65Mn刹车弹簧热处理工艺设计 - 副本讲解

1、沈阳大学热处理课程设计 概 述本课程设计了65Mn刹车弹簧热处理工艺设计。主要包括淬火、低温回火等过程。在不同阶段，根据需求不同选择恰当方式进行处理，可获得不同的性能要求。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。热处理及冷拔硬化后，强度较高，具有一定的韧性和塑性；在相同表面状态和完全淬透情况下，疲劳极限与合金弹簧相当。关键词：65Mn，淬火，低温回火 目 录概 述11.1课程设计的目的31.2热处理工艺课程设计的任务.31.3课程设计题目3第二部分 课程设计的内容及部分2.1设计要求32.2 65Mn

2、刹车弹簧热处理设计的分析42.2.1工作条件42.2.2失效形式42.2.3性能要求42.3 65Mn材料43、设计说明53.1加工工艺流程53.2具体热处理工艺53.2.1锻造工艺63.2.2 预备热处理工艺73.2.3机械加工83.2.4淬火+低温回火热处理工艺84、分析与讨论105、结束语12参 考 文 献13 第一部分 概述 1.1课程设计的目的 热处理工艺课程设计是高等学校金属材料工程专业一次专业课设计练习，是热处理原理与工艺课程的最后一个教学环节。其目的是： （1）培养学生综合运用所学热处理课程的知识去解决工程问题的能力，并使其所学知识得到巩固和发展。 （2)学习热处理工艺设计的一

3、般方法，热处理设备的选用等。 （3）进行热处理设计的基本技能训练，如计算、工艺图绘制和学习使用设计资料、手册、标准和规范 1.2热处理工艺课程设计的任务根据技术要求，选定相应的热处理方法，制定热处理工艺参数，画出热处理工艺曲线图，分析各热处理工序中材料的组织和性能，选择热处理设备。 1.3课程设计题目 65Mn刹车弹簧钢热处理工艺 二部分 课程设计的内容及步骤2.1设计要求65Mn低合金圆钢必须应具备高的弹性极限和高的屈强比，以避免弹簧钢在高载荷下产生永久变形；同时还要求有良好的淬透性和低的脱碳敏感性，使弹性极限大幅度降低；以及良好的表面质量，在冷热状态下容易加工成形和良好的热处理工艺性。在热

4、状态下成型的弹簧热成型弹簧钢的热处理工艺。用这种方法成型弹簧钢多数是将热成型和热处理结合在一起进行的,而螺旋弹簧钢则大多数是在热成型后再进行热处理。这种弹簧钢的热处理方式是淬火+中温回火,热处理后组织为回火托氏体。这种组织的弹性极限和屈服极限高,并有一定的韧性。2.2 65Mn刹车弹簧热处理设计的分析 2.2.1工作条件 用于冷态金属成型的模具钢称为冷作模具钢，如制造各种冷冲模，冷拉模，冷挤压模的钢种。这类模具工作时的工作温度一般不超过2003002。65Mn钢是我国最常用的冷作模具钢之一，由于其具有硬度高、强度大、热处理时体积变形小等特点，故多用于高负荷、高精度、高寿命的冷变形模具。被广泛用

5、来制造承受负荷大、生产批量大、耐磨性要求高，热处理变形量要求小和形状复杂的零件。2.2.2 失效形式 冷模具钢的主要失效形式有过载时效、磨损失效、咬合失效和疲劳失效四种。 过载失效。模具材料本身承载能力不足以抵抗工作载荷(包括随机波动载荷)作用引起的失效，当材料韧性不足易产生脆断和开裂，当强度不足易产生变形和镦粗失效。冷挤压和冷镦模具易产生此类失效。 磨损失效。模具工作部位与被加工材料之间的摩擦损耗，使工作部位(刃口、冲头)形状和尺寸发生变化引起的失效。对工作表面尺寸和质量要求高的冲裁模、挤压模易产生此类失效。 咬合失效。模具工作部位与被加材料在高压力摩擦下，润滑膜破裂发生咬合-被加工材料“冷

6、焊”到模具表面，引起被加工产品表面质量出现划痕等失效。在拉深、弯曲模及冷挤压模中易发生此类失效。多冲疲劳失效。冷作模具承受的载荷都是以一定冲击速度和能量反复作用，其工作状态与小能量多冲疲劳实验相似。由于材料硬度高，多冲疲劳寿命多在10005000次左右，而且裂纹萌生期占绝大部分，疲劳源和裂纹扩展区不明显。多冲疲劳失效常见于重载模具，如冷挤压、冷镦冲头模具。2.3.3性能要求冷冲模具主要用于完成金属或非金属材料的冷态成型，包括冲裁模、弯曲模、拉深模、挤压模、镦锻模等3。 冲裁模工作部位是刃口，要求工作中刃口不易崩刃，不易变形，不易磨损和不易折断。 弯曲和拉深模用于板材料的成型，工作应力一般不打。

