高强度弹簧的热处理工艺与规范

高强度弹簧的热处理工艺与规范

一、045大直径热卷50CrVA阀门弹簧的热处理工艺与规范

(1)大直径阀门弹簧的工作条件和性能要求大直径弹簧采用热

卷而成，作为大型阀门用弹簧，在工作过程中要承受反复的伸长和压

缩等，故其应具有优良的弹性和疲劳强度等，弹簧的失效形式主要是

疲劳断裂和应力松池，而90%以上的弹簧都是由于疲劳断裂而失效

的。根据其服役条件来看，必须选用淬透性好、变形小而力学性能佳

的50CrVA弹簧钢，经过淬火+中温回火以及抛丸处理后，完全可以满

足其工作需要。

(2)大直径阀门弹簧的机械加工工艺流程大直径弹簧的卷制比

较困难，它不同于一般小直径弹簧的直接绕制，因此通常是在对原材

料进行加热卷制而成，这样可以有效地减少冷脆断裂，下面为其流程:

备料一加热一卷制一校直一切割端面一热处理(淬火和中温回火)一

粗磨端面f喷丸f立定处理(定型处理)f检验一浸漆f包装。

(3)大直径腹门弹簧的热处理工艺

①技术要求

a.原材料的成分、脱碳层、非金属夹杂物以及表面质量应符合技

术要求。

b.弹簧的垂直度W0.5mm，间隙向0.5mm,表面进行喷丸处理,弹

簧的基体硬度在40〜46HRC,表面无脱碳和过热。

c.获得均匀细致的托氏体组织，表面质量缺陷。

d.进行喷丸处理。

②热处理工艺

a.卷制前弹簧采用磨光料，弹簧的加热是采用电接触加热，具有

加热时间短、奥氏体晶粒细等特点，由于奥氏体晶粒较细，增加了材

料体内组织晶粒数和晶界面积，降低了应力集中，提高了位错运动的

阻力。加热温度为(900±10)℃,此时利用材料的高温强度低、塑

性好等特点，使盘制容易进行，但加热温度不宜过高或保温时间过长,

否则会产生材料的过热或表面的氧化脱碳，甚至造成过烧而报废。

b.淬火+中温回火。在RJX-75-9箱式电阻炉上进行加热，加热温

度为850〜880℃,保温系数按L5min/m用进行计算，以透烧为准，

冷却介质对弹簧的便度和性能有重要的影响，选择油冷则可满足其工

艺要求。如在保护气氛的连续式网带炉上完成加热，可实现自动化作

业，其加热时间可根据网带的运转频率来控制，其目的是确保弹簧在

淬火前充分奥氏体化，同时进行碳势的控制。回火在低温井式回火炉

或网带回火炉内进行，根据硬度、垂直度和间隙的要求，采用专用的

回火夹具，将其固定并正确放置，工艺规范为(400〜440)℃X(1.5〜

2)h,保温结束后水冷。一般弹簧的回火温度一般在400〜500℃之

间，火后可获得较高的疲劳强度，可从图3-10中了解到这类关系。

图3-1055Si2Mn弹簧钢回火温度与疲劳强度的关系

（4）大直径质门弹簧的热处理工艺分析与实施要点

①由于50OVA钢的合金元素多，使钢的淬透性得到了改善，铭

是强烈的碳化元素，它们的碳化物存在于晶界附近，故能有效地阻止

晶粒的长大，因此适当提高淬火温度和延长保温时间不致引起晶粒的

长大。

②在热卷弹簧的加热过程中，应当注意表面脱碳与淬火加热温度

和时间的关系，实践表明淬火温度高和加热时间长，均造成脱碳的加

剧。因此，在箱式炉中进行加热时，应严格控制其工艺参数，另外,

也可采用涂料或装箱保护加热，来减少其表面的氧化和脱碳。弹簧的

表面脱碳能降低其使用寿命，而且容易成为疲劳裂纹源。

③弹簧的中温回火是为了获得要求的组织性能，考虑到50CrVA

钢是产生第二次回火脆性的材料，因此回火结束后必须快冷（油冷或

水冷），可防止回火脆性（造成其冲击韧性的降低），又能在表面造

成残余压应力，有利于提高疲劳强度，通常采用水冷而不进行油冷。

回火后的组织为回火托氏体，硬度在40〜46HRC,它具有良好的弹性

和足够的强度和韧性。另外，回火时间过短，不能获得均匀的组织和

性能，忖间过长则对于性能的改善不大，因此应进行工艺试验来确定

合理的时间。

④为了提高大直径弹簧的使用寿命以及承载能力，稳定弹簧变形

的特性和疲劳强度，应对弹簧进行喷丸和强化处理。由于弹簧热卷和

热处理时，脱碳总是存在的，有时深度在0.2〜0.4mm,而喷丸后的

硬化层可达0.5〜0.6mm,既去掉了脱碳层，又产生一定的表面压应

力，因此在弹簧承受载荷时，可抵消一部分交变载荷下的最大拉应力

作用，需要注意应选择合理的吊装抛丸工艺参数：钢丸直径为4）1mm、

硬度为46〜50HRC、喷丸速度为40〜为m/s、时间5〜8min,另外，

钢丸的流量、叶轮的转速、装量的大小和排列情况等，对弹簧的抛丸

质量有一定的影响，可通过工艺试验得到最佳的工艺参数。

⑤弹簧抛丸后，应进行低温的时效处理[（180-200）℃X（1〜

2）h],其目的是减少残余变形，稳定弹簧尺寸以及提高疲劳强度等。

⑥对于该类大直径的弹簧，应进行立定处理（即定型处理），其

