3Cr13弹簧热的热处理工艺设计

攀枝花学院
学生课程设计（论文）
题目：3Cr13弹簧热的热处理工艺设计
学生姓名： X X
学号： 20111110XXXX 所在院(系)：材料工程学院
专业： 20XX级材料成型及控制工程
班级：材料成型及控制工程一班
指导教师： X X X 职称：讲师
2012年12月28日
攀枝花学院教务处制
攀枝花学院本科学生课程设计任务书
课程设计（论文）指导教师成绩评定表
摘要
本课设计了3Cr13弹簧的热处理工艺设计。

主要的工艺过程包括扁钢剪断、热卷成形、淬火、中温回火、喷丸、装配等热处理过程。

通过各种不同的工艺过程进行恰当的处理可以获得各种性能良好的材料并且满足各项性能的要求。

3Cr13不锈钢制造弹簧，则生产工艺简单，可免去高温淬火时弹簧易变形、软硬不均等缺点。

3Cr13弹簧在弱腐蚀介质（如空气、水蒸气、淡水、盐水、硝酸及某些浓度不高的有机酸）温度不超过30℃都有良好的耐腐性。

它的弯、扭及缠绕等力学性能良好。

但脆性倾向较大。

3Cr13弹簧是满足特殊需要为主的特种弹簧，用于制造300°C以下工作的弹簧，产品可用于各类马达、电机轴、各类家电、电机轴、玩具轴、各类水泵、潜水泵用轴等，产品经热处理后强度高、耐磨性强。

关键词：3Cr13不锈钢，高温油淬，中温回火，耐腐性
目录
摘要 (Ⅰ)
1、设计任务 (1)
1.1设计任务 (1)
1.2设计的技术要求 (1)
2、设计方案 (1)
2.1 3Cr13弹簧设计的分析 (1)
2.1.1工作条件 (1)
2.1.2失效形式 (1)
2.1.3性能要求 (2)
2.2钢种材料 (2)
3、设计说明 (2)
3.1加工工艺流程 (2)
3.2具体热处理工艺 (3)
3.2.1预备热处理工艺 (4)
3.2.2机械加工 (4)
3.2.3淬火+中温回火热处理工艺 (5)
3.2.4喷丸处理 (7)
3.2.5物理性能及性能测试 (7)
4、常见缺陷及防补措施 (8)
5、提高弹簧质量措施 (9)
6、结束语 (10)
7、热处理工艺卡片 (11)
参考文献 (11)
1 设计任务
1.1设计任务
3Cr13弹簧的热处理工艺设计。

1.2设计的技术要求
3Cr13是一种马氏体类型不锈钢，该钢机械加工性能好，经热处理不完全退火或低温退火，再经过最终热处理淬火、回火等工艺过程后，具有优良的耐腐蚀性能、抛光性能、较高的强度和耐磨性，适宜制造承受高负荷，高耐磨及在腐蚀介质作用下的塑料模具。

因此，它满足其弹簧耐腐蚀的要求，但要提高其硬度、热稳定性。

调质处理后硬度在HRC30以下的3Cr13材料加工性较好，易达到较好的表面质量。

而硬度大于HRC30时加工出的零件，表面质量虽然较好，但刀具易磨损。

所以，在材料进厂后，先进行调质处理硬度达到HRC25～30，然后再进行切削加工。

3Cr13马氏体不锈弹簧钢热处理3Cr13，淬火后获得高硬马氏体，回火：470℃以下会有M7C3，新碳化物析出，产生二次硬化，在475-550℃会产生回火脆性，450℃左右可获得最佳力学性能，为了提高抗腐蚀性能，回火温度大多选在450℃以下，此类弹簧钢一般适用于大气、水、弱酸性环境中（较强的抗腐蚀性）。

