CN110408748B - 一种薄壁小尺寸钢带弹簧的真空淬火方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种薄壁小尺寸钢带弹簧的真空淬火方法，通过设计专门的保护盒，在双室真空油淬炉中加热淬火时该保护盒实现了热能传递功能和薄小尺寸钢带弹簧快速淬火功能。将薄壁小尺寸钢带弹簧零件装入保护盒内部，确保在双室真空油淬炉对装入弹簧零件的保护盒子加热后，弹簧零件进入淬火油槽这段转移时间内装入内部的零件不散热，淬火时零件又能快速冷却达到淬火之目的。采用本发明后，弹簧在保护盒真空淬火后HV≥850满足要求，回火后硬度均在HV485‑561之间。使用该工装对薄小尺寸弹簧真空淬火，硬度满足要求，弹簧表面无增脱碳影响，淬火后的变形量较小，保证了弹簧的各项技术指标。
Description
技术领域
本发明属于热处理工艺技术领域，具体为一种薄壁小尺寸钢带弹簧的真空淬火方法。
背景技术
目前防止钢带弹簧脱碳氧化的淬火方法为气氛保护淬火和真空淬火。
其中气氛保护淬火中使用气氛保护炉，需要控制碳势，碳势大于零件材料的含碳量时会增碳，碳势小于零件材料的含碳量时会脱碳，碳势失控容易造成零件成批报废。例如，气氛保护炉长期使用后，易会出现罐体漏气现象，极易造成零件的氧化脱碳，因此每批零件淬火后必须借助金相分析来判断零件是否脱碳。而且，气氛保护炉在长期使用中，通气管道会发生堵塞，清理管道对空气环境造成污染。此外，在气氛保护炉加热的零件淬火时，需要将承载工装翻转180°，将弹簧倒入油中淬火。在翻转的过程中，由于弹簧处于奥氏体状态比较软，翻转180°会使结构件产生变形，对于大尺寸结构件，该变形量尚可接受，但对于壁厚在0.2mm-0.6mm的薄壁小尺寸钢带弹簧，这种变形就会明显影响产品的合格率。
因此，采用双室真空油淬炉淬火是热处理的发展方向。现有真空热处理炉是全自动化控制，零件从加热室到进入淬火油槽整个淬火过程的转移时间是由真空炉的属性决定的(转移时间约22-25s)，这一转移时间对于较大尺寸的零件而言，可以忽略转移过程中散热对零件淬火的影响，但对于壁厚在0.2mm-0.6mm的薄壁小尺寸钢带弹簧而言，申请人发现如果直接采用这种真空热处理炉进行淬火，其在转移时间内，薄壁小尺寸弹簧的散热会导致淬火时零件温度已不能满足淬火要求，而达不到淬火效果。
发明内容
为克服现有技术存在的缺陷，实现使用双室真空油淬炉对薄壁小尺寸钢带弹簧进行淬火的目的，解决长期以来真空炉不能对薄壁小尺寸零件淬火问题(转移时间长淬火硬度低)，本发明提出一种薄壁小尺寸钢带弹簧的真空淬火方法，尤其针对0.2mm-0.6mm的薄壁小尺寸钢带弹簧。
本发明的技术方案为：
所述一种薄壁小尺寸钢带弹簧的真空淬火方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：清洗薄壁小尺寸钢带弹簧和保护盒；所述保护盒包括盒底和盒盖，保护盒采用随真空油淬炉加热以及零件淬火时不发生组织转变、不变形且和薄壁小尺寸钢带弹簧零件材料不发生反应的材料制成；保护盒本体钢板厚度在9mm-13mm，盒底板与盒盖板上按照10mm-15mm间隔均匀开有若干通孔，孔径为5mm-6mm，且盒底板上的孔具有划窝，形成外大内小的锥孔，外孔径为10mm-15mm；保护盒内的容腔高度满足若干层弹簧布置到保护盒中后，最上层弹簧与容腔顶部的间隙高度小于弹簧直径的要求；
步骤2：将弹簧在保护盒内整齐摆放若干层；
步骤3：将保护盒放入真空油淬炉中进行真空淬火处理。
进一步的优选方案，所述一种薄壁小尺寸钢带弹簧的真空淬火方法，其特征在于：保护盒采用10号钢或奥氏体不锈钢。
进一步的优选方案，所述一种薄壁小尺寸钢带弹簧的真空淬火方法，其特征在于：保护盒本体钢板厚度为10mm，盒底板与盒盖板上按照15mm间隔均匀开有若干通孔，孔径为5.5mm，盒底板上锥孔孔径为15mm，保护盒内的容腔高度为26mm；保护盒内布置2层高度为5mm，直径为16.7mm的薄壁小尺寸钢带弹簧。
有益效果
