CN100567520C - 合金弹簧钢超细化马氏体热处理淬火强化工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种合金弹簧钢超强细化马氏体热处理淬火强化工艺方法，它是将弹簧材料在880℃奥氏体化后淬入280℃±10℃的等温硝盐炉中保温60分钟至90分钟，保温结束后，又将弹簧转入水中冷却，然后，弹簧转入硝盐回火炉中或井式电炉回火，回火温度280℃～300℃，回火保温时间为90分钟至120分钟，回火结束后弹簧水冷，整个热处理工序结束。本工艺能够提高弹簧材料的屈服强度、断面收缩率、冲击韧性和弹力。
Description
技术领域
本发明涉及材料主要为65Si2MnWA、60Si2MnA、65Si2CrVA、70Si3MnA弹簧钢的热处理工艺强化方法，在同一种材质同一种形状规格的弹簧上，该发明可显著提高弹簧材料的抗拉伸强度和屈强比，提高弹簧的弹性。
背景技术
弹簧材料65Si2MnWA、60Si2MnA、65Si2CrVA、70Si3MnA钢的传统热处理强化工艺方法是：先将弹簧材料通过热处理加热炉(如箱式电炉、盐浴炉、真空炉等)加热至880℃±10℃保温一段时间后，弹簧油冷，然后弹簧回火400℃±20℃，保温90-120分钟，水冷(回火设备可以是井式回火炉、硝盐回火炉、真空回火炉等)。由于弹簧材料65Si2MnWA在880℃奥氏体化时，随着奥氏体晶粒内的合金元素均匀化，奥氏体晶粒不可避免要发生长大，在随后的淬火油冷中，在奥氏体晶粒内形成片状马氏体，初生成的片状马氏体长度与奥氏体晶粒大小成正比，片状马氏体的大小是由奥氏体晶粒度大小所决定，通过一般热处理强化工艺方法对奥氏体晶粒度加以改善和细化，较为常见的热处理奥氏体晶粒细化工艺方法有二种：一种是原材料预先进行正火，称之为正火状态细化奥氏体晶粒。第二是控制并适当降低奥氏体化温度，以得到晶粒度细小的奥氏体晶粒。弹簧材料65Si2MnWA、60Si2MnA、65Si2CrVA、70Si3MnA按常规的热处理淬火工艺并经过回火后的弹簧，其抗拉伸强度、屈强比、弹性、疲劳强度、韧性和塑性一般固定在一个范围内，通过以上两种常规的奥氏体晶粒细化工艺方法对以上性能指标的提高有限，效果不是十分显著。
发明内容
为了通过超强细化奥氏体晶粒，进而提高弹簧材料的抗拉伸强度、屈强比、弹性、疲劳强度、韧性和塑性指标，本发明提供一种全新的合金弹簧材料超强细化马氏体热处理淬火强化工艺方法，该工艺方法是在弹簧材料奥氏体化后，奥氏体向马氏体转变前，某一等温温度段孕育生核生成的下贝氏体将奥氏体晶粒分隔成若干个奥氏体小区域，达到了细化奥氏体晶粒的目的。
本发明解决其技术问题所采用的技术工艺方案是：
将材料为65Si2MnWA、60Si2MnA、65Si2CrVA、70Si3MnA钢的成型弹簧通过热处理加热设备(如盐浴炉、箱式电阻炉、真空炉等)升温至880℃，根据弹簧截面积大小保温一定时间后，将弹簧淬入硝盐槽中，硝盐槽温度为280℃±10℃，弹簧在硝盐槽中保温60分钟至90分钟，保温结束后，又将弹簧转入水中冷却，冷却时间1-2分钟，然后，弹簧转入硝盐回火炉中(或井式电阻炉等)回火，回火温度280℃～300℃，回火保温时间为90分钟至120分钟。回火结束后弹簧水冷，冷却时间1-2分钟，整个热处理强化工序结束。