2 设计方案
2.1.3Cr13弹簧设计的分析
2.1.1工作条件
3Cr13弹簧一般在高低温、耐腐蚀等工作环境下工作。

在各种机器设备中，它的主要作用是吸收冲击能量，缓和机械振动和冲击。

因此其工作环境较为恶劣，
2.1.2失效形式
主要失效形式为断裂失效和应力松弛失效两大类。

断裂失效。

在断裂失效中又分脆性断裂和塑性断裂，其中突发性的脆性断裂危害最大。

又可以分为脆性断裂、疲劳断裂、应力腐蚀断裂及腐蚀疲劳断裂。

其中疲劳断裂约占弹簧断裂的80％~90％。

应力松弛失效。

应力松弛失效是弹簧工作过程中最普遍存在的现象，但一般不被重视，而对那些执行控制性元件中则是影响产品效率、灵敏度及可靠性的关键性零件。

弹簧的早期失效对钢的浪费相当严重、造成直接和间接的经济损失巨大。

2.1.3性能要求
3Cr13弹簧钢应具备高的弹性极限或屈服极限和高的屈强比，以保证弹簧有足够高的弹性变形能力，并能承受大的载荷；高的疲劳极限，以保证弹簧在长时期的振动和交变应力作用下不产生疲劳破坏；为了满足成型的需要和可能承受的冲击载荷，弹簧钢应具有一定的塑性和韧性还应具有良好的耐热性和耐腐蚀性。

2.2钢种材料
3Cr13是一种中、低碳的13％Cr钢的马氏体不锈钢，3Cr13钢的热加工性能良好,退火材料冷轧总变形量可达60％以上。

马氏体不锈钢淬火后的硬度随钢中碳含量增加而增高,当碳含量达到0.6％左右后,钢的硬度基本上不再增高。

从提高钢的硬度考虑,3Cr13钢最合适的淬火温度为1000～1050℃,3Cr13淬火钢的最高硬度达到HRC57.5,淬火—低温回火后的最高硬度达到HRC56.5。

淬火—低温回火3Cr13钢的抗锈蚀性能良好,并明显地优于退火后的3Cr13钢。

3 设计说明
3.1加工工艺流程
3Cr13弹簧的热处理工艺设计的热加工工艺流程经过许多次改进形成如下的工艺流程:扁钢剪断→机械加工→完全退火→淬火+中温回火→喷丸→装配。

3Cr13属于低碳钢，其成分如下表1
表1 3Cr13的化学成分（质量分数，%）
C Mn P S Cr Ni Cu Si
0.26～0.35 ≤1.00≤0.035≤0.03512.0~14.0 ≤0.60≤0.25≤1.00
成分分析：Mn是良好的脱氧剂和脱硫剂。

它能消除或减弱由于硫所引起的钢的热脆性，从而改善钢的热加工性能。

Mn和Fe形成固溶体，提高钢中铁素体和奥氏体的硬度和强度，经固溶处理后有良好的韧性，当受到冲击而变形时，表面层将因变形而强化，具有高的耐磨性；同时又是碳化
物形成元素，进入渗碳体中取代一部分铁原子。

Si能溶于铁素体和奥氏体中提高钢的硬度和强度。

硅能提高钢的弹性极限、屈服强度和屈服比(σs/σb),以及疲劳强度和疲劳比(σ-1/σb)等。

硅能促使铁素体晶粒粗化，降低矫顽力。

Cr是决定不锈钢耐腐蚀性能的最基本元素。

在氧化性介质中，铬能使钢的表面很快形成一层实际为腐蚀介质不能透过和不溶解的富铬的氧化膜，这层氧化膜很致密，并与金属基本结合得很牢固，保护钢免受外界介质进一步氧化浸蚀；铬还能有效地提高钢的电极电位。

当含铬量不低于12.5%原子时,可使钢的电极电位发生突变,由负电位升到正的电极电位。

因而可显著提高钢的耐蚀性。

铬的含量越高，钢的耐蚀性能越好。

当含铬量达到25%、37.5%原子时，会发生第二次第三次的突变，使钢具有更高的耐腐蚀性能。

Ni对不锈钢耐腐蚀的影响，只有它与铬配合时才能充分显示出来。

因为，低炭镍钢要获得纯奥氏体组织，含镍量需达24%；要使钢在某些介质中的耐腐蚀性能显著改变，含镍量需在27%以上。

所以，镍不能单独构成不锈钢。

而在含铬18%的钢中加入9%的镍，就能使钢在常温下获得单一奥氏体组织，并可以提高钢对非氧化性介质（如：稀硫酸、盐酸、磷酸等）的耐蚀性，并能改善钢的焊接和冷弯等的工艺性能。

