60Si2Mn汽车板簧热处理工艺设计

1序论
1.1 热处理工艺课程设计的意义
热处理工艺课程设计是高等工业学校金属材料工程专业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的热处理课程的知识去解决工程问题的能力，并使其所学知识得到巩固和发展。

2. 学习热处理工艺设计的一般方法、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。

1.2 热处理课程设计的任务
进行零件的加工路线中有关热处理工序和热处理辅助工序的设计。

根据零件的技术要求，选定能实现技术要求的热处理方法，制定工艺参数，画出热处理工艺曲线图，选择热处理设备，设计或选定装夹具，作出热处理工艺卡。

写出设计说明书。

①汽车热处理工艺设计。

②制定热处理工序的工艺参数
③分析各热处理工序中材料的组织和性能。

④选择热处理设备。

⑤选择与设计热处理工艺所需的挂具、装具或夹具。

⑥填写热处理工艺卡片。

2 汽车板簧的工作要求、技术要求及选材
2.1工作要求和技术要求
汽车钢板弹簧式一种弹性元件，其作用式承受车厢以及载物（静载物）的作用，可传递垂直载荷，缓和及抑制不平路面所引起的冲击，限制车身和车轮的振动。

作为弹性元件它既有缓冲、减振、贮能的功能，又负担传递力和导向的作用，在工作过程中，钢板弹簧承受高因道路不平所引起的冲击载荷，并由此或单向循环弯曲应力和振动的作用，同时也要受到泥水和泥沙等侵蚀。

由此其结构简单、使用可靠、维修方便、因而被一般载重汽车广泛使用。

汽车钢板弹簧采用合金钢制造，硬度在380~460HBW，板簧达到最大的强度特性，即高的弹性极限，经过抛丸后处于表面压应力状态，然后进入初步机加工阶段。

有资料介绍重型汽车的“概率-应力曲线”表明，钢板弹簧的所受应力在
882~980Pa。

汽车钢板弹簧的主要失效形式有腐蚀疲劳断裂、应力腐蚀断裂、脆性断
裂、磨损和应力松弛以及永久性塑性变形等，其危害有停车待修、钢板弹簧损耗量大、降低行车舒适性等，因此应认真对待，减少出现失效的概率，在弹簧制造和热处理等各个环节确保产品质量合格。

因此钢板弹簧应具有高的弹性极限、良好的淬透性、低的脱碳敏感性、较高的硬度和强度、一定的冲击韧性、良好的疲劳强度以及最大比弹性功，破断部位一般在卷耳与中间固定处。

钢板弹簧在载荷作用下变形时，各片之间有相对滑动而产生摩擦以及两端支承处的摩擦，可以促进车架振动的衰减。

但各片间的干摩擦将使车轮所受的冲击在很大程度上传给车架，降低了悬架缓和冲击的能力，并使钢板弹簧各片加速磨损。

因此各片之间涂上较稠的石墨润滑脂，也有的在钢板弹簧片之间夹入塑料垫片。

2.2选材
2.2.1材料的选择
汽车钢板弹簧在工作状态下药吸收大量的弹性功，又要求本身不发生永久变形，因此其具有曲强比和尽可能大的弹性比功，为了得到强度高、疲劳极限大的钢板弹簧，钢板弹簧用弹簧钢应选用含碳量0.45%~0.65%的合金钢制作，所以可选择60Si2Mn钢做汽车板簧。

2.2.2 60Si2Mn的性能
60Si2Mn弹簧钢是应用广泛的硅锰弹簧钢，强度、弹性和淬透性较55Si2Mn稍高。

60Si2Mn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交变负荷及在高应力下工作的大型重要卷制弹簧以及汽车减震系统等。

2.2.3 60Si2Mn的化学成分
✍碳含量较高，以保证高的弹性极限与疲劳极限
✍Si、Mn含量较高，目的是提高淬透性，强化铁素体，大大提高钢的弹性极限，屈强比可达到0.8~0.9，而且疲劳强度也得到显着提高，使其在相同的回火温度下具有较高的硬度和强度。

Si还能有效地提高钢的回火稳定性。

✍Cr可提高淬透性，可防止过热和脱碳，从而保证钢具有高的弹性极限和屈服极限。

✍ Ni可以提高淬透性与韧性。

2.2.5 60Si2Mn的临界转变温度
3 60Si2Mn 汽车板簧热处理工艺设计
3.1 60Si2Mn 汽车板簧加工制造流程
流程： 剪切下料→机械加工→校直→卷耳→完全退火→淬火→中温回火→质量检测
3.2 60Si2Mn 汽车板簧热处理工艺
3.2.1 预先热处理—完全退火
1.完全退火目的：细化晶粒，降低钢的硬度，改善钢的切削性能，消除内应力。

正火工艺曲线如图1所示
750℃ ３～４ h 图1 时间/h
2.加热温度：750℃
3.冷却方式：炉冷
4.退火设备：中温井式电阻炉，表3给出了中温井式电阻炉的参数
表3 中温井式电阻炉的参数
退火后测得钢的表面硬度（HBS ）不超过222.
3.2.2 最终热处理—淬火
1. 淬火目的：提高板簧的强度与硬度，获得良好的力学性能。

