金属材料与热处理技术课程设计60Si2Mn弹簧钢的热处理工艺

材料专业课程设计材料专业课程设计 论文题目论文题目：60Si2Mn 弹簧钢的热处理工艺弹簧钢的热处理工艺 学院：学院： 陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 专业：专业： 金属材料与热处理技术金属材料与热处理技术 班级：班级： 0975130 姓名：姓名： 张常波张常波 日期：日期：2012.06。16 指导老师：指导老师： 薛书微薛书微 2 1 目录 1 选材任务书 . 1 1.1 给定条件 . 1 1.2 技术要求： . 1 2 选材论证 . 1 2.1 弹簧钢定义： . 1 2.2 弹簧钢分类 . 2 2.3 截面硬度分布曲线 . 8 3 热处理理工艺卡片 . 8 4 设计说明书 . 9 4.1 工艺流程 . 9 4.2 原材料检验 . 10 4.3 预备热处理 . 14 4.4 淬火加中温回火 . 16 4.5 去应力退火 . 19 4.6 交验 . 21 4.7 工装图 . 22 5 技术文件 . 23 5.1 真空炉设备的简介及操作规程 . 23 5.2 工艺守则 . 25 5.3 金相组织检验规程 . 28 5.4 常用炉型的选择 . 31 1 1 选材任务书选材任务书 1.1 给定条件给定条件 零件名称： 弹簧 材料： 60Si2Mn 净重:1.85Kg 批量：大批量 零件简图： 1.2 技术要求：技术要求： 热处理态及硬度: HRC42-45 变形要求： 1% 组织： 马氏体+回火托氏体 其它：能承受极限载荷 10000N，单圈刚度=1500N/mm，工作极限载荷下的单圈变形量=6mm，许用应力 740MPa。 2 选材论证选材论证 2.1 弹簧钢弹簧钢定义：定义： 弹簧钢是指由于在淬火和回火状态下的弹性，而专门用于制造弹簧和弹性元件的钢。钢的弹性取决于其弹性变形的能力，即在规定的范围之内，弹性变形的能力使其承受一定的载荷，在载荷去除之后不出现永久变形。 弹簧钢应具有优良的综合性能，如力学性能 (特别是弹性极限、弹性极限、屈强比)、抗弹减性能(即抗弹性减退性能，又称抗松弛性能)、疲劳性能、淬透性、物理化学性能(耐热、耐低温、抗氧化、耐腐蚀等)。为了满足上述性能要求，弹簧钢具有优良的冶金质量(高的纯洁度和均匀性)、良好的表面质量(严格控制表面缺陷和脱碳)、精确的外形和尺寸。 2 根据 GB/T 13304钢分类标准，按照基本性能及使用特性一，弹簧钢属于机械结构用钢；按照质量等级，属于特殊质量钢，即在生产过程中需要特别严格控制质量和性能的钢。按照我国习惯，弹簧钢属于特殊钢 ，制作弹簧钢的时候技术要求比较高，技术的过硬直接决定品质的高低 2.2 弹簧钢分类弹簧钢分类 2.2.1 按照化学成分分类 根据 GB/T 13304 标准，弹簧钢按照其化学成分分为非合金弹簧钢(碳素弹簧钢)和合金弹簧钢。 1 碳素弹簧钢 碳素弹簧钢的碳含量(质量分数)一般在 0.62%0.90%。按照其锰含量又分为一般锰含量(质量分数) (0.50%0.80%)如 65、70、85 和较高锰含量(质量分数) (0.901.20%)，如 65Mn两类。 2.合金弹簧钢 合金弹簧钢是在碳素钢的基础上，通过适当加入一种或几种合金元素来提高钢的力学性能、淬透性和其他性能，以满足制造各种弹簧所需性能的钢。 合金弹簧钢的基本组成系列有， 硅锰弹簧钢、 硅铬弹簧钢、铬锰弹簧钢、铬钒弹簧钢、钨铬钒弹簧钢等。在这些系列的基础上，有一些牌号为了提高其某些方面的性能而加入了钼、钒或硼等合金元素。 此外，还从其他钢类，如优质碳素金钩刚、碳素工具钢、高速工具钢、不锈钢，选择一些牌号作为弹簧用钢。 2.2.2 按照生产加工方法分类 1. 热轧 (锻) 钢材包括热轧轧圆钢、方钢、扁钢、钢板，锻制圆钢、方钢。 2. 冷拉 (轧) 钢材 包括钢丝、钢带、冷拉材 (冷拉圆钢)。 3 2.2.3 按照钢材交货状态分类 1. 热轧 (锻) 钢材 A.以热轧 (锻) 状态交货 钢材经热成形制成弹簧， 然后进行淬火和回火处理。 B.以退火状态交货 钢材经冷成形制成弹簧，然后进行淬火和回火处理。 2. 冷拉 (轧) 钢材 A.钢丝 铅浴等温退火冷拉钢丝(又称派登脱处理冷拉钢丝) 钢丝制成弹簧后只需进行低温回火，以消除应力。 油淬火和回火钢丝 冷拉成所需尺寸后，进行连续加热、连续油淬火和铅回火。钢丝制成弹簧后只需进行底温火，以消除应力。 冷拉钢丝 (即不经淬火和回火处理的钢丝) a. 以冷拉状态交货。 b. 以退火、正火或回火处理状态交货。 以上两种状态交货的钢丝制成弹簧后均需进行淬火和回火处理。 B.钢带 冷轧状态交货 制成弹簧后需进行低温回火，以消除应力。 淬火和回火状态交货 制成弹簧后需进行低温回火，以削除应力。 退火火状态交货 制成弹簧后需进行淬火和回火处理 C.冷拉钢材 以退火状态交货 钢材经冷成形制成弹簧，然后进行淬火和回火处理。 2.2.4 其他分类方法 除以上所述外，还有一些其他分类方法，例如： 4 按交货条件要求不同可分为按化学成分(力学性能)交货和按淬透性交货。 按弹簧工作条件可分为承受静载荷弹簧钢、承受冲击载荷弹簧钢、耐高(低)温弹簧和耐腐蚀弹簧钢等。 