氣門彈簧早期斷裂原因

聶 (浙江美力科技股份有限 輪 公司,紹興 312000)

摘 要:某公司生產的氣門彈簧在用戶安裝使用幾小時后即發生早期斷裂。采用宏觀觀察、微 觀分析、金相檢驗及硬度測試等方法對氣門彈簧的早期斷裂原因進行了分析。結果表明:氣門彈簧 表面存在折疊裂紋缺陷,該缺陷是在原材料軋制過程中產生的。在交變載荷作用下,折疊裂紋尖端 的延伸部分成為疲勞裂紋源并不斷擴展,從而造成氣門彈簧早期疲勞斷裂。

關鍵詞:氣門彈簧;早期斷裂;折疊裂紋;交變載荷;應力集中 中圖分類號:TG115.2 文獻標志碼:B 文章編號:1001-4012(2021)04-0055-0

某公司生產的氣門彈簧,用戶安裝使用幾小時 后 即 發 生 了 早 期 斷 裂,該 氣 門 彈 簧 的 材 料 為 VDCrSi彈簧鋼,線徑為5.2 mm,總圈數10.1圈, 有效 圈 數 8.1 圈,旋 向 為 右 旋,設 計 最 大 應 力 為 839.8MPa,疲勞壽命要求為3×10 7 周次。該氣門 彈簧的生產工藝流程為:原材料(油淬火回火態)→ 卷簧→回火→磨簧→噴丸→立定處理→清洗上油→ 包裝。筆者對該早期斷裂彈簧進行了檢驗和分析, 以期類似事件不再發生。

1 理化檢驗

1.1 宏觀觀察 

斷裂氣門彈簧 的 宏 觀 形 貌 如 圖 1 所 示,斷 裂 位置位 于 距 離 右 側 端 頭 第 4 圈 和 第 5 圈 之 間。 在體視顯 微 鏡 下 觀 察 斷 口,形 貌 如 圖 2 所 示,可 見有放射紋路收斂 于 鋼 絲 表 面 的 裂 紋 處,為 單 一 斷裂源。斷裂源區宏觀形 貌 如 圖 3 所 示,位 于 彈 簧內側。

1.2 微觀分析 

采用掃描電鏡觀察彈簧斷口及表面情況,在斷 裂源區可以清楚地看到有發散條紋起源于裂紋兩 側;觀察斷口表面,發現有一條沿鋼絲軸向開裂的裂 紋與斷口相連,如圖4和圖5所示。其他斷口附近 表面未發現其有明顯加工缺陷。 

1.3 金相檢驗 

在斷口附近取金相試樣,分析裂紋情況及其橫 截面顯微組織形貌。在拋光狀態下觀察裂紋情況, 可見裂紋從彈簧表面起源,總長度約0.3mm,裂紋 兩側存在氧化脫碳現象,如圖6所示。 金相試樣經3%硝酸酒精溶液浸蝕后置于蔡司 金相顯微鏡下觀察,可見試樣的顯微組織為回火屈 氏體,如圖7所示。彈簧表面顯微組織正常,沒有明 顯的脫碳現象,如圖8所示。

1.4 硬度測試

使用顯 微 硬 度 計 測 試 彈 簧 硬 度,測 試 結 果 見 表1。彈簧的平均硬度為541.6HV1。 

2 分析與討論

通過對斷裂彈簧的顯微組織和表面脫碳情況進行分析可知,彈簧的顯微組織正常,硬度測試結果表 明彈簧的硬度符合圖紙要求。 在斷裂源區存在明顯的裂紋,根據斷口附近鋼 絲表面觀察到的裂紋形貌判斷該裂紋為折疊裂紋。 在 斷 口 附 近 取 金 相 試 樣 分 析,裂 紋 深 度 約 為 0.3mm。從裂紋微觀形貌來看,裂紋開裂部位由表 及里,裂紋與表面約成45°,裂紋開口處及兩側存在 氧化脫碳現象,證實為原材料表面折疊裂紋[1]。鋼 材在鋼廠熱軋成盤條后供鋼絲加工廠進行冷拔、淬 火回火熱處理制成油淬火鋼絲。裂紋開口處的氧化 脫碳說明裂紋在鋼絲淬火加熱前就存在了。因鋼絲 淬火加熱時間較短,故氧化脫碳較輕微。裂紋應在 鋼材軋制過程中產生,而與鋼絲拉拔廠的后續加工 過程無關。鋼絲廠生產線中無渦流探傷設備未能檢 出有裂紋缺陷的鋼絲,造成不良產品的流出。 追溯分析引起材料表面折疊裂紋的原因,供應 商分析確認是由于導輥卡死和異常磨損,進口導衛 扶持不住,軋件發生扭轉,在孔型中發生單邊過充滿 導致的折疊缺陷。 該彈簧表面由于存在折疊缺陷而造成應力集 中,加上該彈簧為高強度彈簧鋼絲,對應力集中敏感 性較強,在交變載荷作用下,折疊裂紋尖端的延伸部 分成為疲勞裂紋源并不斷擴展,從而造成彈簧早期 疲勞斷裂[2]。 

3 結論及建議 

該氣門彈簧發生早期疲勞斷裂的原因是材料表 面存在折疊裂紋缺陷,而該折疊缺陷是在原材料軋 制過程中產生的。在變載荷作用下,折疊裂紋尖端 的延伸部分成為疲勞裂紋源并不斷擴展,從而造成 彈簧早期斷裂失效。 

來源：材料與測試網