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DC-ZL-24-2009道岔淬火钢轨件检验规程( 15_58)
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官方公共微信高温碟簧的热处理方法及工艺
高温碟簧的热处理方法及工艺
发布: | 作者: | 来源: 密封技术网 | 查看:142次 | 用户关注：
碟形弹簧可以在较小的空间内具有很大的承载能力;在负荷作用的方向上尺寸较小，因而单位体积材料的变形能较大;可以利用不同的组合方式和改变单片的几何尺寸，得到各种近线性、渐增性、渐减性及其它组合形式;每一种碟簧可以组成多种弹簧组。所以可以适应设计的不同需要;单个碟簧的制造和热处理因其小而特别方便;当弹簧组损坏时，只要换下损坏的部分就可以了，便于整机的维修。
　　一般作为重型设备，汽车、钻机、模具、液压件、制动
碟形弹簧可以在较小的空间内具有很大的承载能力;在负荷作用的方向上尺寸较小，因而单位体积材料的变形能较大;可以利用不同的组合方式和改变单片的几何尺寸，得到各种近线性、渐增性、渐减性及其它组合形式;每一种碟簧可以组成多种弹簧组。所以可以适应设计的不同需要;单个碟簧的制造和热处理因其小而特别方便;当弹簧组损坏时，只要换下损坏的部分就可以了，便于整机的维修。
　　一般作为重型设备，汽车、钻机、模具、液压件、制动器、减振器和安全阀等的弹簧部件。高温碟簧除了具有普通碟簧的特点外，还具有在高温环境中的弹性性能，可以代替高温圆柱螺旋弹簧。
　　1、试验方法
　　1.1高温碟簧的材料
　　试验用的高温碟簧材料选用30W4Cr2VA。
　　材料的化学成分
　　材料的机械性能
　　1.2弹簧试块的热处理
　　为了选择最佳的热处理工艺，将15个同一炉号，同一规格的试块分为三组，采用三种温度进行淬火处理，并测定淬火后的硬度值，检查三种温度淬火后的金相组织。三组试块的淬火温度分别为：
　　A1=1050℃　A2=1070℃　A3=1100℃
　　将三组经不同温度淬火的试块分别用八个不同的温度进行回火处理，并分别测定试块回火后的硬度值，检查回火后的金相组织。八种回火温度分别为：
　　B1=350℃　B2=400℃　B3=500℃　B4=550℃　B5=600℃　B6=650℃　B7=700℃　B8=750℃
　　1.3弹簧的热处理
　　根据试块的热处理硬度和金相组织观察结果，制定出最佳的热处理工艺，对弹簧进行淬火和回火处理，测试弹簧的性能。
　　2、热处理工艺分析与讨论
　　2.1弹簧的热处理工艺
　　淬火：淬火温度为1050℃，其间在820℃，保温15min。
　　回火：第一次回火温度为480℃，保温2h;第二次回火温度为650℃，保温2h。
　　2.2弹簧淬火加热方式和保温时间
　　30W4Cr2VA材料的热传导性能比普通合金弹簧钢差一些.所以加热采用两段式加热方式。30W4Cr2VA的临界点Ac1=820℃，MS=400℃，第一段加热温度为820℃，保温15min，再放入1050℃的炉内，当弹簧温度达到淬火温度时.马上进行淬火处理。因为30W4Cr2VA在高温区间有晶粒长大的倾向，所以这种材料在高温区停留的时问越短越好。因而采用所谓&零&保温淬火，尽量减少工件在高温区停留的时间，保证了弹簧淬火后的晶粒度。
　　2.3淬火加热时的保护气氛
　　碟形弹簧的负荷主要作用在弹簧的两个表面上，其中一个表面为拉应力，另一个表面为压应力。当作用力超过碟簧的平面后，则碟簧两个表面的受力情况和原来的受力情况相反，压应力变为拉应力，拉应力则变为压应力。
