汽車板簧熱處理工藝設(shè)計(jì)

60Si2MnA汽車板簧鋼熱處理工藝設(shè)計(jì)0前言展，對汽車鋼板彈簧鋼的需求量不斷增加，對其性高。中型或重型汽車的鋼板彈簧，承受很大的交變應(yīng)沖擊載荷的作用。因此板簧除了具有高的彈性極限，為了防止疲勞和斷裂，還應(yīng)具有高的屈服強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度。碳素彈簧鋼因淬透性較低，只能用于截面12～15mm以下的小彈簧，而合金鋼淬透性較高[1]。60Si2MnA作為合金彈簧鋼中代表性鋼號，價(jià)格低廉，是我國應(yīng)用最為普遍的硅錳系合金彈簧材料，廣泛用于制造汽車、拖拉機(jī)和鐵路車輛上的螺旋彈簧、板彈簧及其他高應(yīng)力下工作的重要彈簧[2]。彈簧鋼的力學(xué)性能主要取決于熱處理工藝[3]。本文在對傳統(tǒng)材料60Si2Mn藝的有關(guān)探究和優(yōu)化，探索制造高性能板簧的高效、節(jié)能新工藝。1材料與實(shí)驗(yàn)方案1.1材料60Si2MnA是常用的汽車等截面鋼板彈簧材料之一，屈服強(qiáng)度及疲勞強(qiáng)度高，淬透性較好，價(jià)格低廉，且與其相關(guān)的研究較為成熟。為了進(jìn)一步提高其VV、Cr在鋼中可形成穩(wěn)定的碳化物，細(xì)小彌散的碳化物可有效阻礙晶界移動(dòng)，對晶粒長大起到限制作用。在制作大截面板簧時(shí)，良好的淬透性是得到良好性B提高鋼的彈減抗力[4]。根據(jù)理論分析和有關(guān)的成分優(yōu)化實(shí)驗(yàn)資料，綜合考慮鋼-1-1.1.1 60Si2MnA的化學(xué)成分表1材料的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）1.1.260Si2MnA的臨界轉(zhuǎn)變溫度[5]表260Si2MnA的臨界轉(zhuǎn)變溫度/℃1.2熱處理工藝設(shè)計(jì) 工工藝流程為：剪切下料→沖孔→較直→軋制（變耳）→切邊→成形淬火→回火→噴丸→裝配→噴漆→質(zhì)測。因此,彈簧鋼的工藝性能包括:冷加工性能(如下料、沖孔、噴丸強(qiáng)化響應(yīng)等)、熱加工性能主要包括熱成形性能如軋制、卷包耳、切邊脫碳傾向傾向,淬透性、淬火成形性能等)[6]。1.2.2 60Si2MnA汽車板簧熱處理工藝1.2.2.1木炭包埋加熱先將爐溫升至1035℃,然后將試樣埋在盒子里的木炭中,注意試樣下面必須墊一層木炭,不可直接與盒子底部接觸,同時(shí)試樣上面也必須完全掩埋在木炭中,且要有一定深度,裝好推入加熱爐中加熱[7]，保溫30min。1.2.2.2 在達(dá)到保溫時(shí)間，奧氏體化熱成型后，立即冷至860℃出爐進(jìn)行油淬，再1.2.2.3 行低溫時(shí)效處理（200～300℃保溫2h）[3]。2熱處理工藝結(jié)果分析和討論2.1熱處理工藝曲線-2-Fig.1Heattreatmenttechnologycurveofthe60Si2MnAspringsteel2.2脫碳處理對60Si2MnA板簧性能的分析彈簧鋼在淬火加熱過程中與周圍加熱介質(zhì)相互作用往往會(huì)產(chǎn)生氧化和脫碳缺陷而降低表面硬度和強(qiáng)度,故減少彈簧鋼在淬火過程中的脫碳、氧化是必是防止脫碳措施有所不同。圖2(a)采用木炭包埋進(jìn)行加熱,基本無脫碳現(xiàn)象;而無保護(hù)措施的試樣熱處理后宏觀脫碳情況明顯,從圖2(a)到圖2(b),其脫況明顯地由輕到重。（a）木炭包埋 b

