60Si2Mn制作汽车板簧工艺分析.doc

江苏大学 金属材料学 金属090160Si2Mn钢制作汽车钢板弹簧工艺分析班级：金属0901 学号：3090702015 姓名：刘凯凯题目：汽车钢板弹簧在汽车行驶过程中承受各种应力作用，其中以反复弯曲应力为主，绝大多数是疲劳破坏。而且，同样材料处理是否正确，其寿命相差也很大。某汽车钢板弹簧的主要性能要求为：Rp0.21150Mpa，Rm1280Mpa，A105%，Z20%。（1）在下列材料中选择合适的钢号：20Gr、40GrNiMo、60Si2Mn、65Mn；（2）对所选材料进行成分、组织、性能分析；（3）制定合理的热处理工艺，并作分析；（4）分析影响板弹簧寿命的主要因素；1.汽车钢板弹簧的服役条件：汽车在行驶过程中承受各种应力作用(车厢重物载荷），以因路面不平而导致的反复弯曲应力为主。绝大多数失效方式是疲劳断裂和由于应力松弛产生永久性塑性变形。弹簧在工作时承受交变应力和振动，不能有永久变形。因此，弹簧应有高的弹性极限以及稳定的高屈强比。良好的塑韧性配合及高的疲劳抗力。其次，因为弹簧工作时表面承受的应力为最大，所以弹簧应具有良好的表面质量。表面不允许有裂纹、夹杂、折叠、严重脱碳等，这些表面缺陷往往会成为应力高度集中的地方和疲劳裂纹源，显著地降低弹簧的疲劳强度。并且弹簧钢的材质也高于一般的工业用钢。应具有良好的冶金质量和组织均匀性，要严格控制材料内部缺陷。2.材料的技术要求以及所选材料的性能分析由题目中的要求可以看出性能要求：Rp0.21150Mpa，Rm1280Mpa，A105%，Z20%。各材料性能分析：(1)20Cr:低淬透性钢，无回火脆性；钢的冷应变塑性高，可在冷状态下拉丝；可切削性在高温正火或调质状态下良好，但退火后较差；这种钢大多用于制造心部强度要求较高，表面承受磨损、截面在30mm以下的或形状复杂而负荷不大的渗碳零件(油淬)，如：机床变速箱齿轮、齿轮轴、凸轮、蜗杆、活塞销、爪形离合器等；对热处理变形小和高耐磨性的零件，渗碳后应进行高频表面淬火，这种钢还可用作低碳马氏体淬火用钢，更进一步增加钢的屈服强度和抗拉强度(约增加1.51.7倍)。（2）40CrNiMo：高淬透性调质合金钢有高的强度、韧度和良好的淬透性和抗过热的稳定性，但白点敏感性高，有回火脆性。焊接性较差，焊前需经高温预热，焊后需消除应力，经调质后使用。一般制作强度高、塑性好的重要零部件，氮化处理后制作特殊性能要求的重要零件，如轴类、齿轮、紧固件等。（3）65Mn：锰提高淬透性，12mm的钢材油中可以淬透，表面脱碳倾向比硅钢小，经热处理后的综合力学性能优于碳钢，但有过热敏感性和回火脆性。用作小尺寸各种扁、圆弹簧、座垫弹簧、弹簧发条，也可制作弹簧环、气门簧、离合器簧片、刹车弹簧及冷拔钢丝冷卷螺旋弹簧。（4）60Si2Mn合金弹簧钢是应用广泛的硅锰弹簧钢，强度、弹性和淬透性高。60Si2Mn合金弹簧钢适于铁道车辆、汽车拖拉机工业上制作承受较大负荷 60Si2Mn弹簧钢的扁形弹簧或线径在30mm以下的螺旋弹簧、板簧也适于制作工作温度在250 以下非腐蚀介质中的耐热弹簧以及承受交变负荷及在高应力下工作的大型重要卷制弹簧。不同材料经普通热处理后性能对比：材料含碳量（%）抗拉强度（Mpa）屈服强度（Mpa）断面收缩率（%）断后伸长率（%）20Cr0.180.24 835540401040CrNiMo0.370.44980835551260Si2Mn0.560.61274117625 5 65Mn0.620.70825925 520690不大于10 1422.5 由以上的分析可得材料应选：60Si2Mn60Si2Mn成分：C：0.560.64；Mn：0.600.90；Si：1.502.00；Mn主要是提高淬透性，Si提高弹性极限；60Si2Mn: Si、Mn复合，强化F， e，s/b可达到0.80.9； Si / Mn 淬透性，Ms稍,开裂倾向小； Si有效回稳性，但脱C倾向； Si、Mn复合，脱碳和过热敏感性较硅钢，锰钢为小。3.热处理工艺制定一般汽车钢板弹簧的加工路线是：供料（热轧扁钢） 下料机加工(切角 、钻孔)校直卷耳淬火中温回火喷丸检验。在材料选定以后 ,关键是控制热处理工艺。