淬火后基体组织为马氏体，基体硬度大于63ＨＲＣ。

2. 淬火温度：在淬火过程中加热温度非常重要，若温度过高，奥氏体晶粒粗大，氧化脱碳严重，将会降低其强度和疲劳极限；而温度过低，则会造成组织转变的不均匀，出现未溶解的铁素体，同样会降低其强度和使用寿命。

最佳的淬火温度为865～875℃，获得的抗拉强度、冲击韧性及断裂韧性等最佳。

3.加热方式：采用到温加热的方法，是指当炉温加热到指定的温度时，再将工件装进热处理炉进行加热。

原因是加热速度快，节约时间，便于批量生产。

4. 淬火介质：60Si2Mn 合金弹簧钢的临界冷却速度较低，所以可以采用油淬，油为５＃机械油，油温在２０～８０℃之间。

5.保温时间：60Si2Mn 汽车板簧加热保温时间与弹簧厚度有关，如表3所示。

表4 汽车板簧厚度与加热时间的关系 温度\℃
炉冷
6.淬火后组织：淬火后金相组织为5级马氏体
7.60SiMn钢的热处理设备选择中温箱式电阻炉，表4给出了箱式电阻炉的参数。

表5 中温箱式电阻炉的参数
3.2.3回火工艺—中温回火
1.回火目的：提高板簧的弹性机限，并有一定的塑性和韧性。

2.回火温度：为了获得较高的弹性极限、塑性和韧性，应采用中温回火，450～540℃之间。

3.保温时间：60Si2Mn汽车板簧回火保温时间与弹簧厚度有关。

如表5所示。

表6 汽车板簧厚度与加热时间的关系
4.冷却介质：回火后可采用水冷，可以防止第二类回火脆性的出现，使钢表面产生残余压应力，提高疲劳强度。

5. 回火后组织：回火后组织为回火屈氏体，此时碳化物未明显长大，具有应力分布特征，基体相仅发生回
6.加热设备：选用低温井式电阻炉
表7 低温井式电阻炉的参数
复过程，保持马氏体针状态和一定的强化效果，使回火屈氏体有较高的弹性极限。

回
火后钢的硬度为45~50HRC。

4 喷丸处理
喷丸处理也称喷丸强化，是减少零件疲劳，提高寿命的有效方法之一，喷丸处理就是将高速弹丸流喷射到弹簧表面，使弹簧表层发生塑性变形，而形成一定厚度的强化层，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。

汽车板簧在淬火及回火后可采用喷丸处理，进一步提高钢的疲劳强度及疲劳寿命。

5 热处理设备及温度控制方式
5.1 加热设备
完全退火采用中温井式电阻炉，淬火选用中温箱式电阻炉，中温回火采用低温井式电阻炉。

5.2 冷却设备
油槽，基本结构可制成长方形、正方形、圆形等形状。

具有循环功能，以保证冷却介质温度不超出规定并节约资源。

为了使冷却介质不溢出槽外，在槽上部还设置溢流槽和溢流管。

5.3 辅助设备（主要有清洗、清理和校正设备等）
①清洗设备的主要目的是去除工件表面的油污、残盐和其他污物。

常用的清洗设备有清洗槽和清洗机。

清洗槽用蒸汽直接加热或用蛇形管加热的水槽，将处理后的工件放入槽中煮洗。

清洗机适用于规模较大的生产。

②清理设备主要作消除工件表面的氧化皮和锈迹等污物，是工件表面清洁光亮。

常用的清理设备有酸洗槽、喷沙机和抛丸机等。

吸力式喷沙机应用最广泛。

5.4 测温仪表和温度控制方式
一次仪表（热电耦，辐射高温计）自动控制装置
6 设计夹具
根据工艺要求，使用性能及批量和所选用的加热炉型号，在热处理过程中需要使用到一些吊具和工夹具以保证零件的热处理能够顺利进行。

装具
多层吊具，规格Φ260X200mm
7 热处理工艺课程设计的见解和体会
通过这次对所学专业金属材料有关热处理的课程设计，使我更加的了解自己所学专业的实际应用，了解到了在生活中即使一个小零件在它投入使用之前都经历了复杂的过程。

每一个过程都要精益求精，任何小的失误都会导致材料的缺陷。

通过这次课程设计也使我将在实习中的知识更加具体的与实际相联系，使在书本学到的知识更加立体，使理论运用于实践，正如马克思所说的只有实践才是检验真理的唯一标准，只有将所学应用于实际才能学有所用，才能更好的服务于社会。

在课程设计中，我还深刻的体会到了做事要严谨认真，一丝不苟。

并发现自己在本门学科的学习中还有很多不足，有些知识掌握的并不是那么的扎实，通过课设是我更加的巩固了之前所学的有关热处理的知识。

做为一名大学生，不管是选择考研继续在高校中学习还是步入社会参加工作，这种独立思考，解决问题的能力都十分重要，并且热处理的设计在往后的工作中都占很大比例，这次算是步入工作的提前演练。

感谢老师不辞辛苦的为我们选课题，并指导我们更顺利的进行课程设计，我们会在以每一次的课程设计的经验来更好的指导以后的工作和生活。

8参考文献
《热处理设备选用守则》主编冯益柏化学工业出版社
《典型零件热处理技术》主编王忠诚齐宝森李杨化学工业出版社
《金属材料及热处理》主编赵忠北京机械工业出版社。