张忠东课程设计热处理工序.docx

课程设计（说明书）

螺旋弹簧热处理工艺设计

学 院：   机械工程学院
专 业： 材料成型及控制工程
姓 名： 张忠东
学 号： 1111012072
指导教师： 姜英 副教授

2014年 6 月

目录
一﹑ 热处理工艺课程设计的目的 1
二﹑ 设计任务 1
2.1 给定零件 1
2.2 技术要求 2
2.3 选材论证 2
三、工艺流程 3
3.1 60钢的各类热处理工艺数据 3
3.２ 热处理工艺流程 5
3.3热处理工艺参数设定 5
四、 工艺曲线 7
五、热处理后检验 7
5.1 热处理后检验方法 7
5.2热处理规范及操作守则 9
六、热处理材料组织、性能分析及常见缺陷分析 10
6.1退火 10
6. 2 分级淬火 11
6.3 回火 11
七、加热设备 12
八、参考书籍 13
九、心得体会 13
十、热处理工艺卡 14
附表１ 15
附表２　　　　　热处理工艺课程设计任务书 16

3

一﹑ 热处理工艺课程设计的目的

热处理工艺课程设计是材控专业热处理方向学生的一次专业课设计练习，是热处理原理与工艺课程的最后一个教学环节，其目的是：
1、培养学生综合运用所学热处理知识去解决工程问题的能力，并使所学知识得到巩固和发展。
2、学习热处理工艺课程设计的一般方法，热处理设备选用和装夹具设计等。
3、进行热处理设计的基本技能训练，如计算、工艺图绘制和学习使用设计资料、手册、标准和规范。

二﹑ 设计任务

2.1 给定零件

给定零件为60钢螺旋弹簧，如下图所示。

2.2 技术要求

硬度：46-48HRc；
工艺路线：退火--成型--等温淬火（或分级淬火）--回火。

2.3 选材论证

2.3.1弹簧用钢性能要求
弹簧是利用弹性变形吸收能量以缓和振动和冲击，或依靠弹性储能产生驱动作用。根据工作要求，弹簧应具有以下性能特点。
1） 高的弹性极限，以保证弹簧具有高的弹性变形能力和弹性承载能力，为此应具有高的屈服强度。
2） 高的疲劳极限，因为弹簧一般在交变载荷下工作。众所周知，抗拉强度越高，疲劳极限也越高。另外，表面质量对疲劳极限影响极大，弹簧钢表面不应有脱碳、裂纹、折叠、斑疤和夹杂等缺陷。
3） 足够的塑性和韧度，以免发生脆断。

2.3.2弹簧用钢的成分特点
合金弹簧钢的化学成分有如下特点：
１）中、高碳钢 为了保证高的弹性极限、疲劳极限及高的强度，弹簧钢的碳含)量一般为0.45%~0.70% 。
２）加入Si、Mn为主的提高淬透性的元素 Si和Mn主要提高淬透性，同时也提高屈服比，其中以Si的作用最突出，但它在热处理时促进表面脱碳，Mn则使钢易于过热。因此重要用途的弹簧钢，必须加入Cr、V、W等元素。
３）此外，弹簧钢的净化对疲劳强度有很大的影响，所以弹簧钢均为优质钢（P≤0.04%,S≤0.04%）或高级优质钢（P≤0.035%,S≤0.03%）。

2.3.3弹簧钢的品种
按生产方法弹簧钢分为热轧钢和冷拉钢。热轧钢包括用来制造螺旋弹簧的圆钢，方钢和扁钢。冷拉钢包括用于制造较小的螺旋弹簧的冷拉钢丝和用于制造发条和各种形式的弹簧片的冷轧钢。
热轧钢一般截面比较大，制造弹簧时采用加热成形，然后经淬火回火处理。冷拉钢截面尺寸较小，弹簧采用冷态成形制造，成形后或经淬火回火处理，或经消除应力回火处理。
由于要求加工的弹簧为小截面弹簧，所以选用冷拔钢丝；只有硬度要求的普通弹簧，采用中高碳优质钢即可；由硬度要求查询表２－１。
中温回火基本都可达到硬度要求，因弹簧钢含碳量一般选用大于或等于0.6%的优质，因此材料暂定为60钢。

