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彈簧鋼熱處理
發(fā)布時(shí)間：2009/9/3
彈簧鋼的特點(diǎn)—彈簧主要在動(dòng)載荷下工作,即在沖擊、振動(dòng)的條件下,或在交變應(yīng)力作用下工作,利用彈性變形來吸收沖擊能量,起緩沖作用。
由于彈簧經(jīng)常承受振動(dòng)和長(zhǎng)期在享變應(yīng)力作用下工作,主要是疲勞破壞,故彈簧鋼必須具有高的彈性極限和高疲勞極限。此外,還應(yīng)有足夠的韌性和塑性,以防止在沖擊力作用下突然脆斷。
在工藝性論方面,彈簧鋼應(yīng)具有較好的淬透性和低的過熱、脫碳敏感性。降低彈簧表面粗糙度能提高疲勞壽命。
為了獲得所需的性能,彈簧鋼必須具有較高的含碳量。碳素彈簧鋼的含碳量在0.6-0.9％之間,由于碳素彈簧鋼的淬透性差,故只用于制造截面尺寸不超過10-15mm的彈簧。對(duì)于截面尺寸較大的彈簧,必須采用合金彈簧鋼。合金彈簧鋼碳含量在0.45-0.75％之間,加入的合金元素有Mn ,Si ,W ,V ,Mo等。它們的主要作用是提高淬透性和回火穩(wěn)定性,強(qiáng)化鐵素體和細(xì)化晶粒,有效地改善彈簧鋼的力學(xué)性能,其中Cr ,W ,Mo還能提高鋼的高溫強(qiáng)度。
在熱狀態(tài)下成型的彈簧(直徑或厚度一般在10mm以上)
在冷狀態(tài)下成型的彈簧(直徑或厚度一般在10mm以下)
熱成型彈簧的熱處理工藝--用這種方法成型彈簧多數(shù)是將熱成型和熱處理結(jié)合在一起進(jìn)行的,而螺旋彈簧則大多數(shù)是在熱成型后再進(jìn)行熱處理。這種彈簧鋼的熱處理方式是淬火+中溫回火,熱處理后組織為回火托氏體。這種組織的彈性極限和屈服極限高,并有一定的韌性。
冷成型彈簧的熱處理工藝--對(duì)于用冷軋鋼板、鋼帶或冷拉鋼絲制成的彈簧,由于冷塑性變形使材料強(qiáng)化,己達(dá)到彈簧所要求的性能。故彈簧成型后只需在250C左右范圍內(nèi),保溫30min左右的去應(yīng)力處理,以消除冷成型彈簧的門應(yīng)力,并使彈簧定型即可。
耐熱彈簧鋼的熱處理--內(nèi)燃機(jī)的氣閥彈簧是在較高溫度下工作,有的還存在腐蝕性氣氛,因此必須選用特殊的彈簧鋼和合適的熱處理規(guī)范。
彈簧淬火時(shí)常見的缺陷及防止措施
(1)脫碳(降低使用壽命)--1、采用鹽浴爐或拄制氣氛加熱爐加熱。2、采用快速加熱工藝。
(2)淬火后硬度不足,非馬氏體數(shù)量較多,心部出現(xiàn)鐵素體(產(chǎn)全殘余變形,降低使用壽命)--1、選用淬透性較好的材料。2、改善淬火冷卻劑的冷卻能力。3、彈簧進(jìn)入冷卻劑的溫度應(yīng)控制在Ar3以上。4、適當(dāng)提高淬火加熱溫度。
(3)過熱(脆性增加)--1、嚴(yán)格控制成型及淬火加熱溫度。2、加強(qiáng)淬火時(shí)的金相檢驗(yàn)。
(4)開裂(脆性增加,嚴(yán)重降低使用壽命)--1、控制淬火加熱溫度。2、淬火時(shí)冷到250-300C時(shí),取出空冷。3、及時(shí)回火
提高彈簧質(zhì)量的措施
