《弹簧刚课程设计》word版

1、精品文档表1各种材料性能及用途【1】材料特性用途 55Si2Mn 强度大、弹性极限好，屈服比值高，热处理后韧性较好，焊接性差，冷变形塑性低，切削性尚好，无回火脆性倾向，且具有抗回火稳定和抗松弛稳定性。适用于制造铁道车辆、汽车、拖拉机等承受中等载荷的扁形弹簧、直径<25mm的螺旋形弹簧、缓冲弹簧以及汽缸平安阀门等高应力下工作的重要弹簧。 55Si2MnB性能与55Si2Mn钢相近，但淬透性更高，在油中临界淬透直径约90180mm，疲劳强度也显著提高。 适用于制造中、小型截面的钢板弹簧，如汽车上的前后副钢板弹簧。 55SiMnVB 强度、韧及塑性及淬透性均比60Si2MnA钢高，油中临界淬透

2、直径约为50107mm;热加工性能良好，热处理时外表脱碳倾向小，回火稳定性好。 适用于制造中型截面尺寸的板弹簧和螺旋形弹簧，可代替60Si2MnA钢使用。 50CrVA有较高韧性、强度和弹性极限、疲劳强度，较低的弹性模量、较高的屈强比和淬透性， 热处理时过热和脱碳倾向小，冲击韧性也良好;但焊接性差，冷变形塑性低，热加工时具有形成白点的敏感性；主要在淬火并中温回火后使用。适用于制造大截面的高载荷重要弹簧及工作温度低于300的阀门弹簧、活塞弹等;也可用于非腐蚀性介质中、工作温度<400的大截面的重要调质零件。表1各种材料性能及用途材料特性用途60Si2MnA 应用广泛的硅锰弹簧钢，强度、弹性

3、和淬透性较55Si2Mn稍高。 适于车辆、汽车工业上制作承受较大负荷的扁形弹簧或线径在30mm以下的螺旋弹簧、也适于制作工作温度在250以下非腐蚀介质中的耐热弹簧以及承受在高应力下工作的大型重要卷制弹簧【2】。 60Si2CrA 与60Si2MnA钢相比，塑性相近，但抗拉强度和屈服点均较高;热处理过热敏感性和脱碳倾向小，淬透性高，油中临界淬透直径约为37114mm，但有回火脆性倾向；一般在淬火并中温回火下使用。 适用于制造承受高应力及工作温度<300条件下工作的弹簧，如调速器弹簧、汽轮机气封弹簧、高压力水泵碟形弹簧及冷凝器支承簧等。60Si2CrVA 特性和用途与60Si2CrA钢相近，

4、但弹性极限和高温力学性能更好。适用于制造工作温度在低于300350条件下使用的耐热弹簧及承受冲击性应力和高载荷的重要弹簧。60W4MnBA 性能与60CrMnA钢根本相似，但有更好的淬透性，在油中临界淬透直径约为100150mm。 适用于制造大型弹簧，如推土机上的叠板弹簧，船舶上的大型螺旋弹簧。2.1根据用途选材 从上述材料中可以看出： 55Si2Mn主要适与制造扁形弹簧、直径<25mm的螺旋形弹簧、缓冲弹簧以及汽缸平安阀门等高应力下工作的重要弹簧；经冷拉热处理、冷卷热处理后的最终硬度为40-48HRC,钢丝直径为10mm的缓冲弹簧最终硬度为40-47HRC,故该材料符合汽车用缓冲弹簧。

5、55Si2MnB适用于制造中、小型截面的钢板弹簧；题目中的弹簧不是一般的钢板弹簧，而是刹车系统中的缓冲弹簧，加之合金元素种类比55Si2Mn多，虽然性能与55Si2Mn接近，但从经济方面考虑，选择55Si2Mn 较好。55SiMnVB适用于制造中型截面尺寸的板弹簧和螺旋弹簧，50CrVA适用于制造大截面的高载荷重要弹簧； 题中是小型截面尺寸的缓冲弹簧，故不适合选择这两种材料。60Si2MnA适于制作承受较大负荷的扁形弹簧或承受交变负荷下工作的大型重要卷制弹簧；不适宜制造缓冲弹簧。60Si2CrA适用于制造承受高应力及工作温度<300条件下工作的弹簧， 60Si2CrVA用于制造耐热弹簧及

