选择车刀弹簧材料分别设计各零件的热处理工艺方案分析其组织特征及材料性能Word格式文档下载.docx
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实验方法
根据综合分析选择W18Cr4V为实验材料。
W18Cr4V含碳量：
W（C）=0.7%~1.65%W<
2%（稀土元素）
性能：
C提高淬透性，提高硬度。
Cr，W，Mn，V提高硬度、耐磨性和红硬性。
多次高温（500℃~600℃以上）短时使用下，HRC60左右。
二次硬化及固溶强化综合作用。
热处理：
球化退火+预热+淬火+回火
W18Cr4V的铸态组织包括呈骨骼状的、碳化物片状与马氏体或屈氏体相间排列的莱氏体，以及黑色组织（δ偏析）和白色组织（马氏体和残余奥氏体）。
高速钢的铸态组织和化学成分尤其不均匀，而且热处理也不能改变，因而必须进行压力加工，将粗大的共晶碳化物打碎，并使其均匀分布，然后再用以制造各种刃具及模具。
W18Cr4V的热处理工艺如图下图所示，
球化退火
球化退火的目的是降低钢的硬度，以利于切削加工，而且也为淬火做好组织上的准备。
退火温度为Ac1+30~50℃，必须严格控制退火加热温度。
退火后的组织为索氏体基体上分布着均匀的、细小的碳化物颗粒。
硬度应达到207~255HBS。
预热处理
W18Cr4V含大量的合金元素:
塑性差,导热性差,在快速加热时的热应力使之变形开裂。
W18Cr4V淬火温度在1200℃以上，预热可以缩短高温处理停留时间，减少氧化脱碳及过热的危险性。
第一次预热温度在500~600℃，可烘干工件上的水分。
第二次预热温度在800~850℃，使索氏体向奥氏体转变。
淬火
V，W等起主要起提高红硬性的元素要很高的温度下才溶解,但过高的温度又会使晶粒粗大,且W等合金元素都缩小A区,使得共析与共晶温度提高,因而选择1270~1280℃度淬火用直接空冷,会析析出二次碳化物,从而降低钢的红硬性。
回火
淬火后的组织为M十碳化物十残余A（多达30%）在550~570度回火析出WC等引起二次硬化,A分解,析C,降低合金元素含量,使Ms上升,从而造成二次淬火,一次回火,还有15%的残余A,二次回火残余A3%~5%,三次回火,只有1%~2%,最终得回火组织M十碳化物十极少量残余。
回火温度与硬度的关系见下图所示。
回火温度与硬度的关系
热处理前组织分析
经过试样的制备得到1图原始组织。
图3.1所示为W18Cr4V钢经锻造及退火后的显微组织，组织中呈亮白色较大块状为一次碳化物，较细小块状为二次碳化物，基体组织是索氏体。
硬度应达到235HBS。
图1原始组织
球化退火后组织分析
高速钢铸态组织极不均匀，特别是共晶组织中粗大碳化物的存在，使钢的性能显著降低，因此，高速钢铸造后必须经过锻造、退火，以改善碳化物的分布状况。
图2所示为W18Cr4V钢经球化退火后的显微组织，组织中呈亮白色较大块状为一次碳化物，较细小块状为二次碳化物，基体组织是索氏体。
与图1相比晶粒变得细小。
硬度应达到240HB。
图2球化退火后组织
淬火及回火后的组织分析
高速钢优良的热硬性及高的耐磨性，只有经淬火及回火后才能获得。
W18Cr4V钢通常采用较高的淬火温度（1270~1280℃），以保证奥氏体充分合金化，淬火时可在油中或空气中冷却，W18Cr4V钢经1270~1280℃淬火后的显微组织如图a和图b所示。
高速钢经经淬火后组织中存在相当数量（约30~40）的残余奥氏体，需经560℃回火（一般（2~3次））加以消除，组织下如图c和d所示。
其中图a和图c为白块组织，图b和图d为黑块组织。
图a淬火组织1图b淬火组织2
图c淬火回火后组织1图d淬火回火后组织2
正常组织：
W18Cr4V钢经1270~1280℃淬火后的显微组织为在马氏体及残余奥氏体的基体上分布有一次碳化物的颗粒。
马氏体不易显示。
