哈工大熱處理原理及工藝大作業(yè)-螺旋彈簧熱處理

1、螺旋彈簧的熱處理工藝研究By：黃嬌平、張孟孟、姚綿懿、馬玉平、高雪、劉芳1 1. .分類分類2 2. .服役條件服役條件、失效方式和性能要求、失效方式和性能要求3 3. .零件用材料零件用材料4 4. .加工工序加工工序和熱處理工藝和熱處理工藝5 5. .質(zhì)量檢查事項(xiàng)和方法質(zhì)量檢查事項(xiàng)和方法6 6. .熱處理缺陷及解決方法熱處理缺陷及解決方法目錄1.分類1 1）按工作時(shí)受載荷的特性不同）按工作時(shí)受載荷的特性不同壓縮彈簧、拉伸彈簧和扭轉(zhuǎn)彈簧壓縮彈簧、拉伸彈簧和扭轉(zhuǎn)彈簧。2 2）按制作方）按制作方法法冷成形彈簧和熱成形彈簧。冷成形彈簧和熱成形彈簧。螺旋彈簧：即用彈簧鋼絲繞制成的螺旋狀彈簧。廣泛應(yīng)螺

2、旋彈簧：即用彈簧鋼絲繞制成的螺旋狀彈簧。廣泛應(yīng) 用于各類機(jī)械設(shè)備、儀器儀表等。用于各類機(jī)械設(shè)備、儀器儀表等。1.分類壓縮螺旋彈簧扭轉(zhuǎn)螺旋彈簧拉伸螺旋彈簧2.服役條件、失效方式和性能要求服役服役條件條件應(yīng)力狀態(tài)應(yīng)力狀態(tài)工作環(huán)境工作環(huán)境彈性范圍內(nèi)工作交變載荷條件下長期工作一般為常溫，部分工作于高溫或低溫下長期工作部分與腐蝕介質(zhì)下工作2.服役條件、失效方式和性能要求失效失效方式方式斷裂失效斷裂失效應(yīng)力松弛應(yīng)力松弛（變形）（變形）應(yīng)力腐蝕斷裂：應(yīng)力腐蝕斷裂：拉伸應(yīng)力+腐蝕介質(zhì)脆性斷裂：脆性斷裂：低溫、沖擊疲勞斷裂：疲勞斷裂：交變應(yīng)力腐蝕疲勞斷裂：腐蝕疲勞斷裂：交變應(yīng)力+腐蝕介質(zhì)：高溫、長期恒應(yīng)變一般忽

3、略2.服役條件、失效方式和性能要求性能性能要求要求力學(xué)性能力學(xué)性能 3、高的冶金質(zhì)量 1、高的彈性極限、屈服極限 2、高的疲勞強(qiáng)度、良好的抗應(yīng)力松弛性能理化性能理化性能工藝性能工藝性能2、較高的低溫沖擊韌度、較低的脆性轉(zhuǎn)化溫度1、良好的耐熱性、耐腐蝕性3、高導(dǎo)電、無磁性、不產(chǎn)生火花或恒彈性等1、相應(yīng)的淬透性，較小的過熱敏感 性和表面脫碳傾向小 2、足夠的塑形和良好的彎曲、扭轉(zhuǎn)及纏繞性能3.零件用材料彈簧鋼常見的是碳素彈簧鋼和合金彈簧鋼一、碳素彈簧鋼1、含碳量：0.8%C-0.9%C 含碳量較高，以保證高的彈性極限和疲勞極限。 淬透性差，抗應(yīng)力松弛性能不好，耐蝕性差，彈性模量溫 度系數(shù)大2、代表

4、鋼種：85等。二、合金彈簧鋼1、含碳量：0.45%C-0.7%C2、主加元素：Si, Mn 提高淬透性 提高鋼的彈性極限 提高鋼的回火穩(wěn)定性 Si促進(jìn)鋼的石墨化傾向，并使鋼在加熱時(shí)易于脫碳 Mn增加鋼的過熱敏感性3、輔加元素：Cr, W, V等 主要是為了克服Si, Mn帶來的缺點(diǎn) Cr還可進(jìn)一步提高淬透性，W, V等提高回火穩(wěn)定性4、代表鋼種：50CrVA、60Si2Mn等3.零件用材料4.加工工序和熱處理工藝成型方法 冷成形：強(qiáng)化后成形。 適用于小型彈簧熱成形：成形后強(qiáng)化。 適用于大型彈簧4.加工工序和熱處理工藝1) 加工工序鋼材軋制中間熱處理（退火、或正火或焙燉處理）冷拉油淬火+鉛浴回火