7、拉深模要求工作面保持光洁，不易发生粘附磨损和擦伤；弯曲模初以上要求外，还要求有一定的抗断裂能力。 挤压模和镦锻模主要用于材料体成型，工作应力大，其中挤压模具应力更大。材料在型腔中剧烈变形同时产生热量，模具在反复应力和温度约300环境中工作。要求模具工作时不易变形，不易开裂，不易磨损。 2.3 65Mn材料 锰提高淬透性淬透性，直径12mm的钢材油中可以淬透，表面脱钢倾向比硅钢小，经热处理后的综合力学性能优于碳钢，但有过敏性和回火脆性。用作小尺寸各种扁、圆弹簧，坐垫弹簧、弹簧发条，也可制作弹簧环、气门簧、离合器黄片、刹车弹簧及冷拨钢丝令卷弹卷等。热处理范围：3、设计说明3.1加工工艺流程 65M

8、n刹车弹簧的热加工工艺流程经过许多次改进形成如下的工艺流程: 下料锻造预备热处理退火淬火+低温回火回火消除应力回火。65Mn成分5见表3.1。表3.1 A 的化学成分(质量分数，%)CSiMnCrNiCu0.620.700.170.370.901.200.25 0.30 0.25成分分析：C 可保证形成大量的合金碳化物，淬火加热时，一部分融入奥氏体中，提高其稳定性，同时也使马氏体中的合金元素含量增加，保证其硬度；而未溶的碳化物则起细化晶粒、提高韧性的作用并提高钢的耐磨性。Si能显著提高钢的弹性极限，抗压强度和抗拉强度，提高钢的耐热性和抗腐蚀性。Mn 提高钢韧性、强度、硬度和耐磨性、耐磨性。提高

9、钢的淬透性，改善钢的热加工性能。锰量增高，降低抗腐蚀能力、焊接性能。锰为弱碳化物形成元素。Cr是主要的合金元素，它使钢的淬透性大大增加，提高其回火稳定性，并产生二次硬化现象。铬与碳形成高硬度的碳化物，加热时未溶的碳化物可细化晶粒、提高钢的耐磨性的作用。Ni 在钢中强化铁素体并细化珠光体，提高强度提高屈服强度，减小钢的缺口敏感性，降低钢的低温脆性转变温度。镍加入钢中还可提高耐酸碱性，对大气以及盐都有抗蚀能力，是不锈钢中的主要元素之一。3.2具体热处理工艺65Mn的热处理包括初期的锻造和预先热处理，以减少碳化物的不均匀分布，为后续淬火、回火提供优良的原始组织。65Mn热处理工艺分析：模具钢原材料一

10、般为锻环形材或棒材，其内容组织中碳化物呈沿晶界网状分布，这种组织如果不经过进一步的锻造加工，使用时裂纹容易沿晶界萌生并扩张，降低模具的承载能力，最终导致模具的早期崩裂。通过锻造和随后的球化退火处理，形成均匀，细小，弥散分布的碳化物，改善模具内部的组织条件，尤其是碳化物分布，为最终热处理准备组织条件，避免局部的应力集中产生热处理开裂，同时有助于提高模具的寿命，解决断裂和龟裂问题。65Mn属于高碳高铬钢，含碳量和含铬量高，形成了大量的碳化物和高合金度的马氏体。使钢具有高硬度、高耐磨性。65M中的钼增加钢的淬透性并且细化晶粒，钒能细化晶粒增加韧度。又能形成高硬度的VC，以进一步增加钢的耐磨陛。铬又使

11、钢具有高的淬透性和回火稳定性。由于Cr的大量存在，钢液结晶时析出的大量共晶碳化物，硬度很高的铬铁复合碳化物(Fe，Cr)7C3，极为稳定，常规热处理无法细化。即使经压延后，在较大规格钢材中。仍保留明显的带状或网状碳化物，碳化物分布不均匀，而带状或网状碳化物区是一个脆性区，其塑性、韧度差，不能承受大的冲击力，裂纹很容易在这里萌生与扩展，往往成为裂纹产生的主要原因。较大的碳化物周围常常有空洞、位错等缺陷汇聚，在交变负荷的作用下，这些缺陷进一步聚集和扩展便可萌生疲劳裂纹。碳化物偏析严重，在碳和合金元素富集的区域，钢的熔点降低，易导致模具热处理时过热，使碳和合金元素在奥氏体中溶解度减少，降低淬火后的硬