性能要求： 1 力学性能方面： 由于弹簧是在弹簧范围内工作，不允许产生永久变形。弹性好坏可用应变能或弹性比功（U）表示，根据应力应变曲线GUEU2e2或，根据工件的硬度要求，查阅弹簧热处理工艺手册，可以得到牌号为 65，85，55Si2Mn，55Si2MnB，55CrMn，60Si2Mn 等都能符合要求1。 进一步查阅手册，分析各种钢的主要用途。 表表 21 牌号 性能特点 用途举例 65 经热处理或冷作硬化后具有较高硬度与弹性，冷变形苏醒地，淬透性不好，承受动载和疲劳载荷的能力低，一般采用油淬，大截面部件采用水淬，油淬或正火处理。 应用广泛，多用于工作温度不高、尺寸较小的弹簧，或不太重要的较大尺寸弹簧，如汽车。拖拉机、铁道车辆及一般机械用的弹簧等。 85 具有很高的强度、硬度和去伏笔，但淬透性差，耐热性不好，承受动载荷疲劳载荷的能力差。 用于火车、汽车、拖拉机等变形弹簧，圆形螺旋弹簧及一般机械用弹簧等。 5 55Si2Mn 55Si2MnB 有较高的强度和弹性极限，较高的抗松弛能力，抗回火稳定性好，脱碳倾向大。 55Si2MnB因含硼， 淬透性明显改善 用于高应力、高交表在和条件下工作的较大尺寸的螺旋弹簧、减震弹簧、碟形簧、汽封簧，还用于250以下工作的耐热弹簧。 55CrMn 有较高的强韧性，淬透性好，热加工性能、抗脱碳性能亦好，过热敏感性比锰钢低而比硅锰钢高，对回火脆性较敏感，焊接性差。 用作重载荷、高应力条件下工作的大型弹簧，如汽车、拖拉机、机车的大截面板簧，直径较大的螺旋弹簧等。 60Si2Mn 由于硅含量高，其强度和弹性极限均比55Si2Mn高， 抗回火稳定性好，淬透性不高，易脱碳和石墨化。 用途很广，主要用在汽车，机车，拖拉机的减震板簧，螺旋弹簧，气缸安全阀簧，止回阀簧，也用于制作承受交变载荷及高应力下工作的重要弹簧、抗磨损弹簧。 综合性能要求和经济性考虑， 初选定 60Si2Mn 钢为使用钢材，所用材料为轧制态的 60Si2Mn 商品钢。 60Si2Mn 的元素含量及临界温度 表表 22 元素含量 % 临界温度 6 C Si Mn Cr Ms Ac1 Ac3 0.63 2.00 0.90 0.15 265 755 810 淬透性的校核： 淬透性：指钢在淬火时能够获得 M 的能力，它是钢材本身的一种属性。 它主要与钢的过冷 A 的稳定性与临界淬火冷却速度有关。 表示方法：U 曲线法，临界直径法和顶端淬火法。 我采用的是1根据淬透性曲线确定钢的临界淬透直径：借助于三个图碳含量与半马氏体区硬度的关系图；钢的淬透性曲线；确定淬透性的线解图。 先根据 65Si2Mn 的含碳量，得到其半马氏体硬度，然后通过 65 的淬透性曲线得到其距水冷端距离，再通过圆棒直径及截面上的位置与端淬试样上至水冷短距离的关系得到 65Si2Mn的临界淬透半径。 表表 23 含碳量 硬度/HRC 距水冷端距离 临界半径 0.54%0.63% 4245 6mm 22mm 60Si2Mn 的距水端距离由图 2-1 和图 2-2 确定，使用热处理手册2得到临界半径尺寸，由查阅热处理技术数据手册3得知，60Si2Mn 的有关参数如下表所示： 表表 24 图图 21 图图 22 图图 23 7 强度级别 b/Mpa 硬度/HRC 推荐的回火温度/ 16101900 4855 430500 由上表可知，所选材料完全可以满足设计要求，所以选材是正确的。 由弹簧钢的热处理工艺规范查得： 表表 25 钢号 热加工温度 退火 正火 加热 始锻 温度/ 冷却方式 硬度/HRW 温度/ 冷却方式 硬度/HRW 终锻 60Si2Mn 10801120 10201080 750 炉冷 222 830860 空冷 302 850950 高温回火 淬火 温度/ 硬度/HRW 温度/ 冷却剂 硬度/HRC 640680 870 油 61 回火 各种不同温度回火后的硬度值HRC 常用回火温度冷却剂 硬度HRC 150200300400 500550600650 8 范围/ 61 60 56 51 43 38 33 29 430480 水，空冷 4550 由于 60Si2Mn 是高合金钢，用水介质淬火时，容易发生开裂，所以采用油做淬火介质，这一点在 表 25 也得到了充分论证。 2.3 截面硬度分布曲线截面硬度分布曲线 截面分布曲线的确定方法：（1）根据图 2-3 确定直径为 16mm 的圆棒表面、3R/4、R/2、中心处分别对应的之水冷断的距离（2）根据图 2-1 查出 60Si2Mn 在此至水冷端的硬度，绘制截面硬度曲线。 绘制完成后可得到的曲线为： 由截面硬度分布曲线可知，60Si2Mn 完全可以满足工件材料的使用要求。 