60si2CrVA弹簧的热处理工艺设计

攀枝花学院

学生课程设计（论文）

题目：60si2CrV A弹簧的热处理工艺设计

学生姓名：

学号：

所在院(系)：材料工程学院

专业：材料成型及控制工程

班级：材料成型及控制工程

指导教师：职称：讲师

2012年12月28日

攀枝花学院教务处制

攀枝花学院本科学生课程设计任务书

注：任务书由指导教师填写。

课程设计（论文）指导教师成绩评定表

摘要

本课设计了60si2CrVA弹簧热处理工艺设计。主要的工艺过程包括热轧、淬火、回火等过程。通过这些过程以达到相应的强度和韧性。60si2CrVA弹簧用作重要的和重载下工作的螺旋弹簧和板簧。

弹簧是量大面广的基础零件，对于动力机械、仪器仪表及武器的控制性元件是非常关键的零件。它的基本功能是利用材料的弹性和弹簧的结构特点，在产生及恢复变形时，可以把机械功转变为形变能，或者把形变能转变为动能，以便达到缓冲或减震、储能或测量的目的。所以，在各类机械设备、仪器仪表等都广泛使用。影响弹簧质量和使用寿命的因素很多，如设计、材料选择、生产工艺等。其中，材质和热处理对弹簧的各种性能有重要的甚至是决定性的影响。

关键词：60si2CrVA、热轧、淬火、回火

目录

摘要 (Ⅰ)

1、设计任务 (1)

1.1设计任务 (1)

1.2设计的技术要求 (1)

2、设计方案 (2)

2.1 60si2CrVA弹簧的分析 (2)

2.1.1工作条件 (2)

2.1.2失效形式 (2)

2.1.3性能要求 (2)

2.2钢种材料 (3)

3、设计说明 (4)

3.1加工工艺流程 (4)

3.2具体热处理工艺 (4)

3.2.1预备热处理工艺 (5)

3.2.2机械加工 (5)

3.2.3淬火+回火热处理工艺 (6)

4、分析与讨论 (8)

5、结束语 (9)

6、热处理工艺卡片 (10)

参考文献 (11)

1 设计任务

1.1设计任务

60si2CrVA弹簧热处理工艺设计

1.2设计的技术要求

60si2CrVA弹簧是一种低合金钢，主要用作极重要的和重载下工作的螺旋弹簧与板簧。其化学成分为C（0.56~0.64）、Si（1.40~1.80）、Mn（0.40~0.70）、Cr(≤0.35)、V（0.10~0.20）Ni、P、S为固定成分。热轧热处理后的力学性能要求是：淬火温度850℃，淬火介质为油，回火温度是410℃。60Si2CrV A弹簧钢与硅锰钢相比，当塑性相近时，具有较高的抗拉强度和屈服强度，钢的淬透性较大，有回火脆性。

60Si2CrV A弹簧钢用于承受高应力及工作温度在300～350℃以下的弹簧。60Si2CrVA弹簧钢力学性能：

抗拉强度σb (MPa)：≥1862(190)

屈服强度σs (MPa)：≥1666(170)

伸长率δ5 (%)：≥6

断面收缩率ψ (%)：≥20

硬度：热轧+热处理,≤300HB;冷拉+热处理,≤321HB

60Si2CrVA弹簧钢热处理规范及金相组织：

热处理规范：淬火850℃±20℃,油冷; 回火410℃±50℃(特殊需要时,±30℃)。

2 设计方案

2.1 60si2CrVA弹簧的分析

2.1.1工作条件

60Si2CrVA弹簧钢用于承受高应力及工作温度在300～350℃以下的弹簧，如调速器弹簧、汽轮机汽封弹簧、破碎机用簧等。60Si2CrVA钢还用以制作极重要的弹簧，如常规武器取弹钩弹簧、破碎机弹簧。

2.1.2失效形式

由于弹簧服役条件的复杂性和苛刻性，其失效方式多种多样，只常见的是断裂失效和应力松弛失效两大类。

在断裂失效中可分为脆性断裂和疲劳断裂还有应力腐蚀断裂等。其中疲劳断裂占80%～90%。

应力松弛失效是弹簧工作过程中普遍存在的现象，但一般不被重视，而他对那些执行元件中则是影响产品效率、灵敏度及可靠性的关键零件。

2.1.3性能要求

物理性能

60Si2CrVA弹簧钢化学成份：

碳 C ：0.56～0.64

硅 Si：1.40～1.80

锰 Mn：0.40～0.70

硫 S ：≤0.030

磷 P ：≤0.030

图1

铬 Cr：0.90～1.20

镍 Ni：≤0.35

铜 Cu：≤0.25

钒 V ：0.10～0.20

力学性能

60Si2CrVA弹簧钢力学性能：

抗拉强度σb (MPa)：≥1862(190)