6、承受冲击性应力和高载荷的重要弹簧，60W4MnBA适用于制造大型弹簧；这些材料均不适宜制作小型截面的汽车用缓冲弹簧。 综上诉述，钢丝直径为10mm，最终硬度为40-47HRC的汽车用缓冲弹簧，从经济和各方面因素考虑，应选择的材料为55Si2Mn。2.2根据性能选材 55Si2Mn 、60Si2MnA硅含量高，强度高，弹性好，抗回火稳定性好，易脱碳和石墨化，淬透性不高。是主要的弹簧钢类，用途很广，制造各种弹簧，如汽车、机车、拖拉机的板簧、螺旋弹簧，汽缸平安阀簧及一些在高应力下工作的重要弹簧，磨损严重的弹簧。由于含碳量越高越易引起脱碳和石墨化，应选55Si2Mn作为缓冲弹簧材料；55Si2MnB因

7、含硼，其淬透性明显改善，用于制造轻型、中型汽车的前后悬挂弹簧、副簧。淬透性、综合力学性能好，主要制造中、小型汽车的板簧，使用效果好，亦可制其他中等截面尺寸的板簧、螺旋弹簧。虽其综合力学性能较好，但题中所给不是一般的板簧，而是缓冲弹簧，故不适宜用此材料。50CrVA少量钒提高弹性、强度，细化晶粒，减小脱碳倾向。碳含量较小，塑性、韧性较其他弹簧钢好。淬透性高，疲劳性能也好，适于制造各种重要的螺旋弹簧，特别适宜作振幅高、疲劳性能要求严格的弹簧，如阀门弹簧、喷油嘴弹簧、气缸胀圈、平安阀簧等。高温时强度性能稳定，用于较高温度下的弹簧，此处汽车用缓冲弹簧不需太高温度，应选此材料不适宜；60Si2CrA 、

8、60Si2CrVA是高强度弹簧钢，淬透性高，热处理工艺性能好。因强度高，卷制弹簧后应及时处理消除内应力，适于制造载荷大的重要大型弹簧。60Si2CrVA钢用于制作极重要的弹簧，如常规武器取弹钩弹簧，还用于承受高载荷、耐热、耐冲击弹簧，而在此处不需承受过高的温度和载荷，故不选择该材料。综上诉述，选择55Si2Mn作为钢丝直径为10mm，硬度要求为40-47HRC的汽车用缓冲弹簧是最正确的选择。55Si2Mn的化学成分如下表。表2 55Si2Mn合金弹簧钢材质化学成分 元素CSiMnSPCrNiCu 含量0.520.601.502.000.600.900.0350.0350.350.350.25

9、三：零件加工工艺路线 55Si2Mn合金弹簧钢是应用广泛的硅锰弹簧钢，强度、弹性和淬透性较高。55Si2Mn钢属于硅锰系合金弹簧钢，是在优质中碳钢的根底上提高硅、锰含量而成。硅的作用是提高钢的硬度、强度、屈强比和疲劳性能，同时增加钢的回火稳定性。锰的作用在于提高钢的淬透性和耐磨性。由于具有良好的综合力学性能和低廉的价格，55Si2Mn钢得到了广泛的应用，在我国弹簧钢生产中的应用比例接近60%。55Si2Mn合金弹簧钢适于铁道车辆、汽车拖拉机工业上制作承受较大负荷的弹簧【3】。3.1试样的制备 55Si2Mn 合金弹簧的加工方法采用以下步骤： 将55Si2Mn 钢带加热至800以上，进行奥氏体化

10、处理，保温时间8090 min；然后在55Si2Mn钢的马氏体转变温度区间内进行等温淬火，淬火温度200左右， 保温时间5060 min；将处理后的55Si2Mn钢在400左右的配分温度下等温配分处理6070 min；将钢件淬火至室温；将55Si2Mn 钢带通过冷拔弹簧钢丝方式冷卷成形。随后通过等温配分热处理以获得由低碳马氏体和剩余奥氏体及其转变组织构成的复相组织， 从而使得处理后的55Si2Mn 合金钢呈现高强度和高塑性的良好配合，并提高了应力腐蚀抗力、降低氢脆敏感性，从而在具有高强度的同时具有较高的塑性， 以满足特殊场合的需要【4】。3.2制造过程弹簧的种类较多、形状各异、生产批量不等，因