　　总之，碟簧的受力主要集中在碟簧的两个表面。所以碟簧的表面质量直接影响到碟簧的质量。碟簧的表面质量，除了表面缺陷外，还表现在表面的粗糙度和表面氧化脱碳层的深度。表面粗糙度好，应力分散，弹簧的疲劳强度就高。表面脱碳严重降低工件的疲劳性能，使表面层材质弱化，在循环载荷作用下形成疲劳源，导致弹簧早期断裂。试验表明，表面脱碳使40Cr钢的弯曲疲劳极限&-1降低77%，&-1n降低22%。使硅锰弹簧钢的&-1降低41%，，而表面氧化的影响较脱碳更为恶劣。
　　弹簧表面的氧化脱碳与热处理有直接关系。为了减少氧化脱碳层的深度，在弹簧加热时采用保护性气氛，这样最大限度地减少工件同氧气的接触，使脱碳降低到最低程度。试验的试块和弹簧加)热时采用氩气保护，经保护加热的试块和弹簧表面，虽经高温加热，也几乎没有脱碳，从而保证了弹簧的质量。
　　2.4弹簧的回火处理
　　30W4Cr2VA弹簧钢的淬透性比较好，为了及时消除淬火应力，防止弹簧开裂，淬火后应立即进行第一次回火，第一次回火的温度可以适当低一些。一般取480℃。
　　从试块的淬火回火硬度分析，30W4Cr2VA有回火二次硬化现象，所以应进行不少于两次的回火处理。从弹簧的弹性性能试验数据看，经过两次以上回火处理后，弹簧性能有很大的提高，故应采用两次回火。
　　试块经淬火和回火后的硬度与温度的关系
　　3、试验结果
　　3.1试块的硬度值与温度的关系
　　从试块的试验结果分析，随着淬火温度的提高，淬火硬度值提高，但晶粒也随着变大。同一试块随着回火温度的提高，硬度值也相应增大，在650℃回火时达到最高硬度。但当温度超过700℃时，硬度值下降，弹簧的弹性性能也下降。
　　3.2金相分析
　　采用1050℃淬火，冷却剂为快速淬火油.淬火组织为较细的淬火马氏体。采用两次回火，第一次480℃回火2h，第二次650℃回火2h.金相组织中的马氏体针状形态已逐渐消失，但仍隐约可见，碳化物很细小，组织为回火屈氏体。从淬火、回火的金相组织看，热处理工艺可以达到金相组织对弹簧的要求，可以认为热处理工艺是合理的。
　　4、结论
　　30W4Cr2VA制高温碟簧的热处工艺，要考虑这种材料的特点和碟形弹簧的性能要求，采用两段式加热方法、通人保护气体以防止氧化和脱碳、用&零&保温以防止高温区的晶粒长大、经至少两次回火处理。经此处理之高温碟簧能达到图纸要求。
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45Mn2材料水-空淬火工艺
我公司采用的中碳合金钢材料种类主要有42CrMo、40Mn2、45Mn2等，其中45Mn2钢约占20%，45Mn2钢传统工艺采用油进行淬火。采用油淬存在以下不足：一是淬火时产生大量的油烟，不仅污染环境，而且危害操作工人的身体健康；二是油的成本远远大于水的成本，且油容易老化，老化后，换新油成本太高，不换则产品质量不好保证，经常出现工件调质后硬度不满足技术的情况，容易造成返工；三是淬火时如操作不当，容易发生火灾。近几年来，我们已积累了42CrMo、40Mn2等材料的水-空控时淬火工艺，并已经广泛的应用于公司多种产品，积累了中碳合金钢水-空控时淬火的实际经验。但45Mn2材料含C、Mn元素较高，薄壁套类零件在淬火过程中容易开裂。为消除油淬火带来的不利影响，经充分讨论，热处理技术人员决定大胆创新，组织对45Mn2材料产品进行水-空控时淬火试验。1、试验材料材料45Mn2具体成分如表1所示。技术要求：调质处理280～320HBW（相当于30～35HRC），调质处理后工件无裂纹。试验件工艺路线：锻造→粗车→调质→加工；数量：3件，规格：φ70mm×300mm。表1&试验用45Mn2的材料化学成分（质量分数）&（%）CMnSiSP0.4401.5900.2500.0220.0172、试验参数及方法本次试验采用普通箱式台车电阻炉，功率100kW。（1）调质工艺参数的选择 对45Mn2材料试棒进行水-空、油、淬火液三种淬火冷却介质进行淬火，45Mn2属于亚共析钢，材料的Ac3为770℃，通常淬火温度选取以Ac3以上30～50℃，根据选取的淬火冷却介质冷却能力的大小选择适当的淬火温度。