65Si2MnWA、60Si2MnA、65Si2CrVA、70Si3MnA钢普通传统的马氏体热处理淬火强化机理为：压缩弹簧材料加热淬火，经880℃奥氏体化后，金相上获得奥氏体组织，在保温过程中，碳原子和合金元素在奥氏体晶粒内扩散，使弹簧钢的奥氏体得到均匀化，以提高弹簧钢的淬透性和力学性能。保温结束。弹簧淬入32号机械油(或普通淬火油)中，进行快速冷却，在油中冷却5至10分钟后完成淬火，进入下一道工序——回火。弹簧在回火中，所获得的金相组织为回火屈氏体，参见图1A，该组织以针状铁素体为基体，并分布有弥散片状渗碳体的混合组织。其中片状渗碳体是中温回火弹簧钢中的主要强化相。弹簧零件中温回火后钢中内应力显著减少，因此，可使钢保持高的弹性极限，较高强度和高的疲劳极限以及足够的韧性。回火结束后进行水冷却，材料金相组织被固定下来。
本发明采用的超强细化马氏体热处理工艺是：将弹簧淬入温度为280℃±10℃硝盐槽中，保温60分钟至90分钟后又将弹簧转入水中冷却，弹簧转入280℃～300℃温度中的硝盐回火炉回火，回火保温时间为90分钟至120分钟。回火结束后弹簧水冷，相比较于以上的常规热处理工艺，65Si2MnWA材料下贝氏体等温淬火的金相组织转变过程中，马氏体转变之前先形成的贝氏体对原来的奥氏体晶粒有细化作用。如示意图1B所示，形成的贝氏体将一个奥氏体晶粒分隔成7个以上的小区域，这些小区域在随后的水冷却过程中形成多种取向的马氏体区。随后的回火工艺又将这些马氏体区转变为回火屈氏体区，但是马氏体区域的特征被遗留或继承下来。在拉伸受力过程中，裂纹通过奥氏体晶粒区内两个回火屈氏体小区域，远比通过被贝氏体分隔成7个以上的回火屈氏体小区域容易得多，这使材料回火屈氏体与下贝氏体混合组织具有高强度的同时，也具有高韧性、高弹性的一个原因。
本发明的有益效果是：在弹簧零件经历不同热处理工艺后得到相同的硬度水平下，通过本工艺方法可极大地提高弹簧材料65Si2MnWA、60Si2MnA、65Si2CrVA、70Si3MnA的抗拉伸强度、屈强比、弹性、疲劳强度、韧性和塑性。
附图说明
图1A是普通及传统热处理弹簧淬火回火后，弹簧内部微裂纹扩散机理图。
图1B是本发明采用的超强细化马氏体热处理后弹簧内部微裂纹扩散机理图。
图2是本发明的热处理工艺曲线图；
图3是为弹簧零件结构图；
图4是普通及传统热处理，65Si2MnWA于880℃奥氏体化、油冷淬火，390℃回火90分钟水冷处理后的金相组织图(500×5％硝酸酒精腐蚀)。
图5是本发明超强细化马氏体热处理，65Si2MnWA于880℃奥氏体化、硝盐槽280℃等温90分钟水冷，280℃回火90分钟水冷处理后的金相组织图(500×5％硝酸酒精腐蚀)。
图6是普通及传统热处理，65Si2MnWA油冷淬火390℃回火后的1000倍的弹簧试样断口扫描图(TMP-30型电子扫描显微镜)；
图7是本发明超强细化马氏体热处理，65Si2MnWA于880℃奥氏体化280℃等温90分钟淬火，280℃回火90分钟水冷后500倍的弹簧试样断口扫描图(TMP-30型电子扫描显微镜)。
具体实施方式
下面结合附图和实例对本发明专利进一步说明。
以处理图3所示的弹簧零件为例，弹簧材料：65Si2MnWA，技术要求：园柱式压缩弹簧，旋向：右旋；有效圈数：36；总圈数：37.5；展开长度：2288毫米；热处理硬度：51HRC-56HRC；表面处理：磷化后浸X98-1胶两层(ZBG51071-1987)；检验：紧压缩24小时测试H2＝172mm，790N≤P2≤890N；验收条件按II-WJ532-1993执行。