Fig.2Macroscopyphotographsofspecimen Fig.3Thedistributioncurveofmicrohardnessafterdifferenthot-workingtreatment可見,如果采用比較合適又經(jīng)濟(jì)的防脫碳措施,60Si2MnA板簧鋼熱處理表面質(zhì)量會(huì)得到可靠的保證尤其是能保證彈簧在長期的振動(dòng)和交變應(yīng)力作用下有高的疲勞極限。同時(shí)也說明本實(shí)驗(yàn)采用木炭包埋熱處理這種防止脫碳的防是非常有效的。-3-根據(jù)文獻(xiàn)[7]的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，從圖3可以發(fā)現(xiàn)，由表層邊緣往心部硬度值逐漸增大。其硬度壓痕由大到小如圖區(qū)域后硬度值基本趨于穩(wěn)定，脫碳后試樣從脫碳最嚴(yán)重的表層到基本沒脫碳的心部區(qū)域，硬度值從低到高，可以間接說明脫碳后試樣從表到里（指硬度穩(wěn)定區(qū)域）碳含量變化趨勢,即碳含低到高。 Fig.4Microhardnessimpressfromsurfacetocoreatdifferentloads 在不同奧氏體化溫度下保溫后淬火的板簧顯微組織如圖。可以看出，隨加熱溫度的升高，晶粒有一定的長大，但在1035℃無明顯的惡化現(xiàn) Fig.5Microstructureatdifferentquenchingtemperaturesfor35min表3簧片淬火后的硬度變化情況?？煽闯?，加熱溫度時(shí)，硬度只升0.3HRC?？梢哉J(rèn)為到1035硬度已趨于穩(wěn)定。表3奧氏體化溫度對鋼板彈簧硬度的影響Tab.3Effectofquenchingtemperatureonhardnessofleafspring

-4-

晶界遷移的過程就是原子擴(kuò)散過程，溫度越高，晶粒長大速度就越快。升高奧氏體化溫度，奧氏體晶粒會(huì)長大，但是隨溫度升高，雜質(zhì)和合金元素溶入基體后能阻礙晶界運(yùn)動(dòng)，這些被吸附在晶界的溶質(zhì)原子會(huì)降低晶界的界面能，從而降低界面移動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力，所以溫度繼續(xù)升高對鋼板彈簧晶粒大小有一定影響，但晶粒長大幅度較小。文獻(xiàn)提及淬火溫度不能超過本文材料正是加入了其他元素，限制了晶粒的長大，從而使淬火溫度升至1035℃時(shí)，但晶粒并無明顯惡化。隨奧氏體化溫度的升高，完全，硬度會(huì)有所增大。根據(jù)文獻(xiàn)[10]，在加熱過程中，60Si2MnA板簧鋼脫碳在900～1000存在極小值，溫度過高或過低脫碳反而增大。60Si2MnA高溫長時(shí)間加熱易發(fā)生脫碳現(xiàn)象；另一方此，對60Si2MnA成鋼的氧化脫碳缺陷明顯增加，考慮到實(shí)際生產(chǎn)提高效率、節(jié)約能源的需要，采用余熱淬火處理更有利于保證60Si2MnA的強(qiáng)韌性。當(dāng)淬火溫度低于低，滿足不了彈簧使用對硬度的要求，造成屈強(qiáng)比過低；淬火溫度高于870℃時(shí)，由于60Si2MnA鋼過熱敏感性強(qiáng)，晶粒粗大，造成性能惡化。因此，選擇860熱淬火，得到板條馬氏體組織。 Microstructureat1035℃fordifferentholdingtime圖61035片的顯微組織?？梢钥闯?，隨加熱時(shí)間的延長，晶粒有所長大，但幅度并不大，時(shí)間延長至長大才略為明表4保溫時(shí)間對鋼板彈簧硬度的影響Tab.4Effectofholdingtimeonhardnessofleafspring

-5-

表4片的硬度變化情況。可以看出，不同保溫時(shí)間硬度差別極小，說明保溫時(shí)間對硬度的影響并不大。在較高的奧氏體化溫度下，晶粒長大速度較快，所以從圖以看出，在較短的時(shí)間內(nèi)，晶粒就長大。但在一定溫度下晶粒長大到一定尺寸后就不再長大，或者長大趨勢很緩慢。這是因?yàn)楫?dāng)晶粒長大到一定尺寸后，界面能降低，晶界逐漸處于平衡狀態(tài)，移動(dòng)緩慢，晶粒長大也就變慢。只有當(dāng)保溫時(shí)間超過50min時(shí)，才能看到稍明顯的晶粒長大。隨保溫時(shí)間的延長，由于溶入基體的元素濃度變化不大，所以硬度變化較小。因此，為了節(jié)約能源及減少脫碳，保溫時(shí)間可以選擇30min 60Si2MnA彈簧鋼余熱淬火后不同回火溫度下的力學(xué)性能見表5。由表5可知，在余熱淬火后360～440℃范圍內(nèi)回火，60Si2MnA簧鋼的力學(xué)性能指標(biāo)均要求。隨回火溫度的升高，試樣的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和硬度值顯著降而伸長率和沖擊韌度顯著升高。Table.5Mechanicalpropertiesof60Si2MnAspringsteedbyheatquenchedandtemperingatdifferenttemperatures