C在不锈钢中的含量及其分布的形式，在很大程度上左右着不锈钢的性能和组织：一方面碳是稳定奥氏体元素，并作用的程度很大，约为镍的30倍，含碳量高的（马氏体）不锈钢，完全可以接受淬火强化，从而在机械性能方面可大大提高它的强度；另一方面由于碳和铬的亲和力很大，在不锈钢中要占用十七倍碳量的铬与它结合成碳化铬。

随着钢中含碳量的增加，则与碳形成碳化物的铬越多，从而显著降低钢的耐蚀性。

所以，从强度与耐腐蚀性能两方面来看，碳在不锈钢中的作用是互相矛盾的。

在实际应用中，为了达到耐腐蚀的目的，不锈钢的含碳量一般较低，在大多在0.1%左右，为了进一步提高钢的耐腐蚀能力，特别是抗晶间腐蚀的能力，常采用超低碳的不锈钢，含碳量在0.03%甚至更低；但用于制造滚动轴承、弹簧、工具等不锈钢，由于要求有高的硬度和耐磨性，因而含碳量较高，一般均在0.85~1.00%之间。

3.2具体热处理
3Cr13钢的热处理包括初期的和预先热处理，以减少坯料的硬度为方便后面的机加工，也为后续淬火、回火提供优良的原始组织。

3Cr13钢的热处理工艺分析：
①由于3Cr13钢的含碳量较低，对于弹簧这种要求高强度和高弹性的特性，那么3Cr13钢的最重要的就是提高其硬度和弹性极限。

②通过锻造和随后的退火，形成硬度较低的原始坯料，为后续的切削加工提供有利的方便和减少对于弹簧的磨损。

③一般3Cr13使用时都需要进行锻造和预先热处理, 以减少碳化物的不均匀分布, 为后续淬火、回火提供优良的原始组织。

④最后进行喷丸处理，以提高和改善弹簧疲劳强度与应力腐蚀断裂强度。

3.2.1预备热处理工艺
退火是将偏离平衡状态的金属坯料或零件加热至较高温度，保持一定的时间后通常以相当缓慢的速度冷却，以得到接近于平衡状态组织的各种工艺方法。

退火的目的是：
a消除钢锭的成分偏析，使成分均匀化。

b消除因铸、锻、焊引起的组织缺陷。

c降低硬度，提高塑性，以利于切削加工及冷变形加工。

d细化晶粒，均匀组织，为后续热处理做组织准备。

e消除钢中的内应力，以防止变形与开裂。

3
Ac1
图1 3Cr13完全退火工艺曲线
加热温度：Ac3+30~50℃；加热速度：小于200℃/h；保温时间：2min/mm 3.2.2机械加工
由于我们专业并不怎么涉及机加工方面的知识，因此此处只能说明其弹簧上进行加工。

3.2.3淬火+中温回火热处理工艺
①淬火
淬火是将钢加热至临界温度点Ac3或Ac1以上一定的度，保温后以大于临界冷却速度的速度冷却得到马氏体（或下贝氏体）的热处理工艺叫做淬火。

弹簧淬火的目的是把奥氏体化的钢材，以合理的冷却方式淬火形成马氏体，然后回火达到所要求的组织和性能。

马氏体是高温奥氏体快速冷却，在抑制其扩散性分解条件下形成的。

因此，要形成马氏体，第一，过冷奥氏体必须大于临界淬火速度的速度冷却，以避免发生奥氏体向珠光体和贝氏体转变。

第二，过冷奥氏体必须过冷到一定温度M S点以下才能开始发生马氏体转变，这是马氏体转变的热力学条件决定的。

即保证淬硬的关键是淬火介质在弹簧钢C曲线的鼻尖处得冷速要足够大，以使过冷奥氏体不至于形成珠光体或贝氏体组织。

弹簧回火的温度一般为中温回火，为了获得回火屈氏体，是由奥氏体在低于珠光体形成温度时分解而得到铁素体与大量弥散分布的细粒状渗碳体的混合组织，具有较高的弹性极限和韧性然后配以不同温度回火获得各种需要的性能。

3Cr13钢1000℃-1050℃温度范围内淬火。

淬火时为了减少变形，可用硝盐分级冷却，淬火后将得到马氏体+碳化物+少量的残余奥氏体。

钢的理想淬火冷却曲线如图2所示
图2 淬火冷却曲线
对于3Cr13弹簧有两个方案。

方案1：将3Cr13弹簧片材料在炉中加热到890℃，使其奥氏体化，然后在
该温度下保温30min，加热温度不宜过高保温时间不宜过长，否则会产生材料过热或表面氧化脱碳，甚至发生过烧造成废品。

