(完整word版)金属材料与热处理技术课程设计-汽车板簧的热处理工艺
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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℃。
成分
C
Si
Mn
Cr
含量
0.56～0.64
1.50～2.00
0.60～0.90
≤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。
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℃是马氏体相变临界点。
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。
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℃。
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。
性能 材料
65Mn
50CrVA
60Si2Mn
65Si2MnWA
屈服强度/MPa
800
1150
1200
1700
抗拉强度/MPa
1000
1300
1300
1900
断后伸长率/%
8
10
5
5
断面收缩率/%
30
40
25
20
4.1 65Mn
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。
临界点
Ac3
Ar3
Ac1
Ar1
Ms
温度/℃
810
775
750
700
230
5、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。
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：
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。
4.2 55CrVA
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℃。
（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
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.பைடு நூலகம்65Si2MnWA
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
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。
热处理卡片
江苏大学热处理工艺卡
产品名称
汽车板簧
技术要求
淬火硬度：≥63HRC
回火硬度：42～45HRC
材料
60Si2Mn
工艺路线
预热→淬火→中温回火
序号
工艺
温度
时间
设备
备注
零件图
1
预热
500℃
14min
步进炉
2
淬火
870℃
17min
步进炉
920℃
3
回火
460℃
180min
箱式电阻炉
及时回火
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。
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。
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℃。
成分
C
Si
Mn
Cr
含量
0.56～0.64
1.50～2.00
0.60～0.90
≤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。
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℃是马氏体相变临界点。
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。
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℃。
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。
性能 材料
65Mn
50CrVA
60Si2Mn
65Si2MnWA
屈服强度/MPa
800
1150
1200
1700
抗拉强度/MPa
1000
1300
1300
1900
断后伸长率/%
8
10
5
5
断面收缩率/%
30
40
25
20
4.1 65Mn
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。
临界点
Ac3
Ar3
Ac1
Ar1
Ms
温度/℃
810
775
750
700
230
5、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。
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：
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。
4.2 55CrVA
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℃。
（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
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.பைடு நூலகம்65Si2MnWA
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
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。
热处理卡片
江苏大学热处理工艺卡
产品名称
汽车板簧
技术要求
淬火硬度：≥63HRC
回火硬度：42～45HRC
材料
60Si2Mn
工艺路线
预热→淬火→中温回火
序号
工艺
温度
时间
设备
备注
零件图
1
预热
500℃
14min
步进炉
2
淬火
870℃
17min
步进炉
920℃
3
回火
460℃
180min
箱式电阻炉
及时回火
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。
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。