油的冷却速度慢，所以油淬火温度选择常规淬火温度860℃；水基淬火液和水的冷却速度非常快，所以在试验时先采用800℃作为淬火温度。因油在低温区具有较慢的冷却速度，所以试棒采用油进行淬火，入油冷却时间取5s/mm；水基淬火液在高温区具有较快的冷却速度，但当工件温度低于300℃后冷却速度相当于油的冷却速度，所以水基淬火液冷却时间与油相同；因水在工件温度低于300℃后具有较快的冷却速度，为了防止工件在低温区淬火开裂，冷却时间取1～1.5s/mm。具体参数见表2。表2 &45Mn2试棒调质处理工艺参数淬火冷却介质淬火温度/℃保温时间/h总冷却时间/s每次冷却时间/s回火温度/℃保温时间/h油淬8602 3503504802 水基淬火液8002 3503505502 水-空8002 70-10530-405502 （2）硬度、金相显微组织、力学性能检测 对试棒淬火、回火处理后进行硬度、金相组织、力学性能检测，其中试棒表面硬度检测采用HBC型锤击式布氏硬度计，按照GB/T231-2009《金属材料 布氏硬度试验》规定检测试棒布氏硬度；试棒切片采用TH301洛氏硬度计检测硬度；用光学显微镜DM13000M，按照GB/T《金属显微组织检验方法》规定检测显微组织。按GB/T228.1-2010《金属材料 拉伸试验 第一部分：室温试验方法》规定检测材料抗拉强度、延伸强度、断后伸长率和断面收缩率；按照GB/T229-2007《金属材料 夏比摆锤冲击试验方法》规定检测常温冲击吸收能量。（3）对比采用三种不同的淬火冷却介质进行调质处理后，试棒的硬度、金相显微组织、试棒切片硬度的区别。同时，根据试棒水-空控时淬火试验数据，制定产品调质工艺参数。3、45Mn2材料试棒试验结果与分析采用表2中参数处理后试棒切片如图1，淬火后切片硬度如表3，回火后切片硬度如表4，回火后相对应的金相显微组织如图2所示，金相结果如表5所示，力学性能如表6所示。图1 试棒切片及硬度检测部位示意表3 &采用不同淬火介质淬火后切片的硬度值（HRC）距表面距离/mm5101520253035油45.044.040.039.034.534.031.0水基淬火液49.548.547.045.043.541.038.0水-空50.048.549.049.048.045.040.0表4 &采用不同淬火介质调质后切片的硬度梯度值（HRC）距表面距离/mm5101520253035油30.029.328.026.326.626.024.0水基淬火液28.928.328.628.527.627.527.0水-空35.032.532.031.029.632.032.0（a）860℃油淬火，480℃回火（b）800℃水基淬火液淬火，550℃回火（c）800℃水-空淬火，550℃回火图2采用三种介质调质处理后45Mn2试棒金相组织图表5 &不同冷却介质调质处理后金相结果淬火介质金相显微组织及级别油淬回火索氏体+珠光体+条状及块状铁素体，4～5级水基淬火液回火索氏体+铁素体，3级水-空回火索氏体+铁素体，3～4级表6不同热处理冷却介质下的力学性能结果淬火介质δb/MPaδs/MPaδ5（%）ψ（%）ak/J/cm2油淬96096572072017.017.051.051.029.426.9水基淬火液89588073070520.018.051.051.057.551.4水-空91096573581016.019.055.060.558.869.8从表3、表4分析得出：采用三种不同的淬火介质处理后，工件淬火后都得到马氏体组织（45Mn2材料半马氏体硬度为45HRC），其中，采用油淬火后淬硬层深度为10mm，采用淬火液淬硬层深度为20mm，采用水-空淬火淬硬层深度为30mm，采用表2工艺参数回火后，因回火温度高，油淬试块切片硬度与淬火液试块切片硬度低于技术要求，水-空淬火试块切片硬度符合技术要求。