65号钢热处理工艺设计

热处理工艺设计

说明书

设计题目65钢螺旋弹簧热处理工艺学院材料科学与工程

年级2009级

专业金属材料工程

学生姓名

学号

指导教师

目录

1 设计任务 (1)

1.1设计任务 (1)

1.2设计的技术要求 (1)

2 热处理件零件图 (2)

3 选材及性能分析 (3)

3.1弹簧钢选材原则 (3)

3.2碳素弹簧钢钢丝标准 (3)

3.2.1 冷拉弹簧钢丝 (3)

3.2.2 油淬火回火钢丝 (3)

3.3弹簧钢的牌号及性能特点 (4)

3.3.1 性能要求 (4)

3.3.2 牌号及主要用途 (4)

3.3.3 65#钢的元素含量及临界温度 (6)

3.4淬透性校核 (6)

4 热处理工艺设计及说明 (8)

4.1工艺流程 (8)

4.2预备热处理 (8)

4.2.1 选用工艺 (8)

4.2.2 正火的目的 (8)

4.2.3 正火作用 (9)

4.2.4 正火工艺规范示意图 (9)

4.3淬火加中温回火 (10)

4.3.1 淬火加热方式及加热温度的确定原则 (10)

4.3.2 中温回火（350~500℃） (12)

4.4去应力退火 (13)

4.4.1 选择此工艺的理由 (13)

4.4.2 目的 (14)

4.4.3 工艺 (14)

4.4.4 去应力退火常见缺陷 (15)

4.5校验 (15)

4.6工艺守则 (15)

5 质量检验 (17)

5.165号钢的成分 (17)

5.2初步检验 (17)

5.3质量部检验 (17)

5.4精度要求及检验方法 (18)

6 热处理工艺卡片 (20)

参考文献 (21)

1设计任务

1.1设计任务

课程设计是学生理论联系实际的重要课题是学生综合运用、巩固基础理论、专业技术和专业知识的机会。通过设计能够检查学生对所学知识掌握的程度能够提高学生解决实际问题的能力和独立工作的能力并能掌握工程设计的一般方法、步骤。所以课程设计是学生获得知识的重要环节。

1.2设计的技术要求

表1-1 零件设计参数表

2热处理件零件图65号钢圆形螺旋弹簧零件，见图2-1。

图2-165号钢圆形螺旋弹簧零件图

3选材及性能分析

3.1弹簧钢选材原则

首先满足功能要求，其次是强度要求，最后才考虑经济性。

碳素弹簧钢是弹簧钢中用途广泛，用量最大的钢类。钢中含0.60%～0.90%的碳和0.3%～1.20%的锰，不再添加其它合金元素，使用成本相对较低。碳素弹簧钢丝经适当的加工或热处理，可以获得很高的抗拉强度，足够的韧性和良好的疲劳寿命。但碳素钢丝的淬透性低，抗松弛性能和耐蚀性能差，弹性模量的温度系数较大(高达300×10-6/℃)，适用于制造截面较小，工作温度较低(120℃>)的弹簧。

合金弹簧钢一般含0.45%～0.70%的碳和一定量的Si，Mn，Cr，V，W及B等合金元素。合金元素的加入改善弹簧钢的抗松弛性能，提高钢的韧性，同时显著提高钢的淬透性和使用温度，适用于制造较大截面，较高温度下使用的弹簧。

3.2碳素弹簧钢钢丝标准

碳素弹簧钢丝现行国家和行业推荐标准分两种类型：

3.2.1冷拉弹簧钢丝

一类是冷变形强化钢丝，又称冷拉弹簧钢丝。冷拉碳素弹簧钢丝首先经铅淬火处理获得索氏体组织，然后表面磷化，以很大减面率拉拔到成品尺寸，钢丝组织呈纤维状，有很高的抗拉强度和弹性极限，良好的弯曲和扭转性能。冷拉弹簧钢丝尺寸精度高，表面光洁，无氧化和脱碳缺陷，疲劳寿命比较稳定，是使用最广泛的弹簧钢丝。