然后淬入330℃的盐浴炉中，在该温度下保温20min，然后取出空冷却至室温；再加热至300℃回火，保温60min，在炉中缓慢冷却至室温。

下图3为3Cr13卷簧淬火回火工艺图。

然后观察热处理后试样的组织形貌，检查在该工艺下拉伸性能，室温冲击性能以及HRC硬度。

图3 Cr13卷簧淬火回火工艺
方案2：将50CrV A卷簧组装定型后，放在模具中，在炉中加热到890℃，使其奥氏体化，然后在该温度下保温30min，同样加热温度不宜过高保温时间不宜过长，否则会产生材料过热或表面氧化脱碳，甚至发生过烧造成废品。

然后使其进行油淬，淬火至330℃，在该温度下分别保温20min，然后冷却至室温；再加热至300℃回火，保温60min，在炉中缓慢冷却至室温。

然后观察热处理后试样的组织形貌，检查在该工艺下拉伸性能，室温冲击性能以及HRC硬度。

②低温回火
回火是将淬火钢加热到A1以下某一温度，经过保温，然后以一定的冷却方法冷至室温的热处理操作。

其目的在于：
a.降低脆性，消除内应力。

工件淬火后存在着很大的内应力和脆性，若不及时回火，零件会产生变形或开裂。

b.得到对工件所要求的力学性能。

工件淬火后，硬度高，脆性大，为了了获得对工件要求的性能，可以用回火温度调整硬度，减小脆性，得到所需要的塑性、强度和硬度。

c.稳定工件尺寸。

淬火后的组织是马氏体和残余奥氏体，这两种组织都是不稳定的，会自发地逐渐地发生组织转变，因而引起工件尺寸和形状的改变。

通过回火，可以促使这些组织转变。

达到较稳定状态，以便在以后的使用过程中不发生变形。

3.2.4喷丸处理
3Cr13弹簧一般采用变温热喷丸，喷丸机和弹丸同上，先将弹簧预热至280℃，取出弹簧立即进行喷丸，喷丸强度为0.45Amm ，喷丸过程中弹簧逐渐降温至室温状态，实际是经历热喷丸和室温喷丸两个过程。

3.25
3.50
3.75
4.00
4.25
层深 /μm
半高宽 / d e g .
图4 变温热喷丸(0.45Amm/280℃)的残余应力分布
3.2.5物理性能及性能测试
经过上述各种热处理后3Cr13的韧性、硬度、耐磨性都有所甚至很大的提升。

经1000-1040℃ 温度范围内淬火，3crl3钢热处理后获得了最高的硬度，淬火后的最高硬度达57．5HRC ， 淬火并低温回火后钢的最高硬度可达到HRC56．5HRC 。

经过处理的3Cr13弹簧弹簧片还不能直接包装，需要进行质量检验，如射线探伤、超声波探伤等。

射线探伤的实质是根据被检工件与其内部缺陷介质对射线能量衰减程度不同，而引起射线透过工件后的强度差异，使缺陷能在射线底片或X 光电视屏幕上显示出。

利用材料及其缺陷的声学性能差异对超声波传播的影响
来检验材料内部缺陷的无损检验方法[27]。

现在广泛采用的是观测声脉冲在材料中反射情况的超声脉冲反射法，此外还有观测穿过材料后的入射声波振幅变化的穿透法等。

常用的频率在0.5～5MHz之间。

常用的检验仪器为A型显示脉冲反射式超声波探伤。

根据仪器示波屏上反射信号的有无、反射信号和入射信号的时间间隔、反射信号的高度，可确定反射面的有无、其所在位置及相对大小[28]。

仪器的基本结构和原理见图5
图5 A型脉冲反射式超声波探伤仪电路框图
由于仪器水平扫描线的长短与扫描电压有关，而扫描电压与时间成正比，即反映声波传播的距离，故由此可以对缺陷定位。

又由于反射波幅度的高低与接收的电讯号大小有关，电讯号的大小取决于接收的反射声能多少，而反射声能又与缺陷反射面的形状和尺寸有一定关系，因此反射波幅度的高低将间接的反映出缺陷的大小，故由此可以对缺陷定量和评价[29]。

