55SiCr弹簧钢丝冷卷断裂原因分析.pdf

第49 卷Vol.49doi:10.3969/j.issn.1003-4226.2023.04.007第4期No.4金属制品MetalProducts55SiCr弹簧钢丝冷卷断裂原因分析2023年8 月August2023郭晓霞，李志豪，张立良，李绍杰，蔡振雷，相楠（石家庄钢铁有限责任公司，河北石家庄0 50 10 0）摘要：55SiCr弹簧钢丝在冷卷过程中发生断裂。观察断裂位置的宏观和微观形貌，并对断裂试样进行了化学成分、硬度、晶粒度以及金相组织分析。结果表明：悬架弹簧在冷卷过程中发生断裂，宏观观察断裂起源于弹簧外侧表面，弹簧试样表面存在横向擦伤，钢丝冷卷时产生应力集中是其断裂的主要原因。关键词：55SiCr；化学成分；断裂；应力集中；晶粒度中图分类号：TG356.4Cause analysis on cold roll fracture of 55SiCr spring steel wireGuo Xiaoxia,Li Zhihao,Zhang Liliang,Li Shaojie,Cai Zhenlei,Xiang Nan(Shijiazhuang Iron&Steel Co.,Ltd.,Shijiazhuang 050100,China)Abstract:55SiCr spring steel wire fractured during cold rolling process.Macroscopic and microscopic morphology of frac-ture location is observed,and chemical composition,hardness,grain size,and microstructure of fracture sample is ana-lyzed.Results show that suspension spring fractured during cold rolling process.Spring fracture originates from outer sur-face,and there are transverse scratches on surface of spring sample.The main reason for fracture is stress concentrationgenerated during wire cold rolling.Keywords:55SiCr;chemical composition;fracture;stress concentration;grain size014mm规格55SiCr线材用于生产悬架弹簧钢丝,用户在钢丝冷卷过程中发现有产品发生断裂,影响生产效率。笔者从55SiCr冷卷断裂试样表面缺陷位置进行取样,利用金相显微镜和扫描电镜分析等方法,结合钢丝生产工艺流程，查找冷卷断裂试样产生缺陷的原因并进行分析。1宏观形貌分析悬架弹簧加工工艺：0 14mm线材放线拉拔（0 12.5m m,冷拔1道）淬火回火一收卷开文献标识码：A卷一冷卷一去应力回火一喷涂。回火弹簧钢丝在冷卷悬架弹簧过程中断裂,55SiCr悬架弹簧断裂宏观形貌如图1所示。断裂起源于悬架弹簧表面，呈放射状扩展。断裂发生在第7 圈，起源于弹簧外侧。2断裂原因分析2.1化学成分在断裂弹簧上取样，通过火花直读光谱仪分析化学成分,55SiCr断裂弹簧化学成分见表1。从表1(a)断裂弹簧图155SiCr悬架弹簧断裂宏观形貌Fig.1 Macroscopic morphology of 55SiCr suspension spring fracture（b）断裂位置宏观形貌第4期可以看出，断裂弹簧的化学成分符合协议要求，可以项目C0.511.200.60 协议要求0.59实际值0.542.2断口分析宏观观察发现弹簧断裂起源于外侧表面,横向扩展约一半面积后，因受力方向发生偏转纵向瞬间劈裂,弹簧断裂源对应的表面存在横向擦伤痕迹，弹簧断裂源SEM宏观形貌如图2 所示。试样超声波清洗后用扫描电镜进行观察，断裂起始于弹簧表面擦伤，断裂源未发现其他缺陷，断口不同部位微观形貌如图3 所示，弹簧断口微观形貌为准解理状。扩展区微观形貌为韧窝状（图3 b），劈断区微观形貌为韧窝+解理状（图3 c）。扫描电镜观察断裂源对应的弹簧表面,断裂源对应表面形貌如图4所示。