11、此其制造方法也有所不同。弹簧的制造方法根据成型工艺的不同可分为冷成型和热成型两种。当弹簧材料截面尺寸较小时采用常溢条件下成型的成为冷成型，反之，需将弹簧材料加热到一定温度时成型的成为热成型。弹簧的成型方法中，对直径或板簧厚度大于10mm的大弹簧，可在比正常淬火温度高出5080的温度热成形，对直径或板簧厚度小于810mm的小弹簧，常用冷拔弹簧钢丝冷卷成形；此处选用的是冷成型工艺。冷成型工艺：冷卷成形弹簧的精度比热卷成型的高，外表和内在质量也较热卷成型的好。冷卷成形的弹簧所用的材料规格大致为直径0.08-20mm的盘状钢丝和圆钢条，或边长小于10mm的方钢和异明钢丝，或相近尺寸的带钢和扁钢。材料的

12、供给状态通常为两大类：一类为硬状态，其本身已具有弹簧所需要的力学性能，成型后只需去应力退火：另一类为软状态，成型后尚需按要求进行淬火和回火处理才能获得所需要的性能。钢丝直径为10mm的汽车用缓冲弹簧采用冷成型方法，由材料为1.5mm厚的65Mn钢板制造而成,其制造过程为：剪块料一一落料一一去毛刺一一弯形一一第一次热定型一一冲切端部余料一一磨端部平面一一磨端去毛刺一一各片端去毛刺一一第二次热定型一一检验一一热处理一一发黑一一10%检验一入库【5】。四：热加工过程及分析金属热处理是将金属工件放在一定介质中加热、保温、冷却，通过改变金属材料外表或内部的组织结构来控制其性能的工艺方法。热处理控制影响因

13、素有多种, 如设备状况、加工工艺、操作人员的素质等, 其中操作人员的素质起决定性作用。缓冲弹簧的热处理控4.1预备热处理4.1.1 选用工艺选用工艺为正火，正火是将钢加热到AC3或Accm以上30-50并保温一定时间，然后出炉在空气中冷却的热处理工艺。与完全退火相比，二者的加热温度及保温时间相同，但正火冷却速度快，转变温度低，发生伪共析转变。4.1.2正火的目的及作用正火可以细化晶粒，使组织均匀，改善铸件的组织和低碳钢的切削加工性；也可以作为预备热处理，为随后的热处理做准备。例如有网状碳化物的高碳钢，采用正火，由于冷却较快，可抑制碳化物再沿奥氏体晶界析出，从而到达消除网状碳化物的目的。但对尺寸

14、较大的高碳钢坏料，仅用正火来消除网状碳化物往往难以到达理想效果，这时宜采用锻造加正火的方法。正火后在进行球化退火或淬火。正火还可以作为最终热处理，用以改善一些板材、管材、带材和型材的机械性能【6】。正火冷却速度较退火快些，所得到的组织较细，对于亚共析钢主要是细化晶粒，均匀组织，提高机械性能；对于力学性能要求不高的普通结构零件，正火可以作为最终热处理；对于低中碳结构钢，主要是提高硬度，改善切削加工性能，高碳钢那么应采用退火；对于过共析钢，有利于球化退火，为淬火做组织准备。4.2淬火加中温回火将工件加热保温后，在水、油或其它无机盐、有机水溶液介质中快速冷却。淬火后钢件变硬，但同时变脆。为了降低钢件

15、的脆性，将淬火后的钢件在高于室温而低于710的某一适当温度进行长时间保温，在进行冷却，这种工艺称为回火。淬火后还必须有回火与之相配合，以到达以下目的：1提高硬度和耐磨性，如刀具、量具、模具等；2提高强韧性，如各种机械零件；3提高硬磁性，如高碳钢和碳钢制的永久磁铁；4提高弹性，如各种弹簧；5提高耐蚀性和耐热性，如不锈钢和耐热钢。可见，淬火是使钢强化和获得某些特殊使用性能的主要方法。回火的根本目的是提高淬火钢的塑性和韧性，降低其脆性，但却往往不可防止的要降低其强度和硬度，回火的另一目的是降低或消除淬火引气的剩余内应力，这对于稳定工具钢制品的尺寸特别重要。4.3淬火加热方式及加热温度确实定原那么淬火