4 常见缺陷及防补措施
弹簧钢在热处理后，有时会发现很多缺陷，可能是由于加热温度过高、操作不当或者没有脱氧处理等。

表3是弹簧钢热处理后常见的缺陷及预防补救措施。

5 提高弹簧质量的措施
①形变热处理--将钢的变形强化与热处理强化两者结合起来,以进一步提高钢的强度和韧性。

形变热处理有高、中、低温之分。

高温形变热处理是在奥氏体状态下产生形变后立即淬火,也可与锻造或热轧结合起来,即热成型后立即淬火。

形变热处理已应用于汽车板簧生产中。

②弹簧的等温淬火--对于直径较小或透透性足够的弹簧可采用等温淬火,它不仅能减少变形,而且还能提高强韧性,在等温淬火后最好再进行一次回火,可提
高弹性极限,回火温度与等温淬火温度相同[30]。

③弹簧的松弛处理--弹簧长时间在外力作用下工作,由于应力松弛的结果会产生微量的永久(塑性)变形,特别是高温工作的弹簧,在高温下应力松弛现象更为严重,使弹簧的精度降低,这对于一般精密弹簧是不允许的。

因此,这类弹簧在淬火,回火后应进行松弛处理--对弹簧预先加载荷,使其变形量超过弹簧工作时可能产生的变形量。

然后在高于工作温度20℃的条件下加热,保温8～24h。

④低温碳氮共渗--采用回火与低温碳氮共渗(软氮化)相结合的工艺,能显著提高弹簧的疲劳寿命及耐蚀性,此工艺多用于卷簧。

⑤喷丸处理--划痕、折叠、氧化脱碳等表面缺陷往往会成为弹簧工作时应力集中的地方和疲劳断裂源。

若用细小的钢丸高速喷打弹簧表面,不仅改善弹簧表面质量,提高表面强度,并使表面处于压应力状态,从而提高弹簧疲劳强度和使用寿命
6 结束语
这次3Cr13弹簧热的热处理工艺设计的完成，让我不仅通过自己的努力大致了解了3Cr13弹簧的制作流程，还学会了把自己书本上学到的知识运用到实际物体上去。

弹簧必须满足高强度和高弹性的特性，所以3Cr13钢必须具有强的硬度和高的弹性。

3Cr13钢扁钢剪断→完全退火→机械加工→淬火+中温回火→喷丸→装配。

3Cr13钢有良好的热加工性能，热加工时要注意控制加工温度，热加工后需缓冷并及时退火，在淬火加热时，为了防止氧化和脱碳，应尽量采用快速加热，最好是在盐炉或带有保护性气氛的炉中进行，。

淬火后尽快回火，以防延迟断裂。

因为弹簧的质量对使用寿命影响很大，表面微笑的缺陷如脱碳、裂纹、夹杂、斑痕等，都会是钢的疲劳强度降低，因此弹簧热处理后还用喷丸处理来进行表面强化，使表面层产生残余压应力，提高期疲劳强度。

7 热处理工艺卡片
8 参考文献
[1] 夏立芳主编. 金属热处理工艺学. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学出版社, 2005
[2] 中国机械工程学会热处理分会．热处理工程师手册［Ｍ］．机械工业出版社．2003．第一版.
[3] 张玉庭主编．热处理技师手册［Ｍ］．机械工业出版社．2006．第一版
[4] 中国机械工程学会热处理学会．热处理手册［Ｍ］．机械工业出版社．2003．第三版.
[5] 樊新民.热处理工实用技术手册（第2版）[M].江苏,江苏科学技术出版社,2010,1.
[6] 王忠诚,齐宝森,李杨等.典型零件热处理技术[M].北京,化学工业出版
社.2010,7.
[7]崔中圻,谭耀春.金属学与热处理（第2版）[M].北京,机械工业出版社.2012,1.
[8] 林约利,程芝苏.简明金属热处理手册（第二版）[M].上海,上海科技出版社.2003,3.
[9] 崔中圻.金属学与热处理.北京：机械工业出版社，2000.290～306
[10] 邓明，王春明.一种弯圆工艺及模具.锻压装备与制造技术，2004,2:79～80
[11] 顾国成.金属防腐蚀手册.上海：上海科学技术出版社，1989.107。