张忠东课程设计热处理工序

课程设计（说明书）螺旋弹簧热处理工艺设计学院：机械工程学院专业：材料成型及控制工程姓名：张忠东学号：1111012072指导教师：姜英副教授2014年6 月目录一﹑热处理工艺课程设计的目的 (1)二﹑设计任务 (1)2.1 给定零件 (1)2.2 技术要求 (2)2.3 选材论证 (2)三、工艺流程 (3)3.1 60钢的各类热处理工艺数据 (3)3.２热处理工艺流程 (5)3.3热处理工艺参数设定 (5)四、工艺曲线 (7)五、热处理后检验 (7)5.1 热处理后检验方法 (7)5.2热处理规范及操作守则 (9)六、热处理材料组织、性能分析及常见缺陷分析 (10)6.1退火 (10)6. 2 分级淬火 (11)6.3 回火 (11)七、加热设备 (12)八、参考书籍 (13)九、心得体会 (13)十、热处理工艺卡 (14)附表１ (15)附表２热处理工艺课程设计任务书 (16)一﹑热处理工艺课程设计的目的热处理工艺课程设计是材控专业热处理方向学生的一次专业课设计练习，是热处理原理与工艺课程的最后一个教学环节，其目的是：1、培养学生综合运用所学热处理知识去解决工程问题的能力，并使所学知识得到巩固和发展。

2、学习热处理工艺课程设计的一般方法，热处理设备选用和装夹具设计等。

3、进行热处理设计的基本技能训练，如计算、工艺图绘制和学习使用设计资料、手册、标准和规范。

二﹑设计任务2.1 给定零件给定零件为60钢螺旋弹簧，如下图所示。

2.2 技术要求硬度：46-48HRc；工艺路线：退火--成型--等温淬火（或分级淬火）--回火。

2.3 选材论证2.3.1弹簧用钢性能要求弹簧是利用弹性变形吸收能量以缓和振动和冲击，或依靠弹性储能产生驱动作用。

根据工作要求，弹簧应具有以下性能特点。

1）高的弹性极限，以保证弹簧具有高的弹性变形能力和弹性承载能力，为此应具有高的屈服强度。

2）高的疲劳极限，因为弹簧一般在交变载荷下工作。

众所周知，抗拉强度越高，疲劳极限也越高。

另外，表面质量对疲劳极限影响极大，弹簧钢表面不应有脱碳、裂纹、折叠、斑疤和夹杂等缺陷。

3）足够的塑性和韧度，以免发生脆断。

2.3.2弹簧用钢的成分特点合金弹簧钢的化学成分有如下特点：１）中、高碳钢为了保证高的弹性极限、疲劳极限及高的强度，弹簧钢的碳含)量一般为0.45%~0.70% 。

２）加入Si、Mn为主的提高淬透性的元素 Si和Mn主要提高淬透性，同时也提高屈服比，其中以Si的作用最突出，但它在热处理时促进表面脱碳，Mn 则使钢易于过热。

因此重要用途的弹簧钢，必须加入Cr、V、W等元素。

３）此外，弹簧钢的净化对疲劳强度有很大的影响，所以弹簧钢均为优质钢（P≤0.04%,S≤0.04%）或高级优质钢（P≤0.035%,S≤0.03%）。

2.3.3弹簧钢的品种按生产方法弹簧钢分为热轧钢和冷拉钢。

热轧钢包括用来制造螺旋弹簧的圆钢，方钢和扁钢。

冷拉钢包括用于制造较小的螺旋弹簧的冷拉钢丝和用于制造发条和各种形式的弹簧片的冷轧钢。

热轧钢一般截面比较大，制造弹簧时采用加热成形，然后经淬火回火处理。

冷拉钢截面尺寸较小，弹簧采用冷态成形制造，成形后或经淬火回火处理，或经消除应力回火处理。

由于要求加工的弹簧为小截面弹簧，所以选用冷拔钢丝；只有硬度要求的普通弹簧，采用中高碳优质钢即可；由硬度要求查询表２－１。

中温回火基本都可达到硬度要求，因弹簧钢含碳量一般选用大于或等于0.6%的优质，因此材料暂定为60钢。

表2-1 不同回火温度的硬度值50 830 水或油≥59 58 55 50 41 33 2655 820 水或油≥63 63 56 50 45 34 3060 820 水或油≥63 63 56 50 45 34 3065 800 水或油≥63 63 58 50 45 37 3270 800 水或油≥63 63 58 50 45 37 32三、工艺流程3.1 60钢的各类热处理工艺数据3.１.1 60钢的化学成分（质量分数，％）60钢的化学成分，如表3-1所示。