16、一般是最终热处理工序。因此，应采用保护气氛加热或盐炉加热。只有一些毛坯或棒料的调质处理可以在普通介质中加热。因为调质处理后尚需机械切削加工，可以除去外表氧化、脱碳等加热缺陷。但随着少、无切削加工的开展、调质处理后仅是一些切削加工量小的精加工，因而也要求无氧化，脱碳加热。4.3.1淬火加热温度淬火加热温度，主要是根据钢的相变点来确定。对于亚共析钢，一般选用淬火加热温度为AC3+30-50，过共析钢那么为AC1+30-50。之所以这样确定，因为对亚共析钢来说，假设加热温度低于AC3，那么加热状态为奥氏体与铁素体两相组成，淬火冷却后铁素体保存下来，使得零件淬火后硬度不均匀，强度和硬度降低。比AC3点

17、高30-50的目的是为了使工件心部在规定加热时间内保证到达AC3点以上的温度，铁素体能完全溶解于奥氏体中，奥氏体成分比拟均匀，而奥氏体晶粒又不至于粗大。对于过共析钢来说，淬火加热温度在AC1AC3之间时，加热状态为细小奥氏体晶粒和未溶解碳化物，淬火后得到隐晶马氏体和均与分布的球状碳化物。这种组织不仅有高的强度和硬度、高的耐磨性，而且有较好的韧性。如果淬火加热温度过高，碳化物溶解，奥氏体晶粒长大，淬火后得到片状马氏体，其显微裂纹增大，脆性增大，淬火开裂倾向也增大。由于碳化物的溶解，奥氏体中含碳量增加，淬火后剩余奥氏体增多，钢的硬度和耐磨性降低。高于AC1点30-50的目的和亚共析钢类似，是为了保

18、证工件各局部温度均高于AC1。确定淬火加热温度时，尚需考虑工件的形状、尺寸、原始组织、加热速度、冷却介质和冷却方式等因素。在工件尺寸大、加热速度快的情况下，淬火温度可选得高一些。因为工件大，传热慢，容易加热缺乏，使淬火后得不到全部马氏体或淬硬层减薄。加热速度快，工件温差大，也容易出现加热缺乏。另外，加热速度快，起始晶粒细，也允许采用较高加热温度。在这种情况下，淬火温度可取AC3+50-80，对细晶粒钢有时取AC3+100。对于形状较复杂，容易变形开裂的工件，加热速度较慢，淬火温度取下限。考虑原始组织时，如先共析铁素体比拟大，或珠光体片间距较大，为了加速奥氏体均匀化过程，淬火温度取得高一些。对过

19、共析钢为了加速合金碳化物的溶解，以及合金元素的均匀化，也应采取较高的淬火温度。例如高速钢的AC1点为820840，淬火加热温度高达1280。考虑选用淬火介质和冷却方式时，在选用冷却速度较低的淬火介质和淬火方法的情况下，为了增加过冷奥氏体的稳定性，防止由于冷却速度较低而使工件在淬火时发生珠光体型转变，常取稍高的淬火加热温度。汽车用缓冲弹簧材料55Si2Mn为亚共析钢，淬火加热温度为860，回火温度为420。4.3.2淬火加热时间确实定原那么淬火保温时间是指工件装炉后，从炉温上升到淬火温度时起算，直到出炉为止所需的时间。淬火加热时间应包括工件整个截面加热到预定淬火温度，并使之在该温度下完成组织转变

20、、碳化物溶解和奥氏体成分均匀化所需的时间。因此，淬火加热时间包括升温和保温两段时间。在实际生产中，只有大型工件或装炉量很多情况下，才把升温时间和保温时间分别进行考虑。一般情况下把升温和保温两段时间通称为淬火加热时间。当把升温时间和保温时间分别考虑时，由于淬火温度高于相变温度，所以升温时间包括相变重结晶时间。保温时间实际上只要考虑碳化物溶解和奥氏体成分均匀化所需时间即可。在此处保温时间为90min。4.4淬火介质及冷却方式的选择与确定淬火介质的选择，首先应按工件所用的材料及其淬透层深度的要求，根据该种材料的端淬曲线，通过一定的图表来进行选择。淬火介质的选择原那么为：1含碳量：含碳量低的钢，因有可