结合工艺图2，将绕制好的弹簧用心柱装入，垂直放入盐浴炉中，盐浴炉控制温度为880℃，弹簧保温时间为10分钟，保温结束后立即将弹簧淬入等温硝盐槽中，硝盐槽温度控制在280℃，弹簧在硝盐槽中保温时间在90分钟，取出弹簧迅速进入水槽中水冷却，水冷却时间为1分钟，水温控制在0℃-30℃，然后将弹簧放入硝盐回火炉中进行回火，硝盐回火炉温度控制在280℃-300℃范围内，弹簧回火时间为90分钟至120分钟，回火结束后，弹簧进入冷水槽中水冷却，水冷却时间为1分钟，水温控制在0℃-30℃。
经过以上超细化马氏体热处理淬火强化工艺后的弹簧，按产品图要求的规定，经紧压24小时后，弹簧的力学性能测试见表1，而采用普通及传统常规热处理淬火回火强化的同一种类弹簧力学性能测试对比也见表1。金相组织比较见图4为65Si2MnWA传统试样于880℃奥氏体化、油冷淬火，390℃回火90分钟水冷，其金相组织为回火屈氏体加弥散分布的碳化物。图5为65Si2MnWA试样采用本发明超强细化马氏体热处理淬火强化，于880℃奥氏体化、硝盐槽280℃等温90分钟水冷，280℃回火90分钟水冷，其金相组织为回火屈氏体加下贝氏体加弥散分布的碳化物。园柱弹簧断口扫描形貌图比较，图6为65Si2MnWA油冷淬火，回火390℃回火90分钟水冷园柱压缩弹簧的1000倍断口扫描图，照片上可看出弹簧的断裂方式为解理型，而图7的65Si2MnWA弹簧于880℃奥氏体化280℃等温淬火，360℃回火90分钟水冷。在500倍的弹簧试样断口扫描图上，为准解理加少量韧窝。
表1：65Si2MnWA油淬火与贝氏体等温淬火力学性能对比
| 项目 | σ<sub>s(MPa)</sub> | σ<sub>b(MPa)</sub> | δ(％) | ψ(％) | a <sub>κ</sub>(MJ/M<sup>2</sup>) | 自由长度H0(毫米) | 洛氏硬度 |
| 传统热处理强化工艺 | 1860 | 2260 | 6 | 35 | 0.29 | 325 | 52HRC |
| 本发明强化热处理工艺 | 1920 | 2070 | 5.5 | 48.5 | 0.62 | 325 | 53HRC |
| 增长百分率 | +3.23％ | -8.41％ | -8.33％ | +38.57％ | +165％ | 0 | +1.92％ |
注：传统油淬试样热处理工艺为：880℃加热，油冷却淬火，390℃回火90分钟，水冷却。本发明超强细化试样热处理工艺为：880℃加热，280℃硝盐槽等温冷却90分钟，水冷，280℃硝盐炉回火，时间90分钟，水冷。
Claims (1)
1.一种合金弹簧钢超细化马氏体热处理淬火强化工艺，其特征为：弹簧材料在880℃奥氏体化后淬入280℃±10℃的等温硝盐炉中保温90分钟，保温结束后，又将弹簧转入水中冷却，冷却时间1-2分钟，然后，弹簧转入硝盐回火炉中或井式电炉回火，回火温度280℃～300℃，回火保温时间为90分钟至120分钟，回火结束后弹簧水冷，冷却时间1-2分钟，整个热处理工序结束；
所述弹簧材料为65Si2MnWA、60Si2MnA、65Si2CrVA或70Si3MnA钢。
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