3 热处理热处理理工艺卡片理工艺卡片 厂家 热处理工艺卡第一页 共一页 热处理工艺 60Si2Mn截面硬度分布曲线4850525456表面 2.82R/2 5.7R/2 5.7表面 2.8圆棒位置及至水冷端距离硬度HRC60Si2Mn截面硬度分布曲线 9 车间 片 原 料 检 查前 期 与 处 理下 料料 头 锻 扁加 热卷 绕 成 型淬 火中 温 回 火初 步 检 验整 形去 应 力 退 火检 验喷 砂立 定 处 理断 面 处 理检 验表 面 防 腐 处 理入 库 零件名称 材料 净重 /kg 批量 弹簧 60Si2Mn 1.85 大批量 技术要求 检验方法 热处理态及硬度：42-45HRC 硬度测试 组织要求：马氏体+回火托氏体 金相观察 工序号 工序名称 硬度 设备及型号 装炉量 热处理规范 加热温度/ 加热及保温时间 冷却方法 正火 302HRW 箱式电阻炉 RX3-30-9 60 830-860 1.5h 空冷 淬火 61 VOG 型 双室油淬真空炉 60 870 1h 油 中温回火 43 箱式电阻炉 RX3-30-9 60 500 40min 空冷 去应力退火 43 箱式电阻炉 RX3-30-9 60 750 45min 空冷 注意事项：工序先采取在 850预热加热，减小变形开裂的可能，缩短高温保温时间，减少脱碳。 日期 校对 日期 审核 日期 会签 日期 批准 描图 日期 4 设计说明书设计说明书 4.1 工艺流程工艺流程 原材料检查前期预处理下料（剪断）料头锻扁加热卷绕成型 淬火（淬火介质为油）中温回火（带芯棒）初步检验整形去应力退火（带 10 芯棒）检验喷砂立定处理断面加工检验表面防腐处理入库 4.2 原材料检验原材料检验 4.2.1 60Si2Mn 的成分 钢号 C Si Mn Cr Ni P S 60Si2Mn 0.560.64 1.502.00 0.600.90 0.701.00 0.35 0.040 0.040 4.2.2 初步检验 供货商提供的质量证明书为原件， 应清晰易辩， 不得涂改，生产厂家的质量检验公章、合格章应清楚，不得被其他文字、印章遮盖，供货商在空白处应加盖公章；如供货商提供的质量证明书为复印件，其要求同原件，供货商并注明原版质量证明书存放处；否则作退货处理。 原材料的批次号与质量证明书上的批次号必须一致，如不一致作退货处理； 原材料规格型号、材质、与采购计划必须一致，如不一致作退货处理； 原材料数量、重量与采购计划须一致，如不一致需作进一步处理，少的需追加，多的呈报主管副总经理批示。 原材料价格与采购计划须一致，如不一致需作进一步协商处理，并呈报主管副总经理批示。 原材料的表面不得有裂纹、折叠、结疤和重皮，表面不得有严重锈蚀、麻点和划痕，无明显变形。检验合格后，填写记录，开出原材料检验委托单，并附质量证明书、采购计划，由 11 质检部门进行抽检，；如不合格作退货处理； 4.2.3 质量部检验 钢材的批次号与质量证明书上的批次号是否一致；品种、规格、性能等应符合现行国家相关标准和设计要求；如不相符作退货处理；符合的，通知作外观检验。 外观检验： 钢材外观检验：表面不得有裂纹、折叠、结疤、夹渣和重皮；表面有锈蚀、麻点和划痕时，其深度不得大于该钢材负允许偏差值的 1/2，且钢材表面局部缺陷，累计大于该钢材面积的 1% ，应作退货处理。钢材端边或断口处不应有分层、夹渣等缺陷。 检验方法：采用目测、卡尺、钢直尺、拉线、钢卷尺检查 检验数量：外露部分全数检查 ，必要时拆包抽检。 参照标准：GB/T2975 钢材力学及工艺性能试验取样位置及试样制备 。 钢材外形尺寸检验：长度、宽度、厚度的允许偏差应符合现行国家相关标准； 检验方法：用卡尺、钢卷尺、角尺、直尺、测厚仪等检测 检验数量：每一品种、规格的钢材抽查不少于 5 件； 如外观检验不合格，理、化检验不必进行检测。 4.2.4 精度要求及检验方法 随机抽取 3 根棒状原料，用锯片沿轴向和纵向各切取 3 块试样，在切取试样的同时采用水冷却，以防温度升高引起材料纤显微组织变化。首先低倍检查试样是否存在宏观缺陷，要求精度 项目 中心疏松 一般疏松 偏析 精度 2.5 1.5 2 12 表 4-5 低倍检验方法： 采用热浸蚀方法，将钢板切片置于热酸中腐蚀之后再检验。使用 50%盐酸水溶液为腐蚀剂。将酸液加热到 70 后，把样品放入酸液溶液中并保温，待显示出缺陷后取出放入中和槽，然后再取出并用水将检验面上的酸液冲洗干净并吹干后用低倍显微镜进行检验，检验内容包括疏松、缩孔、偏析、白点、夹杂、裂纹。 4.2.4.1 疏松疏松 疏松是钢不致密的表现，多出现于钢锭的上部，在化学成分上疏松点的碳、硫、磷含量比集体偏高。根据疏松在横断面上的分布位置，将疏松分为一般疏松和中心疏松。 （1）一般疏松。钢材横截面上组织不致密，腐蚀后整个截面上呈分散的小孔隙和暗黑色小圆点。 （2）中心疏松。钢材横截面上轴心区域组织不致密，腐蚀后有聚集的小孔隙、凹陷的暗黑点和中心变黑的现象。 4.2.4.2 缩孔缩孔 在钢材横截面的轴心区域，浸蚀后显现出不规则的皱折缝隙或空洞，周围集聚严重的疏松、偏析和非金属夹杂物。由于热加工的影响，缩孔的位置常常造成偏心。在钢材的纵向截面上，缩孔表现为非结晶构造的条带和疏松，有时存在杂质。正常情况下，钢锭在切除冒口时即可将冒口切去，但若缩孔较深或产生二次缩孔，以及钢锭切头量过少使缩孔未能切净，钢中仍会存在部分缩孔，或因此引起的二次裂纹，称为缩孔残余。 4.2.4.3 偏析偏析 偏析是指钢中化学成分分布不均匀的现象。在化学成分 13 上，偏析带上的碳、硫、磷以及其它杂质的含量较基体较高，其中以碳的增高为最显著。