金屬材料與熱處理技術(shù)課程設(shè)計-汽車板簧的熱處理工藝

1、零件圖圖（1）汽車板簧實物圖及所在圖（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力的作用，其中以反復彎曲應力為主，絕大多數(shù)是疲勞破壞。即服役條件為沖擊、振動或長期交應力。3、所需性能及技術(shù)要求應具有高的疲勞強度和等性能。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屈服強度/MPa800115012001700抗拉強度/MPa1000130013001900斷后伸長率/%81055斷面收縮率/%304025204.165Mn它強度高、淬透性好、脫碳傾向比硅鋼小、價格低、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，屈服強度、抗拉強度都不符合性能要求，故不選用。4.255CrVA該鋼是高級優(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，且屈服強度未達到性能要求，故不選用。4.365Si2MnWA該鋼是含鎢彈簧鋼，價格高，用于制造耐高溫且要求強度更大，或截面較大的彈簧。雖然性能很好，但由于價格高，為了降低成本提升產(chǎn)品競爭力，故不選用。4.460Si2Mn表1.60Si2Mn的化學成分成分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度和彈性極限。較高的屈強比（б0.2/бb）和抗松弛能力及回火穩(wěn)定性。元素分析：（1）同時加入硅、錳，能顯著強化基體鐵素體，大為提高了鋼的彈性極限，屈強比可達到0.8～0.9，而且疲勞強度也顯著提高。（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）硅促進脫碳傾向，錳增大了鋼過熱敏感性，但是兩者復合加入后，硅錳鋼的脫碳和過熱敏感性較硅鋼、錳鋼為?。?）還是會因過熱敏感性產(chǎn)生淬火裂紋，因脫碳對工件耐磨性、疲勞強度產(chǎn)生顯著影響。表2.60Si2Mn的臨界點臨界點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→預壓縮。熱處理前材料的組織為鐵素體和珠光體。對原材料的要求比較嚴格，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，一般供貨狀態(tài)為熱軋交貨。熱軋狀態(tài)相當于正火處理。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格，并在終軋后采取強制冷卻措施，因而鋼的晶粒細化，交貨鋼材有較高的綜合力學性能。通常技術(shù)要求為鋼材的化學成分、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、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：預熱→加熱→冷卻→中溫回火→冷卻。淬火后必須及時進行回火處理。本課程設(shè)計采用的液壓步進爐型號為BJL-2520-13。5.2.1預熱預熱溫度為防止快速加熱產(chǎn)生的熱應力導致工件變形開裂，需要進行一次預熱處理。預熱溫度通常為480～500℃，取500℃。根據(jù)公式計算，合金鋼的每毫米有效厚度加熱時間為1.7min,有效厚度為8mm，計算得預熱保溫時間為14min。5.2.2淬火淬火溫度最佳溫度為870±5℃，由于汽車板簧為長條狀結(jié)構(gòu)在爐中為連續(xù)加熱，自爐內(nèi)傳出到進入液壓淬火機需要一定的時間，因此其在步進爐中快速加熱到920～930℃,取920℃。在液壓淬火機內(nèi)進行油冷前，此時板簧的溫度為860～880℃，符合淬火溫度的要求。鑒于60Si2Mn過熱敏感性較強，晶粒易于粗大，淬火溫度不宜過高，所以淬火溫度為870℃。加熱時間按經(jīng)驗公式計算，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，計算得加熱時間為17min。板簧在加熱爐內(nèi)保溫時間結(jié)束后，采用鏈板式輸送鏈將板簧在淬火機上自動夾緊成形，入油冷卻左右搖擺，自動卸片，再經(jīng)輸送帶傳遞出淬火油池。淬火介質(zhì)：5#機械油。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，可獲得細致的馬氏體組織，但應防止淬火油混進水，將會在板簧表面生成一層導熱不良的蒸汽膜，使冷卻能力下降，并導致淬透性不良。油溫控制在20-50℃。淬火后馬氏體級別在5級左右，淬火后基本硬度≥63HRC。預熱+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在460～540范圍內(nèi)進行，以獲得回火屈氏體組織。需要注意此時碳化物未明顯長大，具有應力分布特征，基體α相僅發(fā)生回復過程，保持馬氏體針狀和一定的強化效果，使回火屈氏體有較高的彈性極限。因為用較低的溫度（<460℃）回火，雖然彈性極限和強度極限都比較高，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，應具備強韌性的要求，因此應采用460℃作為回火溫度。保溫時間根據(jù)經(jīng)驗公式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）。計算得回火時間為26.4min，但為了釋放熱應力，回火時間至少要30min。保溫時間為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度和疲勞壽命，要對熱處理后的板簧進行噴丸處理。強化層內(nèi)形成較高的殘余應力，由于彈簧表面壓應力的存在，當彈簧承受載荷時可以抵消一部分抗應力，從而提高彈簧的疲勞強度。噴丸處理采用壓力為0.4～0.5MPa的壓縮空氣，用離心機以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，因為230℃是馬氏體相變臨