65Mn钢是一种使用广泛的弹簧钢，该钢的碳含量高，具有强度高、淬透性好、硬度高、脱碳倾向小、切削加工性能好及价格低廉等优点，但也有过热敏感性、易产生淬火裂纹、回火脆性等缺点。65Mn钢在紧固件行业用途较广，主要用于生产各类弹性垫圈、弹性圆柱销以及一些挡圈等弹性元件。
某规格为M16的螺母与锥形垫圈组合产品中的螺母材料为40CrNiMoA钢，锥形垫圈材料为65Mn钢，螺母和垫圈表面均经过达克罗处理，在装配过程中，多件锥形垫圈出现断裂现象。研究人员采用宏观观察、化学成分分析、扫描电镜(SEM)分析、金相检验、硬度测试等方法分析了垫圈断裂的原因，以避免该类问题再次发生。
1、 理化检验
1.1 宏观观察
从多件断裂的锥形垫圈中随机选取1件垫圈，该垫圈宏观形貌如图1所示。
垫圈与螺母为组合件，断裂部位在垫圈支撑面上。垫圈表面至少6处存在明显裂纹，断裂垫圈部分脱落；六方扳拧处存在表面达克罗涂层损伤和脱落；随机选取2个断口观察，其断面均呈银灰色，未见腐蚀现象，断面存在较多的闪光小刻面，未见明显宏观塑性变形痕迹。
1.2 化学成分分析
在锥形垫圈断口附近取样，去掉达克罗涂层后对试样进行化学成分分析，采用碳硫仪分析C、S元素，用光谱仪分析其余元素，结果如表1所示。由表1可知：断裂垫圈的化学成分符合 GB/T 1222—2007《弹簧钢》的要求。
1.3 扫描电镜分析
在断口1和断口2处截取试样，将其置于扫描电镜下观察，结果如图2所示。由图2可知：二者断口形貌相似，断口处可见大量沿晶+少量韧窝+少量二次裂纹，未见放射棱线和鸡爪痕等氢脆特征。
1.4 金相检验
在断口处取样，依据GB/T 13298—2015《金属显微组织检验方法》制备金相试样，经镶嵌、磨制及抛光后，选用体积分数为4%的硝酸乙醇溶液腐蚀试样，将金相试样置于光学显微镜下观察，结果如图3所示。由图3可知：垫圈表面存在多条显微裂纹，深度约为0.007mm，未见对力学性能影响较大的非金属夹杂物，显微组织为回火屈氏体，未见过热过烧、脱碳等缺陷。
1.5 硬度测试
断裂垫圈规格较小，无法进行洛氏硬度测试，只能进行维氏硬度测试，参照GB/T 4340.1—2009《金属材料 维氏硬度试验 第1部分：试验方法》进行试验，试验载荷为294.2N，保载时间为15s，3点实测值分别为 540，548，546HV，平均值为545HV，即52HRC，依据GB/T 1172—1999《黑色金属硬度计强度换算值》，可知结果超出垫圈标准值。
2、 综合分析
断裂垫圈支撑面受力部位的表面涂层存在损伤，支撑面表面有多条裂纹，裂纹从支撑面沿厚度方向延伸。宏观断口呈亮灰色，存在较多闪光小刻面，未见腐蚀色彩和塑性变形痕迹；微观断口可见大量沿晶+少量韧窝+少量二次裂纹；垫圈支撑面表面存在深度约为0.007mm的微裂纹，显微组织为回火屈氏体，未见脱碳及过烧现象；垫圈硬度超出42~50HRC标准值要求。
通常氢脆、应力腐蚀、液态金属致脆、过烧及回火脆性引起的断口大多呈沿晶断裂特征。显微组织未见过烧现象，排除过烧问题；断口表面未见腐蚀形貌，排除应力腐蚀的影响；锥形垫圈和螺母表面的处理方式均为达克罗处理，不存在低熔点金属，如镉等，排除液态金属致脆原因；垫圈断口晶面未见鸡爪痕和撕裂棱等典型氢脆特征，同时垫圈表面处理方式为达克罗，未进行电镀处理，可排除氢脆影响。常规检测手段难以判断回火脆性，人工打断断口分析对回火脆性判断至关重要。为进一步确认断裂锥形垫圈是否存在回火脆性，人工打断同批完好垫圈，观察其断口形貌是否与断裂垫圈一致。人工断口宏观形貌和SEM形貌如图4所示。
人工打断断口宏观存在大量闪光小刻面，微观可见大量沿晶+少量韧窝+少量二次裂纹，晶面干净，未见鸡爪痕及撕裂棱，与装配断裂垫圈断口形貌一致，因此判定该批锥形垫圈存在回火脆性，导致安装断裂。
表2为65Mn钢的常用淬火、回火制度，结合安装断裂垫圈的硬度，可知该批65Mn钢锥形垫圈的回火温度应小于350℃，正好处于65Mn钢的第一类回火脆性温度区，导致该批次垫圈存在回火脆性。微量杂质元素是造成回火脆性的最根本原因，其扩散并偏析到晶界和界面处，降低了界面的键合能。由于垫圈硬度超出标准要求，导致塑性较差，且支撑面表面存在微裂纹，在外部较快的安装速率下，微裂纹受冲击作用沿晶界薄弱处延伸，直至断裂。
选取同批完好垫圈，去掉达克罗涂层后，对其进行再回火验证。对再回火后的垫圈进行硬度测试及人工断口分析，具体硬度试验结果如表3所示。人工打断断口的宏观及SEM 形貌如图5所示。
再回火后该批垫圈硬度降至476HV，换算成洛氏硬度为47.5HRC，满足该批锥形垫圈标准值42~50HRC的要求。再回火后人工断口宏观及SEM形貌如图5所示。由图5可知：再回火后人工断口为灰白色，未见明显亮刻面，微观主要为韧窝形貌，消除了沿晶特征。
3、 结论及建议
(1)65Mn钢锥形垫圈安装断裂的性质为沿晶脆性断裂。造成断裂的主要原因为热处理回火制度选取不当，造成在第一类回火脆性区回火，产生了回火脆性；垫圈硬度超出标准要求，进一步增加了脆性风险；在较高的安装速率下，垫圈表面微裂纹受冲击作用而沿晶界薄弱区延伸，直至断裂。
(2)建议将65Mn钢锥形垫圈的回火工艺温度调整为360~410℃，保温2h油冷，避开回火脆性区。在保证标准要求的前提下，尽量降低垫圈的硬度，以提升韧性；必要时可增加韧性试验，降低安装断裂风险。
作者：许永春1，程全士1，沈鹏1，窦建伟1，杨保建1，时杭2，黄帅2，王冉2
单位：1.航天精工股份有限公司；
2.河南航天精工制造有限公司
来源：《理化检验-物理分册》2023年第12期
来源：《理化检验-物理分册》
关键词：
垫圈
65Mn钢