表2-1 不同回火温度的硬度值

牌号
淬火
回火
温度
/℃
冷却介质
硬度

不用温度回火后的硬度值 HRC
150℃ 200℃ 300℃ 400℃ 500℃550℃
50 830 水或油 ≥59 58 55 50 41 33 26
55 820 水或油 ≥63 63 56 50 45 34 30
60 820 水或油 ≥63 63 56 50 45 34 30
65 800 水或油 ≥63 63 58 50 45 37 32
70 800 水或油 ≥63 63 58 50 45 37 32

三、工艺流程

3.1 60钢的各类热处理工艺数据

3.１.1 60钢的化学成分（质量分数，％）
60钢的化学成分，如表3-1所示。

表3-1 60钢的化学成分（质量分数，%）
元素 含量（％）
C 0.57~0.65
Si 0.17~0.37
Mn 0.50~0.80
Cr ≤0.25
Ni ≤0.30
Cu ≤0.25
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（续表）
3.1.2 60钢的淬火临界直径
60钢的淬火临界直径，如表3-2。
表3-2 60钢的淬火临界直径
钢号 淬火介质
60 静油 12
20℃水 24
40℃水 19.5
20℃5%（质量分数）NaCl水溶液 25.5

3.1.3 60钢的临界温度及常规热处理工艺参数
60钢的临界温度及常规热处理工艺参数，如表3-3.
表3-3 60钢的临界温度及常规热处理工艺参数
牌号
临界温度/℃
退火
淬火
Ac1
Ac3
Ms
温度/℃
冷却方式
硬度HBW
温度/℃
冷却方式
硬度HBW
Ar1
Ar3
Mf
60
727
766
265
800~820
炉冷
≤229
820
水或油
≥63
690
743
-20

3.２ 热处理工艺流程

工艺路线：退火 -- 成型 -- 分级淬火 -- 回火。

3.3热处理工艺参数设定

3.3.1 退火
退火目的：退火是为了消除冶金及冷热加工过程中产生的组织与性能缺陷而进行的预备热处理工艺，并为以后的机械加工及热处理准备良好的组织状态。降低材料的硬度，提高塑性，改善切削性能及压延成型性能。
加热方法：热炉装料。理由：缩短加热时间，节省能源。
退火温度：800~820℃
退火温度选取依据：查询优质碳素结构钢的临界温度、退火正火工艺参数表（热处理工艺参数手册表2-22）
退火保温时间：1~2h

3.3.2成型
将退火后的半成品按照要求进行机械加工，达到规定的形状和尺寸。

3.3.3分级淬火
分级淬火工艺方法：将奥氏体化后的工件淬入温度稍高于Ms点温度的淬火介质中冷却，直至工件各部分温度达到淬火介质的温度，然后取出在空气中冷却至室温，发生马氏体转变。
进行分级淬火的目的：分级淬火减少了马氏体转变时截面上的温度差，热应力降低，还由于工件各部分温度趋于均匀，使马氏体转变的不同时现象减少。淬火温度选择在250℃附近。分级淬火后处于奥氏体状态的工件具有较大塑（相变超塑性），因而创造了进行矫直和矫正的条件。
分级淬火保持时间：因截面较小，保持1~5min即可。
冷却介质：盐浴

3.３.4回火
回火温度：1）由表2-1查出回火温度在300~400℃之间。
2）为满足弹簧的高弹性极限性能一般采用中温回火。
因此回火温度定为350℃。
回火保温时间依据：
回火时间是从工件入炉后炉温升至回火温度时开始计算的。可参考经验公式：
t= Kn + An*D4
　　　　　式中：
　t—回火时间；（min）