21、能析出铁素铁，且它的过冷奥氏体最易发生珠光体转变的温度较高，马氏体起点也较高，为了使这类钢制的工件充分淬硬，所用的淬火介质应当有较短的蒸汽膜阶段。2淬透性：先从最低冷速曲线看，淬透性差的钢，要求的冷却速度快；淬透性好的钢，要求的冷却速度那么慢些。同时，因随着淬透性的提高，钢的“C曲线会向右下方移动，所以对淬透性差的钢，要求介质出现最高冷却速度的温度高些；而对淬透性好的钢，要求介质出现最高冷却速度的温度低些。有些淬透性好的钢，过冷奥氏体也容易发生贝氏体转变。要避开贝氏体转变，也要求有足够快的低温冷却速度。在从允许的最高冷却速度值上看：淬透性低的钢允许的冷速较高，而淬透性高的钢允许的冷速较低。3有

22、效厚度：厚大的工件允许的冷速高，薄小的工件允许的冷速低。4形状复杂程度：形状复杂的工件，尤其是有内孔或较深凹面的工件，为减小淬火变形或需要把内孔粹硬时，应中选蒸汽膜阶段较短的淬火介质。5变形大小：工件要求的变形小，淬火冷却应当有窄的冷却速度带，而允许的变形较大时，可以有宽的冷却速度带。允许冷却速度带宽的，可以采用一般能到达淬火硬度要求的介质。再能缩短工件冷却速度带的方法中，最简单和有效的是做等温或分级淬火。对于淬火油，低温区冷速越低，最高冷速越大，那么该种油试用的钢种和工件就越多。55Si2Mn汽车用缓冲弹簧材料选用的是淬火油作为淬火介质。4.5工艺过程 工艺：将55Si2Mn 钢带加热至85

23、0进行奥氏体化处理，保温时间80min；然后在55Si2Mn 钢的马氏体转变温度区间内进行等温淬火，淬火温度210，保温时间90min；将经处理后的55Si2Mn钢在400的配分温度下等温配分热处理60min；将得到的钢件淬火至室温；将55Si2Mn钢带通过冷拔弹簧钢丝方式冷卷成形【7】。工艺：将55Si2Mn钢带加热至860，进行奥氏体化处理，保温时间90min；然后在55Si2Mn钢的马氏体转变温度区间内进行等温淬火，淬火温度220，保温时间150min；将经处理后的55Si2Mn钢在420的配分温度下等温配分处理70min；得到的钢件淬火至室温；将55Si2Mn 钢带通过冷拔弹簧钢丝方式

24、冷卷成形。具体工艺曲线见图1。图1 热处理工艺曲线Fig.1 Heat treatment process curves 55Si2Mn合金钢中硅和锰提高弹性强度和屈强比，提高淬透性，抗回火稳定性，过热敏感性也较小，但脱碳倾向较大，尤其是硅与碳含量较高时，碳易于石墨化，使钢变脆。传统的热处理工艺不能兼顾高强度与良好塑性韧性的要求。假设回火温度较低，那么塑性较差，易发生低应力脆断；升高回火温度可改善塑性，但强度大幅下降。因此，传统的热处理制度虽然可以保证该类合金能够满足普通使用环境的服役条件，但塑性、韧性欠佳、氢脆与应力腐蚀敏感性大等缺点，限制了该类合金钢强韧性潜力的发挥。尤其是近年来汽车轻量化

