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彈簧鋼熱處理
發布時間：2009/9/3
彈簧鋼的特點—彈簧主要在動載荷下工作,即在沖擊、振動的條件下,或在交變應力作用下工作,利用彈性變形來吸收沖擊能量,起緩沖作用。
由于彈簧經常承受振動和長期在享變應力作用下工作,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定性,強化鐵素體和細化晶粒,有效地改善彈簧鋼的力學性能,其中Cr ,W ,Mo還能提高鋼的高溫強度。
在熱狀態下成型的彈簧(直徑或厚度一般在10mm以上)
在冷狀態下成型的彈簧(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是將熱成型和熱處理結合在一起進行的,而螺旋彈簧則大多數是在熱成型后再進行熱處理。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化,己達到彈簧所要求的性能。故彈簧成型后只需在250C左右范圍內,保溫30min左右的去應力處理,以消除冷成型彈簧的門應力,并使彈簧定型即可。
耐熱彈簧鋼的熱處理--內燃機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范。
彈簧淬火時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,非馬氏體數量較多,心部出現鐵素體(產全殘余變形,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、彈簧進入冷卻劑的溫度應控制在Ar3以上。4、適當提高淬火加熱溫度。
(3)過熱(脆性增加)--1、嚴格控制成型及淬火加熱溫度。2、加強淬火時的金相檢驗。
(4)開裂(脆性增加,嚴重降低使用壽命)--1、控制淬火加熱溫度。2、淬火時冷到250-300C時,取出空冷。3、及時回火
提高彈簧質量的措施
(1)形變熱處理--將鋼的變形強化與熱處理強化兩者結合起來,以進一步提高鋼的強度和韌性。形變熱處理有高、中、低溫之分。高溫形變熱處理是在穩遠的奧氏體狀態下產生形變后立即淬火,也可與鍛造或熱軋結合起來,即熱成型后立即淬火。形變熱處理己應用于汽車板簧生產中。(60Si2Mn)
(2)彈簧的等溫淬火--對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,而且還能提高強韌性,在等溫淬火后最好再進行一次回火,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--彈簧長時間在外力作用下工作,由于應力松弛的結果會產生微量的永久(塑性)變形,特別是高溫工作的彈簧,在高溫下應力松弛現象更為嚴重,使彈簧的精度降低,這對于一般精密彈簧是不允許的。因此,這類彈簧在淬火,回火后應進行松弛處理--對彈簧預先加載荷,使其變形量超過彈簧工作時可能產生的變形量。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成為彈簧工作時應力集中的地方和疲勞斷裂源。若用細小的鋼丸高速噴打彈簧表面,不僅改善彈簧表面質量,提高表面強度,并使表面處于壓應力狀態,從而提高彈簧疲勞強度和使用壽命。
操作注意事項
(1)熱處理前檢查表面是否有脫碳、裂紋等缺陷。這些表面缺陷將嚴重地降低彈簧的疲勞極限。
(2)淬火加熱應特別注意防止過熱和脫碳,做好鹽浴脫氧,控制爐氣氣氛,嚴格控制加熱溫度與時間
(3)為減少變形,彈簧在加熱時的裝爐方式,夾具形式和冷卻時淬入冷卻方法。
(4)淬火后要盡快回火,加熱要盡量均勺。回火后快冷能防止回火脆性和造成表面壓應力,提高疲勞強度。
質量檢查
熱處理前--(1)鋼材的軋制表面往往就是制成彈簧后的表面,故不應有裂紋、折疊、斑疤、發紋、氣泡、夾層和壓入的氧化皮等。
(2)表面脫碳會顯著降什彈簧的疲勞強度,應按規定檢驗脫碳層的深度。
熱處理后--(1)肉眼或低倍放大鏡觀察彈簧表的不應有裂紋、腐蝕麻點和嚴重的淬火變形。
(2)硬度及其均勻性符合規定。大量生產時,允許用銼刀抽檢硬度,但必須注意銼痕位置應不影響彈簧的最后精度。
(3)金相組織應是托氏體或托氏體和索氏體的混合組織。
(4)板簧裝配后,通常還要進行工作載荷下的永久變形以及靜載撓度試驗。
各種彈簧鋼的熱處理規范及硬度要求
鋼號 淬火溫度 淬火介質 硬度要求 回火溫度 冷卻介質 硬度要求 應用范圍
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范
鋼號 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范
鋼號 加熱溫度 等溫淬火溫度 等溫保持時間 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 斷裂應變周次 斷裂后殘余變形(mm) 室內耐大氣腐蝕試驗
860C油淬,420C回火1h 1.78*10000 2.4 發黑后未上油,14天后出現銹斑
