哈工大热处理原理与工艺大作业-螺旋弹簧热处理

1、螺旋弹簧的热处理工艺研究By：黄娇平、张孟孟、姚绵懿、马玉平、高雪、刘芳1 1. .分类分类2 2. .服役条件服役条件、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热处理工艺和热处理工艺5 5. .质量检查事项和方法质量检查事项和方法6 6. .热处理缺陷及解决方法热处理缺陷及解决方法目录1.分类1 1）按工作时受载荷的特性不同）按工作时受载荷的特性不同压缩弹簧、拉伸弹簧和扭转弹簧。压缩弹簧、拉伸弹簧和扭转弹簧。2 2）按制作方法）按制作方法冷成形弹簧和热成形弹簧。冷成形弹簧和热成形弹簧。螺旋弹簧：即用弹簧钢丝绕制成的螺旋状弹簧。广泛应

2、螺旋弹簧：即用弹簧钢丝绕制成的螺旋状弹簧。广泛应 用于各类机械设备、仪器仪表等。用于各类机械设备、仪器仪表等。1.分类压缩螺旋弹簧扭转螺旋弹簧拉伸螺旋弹簧2.服役条件、失效方式和性能要求服役服役条件条件应力状态应力状态工作环境工作环境弹性范围内工作交变载荷条件下长期工作一般为常温，部分工作于高温或低温下长期工作部分与腐蚀介质下工作2.服役条件、失效方式和性能要求失效失效方式方式断裂失效断裂失效应力松弛应力松弛（变形）（变形）应力腐蚀断裂：应力腐蚀断裂：拉伸应力+腐蚀介质脆性断裂：脆性断裂：低温、冲击疲劳断裂：疲劳断裂：交变应力腐蚀疲劳断裂：腐蚀疲劳断裂：交变应力+腐蚀介质：高温、长期恒应变一般

3、忽略2.服役条件、失效方式和性能要求性能性能要求要求力学性能力学性能 3、高的冶金质量 1、高的弹性极限、屈服极限 2、高的疲劳强度、良好的抗应力松弛性能理化性能理化性能工艺性能工艺性能2、较高的低温冲击韧度、较低的脆性转化温度1、良好的耐热性、耐腐蚀性3、高导电、无磁性、不产生火花或恒弹性等1、相应的淬透性，较小的过热敏感 性和表面脱碳倾向小 2、足够的塑形和良好的弯曲、扭转及缠绕性能3.零件用材料弹簧钢常见的是碳素弹簧钢和合金弹簧钢一、碳素弹簧钢1、含碳量：0.8%C-0.9%C 含碳量较高，以保证高的弹性极限和疲劳极限。 淬透性差，抗应力松弛性能不好，耐蚀性差，弹性模量温 度系数大2、代

4、表钢种：85等。二、合金弹簧钢1、含碳量：0.45%C-0.7%C2、主加元素：Si, Mn 提高淬透性 提高钢的弹性极限 提高钢的回火稳定性 Si促进钢的石墨化倾向，并使钢在加热时易于脱碳 Mn增加钢的过热敏感性3、辅加元素：Cr, W, V等 主要是为了克服Si, Mn带来的缺点 Cr还可进一步提高淬透性，W, V等提高回火稳定性4、代表钢种：50CrVA、60Si2Mn等3.零件用材料4.加工工序和热处理工艺成型方法 冷成形：强化后成形。 适用于小型弹簧热成形：成形后强化。 适用于大型弹簧4.加工工序和热处理工艺1) 加工工序钢材轧制中间热处理（退火、或正火或焙燉处理）冷拉油淬火+铅浴回

5、火卷簧去应力退火磨平端面、倒角喷丸处理精磨端面抛光涂防锈油、成品检验冷成型典型实例50CrVA2）化学成分3）热处理工艺4.加工工序和热处理工艺a.完全退火T：830840（Ac3+2030）升温速度：100200/h保温时间：=8.5+Q/4(Q为装炉量)冷却速度：100/h，随炉缓冷至 600，后空冷组织：先共析F+P4.加工工序和热处理工艺b.淬火-铅浴回火T：880900，细化晶粒配合电接触 加热可达1000摄氏度保温时间：=515min冷却介质：循环油冷，油温在4070组织：匀细板条M4.加工工序和热处理工艺油淬火-回火弹簧钢丝热处理生产线布置简图4.加工工序和热处理工艺淬火马氏体组

6、织（细条状的碳化物）淬火马氏体组织（细条状的碳化物）4.加工工序和热处理工艺b.淬火-铅浴回火4.加工工序和热处理工艺T：400430保温时间：回火：30min冷却介质：空冷组织：回火M抗拉强度、断面收缩率、硬度随回火温度的变化曲线4.加工工序和热处理工艺油淬火回火弹簧钢丝油淬火回火弹簧钢丝( 50CrVA) ( 50CrVA) 的金相组织的金相组织a. a. OM OM 组织组织( x 1 000) b.TEM ( x 1 000) b.TEM 组织组织( x45 000)( x45 000)OM组织：碳化物点状、弥散匀布在铁素体上TEM组织：板条状回火马氏体4.加工工序和热处理工艺c.去应

7、力退火T：380400保温时间：=30min冷却速度：随炉缓冷组织：回火M（去应力退火不改变组织）4.加工工序和热处理工艺4.加工工序和热处理工艺 热成型 适用范围： 适用于合金弹簧钢，不适用于碳素弹簧钢。 圆截面材料直径大于12mm、矩形截面材料边长大于10mm、 板厚大于8mm的螺旋弹簧一般采用热成形法制造。 4.加工工序和热处理工艺1）成形弹簧钢材钢材检查-切削料-加热钢棒，热卷弹簧-整形-淬火-热整形-回火-断面磨削-喷丸处理-探伤-喷漆-检验-包装热成型典型实例60Si2MnA4.加工工序和热处理工艺2）化学成分元素CSiMnCrPS含量0.581.770.790.150.0150.