经浸蚀后可能见到的偏析主要有方框形偏析、中心偏析和点状偏析。 （1）方框形偏析。在钢材的横截面上，腐蚀后显现出由致密的暗黑色小点组成的颜色较深的方框形，方框以内的组织较外部不致密。由于热加工变形的影响，方框有时变成不规则的“”形、“”形乃至任意形状。 （2）中心偏析。在钢材横截面的中心部位，腐蚀后显现出形状不规则的深暗色斑点。 （3）点状偏析。在钢材的横截面上，腐蚀后显现出分散的、不同形状、不同大小、略有低陷的暗黑色斑点，在钢材的纵断面上呈暗色条带，严重时往往伴有气泡出现。 4.2.4.4 夹杂夹杂 钢中的夹杂分为三类：金属夹杂、非金属夹杂和翻皮。 （1）金属夹杂。在钢材的横截面上，浸蚀后显现出边界清晰、与基体金属颜色明显不同的异形金属块。 （2）非金属夹杂。在钢材的横截面上，浸蚀后表现为有一定深度又不规则的小空洞，有时可见到白色或其它颜色的夹杂颗粒，分布无一定规律。 （3）翻皮。在钢材横截面上，浸蚀后可见到亮白色或暗色的、弯曲且不规则的细长带，缺陷内部及周围常常有非金属夹杂和气孔。在纵向截面上，显示为不同颜色的非结晶构造的条纹。，严重时呈层状。 4.2.4.5 白点白点 在钢材的横截面上，浸蚀后可见到直的、弯曲的或锯齿形的细长裂纹，位置多在 1/31/2 半径（或壁厚）处，也有的处于中心位置。白点的位置与钢材及锻件的冷却条件有关，冷却越快白点越接近表面，冷却缓慢则白点趋向中心。冷却快形成 14 的白点数量多长度短，冷却慢形成的白点数量少长度较长。在纵向断口上，白点多显示为圆形或椭圆形的银白色斑点，直径从零点几毫米至十几毫米乃至几十毫米。 4.2.4.6 裂纹裂纹 （1）轴心晶间裂纹。轴心晶间裂纹是钢锭凝固结晶时产生的热裂纹，在热轧和锻压时未能焊合而遗留在成材中，在钢材横截面的中心区域，浸蚀后显示为蜘蛛网状裂纹。 （2）发纹。发纹是钢中夹杂和气孔等缺陷在加工时延伸而形成的，它表现为沿钢材的加工方向的类似头发丝粗细的裂纹。 4.2.4.7 .磷、硫元素偏析的检验磷、硫元素偏析的检验 正常情况下，钢中都含有微量的硫和磷，其分布也是不均匀的。但若硫化物和磷化物偏析严重，会引起钢的热脆性和冷脆性。采用印痕法检验磷化物和硫化物的分布状况。 验收结论：符合标准收货，不符合，退货 4.3 预备热处理预备热处理 4.3.1 选用工艺 选用工艺为正火，正火是将钢加热到 Ac3或 ACcm以上 3050并保温一定时间，然后出炉在空气中冷却的热处理工艺。与完全退火相比，二者的加热温度及保温时间相同，但正火冷却速度较快，转变温度较低，发生伪共析转变。 4.3.2 正火的目的 1低碳钢正火的目的之一是为了提高切削性能。但是对有些含碳量低于 020的钢，即使按通常正火温度正火后，自由铁索体量仍过多，硬度过低，切削性能仍较差为了适当 15 提高硬度，应提高加热温度(可比 Ac3 高 100)，以增大过冷奥氏体的稳定性，而且应该增大冷却速度，以获得较细的珠光体和分散度较大的铁素体。 2中碳钢的正火应该根据钢的成分及工件尺寸来确定冷却方式。含碳量较高，含有合金元素，可采用较缓慢冷却速度，如在静止空气中或成堆堆放冷却，反之则采用较快冷却速度。 3 过共析钢正火，一般是为了消除网状碳化物，故加热时必须保证碳化物全部溶入奥氏体中。为了抑制自由碳化物的析出，使其获得伪共析组织，必须采用较大冷却速度，如鼓风冷却、喷雾冷却，甚至油冷或水冷至 Ar1 点以下的温度取出空冷。 4 双重正火。 有些锻件的过热组织或铸件粗大铸造组织，一次正火不能达到细化组织的目的，为此采用二次正火，始可获得良好结果第一次正火在高于 Ac3 点以上 150200的温度加热，以扩散办法消除粗大组织，使成分均匀；第二次正火以普通条件进行，其目的是细化组织 我们选择的是一次正火热处理，在上述的目的中，我们的目的是消除原料中的残余的应力以及消除网状碳化物。 4.3.3 正火作用 正火冷却速度较退火快些，所得到的组织较细，对于亚共析钢主要是细化晶粒，均匀组织，提高机械性能；对于力学性能要求不高的普通结构零件，正火可作为最终热处理；对于低中碳结构钢，主要是提高硬度，改善切削加工性能，高碳钢则应采用退火；对于过共析钢，有利于球化退火，为淬火作组织准备。 4.3.4 正火工艺规范示意图： 16 4.4 淬火加中温回火淬火加中温回火 将工件加热保温后，在水、油或其它无机盐、有机水溶液等淬冷介质中快速冷却。淬火后钢件变硬，但同时变脆。为了降低钢件的脆性，将淬火后的钢件在高于室温而低于 710的某一适当温度进行长时间的保温，再进行冷却，这种工艺称为回火。 4.4.1 淬火加热方式及加热温度的确定原则 淬火一般是最终热处理工序。因此，应采用保护气氛加热或盐炉加热。 只有一些毛坯或棒料的调质处理(淬火、 高温回火)可以在普通空气介质中加热。因为调质处理后尚须机械切削加工，可以除去表面氧化、脱碳等加热缺陷。但是随着少、无切削加工的发展、调质处理后仅是一些切削加工量很小的精加工，因而也要求无氧化，脱碳加热。 淬火加热一般是热炉装料。但对工件尺寸较大，几何形状复杂的高合金钢制工件，应该根据生产批量的大小，采用预热炉(周期作业)预热，或分区(连续炉)加热等方式进行加热。 1：淬火加热温度： 淬火加热温度，主要根据钢的相变点来确定。