金属材料与热处理技术课程设计-汽车板簧的热处理工艺

1、零件图图（1）汽车板簧实物图及所在图（2）汽车板簧零件图及尺寸2、服役条件汽车板簧是由不少于1片的弹簧钢叠加组合而成的板状弹簧。在汽车行驶的过程中承受各种应力的作用，其中以反复弯曲应力为主，绝大多数是疲劳破坏。即服役条件为冲击、振动或长期交应力。3、所需性能及技术要求应具有高的疲劳强度和等性能。其性能要求：RP0.2≥1150MPa，Rm≥1280MPa，A10≥5%,Z≥20%。生产过程中，用硬度和观察金相组织来表示技术要求：淬火后硬度≥63HRC，回火后硬度：42～45HRC。4、选择材料我们从以下四中常用弹簧钢中选择材料制造汽车板簧并进行分析。65Mn、50CrVA、60Si2Mn、65Si2MnWA。下表为性能参数的比较。性能材料65Mn50CrVA60Si2Mn65Si2MnWA屈服强度/MPa800115012001700抗拉强度/MPa1000130013001900断后伸长率/%81055断面收缩率/%304025204.165Mn它强度高、淬透性好、脱碳倾向比硅钢小、价格低、切削加工性好。但过热敏感性大，易产生淬火裂纹，并有回火脆性。用途广泛，用于制造各种截面较小的扁、圆弹簧、板簧和弹簧片。虽然65Mn价格低，但容易产生淬火裂纹，影响产品的合格率甚至使用寿命。此外，屈服强度、抗拉强度都不符合性能要求，故不选用。4.255CrVA该钢是高级优质弹簧钢。具有良好的耐腐蚀性，良好的回火稳定性，当加热到300℃弹性仍可保持。该钢切削加工性尚好。但塑性较差。焊接性差。适用于制造重要的承受大应力的各种弹簧，使用温度不超过400℃。由于板簧加工过程中需要校真和卷耳，而55CrVA的塑性较差，且屈服强度未达到性能要求，故不选用。4.365Si2MnWA该钢是含钨弹簧钢，价格高，用于制造耐高温且要求强度更大，或截面较大的弹簧。虽然性能很好，但由于价格高，为了降低成本提升产品竞争力，故不选用。4.460Si2Mn表1.60Si2Mn的化学成分成分CSiMnCr含量0.56～0.641.50～2.000.60～0.90≤0.35它是用途十分广泛的一种合金弹簧钢。该钢淬透性好。淬火回火后具有较高的强度和弹性极限。较高的屈强比（б0.2/бb）和抗松弛能力及回火稳定性。元素分析：（1）同时加入硅、锰，能显著强化基体铁素体，大为提高了钢的弹性极限，屈强比可达到0.8～0.9，而且疲劳强度也显著提高。（2）硅锰元素的共同作用提高了钢的淬透性，（3）硅还有效地提高了回火稳定性，锰提高了耐磨性。（4）硅促进脱碳倾向，锰增大了钢过热敏感性，但是两者复合加入后，硅锰钢的脱碳和过热敏感性较硅钢、锰钢为小（5）还是会因过热敏感性产生淬火裂纹，因脱碳对工件耐磨性、疲劳强度产生显著影响。表2.60Si2Mn的临界点临界点Ac3Ar3Ac1Ar1Ms温度/℃8107757507002305、汽车板簧工艺5.1前处理加工工艺路线：下料→校直→钻孔→卷耳→淬火+中温回火→喷丸→装配→预压缩。热处理前材料的组织为铁素体和珠光体。对原材料的要求比较严格，是考虑到弹簧的工作条件和性能要求。为确保其获得理想的技术指标，一般供货状态为热轧交货。热轧状态相当于正火处理。目前不少钢铁企业采用控制轧制，由于终轧温度控制很严格，并在终轧后采取强制冷却措施，因而钢的晶粒细化，交货钢材有较高的综合力学性能。通常技术要求为钢材的化学成分、表面脱碳层的深度及游离态的石墨等夹杂物符合规定，表面不允许有麻点、裂纹、锈蚀、折叠、斑疤、气泡及压入的氧化皮和棱边碎裂等致命缺陷。5.2热处理工艺热处理工艺流程为：预热→加热→冷却→中温回火→冷却。淬火后必须及时进行回火处理。本课程设计采用的液压步进炉型号为BJL-2520-13。5.2.1预热预热温度为防止快速加热产生的热应力导致工件变形开裂，需要进行一次预热处理。预热温度通常为480～500℃，取500℃。根据公式计算，合金钢的每毫米有效厚度加热时间为1.7min,有效厚度为8mm，计算得预热保温时间为14min。5.2.2淬火淬火温度最佳温度为870±5℃，由于汽车板簧为长条状结构在炉中为连续加热，自炉内传出到进入液压淬火机需要一定的时间，因此其在步进炉中快速加热到920～930℃,取920℃。在液压淬火机内进行油冷前，此时板簧的温度为860～880℃，符合淬火温度的要求。鉴于60Si2Mn过热敏感性较强，晶粒易于粗大，淬火温度不宜过高，所以淬火温度为870℃。加热时间按经验公式计算，加热系数为1.5min/mm，装炉系数为1.4(装炉方式见下图),有效厚度为8mm，计算得加热时间为17min。板簧在加热炉内保温时间结束后，采用链板式输送链将板簧在淬火机上自动夹紧成形，入油冷却左右摇摆，自动卸片，再经输送带传递出淬火油池。淬火介质：5#机械油。合金弹簧钢的临界冷却速度较低为防止淬火开裂，在油中冷却是可行的，可获得细致的马氏体组织，但应防止淬火油混进水，将会在板簧表面生成一层导热不良的蒸汽膜，使冷却能力下降，并导致淬透性不良。油温控制在20-50℃。淬火后马氏体级别在5级左右，淬火后基本硬度≥63HRC。预热+淬火工艺曲线5.2.3、回火回火温度汽车板簧的回火温度应在460～540范围内进行，以获得回火屈氏体组织。需要注意此时碳化物未明显长大，具有应力分布特征，基体α相仅发生回复过程，保持马氏体针状和一定的强化效果，使回火屈氏体有较高的弹性极限。因为用较低的温度（<460℃）回火，虽然弹性极限和强度极限都比较高，但韧性低，比较脆，疲劳极限往往不高；而用较高的温度(>500℃)回火，韧性较高，但强度和弹性极限又太低。根据该服役条件的具体要求而言，应具备强韧性的要求，因此应采用460℃作为回火温度。保温时间根据经验公式τ=αkD，加热系数取1.5min/mm，有效厚度为8mm,装炉系数为2.2（装炉方式见下图）。计算得回火时间为26.4min，但为了释放热应力，回火时间至少要30min。保温时间为1，5～2h。保温结束后水冷。回火工艺曲线图5.3喷丸为了提高弹簧的强度和疲劳寿命，要对热处理后的板簧进行喷丸处理。强化层内形成较高的残余应力，由于弹簧表面压应力的存在，当弹簧承受载荷时可以抵消一部分抗应力，从而提高弹簧的疲劳强度。喷丸处理采用压力为0.4～0.5MPa的压缩空气，用离心机以70m/s的线速度，将直径为φ0.3～0.5mm的钢丸喷射到板弹簧表面。通过高速度的铁丸射向弹簧表面，使表层发生塑性变形而处于压力状态，从而提高弹簧的疲劳极限，以及改善表面质量，这样可以使弹簧的寿命提高1～1.5倍。该汽车板簧使用温度为230℃以下，因为230℃是马氏体相变临