从图2、表5分析得出：金相显微组织采用水基淬火液组织最好，水-空淬火次之，油淬火组织最差为4～5级。采用油淬火组织差的原因主要是油的冷却速度慢，在淬火过程中，部分奥氏体因冷却速度不足，发生珠光体转变，甚至有部分条状及块状铁素体析出。从表6可以看出：各项力学性能油的抗拉强度最好，水-空次之；但水-空的屈服强度、伸长率、断面收视率、冲击功最好。所以综合考虑水-空淬火各项性能较佳。综合考虑硬度、淬硬层深度、金相显微组织、各项力学性能，认为45Mn2材料水-空淬火工艺可行，制定45Mn2材料轴承座调质工艺。4、45Mn2材料水-空控时淬火工艺在轴承座调质处理应用实例（1）轴承座技术要求及调质热处理参数 技术要求：调质处理280～320HBW，工艺径向留加工量4mm。要求工件处理后径向变形≤2mm。调质工艺参数：装炉方式见图3，淬火温度选择800℃，回火温度550℃，保温时间90min。每次水冷却时间计算方式为取1～1.5s/mm。共试验10件，具体调质参数及实验结果见表7。表7 &轴承座调质处理工艺参数及实验结果外圆直径/mm工件有效厚度/mm总冷却时间/s每次冷却时间/s回火后硬度HBW径向变形量/mm有无裂纹49635.536～5415～202800.75无4605059～8820～253200.30无4605959～8820～253100.40无4605959～8820～253150.35无3904545～6020～252980.45无3902020～3510～152830.45无3902020～3510～152900.85无33549.550～7515～202900.8无33524.525～4010～153000.65无36037.536～5410～153100.25无（2）试验结果与分析 从表7分析得出，轴承座采用上述工艺参数处理后，硬度满足技术要求280～320HBW，且工件外圆径向变形小于1.0mm，满足工艺变形要求，工件无开裂现象。采用水-空控时淬火变形小的原因是工件在淬火过程中，工件各处冷却速度相当；工件在高温期冷却速度快，热应力增大，热应力增大的同时抵消了大部分组织应力。采用水-空控时淬火的关键点在于控制工件在高温期快的冷却速度、低温期慢的冷却速度。在高温期采用水作为淬火介质，从而获得大于临界淬火速度，确保奥氏体不发生珠光体转变，大部分直接转变为马氏体，然而在低于Ms点以下的低温区，采用空气作为淬火介质，以获得较低的冷却速度，以减少工件的组织应力。如在高温期冷却速度不足，则造成工件淬火后硬度不足，如在低温区冷却速度太快，则会造成工件组织应力过大，当组织应力超过材料的抗拉强度时，工件就会开裂。5、结语（1）根据实际淬火经验得出，45Mn2材料采用水-空控时淬火工艺可行，淬火温度选择800℃，当工件的有效厚度≤60mm时，水冷却总时间计算方式为取1～1.5s/mm（水温低取下限，水温高选择上限），分2～3次进行冷却。空冷时间以工件在空气中返热温度超过320℃为界限，当工件返热温度超过320℃，工件再次入水冷却（45Mn2材料Ms点为320℃）。（2）采用此种工艺方式处理后，工件硬度满足技术要求，变形≤1mm，金相组织满足GB/T《金属显微组织检验方法》标准要求。（3）采用此种工艺的优点一是节约成本，就轴承座与原来的工艺相比，每年可节约工装成本8000元，节约电费14000元，节约油耗32000元，总计54000元；二是减少油烟对环境的污染，改善了员工的作业环境，同时在淬火过程中不会发生火灾。但缺点是淬火操作过程中对操作者的技能要求高，在淬火过程中如操作不当，容易造成工件开裂。所以建议购买新的淬火设备，实现通过数控控制工件冷却时间，减少人为淬火因素，稳定产品质量。
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