金屬材料與熱處理技術(shù)課程設(shè)計(jì)-汽車板簧的熱處理工藝

1、零件圖圖（1）汽車板簧實(shí)物圖及所在圖（2）汽車板簧零件圖及尺寸2、服役條件汽車板簧是由不少于1片的彈簧鋼疊加組合而成的板狀彈簧。在汽車行駛的過程中承受各種應(yīng)力的作用，其中以反復(fù)彎曲應(yīng)力為主，絕大多數(shù)是疲勞破壞。即服役條件為沖擊、振動(dòng)或長(zhǎng)期交應(yīng)力。3、所需性能及技術(shù)要求應(yīng)具有高的疲勞強(qiáng)度和等性能。其性能要求：RP0.2≥1150MPa，Rm≥1280MPa，A10≥5%,Z≥20%。生產(chǎn)過程中，用硬度和觀察金相組織來表示技術(shù)要求：淬火后硬度≥63HRC，回火后硬度：42～45HRC。4、選擇材料我們從以下四中常用彈簧鋼中選擇材料制造汽車板簧并進(jìn)行分析。65Mn、50CrVA、60Si2Mn、65Si2MnWA。下表為性能參數(shù)的比較。性能材料65Mn50CrVA60Si2Mn65Si2MnWA屈服強(qiáng)度/MPa800115012001700抗拉強(qiáng)度/MPa1000130013001900斷后伸長(zhǎng)率/%81055斷面收縮率/%304025204.165Mn它強(qiáng)度高、淬透性好、脫碳傾向比硅鋼小、價(jià)格低、切削加工性好。但過熱敏感性大，易產(chǎn)生淬火裂紋，并有回火脆性。用途廣泛，用于制造各種截面較小的扁、圓彈簧、板簧和彈簧片。雖然65Mn價(jià)格低，但容易產(chǎn)生淬火裂紋，影響產(chǎn)品的合格率甚至使用壽命。此外，屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度都不符合性能要求，故不選用。4.255CrVA該鋼是高級(jí)優(yōu)質(zhì)彈簧鋼。具有良好的耐腐蝕性，良好的回火穩(wěn)定性，當(dāng)加熱到300℃彈性仍可保持。該鋼切削加工性尚好。但塑性較差。焊接性差。適用于制造重要的承受大應(yīng)力的各種彈簧，使用溫度不超過400℃。由于板簧加工過程中需要校真和卷耳，而55CrVA的塑性較差，且屈服強(qiáng)度未達(dá)到性能要求，故不選用。4.365Si2MnWA該鋼是含鎢彈簧鋼，價(jià)格高，用于制造耐高溫且要求強(qiáng)度更大，或截面較大的彈簧。雖然性能很好，但由于價(jià)格高，為了降低成本提升產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力，故不選用。4.460Si2Mn表1.60Si2Mn的化學(xué)成分成分CSiMnCr含量0.56～0.641.50～2.000.60～0.90≤0.35它是用途十分廣泛的一種合金彈簧鋼。該鋼淬透性好。淬火回火后具有較高的強(qiáng)度和彈性極限。較高的屈強(qiáng)比（б0.2/бb）和抗松弛能力及回火穩(wěn)定性。元素分析：（1）同時(shí)加入硅、錳，能顯著強(qiáng)化基體鐵素體，大為提高了鋼的彈性極限，屈強(qiáng)比可達(dá)到0.8～0.9，而且疲勞強(qiáng)度也顯著提高。（2）硅錳元素的共同作用提高了鋼的淬透性，（3）硅還有效地提高了回火穩(wěn)定性，錳提高了耐磨性。（4）硅促進(jìn)脫碳傾向，錳增大了鋼過熱敏感性，但是兩者復(fù)合加入后，硅錳鋼的脫碳和過熱敏感性較硅鋼、錳鋼為?。?）還是會(huì)因過熱敏感性產(chǎn)生淬火裂紋，因脫碳對(duì)工件耐磨性、疲勞強(qiáng)度產(chǎn)生顯著影響。表2.60Si2Mn的臨界點(diǎn)臨界點(diǎn)Ac3Ar3Ac1Ar1Ms溫度/℃8107757507002305、汽車板簧工藝5.1前處理加工工藝路線：下料→校直→鉆孔→卷耳→淬火+中溫回火→噴丸→裝配→預(yù)壓縮。熱處理前材料的組織為鐵素體和珠光體。對(duì)原材料的要求比較嚴(yán)格，是考慮到彈簧的工作條件和性能要求。為確保其獲得理想的技術(shù)指標(biāo)，一般供貨狀態(tài)為熱軋交貨。熱軋狀態(tài)相當(dāng)于正火處理。目前不少鋼鐵企業(yè)采用控制軋制，由于終軋溫度控制很嚴(yán)格，并在終軋后采取強(qiáng)制冷卻措施，因而鋼的晶粒細(xì)化，交貨鋼材有較高的綜合力學(xué)性能。