歸類，并對其進行硬度測試，如表1所示。

表1 7個不同規(guī)格彈簧擋圈的硬度

硬度測試發(fā)現(xiàn)，只有17 mm規(guī)格的65Mn彈性擋圈硬度較低，硬度值為44.5 HRC，隨機對此種規(guī)格的65Mn彈性擋圈進行取樣，取樣數(shù)×10個，進行現(xiàn)場試裝，測試其是否擁有較好的彈性。經(jīng)過試裝，17 mm規(guī)格的65Mn彈性擋圈10個試樣全部合格，該規(guī)格所有試樣均具有良好的彈性，且均未產(chǎn)生斷裂或裂紋。

另隨機抽取10個22 mm規(guī)格的65Mn彈性擋圈進行試裝測試。試裝時，有4個擋圈試樣發(fā)生斷裂，具體斷裂情況如圖1所示。

圖1 斷裂擋圈斷裂位置

取斷裂的擋圈試樣與未斷裂的擋圈試樣進行硬度測試，斷裂擋圈硬度為58 HRC，未斷裂擋圈硬度為53.5 HRC，可以說明擋圈的脆斷與擋圈的硬度有關。

1 65Mn彈性擋圈的應力分布

按照GB/T 894-2017軸用彈性擋圈國家標準規(guī)定的20 mm彈性擋圈尺寸進行建模。依據(jù)彈性擋圈試裝時的受力情況，進行不同變形量的靜態(tài)力學模擬仿真，以擋圈的兩個小孔中的一個為固定點，另外一個小孔向固定的小孔分別位移0.5 mm、1 mm、1.5 mm、2 mm、2.5 mm、3 mm作為邊界條件，計算不同變形狀態(tài)下的彈性擋圈純彈性變形時的應力分布[2]，具體應力分布圖如圖2～圖7所示。

圖2 形變量為0.5 mm下，擋圈的應力分布

圖3 形變量為1.0 mm下，擋圈的應力分布

圖4 形變量為1.5 mm下，擋圈的應力分布

圖5 形變量為2.0 mm下，擋圈的應力分布

圖6 形變量為2.5 mm下，擋圈的應力分布

圖7 形變量為3.0 mm下，擋圈的應力分布

從不同變形量的應力分布圖可以看出，65Mn彈性擋圈彈性測試時應力主要集中在三個區(qū)域，變形量不斷增大，彈性擋圈受到的最大應力也不斷增大，不同變形量下彈性擋圈受到的最大應力如表2所示。

表2 不同形變量下，20 mm彈性擋圈承受的最大應力

從65Mn彈性擋圈的應力仿真結果可以看出，在測試彈性的過程中給的變形量不同，擋圈所承受的應力差異巨大。從裝配過程來看，在測試65Mn彈性擋圈彈性時，20 mm擋圈變形量最小也會大于3 mm，此時擋圈所承受的應力值已經(jīng)遠超過其強度極限，擋圈在應力集中處斷裂應屬過載過大斷裂。從4個斷裂擋圈的斷裂位置圖也可以看到，擋圈的斷裂位置均為應力集中的三個區(qū)域。同樣的測試過程還有7個擋圈未斷裂，從硬度測試結果看，未斷裂擋圈硬度稍低，對應其屈強比會有所降低，表現(xiàn)為有一定的塑性變形能力。因此在進行彈性能測試施加應力的過程中，應力首先超過其屈服強度，造成擋圈發(fā)生一定量的塑性變形，塑性變形會引起變形區(qū)域的局部強化且會引起應力的自適應調(diào)整，而計算與仿真是無法仿真出材料發(fā)生塑性變形后的應力大小與分布的。硬度較高的擋圈更容易斷裂，是由于其屈強比高，當其所承受的應力稍微超過其屈服應力時，此應力也非常接近其所承受的最大應力，由于微觀結構上的差異，如點缺陷、線缺陷、面缺陷，而產(chǎn)生裂紋，在巨大應力作用下，裂紋迅速擴張，造成斷裂失效。

從靜態(tài)力學仿真結果與65Mn材料的力學性能看，20 mm規(guī)格的65Mn彈性擋圈最大變形量不超過1.5 mm。如果超過此變形量，僅從彈性變形計算來看，擋圈承受的應力會超過其強度極限而斷裂失效。

據(jù)此可以判斷，65Mn彈性擋圈在測試過程中出現(xiàn)斷裂的主要原因有：材料硬度過高，造成屈強比高，導致材料基本沒有塑性變形能力，在施加載荷過程中，無法通過塑性變形自適應調(diào)整自身應力分布，造成局部應力過載而發(fā)生斷裂。

2 65Mn彈性擋圈熱處理工藝優(yōu)化

針對65Mn彈性擋圈硬度過大的問題，本文采用熱處理方法對該材料進行調(diào)質(zhì)。加工65Mn彈性擋圈往往采用淬火+回火熱處理工藝：840 ℃/10 min→油焠→340 ℃/(1～2)h。回火熱處理過程中由于溫度較低，箱式熱處理爐在加熱過程中僅依靠爐底與爐膛內(nèi)空氣進行熱量傳導，速度較慢。而65Mn彈性擋圈又直接堆積在爐膛內(nèi)，因此會造成有效加熱時間長短不一[3]，回火保溫時間對65Mn彈性擋圈的硬度和彈性有著直接影響，影響關系如圖8所示。

圖8 65Mn擋圈回火保溫時間和硬度的關系曲線

高溫淬火后，65Mn擋圈的硬度為62 HRC?；鼗?0 min后，硬度降為57 HRC，隨著回火溫度時間的延長，65Mn的硬度也不斷下降。但是當回火溫度延長至120 min后，硬度降低至45 HRC，繼續(xù)延長回火時間，硬度變化趨于水平?？紤]到工件加熱時為堆放狀態(tài)，因此65Mn彈性擋圈的熱處理工藝修改為：(840 ℃±10 ℃)/(10～30)min+油淬+(340 ℃±10 ℃)/(180±10)min，硬度為44 HRC～50 HRC。

對比新舊工藝處理后的65Mn彈性擋圈的金相圖譜如圖9所示。

圖9 新舊工藝處理的65Mn彈性擋圈金相圖

原有工藝處理后的部分65Mn彈性擋圈金相以回火馬氏體為主，表面部分區(qū)域存在微裂紋，說明原工藝回火效果不佳，淬火應力與相變應力未完全去除。優(yōu)化工藝處理后的65Mn彈性擋圈金相表面存在黑色碳析出物，金相由馬氏體轉(zhuǎn)變?yōu)榛鼗鹎象w，應力去除效果較好，證明優(yōu)化后的工藝有效。

3 結 語

65Mn彈性擋圈材料硬度過高，造成屈強比高，導致材料基本沒有塑性變形能力。在施加載荷過程中，無法通過塑性變形自適應調(diào)整自身應力分布，造成局部應力過載而發(fā)生斷裂。通過優(yōu)化熱處理工藝，延長回火保溫時間，可以將彈性擋圈的金相轉(zhuǎn)變?yōu)榛鼗鹎象w，有效降低材料硬度，提升材料韌性，減少裝配工作中65Mn彈性擋圈的脆斷問題。