屈服强度σs (MPa)：≥1666(170)

伸长率δ5 (%)：≥6

断面收缩率ψ (%)：≥20

硬度：热轧+热处理,≤300HB;冷拉+热处理,≤321HB

60Si2CrVA弹簧钢热处理规范及金相组织：

热处理规范：淬火850℃±20℃,油冷; 回火410℃±50℃(特殊需要时,±30℃)。

2.2钢种材料

①钢号开头的两位数字表示钢的碳含量，以平均碳含量的万分之几表示，如40Cr、25Cr2MoVA合金管

②钢中主要合金元素，除个别微合金元素外，一般以百分之几表示。当平均合金含量<1.5%时，钢号中一般只标出元素符号，而不标明含量，但在特殊情况下易致混淆者，在元素符号后亦可标以数字"1"，例如钢号"12CrMoV"和"12Cr1MoV"，前者铬含量为0.4-0.6%，后者为0.9-1.2%，其余成分全部相同。当合金元素平均含量≥1.5%、≥2.5≥3.5%……时，在元素符号后面应标明含量，可相应表示为2、3、4……等。

③钢中的钒V、钛Ti、铝AL、硼B、稀土RE等合金元素，均属微合金元素，虽然含量很低，仍应在钢号中标出。例如20MnVB钢中。钒为0.07-0.12%，硼为

0.001-0.005%。

④高级优质钢应在钢号最后加"A"，以区别于一般优质钢。

⑤专门用途的合金结构钢，钢号冠以（或后缀）代表该钢种用途的符号。例如铆螺专用的30CrMnSi钢，钢号表示为ML30CrMnSi。

3 设计说明

3.1加工工艺流程

60Si2CrVA弹簧钢热处理工艺设计的热加工工艺流程经过许多次改进形成如下的工艺流程: 扁钢剪断→热卷成形后淬火并中温回火→喷丸→装配。

表1 60Si2CrVA弹簧钢化学成分（质量分数，%）

C S i Mn Cr V Ni P S

0.56~0.64 1.40~1.800.40~0.70≤0.350.10~0.20≤0.350.0350.030

工艺分析：

为了防止氧化和脱碳，应尽量采用快速加热，最好在盐炉或带有保护性气氛的炉中进行，淬火后尽量快回火，以防延迟断裂。对于含硅弹簧钢来说，回火温度一般为400～450℃，其组织为回火托氏体。此时的马氏体已充分分解，分解出来的渗碳体以细小粒状分布在α相基体上；α相的回复过程也已经充分进行，开始多边化，但亚结构尚未长大；钢中的残留奥氏体已经分解，内应力已经大幅度下降。

Si能溶于铁素体和奥氏体中提高钢的硬度和强度。硅能提高钢的弹性极限、屈服强度和屈服比(σs/σb),以及疲劳强度和疲劳比(σ-1/σb)等。硅能促使铁素体晶粒粗化，降低矫顽力。

3.2具体热处理

60Si2CrVA弹簧钢的热处理包括淬火和回火。

60Si2CrVA弹簧钢热处理工艺分析：

①钢的淬火：将钢加热至临界点Ac3或Ac1以上一定温度，保温后以大于临界冷却速度的速度冷却得到马氏体的热处理工艺叫做淬火。淬火的主要目的是使奥氏体化后的工件获得尽量多的马氏体，然后以不同温度回火获得各种需要的性能。

②钢的回火：回火是将淬火钢在A1以下温度加热，使其转变为稳定的回火组织，并以适当方式冷却到室温的工艺过程。回火的主要目的是减少或消除淬火应力，保证相应的组织转变，提高钢的韧性和塑性，获得硬度、强度、塑性和韧性的适当配合

3.2.1预备热处理工艺

退火是将偏离平衡状态的金属坯料或零件加热至较高温度，保持一定的时间后通常以相当缓慢的速度冷却，以得到接近于平衡状态组织的各种工艺方法。

退火的目的是：

a消除钢锭的成分偏析，使成分均匀化。

b消除因铸、锻、焊引起的组织缺陷。

c降低硬度，提高塑性，以利于切削加工及冷变形加工。

d细化晶粒，均匀组织，为后续热处理做组织准备。

e[5]