对亚共析钢，一般选用淬火加热温度为 Ac3+（3050)，过共析钢则 17 为 Ac1+(3050)。之所以这样确定，因为对亚共析钢来说，若加热温度低于 Ac3， 则加热状态为奥氏体与铁素体二相组成，淬火冷却后铁素体保存下来，使得零件淬火后硬度不均匀，强度和硬度降低。 比 Ac3 点高 3050的目的是为了使工件心部在规定加热时间内保证达到 Ac3 点以上的温度， 铁素体能完全溶解于奥氏体中，奥氏体成分比较均匀，而奥氏体晶粒又不致于粗大。对过共析钢来说，淬火加热温度在 Ac1Ac3 之间时，加热状态为细小奥氏体晶粒和未溶解碳化物，淬火后得到隐晶马氏体和均匀分布的球状碳物。这种组织不仅有高的强度和硬度、高的耐磨性，而且也有较好的韧性。如果淬火加热温度过高，碳化物溶解，奥氏体晶粒长大，淬火后得到片状马氏体(孪晶马氐体)， 其显微裂纹增加， 脆性增大， 淬火开裂倾向也增大。由于碳化物的溶解，奥氏体中含碳量增加，淬火后残余奥氏体量增多，钢的硬度和耐磨性降低。高于 Ac1 点 3050的目的和亚共析钢类似，是为了保证工件内各部分温度均高于 Ac1。 2：注意：确定淬火加热温度时，尚应考虑工件的形状、尺寸、原始组织、加热速度、冷却介质和冷却方式等因素。 在工件尺寸大、加热速度快的情况下，淬火温度可选得高一些。因为工件大，传热慢，容易加热不足，使淬火后得不到全部马氏体或淬硬层减薄。加热速度快，工件温差大，也容易出现加热不足。另外，加热速度快，起始晶粒细，也允许采用较高加热温度。在这种情况下，淬火温度可取 Ac3+(5080)，对细晶粒钢有时取 Ac3+100。对于形状较复杂，容易变形开裂的工件，加热速度较慢，淬火温度取下限。 考虑原始组织时，如先共析铁素体比较大，或珠光体片间距较大，为了加速奥氏体均匀化过程，淬火温度取得高一些。对过共析钢为了加速合金碳化物的溶解，以及合金元素的均匀化，也应采取较高的淬火温度。例如高速钢的 Ac1 点为 820840，淬火加热温度高达 1280。 考虑选用淬火介质和冷却方式时，在选用冷却速度较低的淬火介质和淬火方法的情况下，为了增加过冷奥氏体的稳定 18 性，防止由于冷却速度较低而使工件在淬火时发生珠光体型转变，常取稍高的淬火加热温度。 二、淬火加热时间的确定原则 淬火加热时间应包括工件整个截面加热到预定淬火温度，并使之在该温度下完成组织转变、碳化物溶解和奥氏体成分均匀化所需的时间。因此，淬火加热时间包括升温和保温两段时间。在实际生产中，只有大型工件或装炉量很多情况下，才把升温时间和保温时间分别进行考虑。一般情况下把升温和保温两段时间通称为淬火加热时间。当把升温时间和保温时间分别考虑时，由于淬火温度高于相变温度，所以升温时间包括相变重结晶时间。保温时间实际上只要考虑碳化物溶解和奥氏体成分均匀化所需时间即可。在具体生产条件下，淬火加热时间常用经验公式计算，通过试验最终确定。常用经验公式是 DK * 式中 加热时间，(min)； a加热系数，(minmm)； K装炉修正系数； D零件有效厚度(mm)。 加热系数口表示工件单位厚度需要的加热时间，其大小与工件尺寸、加热介质和钢的化学成分有关。装炉量修正系数 X是考虑装炉的多少而确定的。 装炉量大时， K 值也应取得较大，一般由实验确定； 工件有效厚度 D 的计算， 可按下述原则确定：圆柱体取直径，正方形截面取边长，长方形截面取短边长，板件取板厚，套筒类工件取壁厚，圆锥体取离小头 23 长度处直径，球体取球径的 06 倍作为有效厚度 D。 三、淬火介质及冷却方式的选择与确定 淬火介质的选择，首先应按工件所采用的材料及其淬透层深度的要求，根据该种材料的端淬曲线，通过一定的图表来进行选择。其选择方法已在本章淬透性一节讲述。若仅从淬透层深度角度考虑，凡是淬火烈度大于按淬透层深度所要求的淬火 19 烈度的淬火介质都可采用。但是从淬火应力变形开裂的角度考虑，淬火介质的淬火烈度愈低愈好。综合这两方面的要求，选择淬火介质的第一个原则应是在满足工件淬透层深度要求的前提下，选择淬火烈度最低的淬火介质。 4.4.2 中温回火（350500） 中温回火后的组织为回火托氏体，它是由尚未发生再结晶的针状铁素体和弥散分布的极细小的片状或粒状渗碳体组成，其形态仍为淬火马氏体的片状或板条状。中温回火的主要目的是为了获得高的屈强比，高的弹性极限，高的韧性，回火托氏体的硬度为 3545HRC。中温回火主要用于处理各种弹簧、锻模。所以我们在工艺中选择中温回火。具体的淬火和回火温度和保温时间，参照热处理手册查阅得知。 4.5 去应力退火去应力退火 定义：为了去除由于塑性形变加工、焊接等造成的以及铸件内存在的残余应力而进行的退火。 冷形变后的金属在低于再结晶温度加热，以去除内应力，但仍保留冷作硬化效果的热处理，称为去应力退火。 在实际生产中， 去应力退火工艺的应用要比上述定义广泛得多。热锻轧、铸造、各种冷变形加工、切削或切割、 焊接、热处理，甚至机器零部件装配后，在不改变组织状态、保留冷作、热作或表面硬化的条件 下，对钢材或机器零部件进行较低温度的加热，以去除（全部或部分的）内应力，减小变形、开裂。 