12、度，且导致碳合金元素富集区与贫乏区之间产生大的组织应力，从而增大模具热处理后的变形量。为了碎化、细化共晶碳化物，把粗大的枝晶状共晶碳化物打碎、提高碳化物分布的均匀性，细化碳化物的粒度，一般A使用时都需要进行锻造和预先热处理, 以减少碳化物的不均匀分布, 为后续淬火、回火提供优良的原始组织6。3.2.1锻造工艺 温度控制65Mn导热性差，锻造温度较窄，加热速度不能太快，加热要均匀。一般锻造最好选择在单相区进行。较高的锻造温度易于塑性变形。但Crl2MoV钢共晶温度较低(约l150)，稍不注意就会发生过热和过烧。过低的开锻温度使得开停锻温度范围变窄，相应要增加变形火次。过低的终锻温度会产生加工硬化

13、，产生内外裂纹。终锻温度如选在Aam线以上，则会在锻后的冷却过程中，沿着晶界析出二次网状渗碳体，这将使得锻件的力学性能大为下降。如选在Aam和A1线之间的温度区间锻造，由于塑性变形的机械破坏作用，可使析出的二次网状渗碳体呈弥散状。Crl2MoV的终锻温度应控制在Aam线以下、Al线以上50100。锻造方法采用径向十字镦拔法。毛坯料沿轴向镦粗后，在横截面中两个互相垂直方向进行反复镦拔。适用于对金属纤维组织方向要求不严格的锻件的锻造。这种方法效果较理想，中心和边缘处碳化物偏析相差不大，没有明显的力学性能差异，且由于坯料与锤砧接触面经常改变，不致造成局部温度降低过多，断面产生裂纹的危险性大为减小1。

14、65Mn的锻造加热曲线如图3.1所示,锻造加热曲线 锻件终锻后应立即打标记并随炉缓冷(炉膛温度700) ,严禁空冷或放置在潮湿的地面上冷却。为便于后续加工, 锻件在冷却后, 应在2432 h 内进行退火处理7 ,一般采用等温球化退火。3.2.2 预备热处理工艺 (1) 球化退火锻造后最常用的预先热处理是球化退火, 以便获得细小、均匀的球形碳化物分布。完全退火将使65M形成网状碳化物,而且在最终的淬火、回火过程中仍能保持, 这将使其脆性增加而不能使用。球化退火工艺8如图3.2 所示。球化退火后的组织为索氏体型珠光体+粒状碳化物, 硬度为207255HB。图3.2 65M球化退火工艺曲线 (2)

15、调质处理当锻件的碳化物偏析比较严重，常规球化退火工艺效果不理想时, 可采用锻后调质处理，即锻后稍作停留或在精加工前增加一道调质工序，也可利用锻后余热直接进行球化退火或循环球化退火。调质处理后锻件能获得均匀细致的索氏体组织,不仅可保证工件最后淬火具有均匀的硬度,而且有利于淬火后减小工件的变形, 增加工件的尺寸稳定性。65M的调质处理工艺9见图3.3所示。图3.3 65M的调质处理工艺3.2.3机械加工 对于冷作模具切消加工最好安排在热处理淬火之前（除非模具过于复杂），目的在于避免机械加工过程中在表面形成的拉应力，导致模具疲劳性能的降低。线切割电脉冲加工为材料的熔化加工过程，加工后容易在模具表面形

16、成熔化层和热影响层，降低模具表面的硬度，耐磨性，减小热处理表面形成的压应力而降低模具的热疲劳性能，因此热处理后一般最好不再进行线切割电脉冲加工或者减小加工余量，或者采用加工后研磨，抛光的方式减小表面加工层的影响，以避免切削加工，尤其是线切割电脉冲加工对模具表面损伤而影响的模具寿命。3.2.4淬火热处理工艺65Mn淬火热处理工艺热处理淬火的冷却过程及方法与零件韵质量、产l品成本和 人的劳动条件有密蜘的关系 正确地选用冷却介质，可以减少零件的淬火变形、防止开裂，倮证获得所需鲰组织和性能，还能改 工艺，掘商生产率， 节约能源，降低成术， 消蹂污染和改善劳动条件。理想的簿火冷却介质柏：冷却性能方面应该