目的是稳定弹簧的外形尺寸，暴露其材料的外观缺陷，确保垂直度和

间隙符合技术要求。为了减少变形，弹簧在炉内加热时，不宜竖放和

堆放，应采用夹具（串芯轴）进行淬火和冷却。

⑦如果条件允许，对大直径弹簧采用电阻加热进行淬火和回火处

理，也具有良好的效果，是指将弹簧头夹在电接点上进行加热，利用

弹簧本身的电阻使之发热到淬火温度，加热是从内部向外部加热，淬

火后变形小，组织均匀，同时也节约了能源，减少了浪费。

⑧为了提高弹簧的疲劳强度和使用寿命，除了进行喷丸处理外,

还可进行高温形变、回火与软氮化相结合的热处理工艺，目前在部分

弹簧上已经得到了应用，取得了较好的经济效益和社会效益。

（5）大直径阀门弹簧的热处理质量检验弹簧的热处理质量检验

主要是硬度、金相组织、表层组织、外观质量、垂直度与间隙等，具

体可参见相关的弹簧的质量检验。

（6）大直径阀门弹簧的常见热处理缺陷分析与对策考虑到

50CrVA钢与65Mn、60Si2Mn等同属于弹簧钢的范围，因此其热处理

后的缺陷分析与对策基本上是无大的差异，这里不再赘述，请参阅其

他章节。

二、柴油机部件弹簧的热处理工艺与规范

（1）喷油嘴调速弹簧的工作条件和性能要求柴油机的喷油嘴调

速弹簧（见图3-11）是受到高应力、高频率的反复作用，工作温度

较高,在交变载荷的作用下，要求较高的硬度，两脚应在同一平面上，

偏差应不大于0.5mm,受力后张开60°,去除应力后仍能保持在同一

平面上，不得有永久变形。其失效的形式为疲劳断裂和应力松弛

(变形)，一旦失控或失稳则降低柴油机的效率，其中疲劳断裂占总

失效数量的80%〜90%。根据其工作的条件和要求，选用d)2.8〜

3.2mm的钢丝卷制而成，材质为50CrV,热处理后的技术要求为46〜

50I1RC,该钢中含有铭、钢等合金元素，可显著提高淬透性，降低过

热敏感脆性，更好地满足其工作需要。

图3T1喷油嘴调速弹簧

(2)喷油嘴调速弹簧的机械加工工艺流程作为柴油机上的零部

件，主要作用是完成对速度的调整工作，确保满足其不同频率、不同

应力下的工作需要，其一般的加工流程为盘绕一调整一热处理。

（3）喷油嘴调速弹簧热处理工艺根据弹簧的技术要求，材料为

50CrV,热处理后的硬度在46〜50HRC,变形量小，不得产生永久变

形，无残余应力，调速平稳。因此其热处理的工艺路线应为：盘绕和

调整一去除应力退火一盐浴加热淬火一校直一低温回火一中温回火

f检验一发蓝或发黑处理f包装入库。

①去除应力退火

退火工艺为（200〜240）rX（2-4）h,多在井式电阻炉内进

行处理。

②盐浴加热淬火

850〜870℃加热，保温时间为3〜6min,直径小的取时间的下限，

采用机械油冷却，淬火

后硬度在60HRC以上。

③低温回火

该类回火温度为160〜200C,保温时间为1.5〜2h,在电阻炉内

进行，需要注意炉内的温度均匀性。

④中温回火

低温P1火后的弹簧冷却到室温后，随后在硝盐炉或井式回火炉进

行370〜400℃的中温回火，保温0.7〜lh后油冷。

（4）喷油嘴调速弹簧的热处理工艺分析与实施要点从调速弹簧

的热处理工艺来看，应进行的退火、淬火、低温回火和中温回火是具

有不同的作用的，作为弹簧应考虑到硬度和变形符合技术要求，其次

是获得良好的回火组织，这一点十分重要。

①在对钢丝进行盘绕和调整后，其冷加工应力大，造成了部分晶

粒变形和加工硬化，进行低温的去应力退火，释放了加工应力，有助

于为进行淬火做好减少变形的准备，因此是十分必要的。

②关于盐浴的加热和淬火，应当采用合理的工装夹具，确保内口

与盐浴血进行垂直加热，另外要进行彻底由脱氧，禁止弹簧有氧化脱

碳缺陷的产生，否则将直接影响到硬度和使用寿命等，故必须认真执

行，一般盐浴中的BaO的含量应不大于0.5%。在冷却过程中，应当

使弹簧在油中上下运动，确保充分冷却，否则将造成硬度的不一致。

③淬火后不能立即进行中温回火，这是考虑到首先使淬火马氏体

和残余奥氏体发生分解和转变，形成了回火马氏体组织等，则可避免

在中温回火时发生分解转变为回火托氏体：而引起的部分应力的变化,

从而减小了弹簧的变形，确保将应力降到最低。需要注意的是：由于

50CrV具有回火脆性，因此中温回火结束后应快速冷却（在油中或水

中均可）。

④实践表明，采用上述热处理工艺处理的调速弹簧的热处理变形

明显减小，远远超过了400h的耐久试验，高达1500h,弹簧并未发

生永久变形，其调速率稳定在2.2%〜2.7%范围内。完全满足其工

作需要，为一类优化的热处理工艺，是值得推广的。

（5）喷油嘴调速弹簧的热处理质量检验由于调速弹簧是直径细

小的零件，因此采用正确的热处理工艺，应能确保硬度、变形量和弹

性变形合格，质量的检验应围绕