W18Cr4V钢经淬火及560℃回火后的显微组织，其中呈白色块状的为合金碳化物（W2C、V4C3），暗黑色基底是回火马氏体和少量残余奥氏体。
回火时从马氏体和部分残余奥氏体中析出高度分散的碳化物，降低了残余奥氏体中碳和合金元素的含量，使其稳定性降低，在冷却过程中这些奥氏体就会转变成马氏体硬度应达到63~66HRC。
弹簧部分
（1）弹簧工作时，要承受高应力。
（2）弹簧要承受高频率往复运动。
（3）弹簧可能需要在较高的温度下工作。
弹簧的性能要求为如下几个方面：
力学性能：
由于弹簧是在弹性范围内工作，不允许有永久变形。
要求弹簧材料有良好的微塑性变形能力，即弹性极限、屈服极限和屈强比要高。
理化性能方面：
弹簧的工况很复杂，需要有高的蠕变极限、蠕变速率较小和较低的应力松弛率。
工艺性能方面：
尺寸较小的弹簧热处理时变形大、难以校正和保证弹簧产品质量，宜选用已强化的弹簧材料，冷成型后不经淬火、回火，只须进行低温退火。
这样更能保证大批量小弹簧的产品质量和成本低廉。
选用50CrVA钢热轧弹簧钢丝卷制。
由于50CrVA钢中含有铬能够提高淬透性并且可降低锰引起过热的敏感性，铬熔于铁素体中使弹性极限提高。
钒可以细化组织，减少过热敏感性，提高钢的强度和冲击韧性。
可用作特别重要的承受高应力的各种尺寸的螺旋弹簧，也可也用作在300°
C以下工作的重要弹簧。
50CrVA钢化学成分及合金元素作用
表150CrVA钢的化学成分[1]（GB/T3077-1990）ω/%
C
Si
Mn
Cr
V
Ni
P
S
0.44～0.54
0.17～0.37
0.50～0.80
0.80～1.10
0.10～0.20
≤0.35
≤0.035
≤0.030
化学元素作用：
①C：
保证形成碳化物所需要的碳和保证淬火马氏体能够获得的硬度
②Cr：
提高钢的淬透性并有二次硬化作用，是刚在高温时仍具高强度和高硬度，增加钢的耐磨性，增高钢的淬火温度。
③Si：
能提高钢的淬透性和抗回火性，对钢的综合机械性能，还能增高淬火温度，阻碍碳元素溶于钢中。
④Mn：
能增加钢的强度和硬度，有脱氧及脱硫的功效（形成MnS），防止热脆，故Mn能改善钢的锻造性和韧性，可增进刚的硬化深度，降低钢的下临界点，增加奥氏体冷却时的过冷度，细化珠光体组织以改善机械性能。
⑤V：
可以细化组织，减少过热敏感性，提高钢的强度和冲击韧性。
50CrVA钢热处理临界转变温度
50CrVA钢热处理的临界转变温度见表2
表250CrVA钢临界转变温度[2]
钢号
临界温度（近似值）（℃）
Ac1
Ac3
Ar1
50CrVA
740
810
688
图150CrVA钢的淬透性曲线
50CrVA钢弹簧加工制造工艺流程
50CrVA钢弹簧加工制造工艺流程如下：
钢材检查→盘旋与调整→淬火→清洗→中温回火→校正→检验→法兰
50CrVA钢的淬火工艺
1、淬火目的
淬火的目的是使过冷奥氏体进行马氏体转变，得到马氏体组织，然后配合以不同温度的回火，提高弹簧的强度和弹性，获得所需的力学性能。
2、淬火温度
淬火温度：
860±
10℃
依据：
加热温度t=Ac3＋30～50℃，
T=810+50=860℃故取860±
10℃。
3、加热方式及加热介质
盐浴炉加热，温度均匀，加热速度快。
加热介质：
50%NaCl+50%BaCl2
4、保温时间
保温时间：
5min
选定的依据：
加热时间可按下列公式进行计算：
t=a×
K×
D，式中t为加热时间（min），K为反映装炉时的修正系数，取k=1.4，a为加热系数min/mm,加热系数a可根据钢种与加热介质、加热温度，参数按照表5选取，D为工件有效厚度（mm）可得t=a×
D=0.75×
1.4×
3.2=3.36min。
考虑到夹具的随炉加热，所以，取保温时间5min。
表5工件加热系数a[4]
退火、正火（箱式炉）
箱式炉
盐炉
碳钢