3.2.2油淬火回火钢丝

碳素弹簧钢丝的另一类型是马氏体强化钢丝，又称油淬火回火钢丝。碳素钢丝通过淬回火处理，可获得良好的综合力学性能，当钢丝规格较小时（υ≤2.0mm），油淬

4

火回火钢丝的各项强度指标比索氏体化处理后冷拉钢丝要低。当钢丝规格较大时（υ≥6.0mm ）索氏体化的钢丝不可能采用很大减面率来获得所要求的强度指标，而油淬火回火钢丝只要完全淬透就可以获得比冷拉钢丝更高的性能。在抗拉强度相同条件下，马氏体强化钢丝比冷变形强化钢丝具有更高的弹性极限。冷拉钢丝金相组织呈纤维状，各向异性明显，油淬火回火钢丝金相组织为均匀的回火马氏体，几乎是各向同性的。同时油淬火回火钢丝的抗松弛性能优于冷拉钢丝，使用温度（150～190℃）也高于冷拉钢丝（≤120℃）。近年来中大规格油淬火、回火钢丝大有取代冷拉钢丝趋势。

3.3 弹簧钢的牌号及性能特点

根据GB/T 13304《钢分类》标准，按照基本性能及使用特性，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。

3.3.1 性能要求

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G U E U 2

e

2τ或σ∝'∝，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]。

3.3.2 牌号及主要用途

进一步查阅手册，分析各种钢的主要用途。见表3-2。

表3-2 弹簧钢的性能特点与用途举例

综合性能要求和经济性考虑，初选定65#钢为使用钢材，所用材料为轧制态的65#商品钢。

3.3.365号钢的元素含量及临界温度

表3-3 65号钢元素含量及临界温度表

3.4淬透性校核

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①碳含量与半马氏体区硬度的关系图；②钢的淬透性曲线；③确定淬透性的线解图。

先根据65#钢的含碳量，得到其半马氏体硬度，然后通过65#钢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65#钢的临界淬透半径。

表3-4 含碳量与力学性能

65#钢的距水端距离由图3-1和图3-2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，65#钢的有关参数如下表所示：

图3-1 硬度与至水冷端距离曲线图3-2 马氏体含量与硬度曲线

表3-5 强度及力学性能

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。

4热处理工艺设计及说明

4.1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预备热处理

4.2.1选用工艺

选用工艺为正火，正火是将钢加热到Ac3或ACcm以上30~50℃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。

4.2.2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0．20％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150—200℃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。

4.2.3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。

4.2.4正火工艺规范示意图

图4-1 加热温度范围图4-2 工艺曲线

4.3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。

4.3.1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+（30—50℃)，过共析钢则为Ac1+(30—50℃)。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30—50℃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Ac1～Ac3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30—50℃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+(50—80℃)，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820—840℃，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。

（3）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

α

τ

*

D

K*

式中

τ——加热时间，(min)；

a——加热系数，(min／mm)；

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2／3长度处直径，球体取球径的0．6倍作为有效厚度D。

（4）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。

4.3.2中温回火（350~500℃）

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35～45HRC。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。

4.4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500～550℃，钢为500～650℃，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。

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。

4.4.1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。

4.4.2 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。

4.4.3 工艺

加热温度：钢：小于A1

碳钢及低合金钢：550～650℃

高合金钢：600～750℃

铸铁：500～550℃

加热速度：100～150℃/h

保温时间：3～5min/mm

冷却速度：50～100℃/h

图4-3 加热及保温时间工艺

温

度

4.4.4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。

4.5校验

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

硬度：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。光以标准块校对硬度计，确认后方可进行测试硬度。

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。

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。

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。

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。

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。

4.6工艺守则

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，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质量检验

5.165号钢的成分

5.2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，由质检部门进行抽检，；如不合格作退货处理。

5.3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；