进行去应力退火时，金属在一定温度作用下通过内部局部塑性变形(当应力超过该温度下材料的屈服强度时)或局部的弛豫过程(当应力小于该温度下材料的屈服强度时)使残余应力松弛而达到消除的目的。在去应力退火时，工件一般缓慢加热至较低温度(灰口铸铁为 500550，钢为 500650，有色金属合金冲压件为再结晶开始温度以下)，保持一段时间后，缓慢冷却，以防止产生新的残余应力。 20 去应力退火并不能完全消除工件内部的残余应力，而只是大部分消除。要使残余应力彻底消除，需将工件加热至更高温度。在这种条件下，可能会带来其他组织变化，危及材料的使用性能。 4.5.1 选择此工艺的理由 因为在整形过程中，在弹簧中存在残余应力，有的整形比较大的弹簧，残余应力比较大，会严重影响材料的使用性能，为了消除这个影响，所以要在整形工艺后加一个去应力退火。去应力退火的相关参数参照下面提供的为参考，结合以往经验确定去应力退火的温度及保温时间。 4.5.2 目的 消除铸、锻焊及切削加工过程中的内应力，使其达到稳定状态 4.5.3 工艺： 加热温度：钢：小于 A1 碳钢及低合金钢：550650 高合金钢：600750 铸铁：500550 加热速度：100150/h 保温时间：35min/mm 冷却速度：50100/h 550650 空冷 温度 时间 A 21 4.5.4 去应力退火常见缺陷 温度高了，烧化了，组织不正常了是缺陷，吊装中磕碰，温度低了，内应力没有消除。 4.6 交验交验 抽查百分之五到百分之十的产品，进行有关的机械性能试验和表面硬度测量。达到预先共同协商的质量标准则交货。 附：常用检验方法的基本要求 1.硬度： 1.1 热处理零件均应根据图纸要求和工艺规定进行硬度检验或抽检。 1.2 光以标准块校对硬度计，确认后方可进行测试硬度。 1.3 检验硬度前，应将零件表面清理干净，去除氧化皮，脱碳层及毛刺等且表面不应有明显的机加工痕迹，被测零件的温度以室温为准，或略高于室温但以人手能稳稳抓住为限。 1.4 硬度检测部位应根据工艺文件或由检验、工艺人员确定。淬火部位检查硬度不少于 1 处，每处不少于 3 点，不均匀度应在要求的范围内。 1.5 退火件、调质件采用布氏硬度计检验。对于尺寸较大者可用锤击式硬度检验，淬火件用洛氏硬度计检验。对于尺寸较大者，允许用肖氏硬度计代替。 2.变形：轴类零件用顶尖或 V 型块支撑两端，用百分表测量其径向跳动，细小的轴类件可在平台上用塞尺检查。 3.外观:一般机械零件经热处理后，均应用肉眼或低度放大镜观察其表面有无裂纹、烧伤、碰伤、麻点、锈蚀等。对重要零件或易产生裂纹的零件，应用探伤或浸煤油喷沙等手段检查。 22 4.7 工装图工装图 装料筐 弹簧管套 筐盖 23 5 技术文件技术文件 5.1 真空炉设备的简介及操作规程真空炉设备的简介及操作规程 由于前期预处理和热处理都是用的是真空炉，所以在这里先简单讲解一下真空炉和真空炉的操作规程 5.1.1 真空炉 真空环境中进行加热的设备。在金属罩壳或石英玻璃罩密封的炉膛中用管道与高真空泵系统联接。炉膛真空度可达 133(10-210-4)h。炉内加热系统可直接用电阻炉丝(如钨丝)通电加热，也可用高频感应加热。最高温度可达 3000左右。主要用于陶瓷烧成、真空冶炼、真空热处理、淬火、回火、电真空零件除气、退火、金属件的钎焊，以及陶瓷-金属封接等。 5.1.2 真空炉构造 真空炉一般由炉膛、电热装置、密封炉壳、真空系统、供电系统和控温系统等组成。密封炉壳用碳钢或不锈钢焊成，可拆卸部件的接合面用真空密封材料密封。为防止炉壳受热后变形和密封材料受热变质，炉壳一般用水冷或气冷降温。炉膛位于密封炉壳内。 根据炉子用途,炉膛内部装有不同类型的加热元件,如电阻、感应线圈、电极和电子枪等。熔炼金属的真空炉炉膛内装有坩埚，有的还装有自动浇注装置和装卸料的机械手等。真空系统主要由真空泵、真空阀门和真空计等组成。 真空炉按加热元件分为真空电阻炉、真空感应炉、真空电弧炉、真空自耗电弧炉、电子束炉（又称电子轰击炉）和等离子炉等 5.1.3 真空电阻炉的种类 1 外热式真空炉：（在普通井式炉炉膛中放一个真空炉罐） 24 A 主要进行退火操作，可通过拆去真空管道吊出炉罐进行冷却，可准备几个真空炉罐，进行连续操作。 2内热式真空炉：（炉罐真空，炉罐和炉体之间也是真空） A 特点：可使炉罐内外压力一致，减少炉罐壁厚 B 内热式：电阻丝悬挂在圆柱形炉膛内侧 注：内热式与外热式的区别：内热式中电阻丝、炉衬同处于真空中。而外热式中，电阻丝、炉衬不在真空中。 C 种类：碳管炉、双室真空炉、高压气淬炉 a. 碳管炉：隔热屏为内层镆片（0.3mm），处层不锈钢。 镆片遇高热后，表面变得光亮，将辐射能反射回去，故能保温。且本身含气量小，故适合高真空。 b. 双室真空炉：此炉为卧式，分前、后室，均为真空状态，中间用真空闸门分开，后室中有一密封的炉罐，工件在后室中加热，好了后，打开真空闸门，拉到前室，碳毡中跑出的气体也赶到前室，再关闭真空闸门，打开炉门出料。进料后，先把前室抽真空，再打开真空闸门将料推进后室加热。同样也可通保护气体，加上油槽后，可作淬火处理。 c. 高压气淬炉：利用高压气体对工件进行淬火，适用于高速钢 5.1.4 真空电阻炉的工作原理 在真空中进行的热处理称为真空热处理。