0.7～0.8min/mm
20～30s/mm
合金钢
0.9～1.0min/mm
30～45s/mm
高合金钢
1.0～1.5min/mm
预热1min/mm
加热45s/mm
预热30s/mm
加热16s/mm
高速钢
2～3min/mm
2～2.5min/mm
预热15～30s/mm
加热8～12s/mm
5、冷却方式
由于50CrVA钢淬透性较好，冷却速度越大，则淬火内应力越大，淬火变形也越大，工件容易变形开裂。
使用冷却较为缓和的淬火介质，其热应力就相对较小。
所以选择油冷。
6、淬火方式
80°
C油冷，选用2号普通淬火油油淬
由于零件尺寸较小，油淬可以达到淬火临界冷却速度，并且油淬操作简单，经济，易于操作；
淬火过程中Ms点已经进入对流阶段，低温区冷却能力远小于水，可以减少工件应力的产生，减少由于内应力产生的变形和开裂。
7、淬火后组织
马氏体＋残余奥氏体
8、淬火后硬度
淬火后组织为马氏体＋残余奥氏体，具有较高的硬度，硬度可达50～56HRC，经过回火处理后可以满足零件的性能要求。
9、淬火工艺曲线
图2淬火工艺曲线
50CrVA的中温回火工艺
1、回火目的
中温回火，使钢获得最高的弹性极限。
2、回火温度
回火温度：
480±
中温回火使钢获得最高的弹性极限，钢的弹性极限往往在回火温度为200～400℃之间时出现极大值。
在350～500℃范围内的中温回火就是利用这一特征，碳素弹簧钢的回火取此温度范围的下限，合金弹簧钢的回火取此温度范围的上限，因为合金元素提高了钢的回火抗力。
为保证材料符合力学性能要求，选择温度范围为400～500℃。
所以回火温度取480±
3、加热方式
用空气电阻炉采取到温加热方式，可以减少工件加热时间，回火后硬度下降较小。
4、保温时间和冷却方式
依据表8保温时间约为35min，由于考虑到随炉加热的夹具和装具，故选定保温时间为60min。
出炉空冷。
参见表8
表8硅锰和铬钒弹簧钢在回火温度为400～520℃时的保温时间[7]
材料直径/mm
≤10
10～15
15～20
20～25
25～42
保温时间/min
25～35
30～35
40～45
50～60
70～90
5、回火组织和硬度
回火屈氏体＋极少量残余奥氏体。
硬度46～51HRC
6、回火工艺曲线
图4回火工艺曲线
总的热处理工艺曲线
淬火工艺材料中的组织及性能
正常加热冷却：
工件加热到860℃后珠光体转变为奥氏体，保温时组织不变，晶粒细化，出炉油冷至室温时得到马氏体+残余奥氏体，具有较高的硬度。
回火工艺材料中的组织及性能
加热温度为时，则加热后组织为马氏体，回火保温足够时间后组织为回火屈氏体，弹性性能很大提高，硬度和强度适中。
参考文献：
[1]材料改性实验/史月丽，罗勇，顾永琴，王庆良，王温银编，徐州：
中国矿业大学出版社，2013.8
[2]材料热处理与表面工程/沈承金，王晓虹，冯培忠编著.徐州：
中国矿业大学出版社，2011.8
[3]现代金属材料及应用/江利，张太超，崔永丽编著.徐州：
中国矿业大学出版社，2009.10
[4]浙江大学，上海机械学院.合肥工业大学.钢铁材料及热处理[M].上海：
上海科学技术出版社，1998.
[5]徐流杰，魏世忠，龙锐.高钒高速钢中碳化钒的形态研究[J].铸造，2003,52（11）：
1069～1073.
[6]大连工学院.金属学及热处理[M].北京：
科学出版社，2003.
[7]朱张校.工程材料[M].北京：
清华大学出版社，2001.
[8]潘金生.材料科学基础[M].北京：
清华大学出版社，2004.
[9]热处理技术数据手册/樊东黎等主编.—2版.—北京：
机械工业出版社，2006.4
[10]夏丽芳金属热处理工艺学哈尔滨工业大学出版社2010
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