设计要求的0.2mm-0.6mm的T9A钢带弹簧淬火后硬度要求HV≥850，回火后硬度要求HV485-561。采用本发明后，弹簧在保护盒真空淬火后HV≥850满足要求，回火后硬度均在HV485-561之间。使用该工装对薄小尺寸弹簧真空淬火，硬度满足要求，弹簧表面无增脱碳影响，淬火后的变形量较小，保证了弹簧的各项技术指标。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1：盒盖示意图；
图2：盒底示意图；
图3：保护盒立体图；
图4：弹簧示意图；
图5：金相组织图；(a)边缘500倍，(b)基体500倍。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
为实现使用双室真空油淬炉对薄壁小尺寸钢带弹簧进行淬火的目的，本发明中设计了专用真空淬火保护盒，在双室真空油淬炉中加热淬火时该保护盒实现了热能传递功能和薄小尺寸钢带弹簧快速淬火功能。将薄壁小尺寸钢带弹簧零件装入保护盒内部，确保在双室真空油淬炉对装入弹簧零件的保护盒子加热后，弹簧零件进入淬火油槽这段转移时间内装入内部的零件不散热，淬火时零件又能快速冷却达到淬火之目的。
保护盒所选材料在随炉加热以及零件淬火时不发生组织转变、不会变形、不易损坏且和零件材料不发生反应。10号钢和奥氏体不锈钢均可满足此要求，从节约成本考虑我们选用10号钢。
保护盒的总厚度、钢板的厚度、孔的数量、孔径和孔的划窝应满足淬火转移时零件几乎不散热，淬火时零件可快速淬火同时变形量小。薄小尺寸零件在保护盒内整齐摆放两层，保温结束后零件从加热室转入冷却室进入淬火油槽的这段转移时间内，由于在真空炉中没有空气进行传导散热只有通过辐射散热，钢板厚度能保证其外壁在转移过程中辐射散热，零件和保护盒内壁相互辐射几乎没有热量的散失。保护盒上下部位的孔数量和孔径尺寸应使零件散热可以忽略不计，这样就保证了淬火时零件的温度满足要求。
浸入淬火油的过程中，首先打开淬火油槽自动搅拌系统使淬火油翻滚，装入零件的保护盒自上而下进入淬火油槽，由于下孔有划窝，加之相对运动，根据流体力学原理，翻滚的淬火油自下而上运动从保护盒下孔被快速挤压喷入盒子内部，迅速冲刷弹簧，在此过程中钢板的厚度、孔的数量、孔径大小和划窝能保证淬火油快速进入保护盒且接触到薄小尺寸零件时的淬火油温度不大于70℃，满足淬火时淬火油的温度，不会因与钢板的热交换导致接触薄小尺寸零件的淬火油温度超标。淬火油快速将保护盒充满后再从上孔被快速挤压喷出带走热量，保护盒的总厚度设计保证淬火油从上孔被快速挤压喷出，淬火油对零件进行强对流散热，使零件快速冷却以达到淬火之目的。
保护盒的大小可根据双室真空油淬炉的有效加热尺寸和所摆放保护盒的数量来确定。根据实施例中采用的双室真空油淬炉的有效加热尺寸且单层摆放3个保护盒，保护盒的尺寸大小确定为225mm×225mm。
通过不同钢板厚度、孔数量、孔径尺寸和保护盒总厚度的淬火试验，我们发现钢板厚度在9mm-13mm，孔数量为在保护盒上下钢板每隔10mm-15mm打一个孔，孔径在5mm-6mm，且盒底板上的孔具有划窝，形成外大内小的锥孔，外孔径为10mm-15mm，保护盒盒内厚度为20mm-26mm(盒内布置两层高度为5mm，直径为16.7mm的弹簧)时，薄小零件均能达到淬火后的硬度要求。故本实施例中保护盒工材料为10mm厚度的10号钢板。先用205mm×205mm钢板一块，205mm×36mm钢板两块，225mm×36mm钢板两块焊接成盒盖(见图1)。用170mm×170mm钢板一块，170mm×30mm钢板两块，190mm×30mm钢板两块焊接成盒底(见图2)，盖和底扣在一块制作成一个保护盒(见图3)。工装盖尺寸：225mm×225mm，工装底尺寸：190mm×190mm，上下钢板上间隔15mm开一个φ5.5mm的孔。使用真空炉淬火一次可以装入3个本尺寸的保护盒，对钢带厚度薄尺寸小的弹簧真空淬火，具有装炉量大，淬火后表面清洁度高，淬火后硬度高变形量小，对环境无污染等优点，在国内外尚无加工先例。
本实施例中的电刷弹簧材料：T9A钢带，厚度：0.6mm,见图4。弹簧在保护盒中真空淬火工艺流程为：
清洗弹簧和保护盒、将弹簧在保护盒中整齐摆放两层、保护盒放入真空油淬火炉中、真空油淬炉抽真空至≤13.3Pa、升温至790℃±10℃保温1h±10分钟、打开淬火油槽自动搅拌系统、零件油冷至室温、出炉。