17、在奥氏体稳定性较小的温世范围内具有足够的冷却能力，-以避鱼过冷奥氏休的先期分解 而在马氏伴转变的滏廖范内保持缓慢的速度以减少冷却应力夏由此导致的淬火变形 j开裂。在化学性能方面应有良好的热稳定性， 不热分解耐腐蚀， 不腐蚀零件及设备和不污染环境。另外应具有操作安全性，不着火； 无论是浸入式冷却或喷淋式冷却都能适用。常用的淬火冷却介质 水油，址热处理淬火时广泛采用的传统冷却介质。水与油在冷却性能方面各有其优缺点，水在低温时冷 睫E度，又因为气膜影响，而常有冷却不均匀而使零件易变形与开裂j油则 因为在珠光体转变温度范围内冷却过于缓慢，冷却能力低，臻稳定性差，易氧化，裂解和老化， 影响淬火零件出现软

18、点，甚至淬不硬 。 水基淬火冷却介质鼍化指标 表1 外观|（颜色）有效成分(%)密度（20）（g/cm）凝固点（）PH值粘度（25）（Pas）折射率 糖度 QYO母液RT815SST101乳白浅黄色桔黄色浅黄色4.53211.21.021.014878799.5710 1.3361.3362.21.2冷却的性参数 表2特性温度（）特性时间（S）最大冷却速度（/S）冷却温度 （）水RT816（中等搅拌）RT816（静止）0.4%QYOSST1015765404407567630.94.110.31.816002002801421000400520400604204 （1000油淬后回火）力学性能

19、与回火温度的关系 表3 ( 3.2.5物理性能 65mn弹簧钢物理性能包括导电性能、导热性能、导磁性能。弹簧钢物理导电性能是指65mn金属材料传到电流的物理性能能力。纯金属具有良好的导电物理性能。一般来说65mn金属材料纯度越高，导电物理性能也就越好。合金和弹簧钢的导电物理性能一般都比纯金属差。工业上常使用导电物理性能强的铜，铝制造导电材料，用电阻很高的合金弹簧钢来坐电热元件。弹簧钢导热物理性能是65mn金属材料传到热量的能力。65mn弹簧钢金属中铜和银的导热物理性能最好。纯金属的导热物理性能比合金和弹簧钢好，并随合金和弹簧钢元素的含量升高，导热物理性能也越差。如高碳钢、铸铁，65mn弹簧钢，

20、碳钢，高合金弹簧钢的导热物理性能都比低碳钢、低合金钢差得很多。 4、分析与讨论热处理缺陷特征、原因及防止措施热处理缺陷指在热处理生产过程中产生的使零件失去使用价值或不符合技术条件要求的各种不足，以及使热处理以后的后序工序工艺性能变坏或降低使用性能的热处理隐患。有裂纹、变形、残余应力、组织不合格、性能不合格、脆性。第一类热处理缺陷：最危险缺陷如裂纹，其中最主要是淬火裂纹，其次加热裂纹、延迟裂纹、冷处理裂纹、回火裂纹、时效裂纹、磨削裂纹和电镀裂纹等。热处理中最常见的缺陷是变形，其中淬火变形占多数。产生原因是：相变和热应力。第三类热处理缺陷：生频率和严重性较低，如残余应力、组织不合格、性能不合格、脆

21、性及其它缺陷。概括为：热处理前、热处理中和热处理后。热处理前：设计不良、原材料或毛坯缺陷。热处理中：工艺不当、操作不当、设备和环境条件不合适。热处理后：磨削裂纹、磨削烧伤、磨削淬火、电火花加工裂纹、电镀或酸洗脆性；应力集中过大裂纹、温度过高裂纹或变形等。热处理缺陷的影响：直接影响产品质量、使用性能和安全，所以准确分析和判断十分重要。分析方法：断口分析(裂源位置、扩展方向、断裂性质和方式)、化学分析(材料成分、沉积物、氧化物)、金相分析(晶粒、组织、晶界)、力学性能试验(硬度、拉伸、冲出、疲劳断裂韧度)、验证试验(原工艺和改进工艺对比)、综合分析(得出缺陷产生的几种主要原因，提出改进措施)。产生

22、原因：内应力作用下发生，最终断裂。条件是内应力脆断强度。、断裂类别：裂纹按扩展程度：（失稳）可发展裂纹、阻断裂纹（不断裂）。断裂：脆性断裂和韧性断裂。多数为脆性断裂（断口灰亮色）温速度过快（多出现于灰铸铁、合金铸铁、高锰钢、高合金钢铸件）、表面增碳或脱碳合金钢、低碳马氏体钢20SiMn2MoV，高锰钢(Mn13)、过热或过烧（高速钢、不锈钢）、氢致裂纹（条件：足够氢、对氢敏感的金相组织和三向应力。措施：脱氢、低温火、自然时效、低氢淬火）温速度过快（多出现于灰铸铁、合金铸铁、高锰钢、高合金钢铸件）、表面增碳或脱碳合金钢、低碳马氏体钢20SiMn2MoV，高锰钢(Mn13)、过热或过烧（高速钢、不