Kn—回火时间基数；

An— 回火时间系数；

　　　D—零件有效厚度；（mm）
通过查热处理手册得Kn 和 An的推荐值见表3-4

表3-4：Kn及An的推荐值
回火条件
300℃以上

300~450℃

450℃以上

箱式炉

盐浴炉

箱式炉

盐浴炉

箱式炉

盐浴炉

Kn

120

120

20

15

10

3

An

1

0.4

1

0.4

1

0.4

因此回火选用箱式炉即可，时间为21.25min。

四、 工艺曲线

五、热处理后检验

5.1 热处理后检验方法

5.1.1．弹簧硬度的检测 
　　卷制后不经淬火、回火处理的弹簧不考核硬度。经淬火、回火处理的弹簧，一般硬度值的范围为HRC44～52。工作应力高的弹簧，为防止永久变形，硬度值可超过HRC52，最高可达HRC54。硬度的检测一般用洛氏和维氏硬度计。
1)硬度计的选用：试样厚度0．5mm以下用维氏硬度计；0．5～1．0mm用洛氏硬度A标；大于1．0mm用洛氏硬度C标。
  　2)试样的选取和制作：在弹簧的工作圈部位截取试样；试样在切割和磨制过程中，不允许因温度升高而造成硬度变化；弹簧材料直径厚度在8mm以下的其纵截面和横截面均可作为硬度的测试面，材料直径或厚度在8mm以上的应取横截面作为测试面；试样厚度必须不小于10倍的压入深度，厚度应该均匀．硬度测试舌试样背面不得有目视可见的变形痕迹；试样的硬度测试面宽度应大于2mm．表面粗糙度Ra不低于0．8μm。
3)测试方法：洛氏硬度检验按金属洛氏硬度试验方法(GB230)的规定；维氏硬度检验按金属维氏硬度试验方法(GB4340)的规定。

5.1.2 弹簧脱碳层的检测
1)试样的选取和制做：在弹簧工作圈的横截面取样。试样直径超过20mm时，允许取横截面的1／2到1／4作试样；试样需经镶嵌或夹持后磨制抛光；抛光后表面呈镜面状，无目视可见的打磨痕迹，四周无倒角；试样需经2％～4％(质量分数)硝酸酒精溶液的腐蚀，腐蚀不应过度，以抛光面的金属光泽刚消失为宜。
2)脱碳层深度的测定：试样在放大100倍的金相显微镜下观察。试样放在载物台上，移动载物台，对试样的边缘一周进行观察，找出脱碳深度最大的部位；用测微标尺对最大脱碳部位的脱碳层深度进行测定，总脱碳层深度包括全脱碳层和过渡区；脱碳层的判定以放大100倍下测得的结果为准，其他倍率所得的结果只能作为参考。未尽事项参照钢的脱碳层深度测定法(GB224)的规定。

5.1.3 弹簧金相组织和晶粒度的检测 
正常淬火组织应为马氏体，不应出现马氏体针状异常粗大、甚至发生局部晶界熔化的过烧组织和裂纹。
弹簧的正常回火组织为屈氏体，允许有少量的索氏体和未熔碳化物，当硬度大于HRC50时，允许有少量的回火马氏体。等温淬火的弹簧，金相组织应为下贝氏体。
a．金相组织的检测
1)试样的选取和制做：在弹簧工作圈取样，根据检验项目的不同，可以分别取其横截面或纵截面；试样切割应伴有水冷却装置，以免引起试样金相组织发生变化；试样允许镶嵌并经抛光和腐蚀处理，碳素钢和合金弹簧钢用腐蚀剂为2％～4％(质量分数)硝酸酒精溶液。
  2)试样检验：试样金相组织的观察应遵循从低倍到高倍的程序，开始先在放大100倍或更低倍数下观察，然后更换较高的放大倍数，必要时应将金相组织摄制成照片；横截面检验：试样外层边缘到中心部位金相组织的变化，表面缺陷深度，表面处理结果；纵截面检验：材料冷变形程度，材料带状组织及热处理消除结果。
b．晶粒度的检测
1)试样的选取和制做：冷拔材料制造的弹簧取横截面，热轧材料制造的弹簧可以取横截面也可以取纵截面；经抛光后的试样用苦味酸溶液腐蚀。
  2)晶粒度的评定：晶粒度评定的标准放大倍数为100倍，可以将试样的晶粒度投影在毛玻璃上或摄成照片后评定；晶粒度评定方法可采用标准图片比较法或计算法；晶粒度的标示方法可给出跨越2～3晶粒度级别，其中前面的数字表示占主要数量的晶粒度级别数，如只标出一个级别时，则该级别的晶粒数目应大于90％。
对于晶粒细小的试样可采用其他放大倍数进行晶粒度等级测定，但最终需换算成相当于放大100倍下的晶粒度等级G，其换算关系式为