(1)形變熱處理--將鋼的變形強(qiáng)化與熱處理強(qiáng)化兩者結(jié)合起來,以進(jìn)一步提高鋼的強(qiáng)度和韌性。形變熱處理有高、中、低溫之分。高溫形變熱處理是在穩(wěn)遠(yuǎn)的奧氏體狀態(tài)下產(chǎn)生形變后立即淬火,也可與鍛造或熱軋結(jié)合起來,即熱成型后立即淬火。形變熱處理己應(yīng)用于汽車板簧生產(chǎn)中。(60Si2Mn)
(2)彈簧的等溫淬火--對(duì)于直徑較小或透透性足夠的彈簧可采用等溫淬火,它不僅能減少變形,而且還能提高強(qiáng)韌性,在等溫淬火后最好再進(jìn)行一次回火,可提高彈性極限,回火溫度與等溫淬火溫度相同。
(3)彈簧的松弛處理--彈簧長(zhǎng)時(shí)間在外力作用下工作,由于應(yīng)力松弛的結(jié)果會(huì)產(chǎn)生微量的永久(塑性)變形,特別是高溫工作的彈簧,在高溫下應(yīng)力松弛現(xiàn)象更為嚴(yán)重,使彈簧的精度降低,這對(duì)于一般精密彈簧是不允許的。因此,這類彈簧在淬火,回火后應(yīng)進(jìn)行松弛處理--對(duì)彈簧預(yù)先加載荷,使其變形量超過彈簧工作時(shí)可能產(chǎn)生的變形量。然后在高于工作溫度20C的條件下加熱,保溫8-24h。
(4)低溫碳氮共滲--采用回火與低溫碳氮共滲(軟氮化)相結(jié)合的工藝,能顯著提高彈簧的疲勞壽命及耐蝕性,此工藝多用于卷簧。
(5)噴丸處理--劃痕、折疊、氧化脫碳等表面缺陷往往會(huì)成為彈簧工作時(shí)應(yīng)力集中的地方和疲勞斷裂源。若用細(xì)小的鋼丸高速噴打彈簧表面,不僅改善彈簧表面質(zhì)量,提高表面強(qiáng)度,并使表面處于壓應(yīng)力狀態(tài),從而提高彈簧疲勞強(qiáng)度和使用壽命。
操作注意事項(xiàng)
(1)熱處理前檢查表面是否有脫碳、裂紋等缺陷。這些表面缺陷將嚴(yán)重地降低彈簧的疲勞極限。
(2)淬火加熱應(yīng)特別注意防止過熱和脫碳,做好鹽浴脫氧,控制爐氣氣氛,嚴(yán)格控制加熱溫度與時(shí)間
(3)為減少變形,彈簧在加熱時(shí)的裝爐方式,夾具形式和冷卻時(shí)淬入冷卻方法。
(4)淬火后要盡快回火,加熱要盡量均勺?；鼗鸷罂炖淠芊乐够鼗鸫嘈院驮斐杀砻鎵簯?yīng)力,提高疲勞強(qiáng)度。
質(zhì)量檢查
熱處理前--(1)鋼材的軋制表面往往就是制成彈簧后的表面,故不應(yīng)有裂紋、折疊、斑疤、發(fā)紋、氣泡、夾層和壓入的氧化皮等。
(2)表面脫碳會(huì)顯著降什彈簧的疲勞強(qiáng)度,應(yīng)按規(guī)定檢驗(yàn)脫碳層的深度。
熱處理后--(1)肉眼或低倍放大鏡觀察彈簧表的不應(yīng)有裂紋、腐蝕麻點(diǎn)和嚴(yán)重的淬火變形。
(2)硬度及其均勻性符合規(guī)定。大量生產(chǎn)時(shí),允許用銼刀抽檢硬度,但必須注意銼痕位置應(yīng)不影響彈簧的最后精度。
(3)金相組織應(yīng)是托氏體或托氏體和索氏體的混合組織。
(4)板簧裝配后,通常還要進(jìn)行工作載荷下的永久變形以及靜載撓度試驗(yàn)。
各種彈簧鋼的熱處理規(guī)范及硬度要求
鋼號(hào) 淬火溫度 淬火介質(zhì) 硬度要求 回火溫度 冷卻介質(zhì) 硬度要求 應(yīng)用范圍
65 780-830 水或油 400-600 線徑小于12-15mm的螺旋彈簧、彈簧墊圈
65Mn 810-830 油或水 >60 370-400 水 42-50 5-10mm的板簧片及7-10mm的卷簧