通常技術(shù)要求為鋼材的化學(xué)成分、表面脫碳層的深度及游離態(tài)的石墨等夾雜物符合規(guī)定，表面不允許有麻點(diǎn)、裂紋、銹蝕、折疊、斑疤、氣泡及壓入的氧化皮和棱邊碎裂等致命缺陷。5.2熱處理工藝熱處理工藝流程為：預(yù)熱→加熱→冷卻→中溫回火→冷卻。淬火后必須及時(shí)進(jìn)行回火處理。本課程設(shè)計(jì)采用的液壓步進(jìn)爐型號(hào)為BJL-2520-13。5.2.1預(yù)熱預(yù)熱溫度為防止快速加熱產(chǎn)生的熱應(yīng)力導(dǎo)致工件變形開裂，需要進(jìn)行一次預(yù)熱處理。預(yù)熱溫度通常為480～500℃，取500℃。根據(jù)公式計(jì)算，合金鋼的每毫米有效厚度加熱時(shí)間為1.7min,有效厚度為8mm，計(jì)算得預(yù)熱保溫時(shí)間為14min。5.2.2淬火淬火溫度最佳溫度為870±5℃，由于汽車板簧為長(zhǎng)條狀結(jié)構(gòu)在爐中為連續(xù)加熱，自爐內(nèi)傳出到進(jìn)入液壓淬火機(jī)需要一定的時(shí)間，因此其在步進(jìn)爐中快速加熱到920～930℃,取920℃。在液壓淬火機(jī)內(nèi)進(jìn)行油冷前，此時(shí)板簧的溫度為860～880℃，符合淬火溫度的要求。鑒于60Si2Mn過熱敏感性較強(qiáng)，晶粒易于粗大，淬火溫度不宜過高，所以淬火溫度為870℃。加熱時(shí)間按經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算，加熱系數(shù)為1.5min/mm，裝爐系數(shù)為1.4(裝爐方式見下圖),有效厚度為8mm，計(jì)算得加熱時(shí)間為17min。板簧在加熱爐內(nèi)保溫時(shí)間結(jié)束后，采用鏈板式輸送鏈將板簧在淬火機(jī)上自動(dòng)夾緊成形，入油冷卻左右搖擺，自動(dòng)卸片，再經(jīng)輸送帶傳遞出淬火油池。淬火介質(zhì)：5#機(jī)械油。合金彈簧鋼的臨界冷卻速度較低為防止淬火開裂，在油中冷卻是可行的，可獲得細(xì)致的馬氏體組織，但應(yīng)防止淬火油混進(jìn)水，將會(huì)在板簧表面生成一層導(dǎo)熱不良的蒸汽膜，使冷卻能力下降，并導(dǎo)致淬透性不良。油溫控制在20-50℃。淬火后馬氏體級(jí)別在5級(jí)左右，淬火后基本硬度≥63HRC。預(yù)熱+淬火工藝曲線5.2.3、回火回火溫度汽車板簧的回火溫度應(yīng)在460～540范圍內(nèi)進(jìn)行，以獲得回火屈氏體組織。需要注意此時(shí)碳化物未明顯長(zhǎng)大，具有應(yīng)力分布特征，基體α相僅發(fā)生回復(fù)過程，保持馬氏體針狀和一定的強(qiáng)化效果，使回火屈氏體有較高的彈性極限。因?yàn)橛幂^低的溫度（<460℃）回火，雖然彈性極限和強(qiáng)度極限都比較高，但韌性低，比較脆，疲勞極限往往不高；而用較高的溫度(>500℃)回火，韌性較高，但強(qiáng)度和彈性極限又太低。根據(jù)該服役條件的具體要求而言，應(yīng)具備強(qiáng)韌性的要求，因此應(yīng)采用460℃作為回火溫度。保溫時(shí)間根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式τ=αkD，加熱系數(shù)取1.5min/mm，有效厚度為8mm,裝爐系數(shù)為2.2（裝爐方式見下圖）。計(jì)算得回火時(shí)間為26.4min，但為了釋放熱應(yīng)力，回火時(shí)間至少要30min。保溫時(shí)間為1，5～2h。保溫結(jié)束后水冷?；鼗鸸に嚽€圖5.3噴丸為了提高彈簧的強(qiáng)度和疲勞壽命，要對(duì)熱處理后的板簧進(jìn)行噴丸處理。強(qiáng)化層內(nèi)形成較高的殘余應(yīng)力，由于彈簧表面壓應(yīng)力的存在，當(dāng)彈簧承受載荷時(shí)可以抵消一部分抗應(yīng)力，從而提高彈簧的疲勞強(qiáng)度。噴丸處理采用壓力為0.4～0.5MPa的壓縮空氣，用離心機(jī)以70m/s的線速度，將直徑為φ0.3～0.5mm的鋼丸噴射到板彈簧表面。通過高速度的鐵丸射向彈簧表面，使表層發(fā)生塑性變形而處于壓力狀態(tài)，從而提高彈簧的疲勞極限，以及改善表面質(zhì)量，這樣可以使彈簧的壽命提高1～1.5倍。該汽車板簧使用溫度為230℃以下，因?yàn)?30℃是馬氏體相變臨