式中  A——实际使用的放大倍率；
M——在实际放大倍率下测得的晶粒等级。

5.1.4 弹簧非金属夹杂物的检测
1)试样选取和制做：用于测定非金属夹杂物在整个截面的分布情况应选用横截面，用于测定非金属夹杂物的数量大小和形状应选用纵截面；试样抛光不允许有水渍、污物、划痕，抛光完成后应先对未经浸蚀的试样进行观察。
2)低倍明视场(放大100倍)测定项目：夹杂物的总含量；夹杂物的形状大小及分布；夹杂物的可塑性；夹杂物的抛光性；夹杂物的色彩。
3)高倍暗视场(放大倍数大于等于500倍)测定项目：夹杂物的透明程度；透明夹杂物本身的色彩。
4)高倍偏振光(放大倍数大于等于500倍)测定项目：各向异性效应；夹杂物的色彩；黑十字现场。
5)显微硬度测定项目：夹杂物的显微硬度值。
6)化学试剂浸蚀测定：检查夹杂物的性质，进一步对夹杂物作定性分析。

5.2热处理规范及操作守则

1）热处理设备应定期保养，热处理控制仪表必须定期校验，非专业仪表人员不得随意调整。
2）热处理过程应由专业人员操作。
3）热处理工艺材料应按照相应的技术要求建立定期检验制度，确保热处理质量稳定。
4）热处理质量检查均必须编制相应的书面检查规程和检查工艺卡。
5）经过检验的零件，应按规定做好标识，避免混淆。

六、热处理材料组织、性能分析及常见缺陷分析

6.1退火

正常温度的组织为均匀细小的F+P还可能有少量网状渗碳体，组织较均匀且硬度较低，切削加工性能好，塑性好。加热温度过高有可能出现过烧过热等问题，加热温度不足时可能会造成硬度过大的问题。弹簧尺寸较小可以均匀加热和冷却，容易获得均匀组织。在保温过程中，主要是奥氏体形核长大，碳化物溶解进入奥氏体并均匀分布的过程。
常见缺陷有：
1）过热：加热温度过高使奥氏体晶粒粗大，冷却后变成粗大魏氏组织或粗晶组织（重新退火）
2）过烧：由于加热温度过高，出现晶界氧化，甚至晶界局部溶化，造成工件报废
3）反常组织：在Ar1附近冷却过慢时，在先共析铁素体晶界上有粗大的渗碳体存在，珠光体片间距也很大（重新退火）
4）网状组织：加热温度过高，冷却速度较慢引起
5）硬度过高：加热温度过高，冷却速度过慢（重新退火）
所以加热过程一定要严格控制加热温度及保温时间。

6. 2 分级淬火

淬火后组织为M和大量残余奥氏体，硬度强度高，塑性韧性差。淬火时常见缺陷有淬火变形、开裂，表面氧化、脱碳、腐蚀、过烧及过热，硬度不足等。
1） 淬火变形、开裂
变形开裂主要是由于组织转变引起的体积变化和材料热处理过程中出现的内应力造成的。预防方法如下：
① 原材料应避免显微裂纹及严重的非金属夹杂物和碳化物偏析。
② 对工件易开裂部位，如尖角、薄壁、孔等进行局部包扎。
③ 淬火后及时回火。
2） 表面氧化、脱碳、腐蚀、过烧及过热
零件淬火加热过程中要进行保护措施，需在保护气氛下或盐浴炉中进行。小批量生产也可采用防氧化表面涂层加以保护。
3） 硬度不足
造成硬度不足的原因有：①加热温度过低，保温时间不足。
②表面脱碳引起表面硬度不足。
③冷却速度不够。
④钢材淬透性不足。
当出现硬度不足时，应分析其原因，采取相应的措施。其中，由于加热温度过高或过低引起的不足，除对已出现缺陷进行回火，再从新加热淬火外，应严格管理炉温测控仪表。