50CrV 850-870 油 >58 400-55 水 45-50 截面較大和較重要的板簧片及螺旋彈簧
50CrV 850-870 油 >58 370-420 45-52 300C以下工作的高溫彈簧
60Si2MnA 860-880 油 >60 500-520 水 HB363-444 厚度8-12mm的板簧片
耐熱彈簧鋼的材料選用和最高使用溫度的熱處理規(guī)范
鋼號(hào) 最高使用溫度 熱成型(度) 淬火溫度 回火溫度
50CrVA 300 880-900 850-870油 430-500
4Cr13 400 850-1050 980-1050空冷 540-560
冷拉18-8型不銹鋼絲 400 冷卷 去應(yīng)力回火400C,15-60min
W18Cr4V 600 1000-1200 1280-1290油或空冷 700
60Si2MnA 250 880-900 860-880油 350
常用彈簧鋼的等溫淬火規(guī)范
鋼號(hào) 加熱溫度 等溫淬火溫度 等溫保持時(shí)間 硬度HRC
T10A 800+-10 250-360 10-30 40-53
65 820+-10 320-340 15-30 46-48
65Mn 820+-10 270 / 320-340 15-30 52-54 / 46-48
50CrVA 850+-10 300 30-45 52
60Si2MnA 87+-10 280 30-45 52
50CrV鋼氣閥彈簧低溫碳氮共滲(軟氮化)與普通熱處理后疲勞性能比較
熱處理工藝 斷裂應(yīng)變周次 斷裂后殘余變形(mm) 室內(nèi)耐大氣腐蝕試驗(yàn)
860C油淬,420C回火1h 1.78*10000 2.4 發(fā)黑后未上油,14天后出現(xiàn)銹斑
860C油淬,480C軟氮化3h >=100*10000 0.2 850天以上未生銹
860C油淬,510C軟氮化3h >=100*10000 0.6 850天以上未生銹
由于彈簧經(jīng)常承受振動(dòng)和長(zhǎng)期在享變應(yīng)力作用下工作,主要是疲勞破壞,故彈簧鋼必須具有高的彈性極限和高疲勞極限。此外,還應(yīng)有足夠的韌性和塑性,以防止在沖擊力作用下突然脆斷。
在工藝性論方面,彈簧鋼應(yīng)具有較好的淬透性和低的過熱、脫碳敏感性。降低彈簧表面粗糙度能提高疲勞壽命。
為了獲得所需的性能,彈簧鋼必須具有較高的含碳量。碳素彈簧鋼的含碳量在0.6-0.9％之間,由于碳素彈簧鋼的淬透性差,故只用于制造截面尺寸不超過10-15mm的彈簧。對(duì)于截面尺寸較大的彈簧,必須采用合金彈簧鋼。合金彈簧鋼碳含量在0.45-0.75％之間,加入的合金元素有Mn ,Si ,W ,V ,Mo等。它們的主要作用是提高淬透性和回火穩(wěn)定性,強(qiáng)化鐵素體和細(xì)化晶粒,有效地改善彈簧鋼的力學(xué)性能,其中Cr ,W ,Mo還能提高鋼的高溫強(qiáng)度。
在熱狀態(tài)下成型的彈簧(直徑或厚度一般在10mm以上)
在冷狀態(tài)下成型的彈簧(直徑或厚度一般在10mm以下)
熱成型彈簧的熱處理工藝--用這種方法成型彈簧多數(shù)是將熱成型和熱處理結(jié)合在一起進(jìn)行的,而螺旋彈簧則大多數(shù)是在熱成型后再進(jìn)行熱處理。這種彈簧鋼的熱處理方式是淬火+中溫回火,熱處理后組織為回火托氏體。這種組織的彈性極限和屈服極限高,并有一定的韌性。