表3-1 60钢的化学成分（质量分数，%）元素含量（％）C 0.57~0.65Si 0.17~0.37Mn 0.50~0.80Cr ≤0.25Ni ≤0.30Cu ≤0.25（续表）3.1.2 60钢的淬火临界直径60钢的淬火临界直径，如表3-2。

表3-2 60钢的淬火临界直径钢号淬火介质60 静油1220℃水2440℃水19.520℃5%（质量分数）NaCl水溶液25.53.1.3 60钢的临界温度及常规热处理工艺参数60钢的临界温度及常规热处理工艺参数，如表3-3.表3-3 60钢的临界温度及常规热处理工艺参数3.２热处理工艺流程工艺路线：退火 -- 成型 -- 分级淬火 -- 回火。

3.3热处理工艺参数设定3.3.1 退火退火目的：退火是为了消除冶金及冷热加工过程中产生的组织与性能缺陷而进行的预备热处理工艺，并为以后的机械加工及热处理准备良好的组织状态。

降低材料的硬度，提高塑性，改善切削性能及压延成型性能。

加热方法：热炉装料。

理由：缩短加热时间，节省能源。

退火温度：800~820℃退火温度选取依据：查询优质碳素结构钢的临界温度、退火正火工艺参数表（热处理工艺参数手册表2-22）退火保温时间：1~2h3.3.2成型将退火后的半成品按照要求进行机械加工，达到规定的形状和尺寸。

3.3.3分级淬火分级淬火工艺方法：将奥氏体化后的工件淬入温度稍高于Ms点温度的淬火介质中冷却，直至工件各部分温度达到淬火介质的温度，然后取出在空气中冷却至室温，发生马氏体转变。

进行分级淬火的目的：分级淬火减少了马氏体转变时截面上的温度差，热应力降低，还由于工件各部分温度趋于均匀，使马氏体转变的不同时现象减少。

淬火温度选择在250℃附近。

分级淬火后处于奥氏体状态的工件具有较大塑（相变超塑性），因而创造了进行矫直和矫正的条件。

分级淬火保持时间：因截面较小，保持1~5min即可。

冷却介质：盐浴3.３.4回火回火温度：1）由表2-1查出回火温度在300~400℃之间。

2）为满足弹簧的高弹性极限性能一般采用中温回火。

因此回火温度定为350℃。

回火保温时间依据：回火时间是从工件入炉后炉温升至回火温度时开始计算的。

可参考经验公式：t= Kn + An*D4式中：t—回火时间；（min）Kn—回火时间基数；An—回火时间系数；D—零件有效厚度；（mm）通过查热处理手册得Kn 和 An的推荐值见表3-4表3-4：Kn及An的推荐值因此回火选用箱式炉即可，时间为21.25min。

四、工艺曲线五、热处理后检验5.1 热处理后检验方法5.1.1．弹簧硬度的检测卷制后不经淬火、回火处理的弹簧不考核硬度。

经淬火、回火处理的弹簧，一般硬度值的范围为HRC44～52。

工作应力高的弹簧，为防止永久变形，硬度值可超过HRC52，最高可达HRC54。

硬度的检测一般用洛氏和维氏硬度计。

1)硬度计的选用：试样厚度0．5mm以下用维氏硬度计；0．5～1．0mm用洛氏硬度A标；大于1．0mm用洛氏硬度C标。

2)试样的选取和制作：在弹簧的工作圈部位截取试样；试样在切割和磨制过程中，不允许因温度升高而造成硬度变化；弹簧材料直径厚度在8mm以下的其纵截面和横截面均可作为硬度的测试面，材料直径或厚度在8mm以上的应取横截面作为测试面；试样厚度必须不小于10倍的压入深度，厚度应该均匀．硬度测试舌试样背面不得有目视可见的变形痕迹；试样的硬度测试面宽度应大于2mm．表面粗糙度Ra不低于0．8μm。