淬火后的零件进行清洗并检验维氏硬度HV≥850，维氏硬度合格后进行回火工序。回火：硝盐槽380℃±30℃，保温1小时后水冷。
淬回火后的各项技术指标为：
(1)、平整度：淬火前平面度≤0.2mm，淬火后平面度≤0.5mm；
传统的气氛保护炉加热的零件淬火时需要将工装翻转180°，才能将弹簧倒入油中淬火。在翻转的过程中弹簧处于奥氏体状态比较软，会造成较大的变形量。变形后平面度大于0.5mm的零件需要进行人工校平。本发明中保护盒总厚度为46mm，内部尺寸为26mm，弹簧单件高度为5mm，两个弹簧摆在一起的高度为10mm，距离盖子的距离为16mm，弹簧直径为16.7mm。保护盒垂直入油淬火，淬火油喷这一过程中，弹簧不会在保护盒中翻滚，因此变形量非常小。
(2)、保护盒保护真空淬火后的硬度见表1，回火硬度见表2，金相见图5；
表1淬火硬度值
表2回火硬度值
由金相图可以看出金相组织均为回火索式体加粒状碳化物，在距冲切面0.01内均有碳化物粒状，非冲切表面均无游离铁素体，冲切面和非冲切表面均无增碳现象。
做为对比，将没有在保护盒保护直接在真空油淬炉淬火后的硬度罗列如下。
未经保护盒保护淬火硬度见表3：
表3淬火硬度值
由表1、表2、表3、图5可见，在保护盒中真空淬火的弹簧淬火后的硬度全部大于HV850(HRC66.5)，GB/T1298-2008表3中规定T9A淬火后的硬度不小于HRC62,回火后的硬度均在HV456-561之间，金相组织也表明并没有增脱碳及氧化。未放入保护盒在真空炉中直接真空淬火的弹簧硬度在HV345-411(HRC35-41)之间，未达到淬火后硬度的要求。
(3)、淬火前尺寸φ16.7±0.3，淬回火后尺寸φ16.7±0.3；真空淬火前弹簧尺寸为16.68，回火后弹簧尺寸为16.77，符合技术要求。
(4)、弹性：将弹簧扭转240°共8次，允许始角增大≤20°。弹簧始角在0°-20°范围内。
(5)、弹力：将弹簧扭转110°±10°(以0°弹簧确定零点，110°±10°处为所有弹簧弹力测试位置)时应产生弹力7.85N-8.85N。
此外对钢带厚度为0.2mm的弹簧也进行了保护盒保护真空淬火，淬回火后的硬度及各项力学性能及变形量均符合设计要求。
本发明用于国内某型号运输机发电机系统电刷系列弹簧的淬火，钢带厚度为0.2mm-0.6mm的弹簧淬火后表面光洁度好，硬度高，变形量小，尺寸、弹性、弹力、角度均符合要求，装炉量大，对环境无污染，节省人力物力等优点。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (3)
1.一种壁厚在0.2mm-0.6mm的薄壁小尺寸钢带弹簧的真空淬火方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：清洗钢带弹簧和保护盒；所述保护盒包括盒底和盒盖，保护盒采用随真空油淬炉加热以及零件淬火时不发生组织转变、不变形且和钢带弹簧零件材料不发生反应的材料制成；保护盒本体钢板厚度在9mm-13mm，盒底板与盒盖板上按照10mm-15mm间隔均匀开有若干通孔，孔径为5mm-6mm，且盒底板上的孔具有划窝，形成外大内小的锥孔，外孔径为10mm-15mm；保护盒内的容腔高度满足若干层弹簧布置到保护盒中后，最上层弹簧与容腔顶部的间隙高度小于弹簧直径的要求；
步骤2：将弹簧在保护盒内整齐摆放若干层；
步骤3：将保护盒放入真空油淬炉中进行真空淬火处理。
2.根据权利要求1所述一种壁厚在0.2mm-0.6mm的薄壁小尺寸钢带弹簧的真空淬火方法，其特征在于：保护盒采用10号钢或奥氏体不锈钢。
3.根据权利要求1所述一种壁厚在0.2mm-0.6mm的薄壁小尺寸钢带弹簧的真空淬火方法，其特征在于：保护盒本体钢板厚度为10mm，盒底板与盒盖板上按照15mm间隔均匀开有若干通孔，孔径为5.5mm，盒底板上锥孔外孔径为15mm，保护盒内的容腔高度为26mm；保护盒内布置2层高度为5mm，直径为16.7mm的钢带弹簧。
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