典型的工艺是淬火加中温回火，得到回火托氏体组织。具有一定的冲击韧度，较高的弹性极限、屈强比和最高的疲劳强度。大型厂家一般采用机动弯片,取加热温880左右,弯片时温度可下降2030 ,即淬火温度为840870,保温时间控制在25min (根据厚度不同),弯片后连同弯片夹具一起在5号机油中冷却 ,且使淬火夹具在油中摇摆 .油温在2080之间,摇摆时间约lmin ,淬火后硬度达60HRC左右,金相组织为不大于5级马氏体。弯片淬火后,曲度弧度应符合要求 ,不允许有裂纹,单边脱碳不大于2%。板簧淬火后应立即进行中温回火，以防因淬火应力引起自裂，一般采用500左右。保温30min以上，出炉后淋水冷却，以防回火脆性。回火后金相组织为托氏体。在回火组织中渗碳体细小分布在相。且已经回复内应力也已经大大降低。另外，淬火时采用不同的奥氏体化温度配合不同的回火温度对60Si2Mn钢的马氏体形态有不同的影响。随着加热温度的提高60Si2Mn钢的淬火马氏体形态发生明显变化。加热温度低于860时淬火组织以片状马氏体为主，加热温度高于880时。淬火组织以板条马氏体为主。且随温度提高，板条数量逐渐增多板束的尺寸逐渐长大，同时。残留奥氏体量也随温度提高而增多。马氏体的不同形态会对热处理后的塑性韧性都产生不同的影响，控制适当的奥氏体化温度，保温时间，配合不同的回火温度可以对材料的组织和性能产生不同的影响。有两种方法：（1）910左右奥氏体化短时保温，使奥氏体不均匀，可以得到部分板条马氏体，采用460左右回火处理。（2）870左右奥氏体化，520左右回火处理。都可以得到优良的含有部分片状马氏体组织，使塑性韧性提升，并且不影响屈强比，可以提高工件使用寿命。还有一些热处理新工艺：快速加热短时保温快速加热是一种高效、优质、低耗的热处理新工艺; 同时, 针对60Si2Mn 板簧钢在热处理过程中的表面氧化、 脱碳现象, 采取木炭包埋保护, 减少其在加热和保温过程中的脱碳倾向, 对提高弹簧表面硬度效果明显。4. 影响板簧寿命的主要因素已及改进方案：(1)汽车钢板弹簧在长期的交变应力作用下，会有松弛，疲劳断裂等早期失效。应力松驰会产生微量的永久变形。松驰热处理可消除这一缺点，其处理方法是预先加上一个超过其工作荷的变形量弹性变形，然后固定起来加热，稍高于工作温度，保温8到24h，在此处理过程中，板簧预先发生了应力松驰和永久变形，使以后在工作中的松驰现象大为减轻，从而达到尺寸稳定的目的 。提高热处理后板簧的疲劳寿命,主要是要改善板簧的表面状态。广泛采用 的办法是喷丸处理,使表层发生塑性变形,处于压应力状态,从而减轻板簧表面的各种缺陷和应力集中地区对疲劳寿命的影响,提高板簧寿命。如果对板簧按其工作条件预先施加拉 (或压)应力,再进行喷丸处理则效果更好。如下表是大型厂将板簧加热至930 轧制 ,使之有18 %的变形量,然后淬火,并在650 快速回火后所获得的力学性能与普通热处理所获得的力学性能比较。理与普通热处理后力学性能比较。由上表的数据分析可以看出，经过形变热处理以及高温快速回火工艺处理的60Si2Mn钢的综合力学性能和寿命都相比普通淬火工艺有大幅度的提高，所以，这种方法可以作为改善板簧性能的途径。(2)提高热处理后板簧的疲劳寿命主要是改善板簧的表面状态 。广泛采用的办法是喷丸处理，使表层发生塑性变形，处于压应力状态，从而减轻板簧表面的各种缺陷和应力集中地区对疲劳寿命的影响，提高板簧寿命 。如果对板簧按其工作条件预先施加拉或压应力，再进行喷丸处理则效果更好。(举例如下图) 疲劳强度（MPa） 板厚（mm）未喷丸喷丸应力喷丸1339047080011350700850由上表分析可以看出：经过表面喷丸处理后工件的疲劳强度有大幅度提高，所以这也可以作为板簧寿命提高的有效途径。结束语：汽车板簧是汽车的重要部件，各种不同的正在热处理工艺不断的开发与应用以提高材料的综合性能。不同的条件下材料的选择也不相同，选择适当的材料进行适当的热处理以及不同加工工艺可以提高零件的使用寿命，零件使用寿命的提高就是零件循环周期的拉长，这也是对当前面临的坏境与能源冲突解决的一个良策，是作为材料工作者追求的目标之一。相信材料发展将不断的配合坏境保护的需求