由图4可以看出,断裂源及其附近的擦伤为横向分布，郭晓霞，等：55SiCr弹簧钢丝冷卷断裂原因分析表155SiCr断裂弹簧化学成分Table 1Chemical composition of 55 SiCr fracture springSiMn0.01550.0151.600.801.450.7025推测悬架弹簧断裂与试样化学成分无关。w/%PS0.0100.009Cr0.60 0.800.67痕迹沿同一方向分布（图4a），擦伤表面及沟痕内覆盖氧化铁（图4b）。图2 弹簧断裂源SEM宏观形貌Fig.2SEM macroscopic morphology ofspring fracture sourceNi0.100.100.100.010 0.010 0.0100.040.06CuMo0.01Ti0.0030.005VA10.004(a)断裂源区Fig.3 Microstructure morphology of different parts of fracture surface(b)扩展区图3 断口不同部位微观形貌(c)劈断区(a)宏观形貌图4断裂源对应表面形貌Fig.4 Surface morphology corresponding to fracture source2.3金相组织将断口试样沿擦伤位置纵向剖开，观察擦伤的纵截面形貌：擦伤区域存在多条擦伤沟痕,最大深度约0.0 4mm,周围及附近未发现其他缺陷,表面擦伤组织形貌如图5所示。用体积分数4%的硝酸酒精(b)微观形貌溶液侵蚀后，擦伤位置组织无异常，未发现热处理组织粗大及夹杂物冶金缺陷等,组织为回火屈氏体，沟痕表面存在轻微脱碳，沟底部脱碳不明显,其余位置表面基本无脱碳。弹簧基体金相组织如图6 所示。由此可以推测断裂与基体组织无关 1-426金属制品第49 卷500m（a）纵向开面形貌图5表面擦伤组织形貌Fig.5 Surface scratch structure morphology图6 弹簧基体金相组织Fig.6Microstructure of spring substrate2.4硬度分析从断裂弹簧上取样，按照CB/T230检测试样横截面硬度，断口处横截面硬度见表2。从表2 可以看出,试样边部、中心和1/2 半径处的硬度平均值分别为51,52,52 HRC,硬度值分布均匀。表2 断口处横截面硬度Table 2Cross section hardness at fracture边部152250351平均值512.5晶粒度取断裂弹簧原材料加热至8 6 0，保温1h,按照GB/T6394规定检验奥氏体晶粒度，级别为8.0级，符合用户奥氏体7 级晶粒度要求，奥氏体晶粒度如图7 所示。3结语断裂弹簧基体经热处理后显微组织为回火屈氏体。基体硬度平均值为52 HRC,悬架弹簧在冷卷过程中发生断裂，弹簧断裂起源于外侧表面，扫描电镜50um（b）显微组织形貌20m单位：HRC中心1/2半径处5152525353515252100m图7 奥氏体晶粒度Fig.7Austenite grain size观察断裂源对应的弹簧表面,断裂源及其附近的擦伤为横向分布，且痕迹沿同一方向，宏观观察可见弹簧断裂源对应的表面存在横向擦伤痕迹。弹簧断口微观形貌为准解理状，扩展区微观形貌为韧窝状,最终劈断区微观形貌为韧窝+解理状。结果显示断裂源起始于弹簧表面擦伤，断裂源附近未发现热处理及夹杂物等其他缺陷，在冷卷过程中由于在缺陷处形成应力集中，加上钢材基体硬度高，缺陷敏感性强,悬架弹簧在冷卷过程中受力不均匀而发生断裂。参考文献1黄文克，王雷，彭天兰，等.回火温度对弹簧钢55SiCrA组织与性能的影响 J.金属制品,2 0 11,3 7(1)：6 1-65.2钟群鹏，赵子华.断口学M.北京：高等教育出版社，2006.3邓素怀，佟倩，张玮，等.弹簧钢55SiCr组织精细结构分析 J.物理测试,2 0 16,3 4（4):12-16.4唐应时,陈明媚，潘佳炜，等.基于接触摩擦的多片式钢板弹簧悬架预应力的计算 J.湖南大学学报（自然科学版）,2 0 0 9(0 4):1-5.(收稿日期:2 0 2 3-0 1-3 0)作者简介郭晓霞1987年生，石家庄钢铁有限责任公司技术中心高级工程师。李志豪1987年生，石家庄钢铁有限责任公司国贸公司工程师。张立良1979年生，石家庄钢铁有限责任公司技术中心高级工程师。李绍杰1979年生，石家庄钢铁有限责任公司技术中心高级工程师。振雷1986年生，石家庄钢铁有限责任公司生产部主任工程师。相楠1987年生，石家庄钢铁有限责任公司技术中心中级工程师。