3

Ac1

图2钢完全退火工艺曲线

加热温度：Ac3+30~50℃；加热速度：小于200℃/h；保温时间：2min/mm[8] 3.2.2机械加工

由于我们专业并不怎么涉及机加工方面的知识，因此此处只能说明其在车床上进行加工。

3.2.3淬火+低温回火热处理工艺

①淬火

淬火是将钢加热至临界温度点Ac3或Ac1以上一定的度，保温后以大于临界冷却速度的速度冷却得到马氏体（或下贝氏体）的热处理工艺叫做淬火。

其目的是使奥氏体化后的工件获得尽量多的马氏体，然后配以不同温度回火获得各种需要的性能。

钢的理想淬火冷却曲线如图3.4[7]所示

图3.4

②低温回火

回火是将淬火钢加热到A1以下某一温度，经过保温，然后以一定的冷却方法冷至室温的热处理操作。

其目的在于：

a.降低脆性，消除内应力。工件淬火后存在着很大的内应力和脆性，若不及时回火，零件会产生变形或开裂。

b.得到对工件所要求的力学性能。工件淬火后，硬度高，脆性大，为了了获得对工件要求的性能，可以用回火温度调整硬度，减小脆性，得到所需要的塑性、强度和硬度。

c.稳定工件尺寸。淬火后的组织是马氏体和残余奥氏体，这两种组织都是不稳定的，会自发地逐渐地发生组织转变，因而引起工件尺寸和形状的改变。通过回火，可以促使这些组织转变。达到较稳定状态，以便在以后的使用过程中不发生变形[8]。

3.2.4物理性能

经过上述各种热处理后弹簧钢的韧性、硬度都有所甚至很大的提升，应力下降。

4 分析与讨论

缺陷及防止措施：

①缺陷：夹杂、脱碳、表面缺陷、异常组织等

a夹杂：在钢材酸浸试片上颜色与基体组织不同，无一定形状的金属块b脱碳：加热造成的脱碳保留到钢材上称之为脱碳

c表面缺陷：有缩孔、剥落

d异常组织：铁素体晶体粗大，正火状态的的组织在检验中出现枝晶偏离

②防止措施：

a 弹簧的热处理后还用喷丸处理来进行表面强化，使表面层产生残留压应

力，提高其疲劳强度。

b为了克服Si-Mn钢的缺点，加入Cr、V、W这些碳化物形成元素，它们可以防止钢的过热和脱碳，还可以细化晶粒，并可保证在载高温下仍具有较高的弹性极限和屈服极限。

5 结束语

这次60Si2CrVA弹簧热处理工艺设计的完成，让我不仅通过自己的努力大致了解了60Si2CrVA弹簧的制作流程，还学会了把自己书本上学到的知识运用到实际物体上去。

60Si2CrVA弹簧钢是用于承受高应力及工作温度在300～350℃以下的弹簧，如调速器弹簧、汽轮机汽封弹簧、破碎机用簧等。60Si2CrVA钢还用以制作极重要的弹簧，如常规武器取弹钩弹簧、破碎机弹簧。

前段时间在没有认真学习金属学时，我觉得这个课程设计很难很难，但现在经过我对金属学的充分认识，我重新把这套支撑辊的设计完成了一遍，也从中发现了很多原作者的问题，使我从中吸取了精华部分。金属学都是理论上的成型工艺，在实际生产中肯定还有许多细节问题需要我们去解决和改进。在这次的课程设计中，发挥出了自己单独设计60Si2CrVA弹簧热处理工艺设计能力和综合运用书本知识，体会了学以致用、突出自己劳动成果的喜悦心情，尤其是热处理加工工艺，是自己很有成就感。同时各科相关的课程都有了全面的复习与运用，独立思考的能力也有所提高，更为重要的是：在这次60Si2CrVA弹簧热处理工艺设计中，从中发现自己平时学习的不足和薄弱环节，进而加以弥补。

6 热处理工艺卡片

参考文献

[1] 夏立芳主编. 金属热处理工艺学. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学出版社, 2005

[2] 中国机械工程学会热处理分会．热处理工程师手册［Ｍ］．机械工业出版社．2003．第一版.

[3] 张玉庭主编．热处理技师手册［Ｍ］．机械工业出版社．2006．第一版

[4] 中国机械工程学会热处理学会．热处理手册［Ｍ］．机械工业出版社．2003．第三版.

[5] 林约利,程芝苏.简明金属热处理手册（第二版）[M].上海,上海科技出版社.2003,3.

[6] https://www.360docs.net/doc/6f1557772.html,/buyer/offerdetail/1039205862.html#mod-detail-description

[7]刘永铨. 钢的热处理[M]. 北京：机械工业出版社，1981.

[8]夏立芳. 金属热处理工艺学[M]. 哈尔滨工业大学出版社，1986.

[9]石德柯. 材料科学基础[M].北京：机械工业出版社，1999.

[10]黄天佑. 材料加工工艺[M]. 北京：清华大学出版社，2004.