23、锈钢）、氢致裂纹（条件：足够氢、对氢敏感的金相组织和三向应力。措施：脱氢、低温回火、自然时效、低氢淬火）冶金因素：材料质量：冶金缺陷扩展成淬火裂纹。化学成分：、碳量超高，倾向越大。、合金元素：双向作用。、原始组织：粗大组织或魏氏组织倾向大。球状组织倾向小。 截面尺寸过大或过小不易淬裂。截面突变处：淬裂倾向大。加热：加热温度升高，淬裂倾向大；保温时间长，倾向大；加热炉（选用真空或电炉）。冷却：Ms点以上冷却时不易淬裂，在Ms点以下时易淬裂（但若缓慢冷却，也不易淬裂）。防止淬裂措施：M等温淬火、分级淬火、水-油淬火、水空气双液淬火。A、正确设计产品。技术性和经济性。结构设计、截面尺寸均匀；、圆角过

24、渡；、形状：球形冷却快于板料。热处理条件、形状复杂精度高的零件，粗精加工之间的淬火前应安排去应力退火。大截面零件（直径或厚度50）的高碳钢：淬火前正火。小截面高碳钢件淬火前应球化退火。淬火前应消除亚共析钢的魏氏组织。高铬钢、轴承钢和高速钢：避免偏析，严重时应降低淬火温度。介质：真空、保护气氛、电阻、盐浴、火焰炉淬裂倾向逐渐增大。加热速度：对碳素钢、低合金钢和中合金钢可较快速度加热；对高碳高合金钢要合适；对大、复杂的高锰钢、不锈钢、高速钢和高碳合金钢采用限制加热速度或预热法。及时回火。局部包扎。其它热处理裂纹：回火裂纹：多出现于高速钢或高合金工具钢。冷处理裂纹：高速钢刀具、工模具冷至80度以下的

25、淬火处理时易出现裂纹。时效裂纹：高温合金多。磨削裂纹：出现于淬硬工具钢或经渗碳、碳氮共渗并淬火的零件。电镀裂纹：由于内应力引起应力腐蚀裂纹。产生原因：热处理应力引起。对质量影响最大：淬火变形。类别：尺寸变化和形状畸变。影响因素：成分(Mn、Cr、Si、Ni、Mo、B等降低Ms点，减小淬火变形)。工业上应用：微变形钢（含较多的Si、W、V等合金元素）。粒状组织变形小，片状较大，条状变形最大。组织愈均匀，变形越小。应力集中越严重，则变形倾向越大。形状愈不对称，或冷却的不均匀性愈大，淬火后变形也愈明显。工艺参数：不均匀加热，加热温度（组织应力小、热应力大），冷却速度（越快内应力越大变形越大）冷处理目

26、的：保持精度和尺寸稳定。冷处理使体积膨胀；低温回火和时效一方面使体积缩小，另一方面引起形状畸变。机械矫正法：冷压校正、热压校正、加压回火校正、锤击校正。热处理校正：在Ac1温度以下加热急冷：对胀大变形的工件进行收缩处理；淬火胀大法：对收缩变形的工件进行胀大处理。 5、结束语 65Mn刹车弹簧片热加工工艺流程一般为:下料锻造预备热处理退火正火低温回火淬火回火消除应力回火。在热处理过程，不同处理得到不同的组织形态，保证下一步有效地进行。对于出现的相关缺陷我们可以采用下列方法进行修正脱氢、低温火、自然时效，控制冷却速度，机械矫正等方法。通过这次设计使我了解到了65Mn刹车片弹簧的热处理工艺过程以及相关的理论知识，对丰富自己的知识面，提高自己的设计能力有很大帮助。 12参考文献 1朱正才.65M的锻造与热处理J.热加工工艺,2009,38(19):166-168. 2 林约利.简明金属热处理工手册M.上海：上海科学技术出版社，2003：266-273 3 中国机械工程学会热处理学会热处理手册第二卷M.北京：机械工业出版社， 2003:345-354 4 孙瑜. A 钢热处理工艺研究J.2003,23(4):34-35.5 崔忠圻,覃耀春金