3)测试方法：洛氏硬度检验按金属洛氏硬度试验方法(GB230)的规定；维氏硬度检验按金属维氏硬度试验方法(GB4340)的规定。

5.1.2 弹簧脱碳层的检测1)试样的选取和制做：在弹簧工作圈的横截面取样。

试样直径超过20mm时，允许取横截面的1／2到1／4作试样；试样需经镶嵌或夹持后磨制抛光；抛光后表面呈镜面状，无目视可见的打磨痕迹，四周无倒角；试样需经2％～4％(质量分数)硝酸酒精溶液的腐蚀，腐蚀不应过度，以抛光面的金属光泽刚消失为宜。

2)脱碳层深度的测定：试样在放大100倍的金相显微镜下观察。

试样放在载物台上，移动载物台，对试样的边缘一周进行观察，找出脱碳深度最大的部位；用测微标尺对最大脱碳部位的脱碳层深度进行测定，总脱碳层深度包括全脱碳层和过渡区；脱碳层的判定以放大100倍下测得的结果为准，其他倍率所得的结果只能作为参考。

未尽事项参照钢的脱碳层深度测定法(GB224)的规定。

5.1.3 弹簧金相组织和晶粒度的检测正常淬火组织应为马氏体，不应出现马氏体针状异常粗大、甚至发生局部晶界熔化的过烧组织和裂纹。

弹簧的正常回火组织为屈氏体，允许有少量的索氏体和未熔碳化物，当硬度大于HRC50时，允许有少量的回火马氏体。

等温淬火的弹簧，金相组织应为下贝氏体。

a．金相组织的检测1)试样的选取和制做：在弹簧工作圈取样，根据检验项目的不同，可以分别取其横截面或纵截面；试样切割应伴有水冷却装置，以免引起试样金相组织发生变化；试样允许镶嵌并经抛光和腐蚀处理，碳素钢和合金弹簧钢用腐蚀剂为2％～4％(质量分数)硝酸酒精溶液。

2)试样检验：试样金相组织的观察应遵循从低倍到高倍的程序，开始先在放大100倍或更低倍数下观察，然后更换较高的放大倍数，必要时应将金相组织摄制成照片；横截面检验：试样外层边缘到中心部位金相组织的变化，表面缺陷深度，表面处理结果；纵截面检验：材料冷变形程度，材料带状组织及热处理消除结果。

b．晶粒度的检测1)试样的选取和制做：冷拔材料制造的弹簧取横截面，热轧材料制造的弹簧可以取横截面也可以取纵截面；经抛光后的试样用苦味酸溶液腐蚀。

2)晶粒度的评定：晶粒度评定的标准放大倍数为100倍，可以将试样的晶粒度投影在毛玻璃上或摄成照片后评定；晶粒度评定方法可采用标准图片比较法或计算法；晶粒度的标示方法可给出跨越2～3晶粒度级别，其中前面的数字表示占主要数量的晶粒度级别数，如只标出一个级别时，则该级别的晶粒数目应大于90％。

对于晶粒细小的试样可采用其他放大倍数进行晶粒度等级测定，但最终需换算成相当于放大100倍下的晶粒度等级G，其换算关系式为式中 A——实际使用的放大倍率；M——在实际放大倍率下测得的晶粒等级。

5.1.4 弹簧非金属夹杂物的检测1)试样选取和制做：用于测定非金属夹杂物在整个截面的分布情况应选用横截面，用于测定非金属夹杂物的数量大小和形状应选用纵截面；试样抛光不允许有水渍、污物、划痕，抛光完成后应先对未经浸蚀的试样进行观察。

2)低倍明视场(放大100倍)测定项目：夹杂物的总含量；夹杂物的形状大小及分布；夹杂物的可塑性；夹杂物的抛光性；夹杂物的色彩。

3)高倍暗视场(放大倍数大于等于500倍)测定项目：夹杂物的透明程度；透明夹杂物本身的色彩。