25、和高性能化的快速开展，迫切要求提高弹簧钢的设计应力。现有的55Si2Mn合金弹簧通常在冷拔弹簧钢丝方式冷卷成型后还要再进行低温回火处理，以消除应力【8】。五 性能检测方法及分析 飞机和发动机的零件和部件，以及其它机械和工程结构的零件和构件，都是由材料制成的。在零件的生产过程中，要求材料具有优良的综合性能，来满足人类生产的需要。因此，要制造出合格的产品，必须对产品进行检验。5.1力学性能的检验材料的力学性能是指材料在不同坏境下，承受各种外加载荷拉伸、压缩、弯曲、扭转、冲击、交变应力等时所表现出的力学特性，通常是指材料的弹性、塑性和强度。硬度检测金属材料抵抗硬的物体压陷外表的能力，称为硬度。硬度值

26、的大小不仅取决于材料的成分和显微组织，而且还取决于测量方法和条件。由于硬度测量简便，造成的外表损伤小，可直接在零件上测定，而且硬度与其它力学性能之间存在一定的经验关系，因而硬度作为材料、半成品和零件的质量检测方法，在机械制造、航空航天等现代工业中得到广泛的应用。洛氏硬度试验采用了3种压头，6种试验力【9,10】，根据金属材料材质、硬度范围及尺寸的不同，共有15个标尺可供选择，可以测试从很软到很硬几乎全部常见的金属材料，应用范围十分广阔。洛氏硬度计在工业生产中得到了广泛应用，成为检验产品质量，是确定合理加工工艺的主要手段。可测试各种黑色和有色金属，测试淬火钢、回火钢、退火钢、外表硬化钢、各种厚度

27、的板材、硬质合金材料、粉末冶金材料、热喷涂层的硬度。洛氏硬度试验操作简单，测量迅速，可在指示表上直接读取硬度值，工作效率高，成为最常用的硬度试验方法之一。由于试验力较小，压痕也小，特别是外表洛氏硬度试验的压痕更小，对大多数工件的使用无影响，可直接测试成品工件。因此， 此仪器非常适于在工厂使用，适于对成批加工的成品或半成品工件进行逐件检测，该试验方法对测量操作的要求不高，非专业人员容易掌握。汽车用缓冲弹簧材料用洛氏硬度检测，其硬度值要求为40-47HRC。强度及塑性检测弹簧钢在热处理前后的强度和塑性通常在拉伸试验机上通过单轴静拉伸试验测得，通过实验可测定其抗拉强度b、屈服强度s或0.2、延伸率和

28、断面收缩率等力学性能指标。其中，b,和s可分别用来评价弹簧材料抵抗破坏和塑性变形的能力；和那么可用来评价其塑形的大小。冲击韧性检测弹簧钢在热处理前后的韧性一般通过在冲击试验机上做冲击试验的方法进行检测，即测定冲击载荷试样被折断而消耗的冲击功k，单位为焦耳J。而用试样缺口处的截面积F去除k ，可得到材料的冲击韧度冲击值指标，即 k= k/F，其单位为kJ/m2或J/cm2。因此，冲击韧度k表示材料在冲击载荷作用下抵抗变形和断裂的能力。k值的大小表示材料的韧性好坏。一般把 k值低的材料称为脆性材料，k值高的材料称为韧性材料。5.2 成分、组织及微观形貌检验 弹簧在生产的过程中，主要涉及对其化学成分

29、及杂质元素含量、微观 组织特征、断口形貌等成分组织特征的检测，可采用的检测仪器包括体视显微镜、光学金相显微镜、扫描电子显微镜、XRD衍射仪、透射电子显微镜、EDS能谱仪等。55Si2Mn弹簧钢，其化学成份分析结果应与GB1222-84标准比拟。【11】淬火加中文回火后的组织为回火屈氏体，即铁素体与粒状渗碳体组成的极细混合物。5.3 淬火常见缺陷及防止措施 淬火时常见缺陷及防止措施见表3。表3 淬火时常见缺陷及防止措施常见缺陷防止措施脱碳(降低使用寿命)1、采用盐浴炉或拄制气氛加热炉加热。2、采用快速加热工艺。 淬火后硬度缺乏,非马氏体数量较多,心部出现铁素体(产生和残存变形,降低使用寿命)1、选用淬透性较好的材料。2、改善淬火冷却剂的冷却能力。3、弹簧进入冷却剂的温度应控制在Ar3以上。4、适当提高淬火加热温度。过热(脆性增加1、严格控制成型及淬火加热温度。2、加强淬火时的金相检验。 开裂(脆性增加,严重降低使