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汽车座椅用骨架钢丝断裂失效研究
发布时间：
2022-12-01
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144
摘要：汽车座椅用骨架钢丝的质量是影响汽车行驶过程中人生安全的重要因素。采用成分、维氏硬度、金相组织对正常钢丝以及异常断裂钢丝进行对比分析，并采用扫描电镜对异常断口形貌进行研究。结果表明异常断裂钢丝成分未有明显异常，异常断裂钢丝硬度偏高，回火马氏体晶粒度偏大，断口形貌显示为沿晶断裂。结合工艺综合分析钢丝断裂的原因是加热温度过高形成的粗大回火马氏体导致。
关键词：65Mn、断裂、金相组织、回火马氏体
随着汽车行业的日益发展，消费者对汽车行驶安全性愈加重视。汽车座椅中的主骨架钢丝是支撑座椅安全性的重要零部件，性能的可靠性对行驶安全有重要影响。若行驶过程中或紧急制动情况下，座椅骨架钢丝发生异常断裂现象，对驾驶人身体安全有极大的威胁。
座椅用骨架钢丝一般采用拉拔钢丝进行淬回火工艺以获得回火马氏体组织，具有高强度高韧性的特点，表面涂塑防腐后进行组装。本文主要对某汽车零配件公司生产的骨架钢丝异常断裂现象进行研究，通过研究发现异常断裂原因，结合实际生产工艺指出失效主要原因，为产品工艺优化提供方向。
1 实验分析用材料
实验用骨架钢丝材质为65Mn，钢丝直径2.50mm，热处理强度等级为1670MPa。主要工艺为油淬火回火处理，成品表面涂塑。
1#样品钢丝折弯时未发生断裂，2#样品钢丝折弯时发生异常断裂，如图1所示。
（a）1#正常钢丝 （2）2#异常断裂钢丝
图1 骨架钢丝正常样品以及异常断裂样品
2 实验分析方法
采用化学分析法对该两种钢丝进行成分分析；采用维氏硬度硬度检测对比，载荷10KG，每根钢丝测试5个点，取均值进行对比；采用倒置式金相显微镜对组织对比，并采用SEM对异常断裂钢丝断口形貌进行分析。
3 实验过程分析
3.1 化学成分、硬度以及组织对比分析
化学分析法对两种钢丝进行对比分析，检测结果差异性不明显，并与GB/T18983标准进行对比，未见明显异常。结果表明该钢丝断裂失效并不是成分导致，具体检测结果如表1所示。
表1 钢丝成分对比分析
|
样品编号 |
C（%） |
Si（%） |
Mn（%） |
P（%） |
S（%） |
|
标准参考值 |
0.62~0.70 |
0.17~0.37 |
0.90~1.20 |
≤0.035 |
≤0.035 |
|
1 |
0.63 |
0.22 |
0.97 |
0.010 |
0.004 |
|
2 |
0.64 |
0.22 |
0.96 |
0.010 |
0.005 |
硬度测试略有差异，1#样品硬度相对2#偏低。说明异常断裂钢丝与正常钢丝存在组织差异性，导致硬度值偏高，韧性偏低现象。检测结果见表2。
表2 硬度对比
|
测试点 |
HV硬度 |
|
|
1# |
2# |
|
|
1 |
496 |
497 |
|
2 |
498 |
517 |
|
3 |
501 |
529 |
|
4 |
503 |
527 |
|
5 |
507 |
510 |
|
平均 |
501 |
516 |
金相分析显示两个样品组织均为回火马氏体。2#断裂样品组织相对粗大。如图2所示。
（a）1#正常样品 （b）2#异常断裂样品
图2 断口附近金相组织
3. 2 异常断口形貌分析
从断口显微组织观察结果可以看出，断口整体显示脆性断裂，如图3所示。断口的形貌分为 3 个部位。断口表面是沿晶形貌，近表面是韧窝+少量沿晶，芯部是沿晶形貌；而沿晶脆性断裂，金属学理论通常认为晶界是强化因素，即晶界的键合力高于晶内，只有在晶界被弱化时才会产生沿晶脆断。通常情况下造成晶界弱化的基本原因有两方面，一是材料本身的原因 ，另一方面是环境介质或高温的促进作用。化学成分检测的结果看，失效件的成分符合要求，可以排除原材料材质使用不当引起断裂的因素；失效件内部的金相组织为回火马氏体，但是断口位置的组织是粗大的回火马氏体，而非断口的样品的组织是细小的回火马氏，理论上，组织应该全是细小的马氏体。可以判定骨架钢丝断裂的性质是热处理工艺不当导致的脆性断裂。
图3 2#断口形貌
3.3 分析与讨论
骨架钢丝热处理的工艺为加热、淬火、回火。由于65Mn钢种具有淬透性好的同时，易产生淬火裂纹、回火脆性及冷变形塑性低的缺点 [1-2]。从失效样件看，断裂都发生在弯曲的位置，断口形貌为是脆性的沿晶断口。通过对比金相组织可以发现，断裂样品的组织是粗大晶粒的回火马氏体，分析粗大晶粒会增加钢丝的脆性，从而在变形过程中发生沿晶断裂。马氏体原始组织为奥氏体，奥氏体大小决定于淬火前温度、保温时间。淬火温度高、保温时间长、淬火冷却速度过低都可能导致组织粗大。分析如果淬火速度低影响了马氏体的大小，由于有充分的时间使原子发生扩散，金相中应会有除了回火马氏体以外的组织，如铁素体组织、珠光体等[3]，而实际组织全部为回火马氏体，与此不符合，可以排除该因素。剩余的因素与加热炉温度与保温时间有关。加热温度过高，则奥氏体晶粒会显著粗大，淬火后得到的马氏体晶粒也较粗大[4] 。结合以上分析，可以得出，导致钢丝断裂的原因是加热温度过高形成的粗大回火马氏体导致的。
4 结论
靠背座椅用骨架主钢丝异常断裂样品为为脆性的沿晶断裂，主要原因为加热问题过高，奥氏体晶粒显著粗大，形成的粗大回火马氏体导致的。可从加热工艺改善出发，控制加热温度和在炉时间，从而控制马氏体的晶粒度，减弱弯曲时脆性断裂倾向。
作者简介：
张晓，1973年，江阴泰阳成索业有限公司，工程师
束晨阳，1993年，法尔胜集团有限公司，助理工程师
参考文献
[1]孙晓燕，席守谋，张建国.65Mn钢带断裂失效分析[J].热加工工艺.2005（9）：64-65
[2] 顾雪波，许涛，熊华，等．65Mn钢波形垫圈断裂分析[J]．失效分析与预防．2008(4)：55—59
[3] 李炜新.冷却速度对65Mn钢过冷奥氏体组织转变的影响[J].材料热处理技术.2008（5）：76-79
[4]朱晓东.淬火加热温度对65 Mn硬度的影响[J].成都大学学报（自然科学版）.2012（9）：274-275
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