65Mn弹性挡圈脆断及热处理工艺优化

徐 磊，杨 健，汪迪坤，王桢楠，韩和兵

(中国电子科技集团公司第二十一研究所，上海 200233)

0 引 言

弹性挡圈也叫卡簧，分为轴用弹性挡圈和孔用弹性挡圈，安装于槽轴上，用于固定零部件的轴向运动。这类挡圈的内径比装配轴径稍小，安装时需用卡簧钳钳嘴插入挡圈的钳孔中，压缩挡圈，才能放入预先加工好的轴槽上。但在电机装配过程中发现，65Mn弹性挡圈存在脆断问题，稍一用力，即发生断裂，影响装配进度[1]。本文对发生脆断问题的65Mn弹性挡圈进行归类，并对其进行硬度测试，如表1所示。

表1 7个不同规格弹簧挡圈的硬度

硬度测试发现，只有17 mm规格的65Mn弹性挡圈硬度较低，硬度值为44.5 HRC，随机对此种规格的65Mn弹性挡圈进行取样，取样数×10个，进行现场试装，测试其是否拥有较好的弹性。经过试装，17 mm规格的65Mn弹性挡圈10个试样全部合格，该规格所有试样均具有良好的弹性，且均未产生断裂或裂纹。

另随机抽取10个22 mm规格的65Mn弹性挡圈进行试装测试。试装时，有4个挡圈试样发生断裂，具体断裂情况如图1所示。

图1 断裂挡圈断裂位置

取断裂的挡圈试样与未断裂的挡圈试样进行硬度测试，断裂挡圈硬度为58 HRC，未断裂挡圈硬度为53.5 HRC，可以说明挡圈的脆断与挡圈的硬度有关。

1 65Mn弹性挡圈的应力分布

按照GB/T 894-2017轴用弹性挡圈国家标准规定的20 mm弹性挡圈尺寸进行建模。依据弹性挡圈试装时的受力情况，进行不同变形量的静态力学模拟仿真，以挡圈的两个小孔中的一个为固定点，另外一个小孔向固定的小孔分别位移0.5 mm、1 mm、1.5 mm、2 mm、2.5 mm、3 mm作为边界条件，计算不同变形状态下的弹性挡圈纯弹性变形时的应力分布[2]，具体应力分布图如图2～图7所示。

图2 形变量为0.5 mm下，挡圈的应力分布

图3 形变量为1.0 mm下，挡圈的应力分布

图4 形变量为1.5 mm下，挡圈的应力分布

图5 形变量为2.0 mm下，挡圈的应力分布

图6 形变量为2.5 mm下，挡圈的应力分布

图7 形变量为3.0 mm下，挡圈的应力分布

从不同变形量的应力分布图可以看出，65Mn弹性挡圈弹性测试时应力主要集中在三个区域，变形量不断增大，弹性挡圈受到的最大应力也不断增大，不同变形量下弹性挡圈受到的最大应力如表2所示。

表2 不同形变量下，20 mm弹性挡圈承受的最大应力

从65Mn弹性挡圈的应力仿真结果可以看出，在测试弹性的过程中给的变形量不同，挡圈所承受的应力差异巨大。从装配过程来看，在测试65Mn弹性挡圈弹性时，20 mm挡圈变形量最小也会大于3 mm，此时挡圈所承受的应力值已经远超过其强度极限，挡圈在应力集中处断裂应属过载过大断裂。从4个断裂挡圈的断裂位置图也可以看到，挡圈的断裂位置均为应力集中的三个区域。同样的测试过程还有7个挡圈未断裂，从硬度测试结果看，未断裂挡圈硬度稍低，对应其屈强比会有所降低，表现为有一定的塑性变形能力。因此在进行弹性能测试施加应力的过程中，应力首先超过其屈服强度，造成挡圈发生一定量的塑性变形，塑性变形会引起变形区域的局部强化且会引起应力的自适应调整，而计算与仿真是无法仿真出材料发生塑性变形后的应力大小与分布的。硬度较高的挡圈更容易断裂，是由于其屈强比高，当其所承受的应力稍微超过其屈服应力时，此应力也非常接近其所承受的最大应力，由于微观结构上的差异，如点缺陷、线缺陷、面缺陷，而产生裂纹，在巨大应力作用下，裂纹迅速扩张，造成断裂失效。

从静态力学仿真结果与65Mn材料的力学性能看，20 mm规格的65Mn弹性挡圈最大变形量不超过1.5 mm。如果超过此变形量，仅从弹性变形计算来看，挡圈承受的应力会超过其强度极限而断裂失效。

据此可以判断，65Mn弹性挡圈在测试过程中出现断裂的主要原因有：材料硬度过高，造成屈强比高，导致材料基本没有塑性变形能力，在施加载荷过程中，无法通过塑性变形自适应调整自身应力分布，造成局部应力过载而发生断裂。

2 65Mn弹性挡圈热处理工艺优化

针对65Mn弹性挡圈硬度过大的问题，本文采用热处理方法对该材料进行调质。加工65Mn弹性挡圈往往采用淬火+回火热处理工艺：840 ℃/10 min→油焠→340 ℃/(1～2)h。回火热处理过程中由于温度较低，箱式热处理炉在加热过程中仅依靠炉底与炉膛内空气进行热量传导，速度较慢。而65Mn弹性挡圈又直接堆积在炉膛内，因此会造成有效加热时间长短不一[3]，回火保温时间对65Mn弹性挡圈的硬度和弹性有着直接影响，影响关系如图8所示。

图8 65Mn挡圈回火保温时间和硬度的关系曲线

高温淬火后，65Mn挡圈的硬度为62 HRC。回火30 min后，硬度降为57 HRC，随着回火温度时间的延长，65Mn的硬度也不断下降。但是当回火温度延长至120 min后，硬度降低至45 HRC，继续延长回火时间，硬度变化趋于水平。考虑到工件加热时为堆放状态，因此65Mn弹性挡圈的热处理工艺修改为：(840 ℃±10 ℃)/(10～30)min+油淬+(340 ℃±10 ℃)/(180±10)min，硬度为44 HRC～50 HRC。

对比新旧工艺处理后的65Mn弹性挡圈的金相图谱如图9所示。

图9 新旧工艺处理的65Mn弹性挡圈金相图

原有工艺处理后的部分65Mn弹性挡圈金相以回火马氏体为主，表面部分区域存在微裂纹，说明原工艺回火效果不佳，淬火应力与相变应力未完全去除。优化工艺处理后的65Mn弹性挡圈金相表面存在黑色碳析出物，金相由马氏体转变为回火屈氏体，应力去除效果较好，证明优化后的工艺有效。

3 结 语

65Mn弹性挡圈材料硬度过高，造成屈强比高，导致材料基本没有塑性变形能力。在施加载荷过程中，无法通过塑性变形自适应调整自身应力分布，造成局部应力过载而发生断裂。通过优化热处理工艺，延长回火保温时间，可以将弹性挡圈的金相转变为回火屈氏体，有效降低材料硬度，提升材料韧性，减少装配工作中65Mn弹性挡圈的脆断问题。