实验表明，0.0133Pa的真空度真空介质的作用相当于 99.99987%的纯氩保护气氛，而在工业上获得这样的氩气是相当困难的，但要获得这样的真空度却不难。 真空热处理是在 1.33-0.013Pa 真空度的真空介质中加热，实质上也是一种可控气氛热处理。工艺参数有查表确定。 真空热处理可以减少工件变形，使钢脱氧、脱氢和净化表面，使工件表面无氧化、不脱碳、表面光洁，可显著提高耐磨 25 性和疲劳极限。此外，真空热处理的工艺操作条件号，有利于实现机械化和自动化，而且节约能源、减少污染。真空热处理目前发展较快，不但能在空气、水、油中进行催货，而且广泛用到化学热处理，如真空渗碳、真空渗铬等，以缩短渗入时间、提高深层质量。 5.1.5 可控气氛热处理 在露脐成分可控制在预定范围内的热处理炉中进行的热处理称为可控气氛热处理。 钢件在热处理时，由于炉内存在氧化性气体使其氧化与脱碳，严重降低表面质量。这种现象对高强度钢的断裂韧性也有很大的影响。可控气氛热处理的目的就是有效地进行控制表面碳浓度的渗碳、碳氮共渗等化学热处理，或防止工件在加热时氧化和脱碳，例如通入高纯度中性气体 N2和氩气等，还可以用于实现低碳钢的光亮退火及中、高碳钢的光亮淬火。该炉气可分为渗碳性、还原性和中性气氛等4。 5.2 工艺守则工艺守则 材料牌号 硬度HRC 淬火温度 （） 冷却介质 回火温度 （） 冷却介质 热成形温度（） 85 38-43 800-820 油 380-420 空 60Si2 60Si2Cr 43-49 850-870 油 420-440 油 830-920 60Si2Mn 43-49 850-870 油 420-440 油 830-920 50CrVA 43-49 840-860 油 430-450 油 830-920 65Mn 44-48 800-820 油 380-420 油 26 时温度 3Cr13 38-43 980-1020 油或空 520-540 油 850-1050 65 40-45 820-840 油 420-440 空 5.2.1 工艺说明： 弹簧若无特殊规定，圆柱弹簧只按图纸检查弹力，板弹簧5抽查硬度。 60Si2Mn 弹簧淬火前应上硼砂，以防脱碳（操作方法：将弹簧加热到 400-500时出炉淬入 100-150硼砂饱和水溶液中，停留片刻，待表面涂上一层硼砂后，再入炉加热），调质后应喷砂上油。 65、65Mn、50Cr2VA 等钢卷制的弹簧，可以不涂硼砂，但在淬火加热时，应在炉前口处放一些木炭。 弹簧淬火时，应水平方向淬入冷却液，一般在油中可以不运动，但对较大弹簧在油中应运动一段时间，然后静止冷却。 淬火油使用温度要求为 20-60。 5.2.2 高合金钢（铬不锈钢及奥氏体钢）的淬火加热及冷却规范： 5.2.3 有效截面（mm） 升温速度 预热 升温速度 均温时间 保温时间 （min/mm） 冷却介质 淬火温度 840-860 27 时间 温 度 保温时间 （/h） 50 不 限 随 炉 目 测 油炉：1.0 水 或 油 51-200 均温 0.5-1.5h 油炉： 0.8-0.9 201-400 油炉： 0.7-0.8 5.2.4 回火加热及冷却规范 材料类别 升温速度 均温时间 保温时间 冷却 碳钢及合金结构钢 不 限 目 测 1.5-2.0min/mm （3-4h） 空 或 水 油 高合金不锈钢 2.0-3.0min/mm （4-5h） 高速钢 60min（三次） 28 注：（1）凡是能显示颜色的温度回火，保温时间以工件均温后计算。530以下回火的工件，总的回火时间按括号内数据计算。 （2）低温回火，其保温时间最短不得少于 60min，中、高温回火，其保温时间最短不得少于 30min。 工艺说明： 表中的回火温度允许根据生产情况和经验略作更改。 形状复杂的零件，淬水时，出水要冒汽，水油冷时，在水中冷却时间按 1秒/3毫米计算， 淬油件应在工件表面约 150出油，淬火后尽快进行回火，凡有尖角、螺孔、均应在淬火前应用石棉加水玻璃包扎、堵塞、以防开裂。 工件变形校直后应在比回火温度低 30-50的温度进行除应力，保温时间应与回火保温时间相等或较长。 38CrMoAl 钢的工件， 淬火加热的保温时间应延长 30。 25Cr2Mo1V、20Cr1Mo1VNbTiB、20Cr1Mo1VTiB 钢的工件，回火保温时间为均温后不少于 6 小时。 凡水冷的工件（除奥氏体钢外）均应及时回火，以防裂开。 高频淬火温度比一般淬火温度约高 50-100，（约 AC3 以上 100-150），其冷却剂：对碳素钢经常是以喷水的方式冷却；对合金钢也可采用喷乳化液冷却，为了减少残余应力，喷水冷却时必严格限定在 5-10 秒，不得进行到底。在非不得以的情况下（如工件形状复杂，厚薄不均匀等）也可采用在油槽或乳化液中冷却。但淬火温度应采取上限或稍微提高些。淬火后必须及时进行回火，以防开裂。 火焰淬火温度比一般淬火温度约高 30-100，其冷却剂：中碳钢可用 15-25的水或 5-10的碳酸钠水溶液；合金钢和形状复杂的碳钢件宜用乳化液或肥皂水。淬火后必须及时进行回火以防开裂。 5.3 金相组织检验规程金相组织检验规程 29 5.3.1 金属试样的制备 5.3.1.1 取样取样 试样截取的方向，垂直于径向，长度不超过 8mm。 