8、005材料材料Ac1Ac1Ac3Ac3ArAr1 1Ar3Ar3MsMs卷簧加热温度卷簧加热温度淬火温度淬火温度回火温度回火温度60Si2Mn60Si2Mn75575581081070700 0770770260260900-950900-950880880370-430370-4303）加热和冷却时的临界点和热加工温度4.加工工序和热处理工艺4）两种热处理（淬火+回火）工艺定义：弹簧热卷成形和淬火工艺 分开进行，即二次加热淬 火法。优点：弹簧淬火质量稳定缺点：操作繁杂，能耗多，生产 周期长等。且无保护气体 加热时钢材表面脱碳严 重，显著降低弹簧的疲劳 寿命。a.常规热处理4.加工工序和热处理

9、工艺晶粒尺寸与温度的关系热卷温度的确定4.加工工序和热处理工艺3）两种热处理（淬火+回火）工艺定义：弹簧热卷成形和淬火工艺 分开进行，即二次加热淬 火法。优点：弹簧淬火质量稳定缺点：操作繁杂，能耗多，生产 周期长等。且无保护气体 加热时钢材表面脱碳严 重，显著降低弹簧的疲劳 寿命。a.常规热处理4.加工工序和热处理工艺b.成形余热淬火定义：热卷、整形、淬火工艺合 并完成，即一次加热淬 火法。优点：减少一次高温加热，故表 现氧化脱碳少、节约能源、 生产率高缺点：必须在短时间内完成卷簧 和整形（尺寸要求），才 能保证温度不会降到Ac3 以下。4.加工工序和热处理工艺60Si2MnA弹簧钢不同温度回

10、火保温90min的显微组织( a) 370( a) 3700 0C C ( b) 400 ( b) 4000 0C C ( c) 430 ( c) 4300 0C C (d) 460 (d) 4600 0C C回火温度的确定4.加工工序和热处理工艺特殊处理：喷丸目的：减轻或消除弹簧表面缺陷（如小裂纹、凹凸、缺口及表面脱碳等）的有害作用，在其表面产生循环的塑形变形、加工硬化和有益的残余压应力，从而有效地提高弹簧的疲劳极限和使用寿命。经喷（抛）丸处理的弹簧使用寿命可提高一倍以上。4.加工工序和热处理工艺实例：对于直径为36mm钢丝制作的中型压缩弹簧，采用直径为0.7mm钢丸喷丸后弹簧表面呈均匀分布

11、的圆形弹坑喷丸后弹簧表面呈均匀分布的圆形弹坑5.质量检查事项和方法1.硬度硬度计进行硬度测试4.力学性能检验落锤式冲击试验、冷卷弹簧钢丝应作缠绕试 验、弯曲试验、扭转试验2.金相组织最终热处理金相组织检验参见GB3782 3.喷丸质量检验圆柱螺旋弹簧按JB/Z255的具体规定进行检验5.探伤磁粉探伤、荧光探伤，探后退磁、超声波探伤6.表面质量耐蚀检验6.热处理缺陷及解决方法1、硬度异常2、氧化和脱碳3、热处理裂纹6.热处理缺陷及解决方法1、硬度异常1）硬度偏低a、加热温度偏低或保温时间不足 A中碳和合金元素含量不足,残存未转变P或未溶Fb、加热温度过高,或保温时间过长 表面脱碳、晶粒粗大2）硬

12、度偏高回火温度偏低或保温时间较短3）同一批次的硬度不均匀工艺、设备、弹簧堆放方式等6.热处理缺陷及解决方法1、硬度异常解决方法：解决方法：合理控制加热温度和保温时间合理控制加热温度和保温时间, ,且在淬火后要且在淬火后要对应对进行检查对应对进行检查, ,防止出现回火硬度。防止出现回火硬度。改箱式电阻炉为网带炉改箱式电阻炉为网带炉, ,解决同一批次弹簧的解决同一批次弹簧的硬度不均匀问题硬度不均匀问题6.热处理缺陷及解决方法2、氧化和脱碳1）氧化钢中的铁与介质中的氧化合,形成一层氧化铁皮1）脱碳钢中的碳与介质中的氧作用而形成CO被燃烧掉或是生成非金属碳化物由于生产中加热炉以空气作为介质,难免含有O2,CO2,HO2(水汽),H2等气体,因此上述反应就会发生,产生氧化、脱碳现象,而且加热温度越高、保温时间越长,氧化脱碳现象就越严重。6.热处理缺陷及解决方法2、氧化和脱碳解决方法：解决方法：改箱式电阻炉为网带炉改箱式电阻炉为网带炉, ,控制簧片加热温度和控制簧片加热温度和传送带速度传送带速度( (对应于簧片保温时间对应于簧片保温时间),),并采用滴并采用滴入丙烷控制炉内气氛等措施。入丙烷控制炉内气氛等措施。6.热处理缺陷及解决方法3、热处理裂纹热处理工艺不当、工装