5、卷簧去應(yīng)力退火磨平端面、倒角噴丸處理精磨端面拋光涂防銹油、成品檢驗(yàn)冷成型典型實(shí)例50CrVA2）化學(xué)成分3）熱處理工藝4.加工工序和熱處理工藝a.完全退火T：830840（Ac3+2030）升溫速度：100200/h保溫時(shí)間：=8.5+Q/4(Q為裝爐量)冷卻速度：100/h，隨爐緩冷至 600，后空冷組織：先共析F+P4.加工工序和熱處理工藝b.淬火-鉛浴回火T：880900，細(xì)化晶粒配合電接觸 加熱可達(dá)1000攝氏度保溫時(shí)間：=515min冷卻介質(zhì)：循環(huán)油冷，油溫在4070組織：勻細(xì)板條M4.加工工序和熱處理工藝油淬火-回火彈簧鋼絲熱處理生產(chǎn)線布置簡圖4.加工工序和熱處理工藝淬火馬氏體淬火

6、馬氏體組織組織（細(xì)條狀的碳化物）（細(xì)條狀的碳化物）4.加工工序和熱處理工藝b.淬火-鉛浴回火4.加工工序和熱處理工藝T：400430保溫時(shí)間：回火：30min冷卻介質(zhì)：空冷組織：回火M抗拉強(qiáng)度、斷面收縮率、硬度隨回火溫度的變化曲線4.加工工序和熱處理工藝油淬火回火彈簧鋼絲油淬火回火彈簧鋼絲( 50CrVA) ( 50CrVA) 的金相組織的金相組織a. a. OM OM 組織組織( x 1 000) ( x 1 000) b.TEM b.TEM 組織組織( x45 000)( x45 000)OM組織：碳化物點(diǎn)狀、彌散勻布在鐵素體上TEM組織：板條狀回火馬氏體4.加工工序和熱處理工藝c.去應(yīng)力

7、退火T：380400保溫時(shí)間：=30min冷卻速度：隨爐緩冷組織：回火M（去應(yīng)力退火不改變組織）4.加工工序和熱處理工藝4.加工工序和熱處理工藝 熱成型 適用范圍： 適用于合金彈簧鋼，不適用于碳素彈簧鋼。 圓截面材料直徑大于12mm、矩形截面材料邊長大于10mm、 板厚大于8mm的螺旋彈簧一般采用熱成形法制造。 4.加工工序和熱處理工藝1）成形彈簧鋼材鋼材檢查-切削料-加熱鋼棒，熱卷彈簧-整形-淬火-熱整形-回火-斷面磨削-噴丸處理-探傷-噴漆-檢驗(yàn)-包裝熱成型典型實(shí)例60Si2MnA4.加工工序和熱處理工藝2）化學(xué)成分元素CSiMnCrPS含量0.581.770.790.150.0150.0

8、05材料材料Ac1Ac1Ac3Ac3ArAr1 1Ar3Ar3MsMs卷簧加熱溫度卷簧加熱溫度淬火溫度淬火溫度回火溫度回火溫度60Si2Mn60Si2Mn75575581081070700 0770770260260900-950900-950880880370-430370-4303）加熱和冷卻時(shí)的臨界點(diǎn)和熱加工溫度4.加工工序和熱處理工藝4）兩種熱處理（淬火+回火）工藝定義：彈簧熱卷成形和淬火工藝 分開進(jìn)行，即二次加熱淬 火法。優(yōu)點(diǎn)：彈簧淬火質(zhì)量穩(wěn)定缺點(diǎn)：操作繁雜，能耗多，生產(chǎn) 周期長等。且無保護(hù)氣體 加熱時(shí)鋼材表面脫碳嚴(yán) 重，顯著降低彈簧的疲勞 壽命。a.常規(guī)熱處理4.加工工序和熱處理工

9、藝晶粒尺寸與溫度的關(guān)系熱卷溫度的確定4.加工工序和熱處理工藝3）兩種熱處理（淬火+回火）工藝定義：彈簧熱卷成形和淬火工藝 分開進(jìn)行，即二次加熱淬 火法。優(yōu)點(diǎn)：彈簧淬火質(zhì)量穩(wěn)定缺點(diǎn)：操作繁雜，能耗多，生產(chǎn) 周期長等。且無保護(hù)氣體 加熱時(shí)鋼材表面脫碳嚴(yán) 重，顯著降低彈簧的疲勞 壽命。a.常規(guī)熱處理4.加工工序和熱處理工藝b.成形余熱淬火定義：熱卷、整形、淬火工藝合 并完成，即一次加熱淬 火法。優(yōu)點(diǎn)：減少一次高溫加熱，故表 現(xiàn)氧化脫碳少、節(jié)約能源、 生產(chǎn)率高缺點(diǎn)：必須在短時(shí)間內(nèi)完成卷簧 和整形（尺寸要求），才 能保證溫度不會(huì)降到Ac3 以下。4.加工工序和熱處理工藝60Si2MnA彈簧鋼不同溫度回火