试样可用手锯或切割机床等切取，不论用何种方法取样均应注意试样的温度条件，必要时用水冷却，以避免正式试样因过热而改变其组织。近年来研制成功了以立方氮化硼或氮化硅磨料粘结的低速砂轮片，切割效率更高，变形层更薄。 5.3.1.2 试样的研磨试样的研磨 准备好的试样，先在粗砂轮上磨平，候磨痕均匀一致后，即移至细砂轮上续磨，磨时须用水冷却试样，使金属的组织不因受热而发生变化。 经砂轮磨好、洗净、吹干后的试样，随即依次在由粗到细的各号砂纸上磨制，可采用在预磨机上进行磨制，从粗砂纸到细砂纸、再换一次砂纸，试样须转 90 角与旧磨良成垂直方向。 经预磨后的试样，先在抛光机上进行粗抛光(抛光织物为细绒布、抛光液为 W2.5 金刚石抛光膏)，然后进行精抛光(抛光织物为锦丝绒，抛光液为 W1.5 金刚石抛光膏)抛光到试样上的磨痕完全除去而表面像镜面时为止，即粗糙度为 Ra0.04以下。 5.3.1.3 试样的浸蚀试样的浸蚀 （1）精抛后的试样，便可浸入盛于玻璃皿之浸蚀剂中进行浸蚀。浸蚀时，试样可不时地轻微移动，但抛光面不得与皿底接触。浸蚀剂一般采用 4硝酸酒精溶液。 （2）浸蚀时间视金属的性质、检验目的及显微检验的放大倍数而定，以能在显微镜下清晰显出金属组织为宜。 （3）试样浸蚀完毕后，须迅速用水洗净，表面两用，酒精 30 洗净，然后用吹风机吹干。 5.3.1.4 金相组织观察金相组织观察 金相显微镜操作按仪器说明书规定进行。 金相检验包括浸蚀前的检验和浸蚀后的检验，浸蚀前主要检验钢件的夹杂物和铸件的石墨形态、浸蚀后的检验为试样的显微组织。按有关金相标准进行检验。 5.3.1.5 金相显微镜操作规程金相显微镜操作规程 金相显微镜属于精密光学仪器，为了保证金相显微镜系统正常的发挥功能，特制定本规程。 金相显微镜由专人使用，专人负责日常维护、保养。任何人未经许可，不得调试该设备。 金相显微镜系统的操作步骤及日常维护、保养注意事项如下： 一、显微镜部分 1、去掉防尘罩，打开电源。 2、将试样置于载物台垫片，调整粗/微调旋钮进行调焦，直到观察到的图像清晰为止。 3、调整载物台位置，找到关心的视场，进行金相分析。 二、计算机及图像分析系统 将金相显微镜上的观察/照相切换旋钮调至 PHOT 位置， 金相显微镜里观察到的信息便转换到视频接口和摄像头，打开计算机，启动图象分析软件，即可观察到来自金相显微镜的实时的图像，找到关心的视场后将其采集、处理。 三、日常维护、保养及注意事项 为保证系统的使用寿命及可靠性，注意以下事项： 1.试验室应具备三防条件：防震（远离震源）、 防潮（使用空调、干燥器）、防尘（地面铺上地板）；电源：220V10%，50HZ；温度：0C40C。 31 2.调焦时注意不要使物镜碰到试样，以免划伤物镜。 3.当载物台垫片圆孔中心的位置远离物镜中心位置时不要切换物镜，以免划伤物镜。 4.亮度调整切忌忽大忽小，也不要过亮，影响灯泡的使用寿命，同时也有损视力。 5.所有（功能）切换，动作要轻，要到位。 6.关机时要将亮度调到最小。 7.非专业人员不要调整照明系统（灯丝位置灯），以免影响成像质量。 8.更换卤素灯时要注意高温，以免灼伤；注意不要用手直接接触卤素灯的玻璃体。 9.关机不使用时，将物镜通过调焦机构调整到最低状态。 10.关机不使用时，不要立即该盖防尘罩，待冷却后再盖，注意防火。 11.不经常使用的光学部件放置于干燥皿内。 12.非专业人员不要尝试擦物镜及其它光学部件。 目镜可以用脱脂棉签蘸 1:1 比例（无水酒精：乙醚）混合液体甩干后擦拭，不要用其他液体，以免损伤目镜。 使用金相显微镜注意事项 1取用镜头时，应避免手指接触透镜的表面，镜头平时应放在干燥器中妥善有效。 物镜与试样表面接近时，调节时勿使物镜头与试样接触。 显微镜不使用时需用防尘罩盖起。 5.4 常用炉型的选择常用炉型的选择 炉型应依据不同的工艺要求及工件的类型来决定。 1对于不能成批定型生产的，工件大小不相等的，种类较多的，要求工艺上具有通用性、多用性的，可选用箱式炉。 2小批量的零件，可选用井式气体渗碳炉。 3对于大批量的汽车、拖拉机齿轮等零件的生产可选连续式渗碳生产线或箱式多用炉。 32 4对冲压板材坯料的加热大批量生产时，最好选用滚动炉、辊底炉。 5对成批的定性零件，生产商可选用推杆式或传送带式电阻炉。 6小型机械零件如：螺钉、螺母等可选用振底式炉或网带式炉。 7钢球及滚柱热处理可选用内螺纹的回转管炉。 8有色金属锭坯在大批量生产时可用推杆式炉，而对有色金属小零件及材料可用空气循环加热炉。 参考文献参考文献： 1机械设计手册 成大先 第三版 北京 化学工业出版社 2006.4. 2热处理手册 薄鑫涛 郭海洋 袁凤松 第一版 上海 上海科学技术出版社 2009.1. 3热处理技术数据手册 樊东黎 徐跃明 佟晓辉 第二版 机械工业出版社 2006.4. 4热处理手册 孙大勇 第三版 北京 机械工业出版社 2001.6. 5钢的热处理 谢希文 西北工业大学出版社 6金属材料检测技术 赵峰 中南大学出版社 7材料的力学性能 郑修麟 西北工业大学出版社 8机械零件失效分析 刘瑞堂 哈尔滨工业大学出版社