冷成型彈簧的熱處理工藝--對(duì)于用冷軋鋼板、鋼帶或冷拉鋼絲制成的彈簧,由于冷塑性變形使材料強(qiáng)化,己達(dá)到彈簧所要求的性能。故彈簧成型后只需在250C左右范圍內(nèi),保溫30min左右的去應(yīng)力處理,以消除冷成型彈簧的門應(yīng)力,并使彈簧定型即可。
耐熱彈簧鋼的熱處理--內(nèi)燃機(jī)的氣閥彈簧是在較高溫度下工作,有的還存在腐蝕性氣氛,因此必須選用特殊的彈簧鋼和合適的熱處理規(guī)范。
彈簧淬火時(shí)常見的缺陷及防止措施
(1)脫碳(降低使用壽命)--1、采用鹽浴爐或拄制氣氛加熱爐加熱。2、采用快速加熱工藝。
(2)淬火后硬度不足,非馬氏體數(shù)量較多,心部出現(xiàn)鐵素體(產(chǎn)全殘余變形,降低使用壽命)--1、選用淬透性較好的材料。2、改善淬火冷卻劑的冷卻能力。3、彈簧進(jìn)入冷卻劑的溫度應(yīng)控制在Ar3以上。4、適當(dāng)提高淬火加熱溫度。
(3)過熱(脆性增加)--1、嚴(yán)格控制成型及淬火加熱溫度。2、加強(qiáng)淬火時(shí)的金相檢驗(yàn)。
(4)開裂(脆性增加,嚴(yán)重降低使用壽命)--1、控制淬火加熱溫度。2、淬火時(shí)冷到250-300C時(shí),取出空冷。3、及時(shí)回火
提高彈簧質(zhì)量的措施
(1)形變熱處理--將鋼的變形強(qiáng)化與熱處理強(qiáng)化兩者結(jié)合起來,以進(jìn)一步提高鋼的強(qiáng)度和韌性。形變熱處理有高、中、低溫之分。高溫形變熱處理是在穩(wěn)遠(yuǎn)的奧氏體狀態(tài)下產(chǎn)生形變后立即淬火,也可與鍛造或熱軋結(jié)合起來,即熱成型后立即淬火。形變熱處理己應(yīng)用于汽車板簧生產(chǎn)中。(60Si2Mn)
(2)彈簧的等溫淬火--對(duì)于直徑較小或透透性足夠的彈簧可采用等溫淬火,它不僅能減少變形,而且還能提高強(qiáng)韌性,在等溫淬火后最好再進(jìn)行一次回火,可提高彈性極限,回火溫度與等溫淬火溫度相同。
(3)彈簧的松弛處理--彈簧長(zhǎng)時(shí)間在外力作用下工作,由于應(yīng)力松弛的結(jié)果會(huì)產(chǎn)生微量的永久(塑性)變形,特別是高溫工作的彈簧,在高溫下應(yīng)力松弛現(xiàn)象更為嚴(yán)重,使彈簧的精度降低,這對(duì)于一般精密彈簧是不允許的。因此,這類彈簧在淬火,回火后應(yīng)進(jìn)行松弛處理--對(duì)彈簧預(yù)先加載荷,使其變形量超過彈簧工作時(shí)可能產(chǎn)生的變形量。然后在高于工作溫度20C的條件下加熱,保溫8-24h。
(4)低溫碳氮共滲--采用回火與低溫碳氮共滲(軟氮化)相結(jié)合的工藝,能顯著提高彈簧的疲勞壽命及耐蝕性,此工藝多用于卷簧。
(5)噴丸處理--劃痕、折疊、氧化脫碳等表面缺陷往往會(huì)成為彈簧工作時(shí)應(yīng)力集中的地方和疲勞斷裂源。若用細(xì)小的鋼丸高速噴打彈簧表面,不僅改善彈簧表面質(zhì)量,提高表面強(qiáng)度,并使表面處于壓應(yīng)力狀態(tài),從而提高彈簧疲勞強(qiáng)度和使用壽命。
操作注意事項(xiàng)
(1)熱處理前檢查表面是否有脫碳、裂紋等缺陷。這些表面缺陷將嚴(yán)重地降低彈簧的疲勞極限。
(2)淬火加熱應(yīng)特別注意防止過熱和脫碳,做好鹽浴脫氧,控制爐氣氣氛,嚴(yán)格控制加熱溫度與時(shí)間