σs

σb

J

60Si2MnA彈簧鋼經(jīng)余熱淬火和不同溫度回火后的顯微組織如圖7所示。從圖7可以看出，在440到的回火組織均為粒狀滲碳體和針狀鐵素體構(gòu)成的回火屈氏體。當(dāng)回火溫度為的馬氏體邊界已開始 Fig.7Microstructureof60Si2MnAspringsteeltemperedatdifferenttemperaturefor1.5hours-6-變得模糊，但仍保持了馬氏體板條的位向。在回火過程中馬氏體板條內(nèi)部、板條邊緣和奧氏體晶界上析出碳化物。其中在馬氏體板條內(nèi)部有大量彌散析出的碳化物質(zhì)點(diǎn)，并逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的滲碳體[11]隨著回火溫度的升高，馬氏體中析出的細(xì)小粒狀滲碳體會(huì)不斷向馬氏體晶界聚集長大。當(dāng)回火溫度升高到℃時(shí)，滲碳體明顯粗化，基本失去原析出時(shí)的片狀形態(tài)。因此60Si2MnA彈簧鋼性能的變化與回火過程中的馬氏體的分解、碳化物的轉(zhuǎn)變密切相關(guān)。隨回火溫度的升高，大量粒狀滲碳體的球化和聚集長大，是造成鋼強(qiáng)度和硬度下降、塑性韌性增加的主要原因。但板條馬氏體的斷裂韌性隨著回火溫度的升高而急劇下降。這是由于板條馬氏體斷裂韌性很高，隨著回火過程的進(jìn)行，逐漸有針狀碳化物析出和長大，而使鋼的斷裂韌性受到損害。只有在碳化物團(tuán)聚的時(shí)候鋼的斷裂韌性才能再次升高。從圖7還可看出，400℃回火60Si2MnA彈簧鋼得到的組小而均勻，屈強(qiáng)比最高，能更好地滿足彈性零件的性能要求?？紤]到60Si2MnA的抗回火性能，回火溫度應(yīng)為400±10，回火后應(yīng)噴水冷抑制第二類回火脆性的發(fā)生，其組織是保持馬氏體位向的屈氏體。 由圖8可以看出，經(jīng)強(qiáng)力噴丸的試樣，其表層壓應(yīng)力比未噴丸試樣可提高50％～65％，最大殘余壓應(yīng)力距表面約原因是：噴丸使得表層金屬產(chǎn)生局部壓塑性變形而產(chǎn)生強(qiáng)烈的加工硬化；表層殘留奧氏體經(jīng)噴丸形變誘發(fā)而轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，且馬氏體的亞結(jié)構(gòu)得以細(xì)化；噴丸將造成金屬表層晶格崎變，位錯(cuò)密度增加，表層殘余壓應(yīng)力值明顯提高。通過強(qiáng)力噴丸，試樣表面得到顯著強(qiáng)化，提高了其抵抗交變應(yīng)力破壞的閾值，推遲了疲勞裂紋的萌生，疲勞裂紋也難以擴(kuò)展[12,13]。但應(yīng)注意的是，噴丸強(qiáng)度不能過高，否則會(huì)產(chǎn)生表面缺陷；另外，噴丸一般會(huì)影響工件表面粗糙度，因此工件最好在噴丸前先進(jìn)行打磨，噴后再進(jìn)行拋光處理[14]。 Fig.8Residualstressdistributionofthe60Si2MnAspringsteelbypowershotandno Fig.9Lowtemperatureagingcurvesofthe60Si2MnAspringsteelbypowershot圖9噴丸后低溫時(shí)效處理對殘余應(yīng)力的影響。由圖9知，噴丸后的低溫時(shí)-7-理使得應(yīng)力場產(chǎn)生了不同程度的松弛，試樣表層形變的組織結(jié)構(gòu)發(fā)生回勞加載中造成材料的損傷。時(shí)效時(shí)間越長，松弛量越余應(yīng)力將趨于平衡，具有良好的穩(wěn)定性。因此，低溫的噴丸彈簧在疲勞壽命上有所延長。3結(jié)論1)采用木炭包埋加熱可以有效防止60Si2MnA板簧脫碳在熱處理加熱時(shí)的脫碳,火回火后的硬度不至于降低。2)普通的62Si2Mn鋼，如果添加適量的有益元素，其淬火加熱溫度可提高至1035且晶粒無明顯惡化。3)60Si2MnA板簧鋼適用余熱淬火熱處理工藝。1035℃加熱保溫30min奧氏體4)62Si2MnA板簧鋼經(jīng)強(qiáng)力噴丸的表面殘余壓應(yīng)力大幅增加50％～65％。5)62Si2MnA板簧鋼噴丸后的低溫時(shí)效處理