6.3 回火

回火后组织为回火屈氏体，硬度较高，有较高的弹性极限，又有较高的塑性韧性。常见的回火缺陷有回火硬度过高或过低，回火后工件发生变形及脆性等。
回火硬度过高、过低或不均匀，主要是由于回火温度过高或过低以及炉温不均匀引起的，还可能与回火时间有关。预防可采用调整回火温度来控制；硬度不均匀可能是由于一次装炉量太多，或选用加热炉不当所致。如果回火在气体介质炉中进行，炉子中应该有气流循环风扇。
回火工件变形，常由于回火前工件内应力不平衡，回火时应力松弛或产生应力重新分布所导致。要避免变形，可采用多次校直多次加热，或采用压具回火。

七、加热设备
退火时用普通型箱式电阻炉RX3-30-9；淬火回火时用普通型箱式电阻炉(保护气氛)RX3-30-9Q。

表7-1 技术参数
型号
名称
额定功率/kW
最高工作温度/℃
炉膛尺寸/mm
最大装载量/kg
RX3-30-9
950℃箱式电阻炉
30
950
450×950×350
200
RX3-30-9Q
950℃箱式电阻炉
30
950
450×950×350
200

八、参考书籍

本次课程设计说明书使用到的参考文献如下：
1)《热处理手册（共4卷）》，中国机械工程学会热处理学会，机械工业出版社；
2)《热处理工艺与典型案例》王有祈主编，化学工业出版社；
3)《热处理工程师手册》，中国机械工程学会热处理分会编，机械工业出版社；
4)《热处理工艺参数手册》，杨满编，机械工业出版社；
5)《金属材料学》戴启勋主编，化学工业出版社；
6)《热处理技术手册》，樊东黎、潘健生等主编，化学工业出版社；
7)《热处理原理与工艺》，毕凤琴主编，石油工业出版社。

九、心得体会
此次课程设计，我的任务是用60钢设计螺旋弹簧的热处理工艺过程。在设计过程中，需要在各种手册中查找相关资料，并运用自己的专业知识按照热处理工艺设计规范把他们进行整理整合起来，最后汇编成热处理工艺卡的过程。通过此次课程设计，我发现自己需要学的东西还有很多，热处理工艺设计不仅是一个设计过程，更是一个学习过程、一个经验积累的过程。
现在的我们做出的设计肯定存在很多问题，但是我相信我们此次设计学到的东西绝对比问题多得多。每个优秀的工程师都是从一点一滴开始学起的，而一个智者一定是从犯错开始的。

十、热处理工艺卡

热处理工艺卡是用于指导现场工艺实施的卡片，它汇集全部指导热处理现场生产的技术信息，简单明了。（见附表１）

附表１
热处理工艺卡
零部件图号
10
零部件名称
螺旋弹簧
简图：
材料牌号
60
工艺路线
退火-成型-分级淬火-回火
技术条件
检验方法
硬度
46~48HRC
硬度测量
金相组织
回火屈氏体
金相观察
力学性能
高弹性极限
弹性测试
工序号
工序名称
设备
装炉方式及数量
加热温度/℃
加热时间
保温时间
冷却介质、温度/℃
工时
①
退火
RX3-30-9
堆放
800~820
1~2h
1~2h
炉冷
30h
②
分级淬火
RX3-30-9Q
悬挂
820
2min
1~5
min
盐浴
5
min
③
中温回火
RX3-30-9Q
悬挂
350
11min
21.25min
空冷
2.5h
编制人
张忠东
编制日期
2014.7
审核日期

附表２　　　　　热处理工艺课程设计任务书
学院
机械工程学院
专业
材料成型及控制工程
学生姓名
张忠东
班级学号
1103班1111012072
设计题目
螺旋弹簧热处理工艺设计
设计任务：

技术要求
材料：①60钢（②65钢；③55Si2Mn;④65Mn）
硬度：46-48HRc；
工艺路线：退火--成型--等温淬火（或分级淬火）--回火。

进度安排：
18周：周一------周五
指导教师（签字）

年 月 日
主管院长（签字）

年 月 日

16