60Si2MnA热卷螺旋弹簧端圈裂纹的研究分析

王乃亮

（天津中车机辆装备有限公司 天津市 300232）

摘要：针对磁粉探伤过程中发现的材质为60Si2MnA的摇枕弹簧端圈产生裂纹的现象，通过对材料的化学成分、裂纹处宏观形貌、裂纹处微观形貌、显微组织、硬度、脱碳、晶粒度、非金属夹杂物等项点的理化检验，综合分析了引起端圈裂纹的影响因素，结果表明，裂纹位置存在非金属夹杂物，且淬火过程受端圈结构影响，端圈淬火应力较大，薄弱的夹杂物位置形成淬火裂纹。

关键词：60Si2MnA 摇枕弹簧 端圈裂纹  脱碳 非金属夹杂物

0 引言

目前摇枕弹簧产品所用材质主要为硅锰系弹簧钢，60Si2MnA为硅锰系弹簧钢中被广泛采用的一种。其生产工艺为下料-碾尖-加热卷制-淬火-回火-端面加工-抛丸-压检-探伤-性能检验-喷涂-包装【1】。在生产过程时规格为Φ40mm的某摇枕热卷螺旋弹簧在磁粉探伤中发现一个弹簧端圈存在裂纹缺陷显示。

1 试样制备及检验方法

为查明摇枕弹簧端圈产生裂纹的原因，在裂纹区域进行取样，借助直读光谱仪、金相显微镜、万能硬度计等设备对试样进行分析。

2、检验结果

2.1 化学成分

在弹簧端圈裂纹处取样进行化学成分分析，化学成分检测结果如表1所示，化学元素含量均在标准规定的范围内，符合弹簧钢标准GB/T1222-2016中对60Si2MnA成分的要求。

表1  化学成分分析结果（质量分数）%

化学元素	C	Si	Mn	P	S	Cr	Ni	Cu
含量	0.58	1.67	0.86	0.009	0.005	0.21	0.12	0.024
标准	0.56～0.64	1.60～2.00	0.70～1.00	≤0.025	≤0.025	≤0.35	≤0.35	≤0.25

2.2 裂纹的宏观形貌

端圈裂纹基本沿弹簧纵向开裂，裂纹表面几条裂纹有交叉的现象。沿弹簧横截面切开后观察到裂纹从表面向心部延伸，弹簧支撑圈裂纹宏观形貌如图 1 所示。纵向裂纹是淬火时最大切向拉应力超过材料该时抗拉强度发生断裂，常见于完全淬透的情况。

图1 试块截面的宏观形貌

2.3 裂纹的微观形貌

试样经制样抛光处理，裂纹微观形貌如图1所示，裂纹纹路刚直，穿晶发展，从表面到心部逐渐变细，从微观形貌看该裂纹具有淬火裂纹特征。

(a)表面裂纹微观形貌      (b)心部裂纹微观形貌

(b)图2 裂纹的微观形貌

2.4 显微组织及裂纹形态

在裂纹位置取样，用3%硝酸酒精溶液腐蚀，在金相显微镜下观察基体组织为回火屈氏体，如图2(a)所示，裂纹形态及脱碳情况如图2(b)所示，裂纹两侧无脱碳，有少量氧化物，可排除加热卷制前裂纹已产生的可能性。

(a)弹簧淬火回火组织           (b)裂纹形态及脱碳

图3 弹簧显微组织

2.5硬度及晶粒度

对裂纹位置及簧身进行晶粒度和硬度检测，裂纹位置表面硬度均值45.8HRC，心部硬度均值为45.5HRC，晶粒度等级为6.5级，簧身表面硬度均值为45.6，心部硬度均值为45.4，晶粒度等级6.5级。裂纹位置及簧身上试样硬度及晶粒度保持一致，符合标准中规定对晶粒度对要求【3】。

2.6非金属夹杂物

沿裂纹位置纵向取样，试样经制样抛光处理后，在基体组织中存在纵向伸长的硫化物夹杂，夹杂物形貌如图4所示。端圈经碾尖序在轧制方向形成了带状夹杂物，该夹杂物位置,其强度明显低于基体强度，在淬火切向拉应力作用下，夹杂物位置产生微裂并发展成为宏观的纵向裂缝。

图4 硫化物类夹杂物形貌

3分析与讨论

裂纹产生的阶段可分为卷制加热前和卷制加热后的淬火过程，裂纹两侧无脱碳，说明端圈产生的裂纹是在淬火时产生。淬火裂纹的产生，有多方面原因共同作用的结果，根本原因是淬火应力达到了材料的强度极限【3】。淬火温度过高，导致晶粒粗大，导致材料性能恶化易引起淬火开裂，但是通过晶粒度测量，晶粒并未过度长大；在组织应力的作用下，弹簧内部存在沿轧制方向的非金属夹杂物，易在薄弱的端圈形成淬火裂纹【4】。

4 结论

（1）弹簧裂纹从工件表面起裂，沿纵向扩展成较直的深裂纹，并由表面向截面内部扩展，终止于截面中心附近，截面观察裂纹呈表阔里尖状，属于组织应力型淬火裂纹。

（2）弹簧端圈经碾尖序加工，形成沿轧制方向分布的非金属夹杂物，该薄弱位置在淬火组织应力的作用下，形成了淬火裂纹。

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