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
由于彈簧經常承受振動和長期在享變應力作用下工作,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定性,強化鐵素體和細化晶粒,有效地改善彈簧鋼的力學性能,其中Cr ,W ,Mo還能提高鋼的高溫強度。
在熱狀態下成型的彈簧(直徑或厚度一般在10mm以上)
在冷狀態下成型的彈簧(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是將熱成型和熱處理結合在一起進行的,而螺旋彈簧則大多數是在熱成型后再進行熱處理。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化,己達到彈簧所要求的性能。故彈簧成型后只需在250C左右范圍內,保溫30min左右的去應力處理,以消除冷成型彈簧的門應力,并使彈簧定型即可。
耐熱彈簧鋼的熱處理--內燃機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范。
彈簧淬火時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,非馬氏體數量較多,心部出現鐵素體(產全殘余變形,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、彈簧進入冷卻劑的溫度應控制在Ar3以上。4、適當提高淬火加熱溫度。
(3)過熱(脆性增加)--1、嚴格控制成型及淬火加熱溫度。2、加強淬火時的金相檢驗。
(4)開裂(脆性增加,嚴重降低使用壽命)--1、控制淬火加熱溫度。2、淬火時冷到250-300C時,取出空冷。3、及時回火
提高彈簧質量的措施
(1)形變熱處理--將鋼的變形強化與熱處理強化兩者結合起來,以進一步提高鋼的強度和韌性。形變熱處理有高、中、低溫之分。高溫形變熱處理是在穩遠的奧氏體狀態下產生形變后立即淬火,也可與鍛造或熱軋結合起來,即熱成型后立即淬火。形變熱處理己應用于汽車板簧生產中。(60Si2Mn)
(2)彈簧的等溫淬火--對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,而且還能提高強韌性,在等溫淬火后最好再進行一次回火,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--彈簧長時間在外力作用下工作,由于應力松弛的結果會產生微量的永久(塑性)變形,特別是高溫工作的彈簧,在高溫下應力松弛現象更為嚴重,使彈簧的精度降低,這對于一般精密彈簧是不允許的。因此,這類彈簧在淬火,回火后應進行松弛處理--對彈簧預先加載荷,使其變形量超過彈簧工作時可能產生的變形量。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成為彈簧工作時應力集中的地方和疲勞斷裂源。若用細小的鋼丸高速噴打彈簧表面,不僅改善彈簧表面質量,提高表面強度,并使表面處于壓應力狀態,從而提高彈簧疲勞強度和使用壽命。
操作注意事項
(1)熱處理前檢查表面是否有脫碳、裂紋等缺陷。這些表面缺陷將嚴重地降低彈簧的疲勞極限。
(2)淬火加熱應特別注意防止過熱和脫碳,做好鹽浴脫氧,控制爐氣氣氛,嚴格控制加熱溫度與時間
(3)為減少變形,彈簧在加熱時的裝爐方式,夾具形式和冷卻時淬入冷卻方法。
(4)淬火后要盡快回火,加熱要盡量均勺。回火后快冷能防止回火脆性和造成表面壓應力,提高疲勞強度。
質量檢查
熱處理前--(1)鋼材的軋制表面往往就是制成彈簧后的表面,故不應有裂紋、折疊、斑疤、發紋、氣泡、夾層和壓入的氧化皮等。
(2)表面脫碳會顯著降什彈簧的疲勞強度,應按規定檢驗脫碳層的深度。
熱處理后--(1)肉眼或低倍放大鏡觀察彈簧表的不應有裂紋、腐蝕麻點和嚴重的淬火變形。
(2)硬度及其均勻性符合規定。大量生產時,允許用銼刀抽檢硬度,但必須注意銼痕位置應不影響彈簧的最后精度。
(3)金相組織應是托氏體或托氏體和索氏體的混合組織。
(4)板簧裝配后,通常還要進行工作載荷下的永久變形以及靜載撓度試驗。
各種彈簧鋼的熱處理規范及硬度要求
鋼號 淬火溫度 淬火介質 硬度要求 回火溫度 冷卻介質 硬度要求 應用范圍
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范
鋼號 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范
鋼號 加熱溫度 等溫淬火溫度 等溫保持時間 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 斷裂應變周次 斷裂后殘余變形(mm) 室內耐大氣腐蝕試驗
860C油淬,420C回火1h 1.78*10000 2.4 發黑后未上油,14天后出現銹斑
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