(3)為減少變形,彈簧在加熱時(shí)的裝爐方式,夾具形式和冷卻時(shí)淬入冷卻方法。
(4)淬火后要盡快回火,加熱要盡量均勺?；鼗鸷罂炖淠芊乐够鼗鸫嘈院驮斐杀砻鎵簯?yīng)力,提高疲勞強(qiáng)度。
質(zhì)量檢查
熱處理前--(1)鋼材的軋制表面往往就是制成彈簧后的表面,故不應(yīng)有裂紋、折疊、斑疤、發(fā)紋、氣泡、夾層和壓入的氧化皮等。
(2)表面脫碳會(huì)顯著降什彈簧的疲勞強(qiáng)度,應(yīng)按規(guī)定檢驗(yàn)脫碳層的深度。
熱處理后--(1)肉眼或低倍放大鏡觀察彈簧表的不應(yīng)有裂紋、腐蝕麻點(diǎn)和嚴(yán)重的淬火變形。
(2)硬度及其均勻性符合規(guī)定。大量生產(chǎn)時(shí),允許用銼刀抽檢硬度,但必須注意銼痕位置應(yīng)不影響彈簧的最后精度。
(3)金相組織應(yīng)是托氏體或托氏體和索氏體的混合組織。
(4)板簧裝配后,通常還要進(jìn)行工作載荷下的永久變形以及靜載撓度試驗(yàn)。
各種彈簧鋼的熱處理規(guī)范及硬度要求
鋼號(hào) 淬火溫度 淬火介質(zhì) 硬度要求 回火溫度 冷卻介質(zhì) 硬度要求 應(yīng)用范圍
65 780-830 水或油 400-600 線徑小于12-15mm的螺旋彈簧、彈簧墊圈
65Mn 810-830 油或水 >60 370-400 水 42-50 5-10mm的板簧片及7-10mm的卷簧
50CrV 850-870 油 >58 400-55 水 45-50 截面較大和較重要的板簧片及螺旋彈簧
50CrV 850-870 油 >58 370-420 45-52 300C以下工作的高溫彈簧
60Si2MnA 860-880 油 >60 500-520 水 HB363-444 厚度8-12mm的板簧片
耐熱彈簧鋼的材料選用和最高使用溫度的熱處理規(guī)范
鋼號(hào) 最高使用溫度 熱成型(度) 淬火溫度 回火溫度
50CrVA 300 880-900 850-870油 430-500
4Cr13 400 850-1050 980-1050空冷 540-560
冷拉18-8型不銹鋼絲 400 冷卷 去應(yīng)力回火400C,15-60min
W18Cr4V 600 1000-1200 1280-1290油或空冷 700
60Si2MnA 250 880-900 860-880油 350
常用彈簧鋼的等溫淬火規(guī)范
鋼號(hào) 加熱溫度 等溫淬火溫度 等溫保持時(shí)間 硬度HRC
T10A 800+-10 250-360 10-30 40-53
65 820+-10 320-340 15-30 46-48
65Mn 820+-10 270 / 320-340 15-30 52-54 / 46-48
50CrVA 850+-10 300 30-45 52
60Si2MnA 87+-10 280 30-45 52
50CrV鋼氣閥彈簧低溫碳氮共滲(軟氮化)與普通熱處理后疲勞性能比較
熱處理工藝 斷裂應(yīng)變周次 斷裂后殘余變形(mm) 室內(nèi)耐大氣腐蝕試驗(yàn)
860C油淬,420C回火1h 1.78*10000 2.4 發(fā)黑后未上油,14天后出現(xiàn)銹斑
860C油淬,480C軟氮化3h >=100*10000 0.2 850天以上未生銹
860C油淬,510C軟氮化3h >=100*10000 0.6 850天以上未生銹