10、保溫90min的顯微組織( a) 370( a) 3700 0C C ( b) 400 ( b) 4000 0C C ( c) 430 ( c) 4300 0C C (d) 460 (d) 4600 0C C回火溫度的確定4.加工工序和熱處理工藝特殊處理：噴丸目的：減輕或消除彈簧表面缺陷（如小裂紋、凹凸、缺口及表面脫碳等）的有害作用，在其表面產(chǎn)生循環(huán)的塑形變形、加工硬化和有益的殘余壓應(yīng)力，從而有效地提高彈簧的疲勞極限和使用壽命。經(jīng)噴（拋）丸處理的彈簧使用壽命可提高一倍以上。4.加工工序和熱處理工藝實(shí)例：對(duì)于直徑為36mm鋼絲制作的中型壓縮彈簧，采用直徑為0.7mm鋼丸噴丸后彈簧表面呈均勻分布的

11、圓形彈坑噴丸后彈簧表面呈均勻分布的圓形彈坑5.質(zhì)量檢查事項(xiàng)和方法1.硬度硬度計(jì)進(jìn)行硬度測試4.力學(xué)性能檢驗(yàn)落錘式?jīng)_擊試驗(yàn)、冷卷彈簧鋼絲應(yīng)作纏繞試 驗(yàn)、彎曲試驗(yàn)、扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)2.金相組織最終熱處理金相組織檢驗(yàn)參見GB3782 3.噴丸質(zhì)量檢驗(yàn)圓柱螺旋彈簧按JB/Z255的具體規(guī)定進(jìn)行檢驗(yàn)5.探傷磁粉探傷、熒光探傷，探后退磁、超聲波探傷6.表面質(zhì)量耐蝕檢驗(yàn)6.熱處理缺陷及解決方法1、硬度異常2、氧化和脫碳3、熱處理裂紋6.熱處理缺陷及解決方法1、硬度異常1）硬度偏低a、加熱溫度偏低或保溫時(shí)間不足 A中碳和合金元素含量不足,殘存未轉(zhuǎn)變P或未溶Fb、加熱溫度過高,或保溫時(shí)間過長 表面脫碳、晶粒粗大2）硬度

12、偏高回火溫度偏低或保溫時(shí)間較短3）同一批次的硬度不均勻工藝、設(shè)備、彈簧堆放方式等6.熱處理缺陷及解決方法1、硬度異常解決方法：解決方法：合合理控制加熱溫度和保溫時(shí)間理控制加熱溫度和保溫時(shí)間, ,且在淬火后要且在淬火后要對(duì)應(yīng)對(duì)進(jìn)行檢查對(duì)應(yīng)對(duì)進(jìn)行檢查, ,防止出現(xiàn)回火硬度。防止出現(xiàn)回火硬度。改箱式電阻爐為網(wǎng)帶爐改箱式電阻爐為網(wǎng)帶爐, ,解決同一批次彈簧的解決同一批次彈簧的硬度不均勻問題硬度不均勻問題6.熱處理缺陷及解決方法2、氧化和脫碳1）氧化鋼中的鐵與介質(zhì)中的氧化合,形成一層氧化鐵皮1）脫碳鋼中的碳與介質(zhì)中的氧作用而形成CO被燃燒掉或是生成非金屬碳化物由于生產(chǎn)中加熱爐以空氣作為介質(zhì),難免含有O2,CO2,HO2(水汽),H2等氣體,因此上述反應(yīng)就會(huì)發(fā)生,產(chǎn)生氧化、脫碳現(xiàn)象,而且加熱溫度越高、保溫時(shí)間越長,氧化脫碳現(xiàn)象就越嚴(yán)重。6.熱處理缺陷及解決方法2、氧化和脫碳解決方法：解決方法：改箱式電阻爐為網(wǎng)帶爐改箱式電阻爐為網(wǎng)帶爐, ,控制簧片加熱溫度和控制簧片加熱溫度和傳送帶速度傳送帶速度( (對(duì)應(yīng)于簧片保溫時(shí)間對(duì)應(yīng)于簧片保溫時(shí)間),),并采用滴并采用滴入丙烷控制爐內(nèi)氣氛等措施入丙烷控制爐內(nèi)氣氛等措施。6.熱處理缺陷及解決方法3、熱處理裂紋熱處理工藝不當(dāng)、工裝