CN111593190A - 一种合金弹簧钢的热处理工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种合金弹簧钢的热处理工艺，包括对钢坯进行预热、加热、等温球化退火、淬火、冷却、中温回火、两次喷丸处理和加工检验，通过控制等温球化退火的温度在650～700℃，退火时间在2～3h，避免出现部分碳化物未能充分球化的现象，降低弹簧钢的硬度至32～48HRC，改善后续热处理中容易产生变形或开裂的问题，降低相应的抗拉强度至1810～1930MPa，使用应力幅度比传统工艺制成的弹簧钢提高10～15％，使其具有更高的延展性和韧性；通过控制淬火的温度来降低淬火应力，减小形变，以获得较高屈强比和良好的综合力学性能，通过控制冷却方式以及采用两次喷丸处理，强化弹簧钢的表面，改善了弹簧钢的表面质量并在表面产生残留压应力，提高了弹簧钢的疲劳强度和使用寿命。

Description

一种合金弹簧钢的热处理工艺
技术领域
本发明涉及热处理技术领域，特别涉及一种合金弹簧钢的热处理工艺。
背景技术
弹簧钢在现代工业设备、机械零件、汽车、发动机、铁路等行业当中应用非常广泛。弹簧主要在动载荷下工作,即在冲击、振动的条件下，或在交变应力作用下工作,利用弹性变形来吸收冲击能量,起缓冲作用。由于弹簧经常承受振动和长期在相变应力作用下工作，主要是疲劳破坏，故弹簧钢必须具有高的弹性极限和高疲劳极限。此外，还应有足够的韧性和塑性，以防止在冲击力作用下突然脆断。随着我国工业能力的增强，工业设备向着载荷量大、运行速度高的方向发展，机械零件承受的载荷也就越来越大，动作频率也更频繁。这些现实的使用需求，要求弹簧钢零件应当具有优良的综合性能、力学性能、抗弹性减退性能、抗疲劳性能、淬透性、物化性能。同时，从节能角度和经济性角度出发，又要求设备的重量较轻。目前，国内外弹簧钢的研究主要致力于提高弹簧钢的强度水平和使用寿命。
根据GB/T 13304标准，我国的弹簧钢分为非合金弹簧钢和合金弹簧钢两类，其中合金弹簧钢的基本组成系列有硅锰弹簧钢、硅铬弹簧钢、铬锰弹簧钢、铬钒弹簧钢、钨铬钒弹簧钢等。50CrVA作为一种优质的合金弹簧钢，具有良好的力学性能和工艺性能，淬透性较高，加入钒使钢的晶粒细化，降低过热敏感性，提高了强度和韧性，具有高的疲劳强度，屈服比也较高，用作较大截面的高负荷重要弹簧及工作温度<300℃的阀门弹簧、活塞弹簧、安全阀弹簧。但其在球化退火时会发生弥散强化现象，过冷奥氏体未能充分球化，从而产生上贝氏体组织，上贝氏体组织硬度高，不利于后续的加工，同时弹簧钢表面局部应力集中，会导致微裂纹的出现，引起早期破坏，降低了弹簧钢的使用寿命，影响产品性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种合金弹簧钢的热处理工艺，用以降低弹簧钢坯表面硬度，改善表面局部应力集中、容易出现微裂纹的问题，提高了弹簧钢的疲劳强度和使用寿命。
为了实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：
一种合金弹簧钢的热处理工艺，包括以下步骤：
(1)预热：在加热炉中预热钢坯至670～750℃并保温；
(2)加热：加热钢坯至800～840℃并保温；
(3)等温球化退火：随炉冷却至650～700℃后进行等温球化退火；
(4)淬火：等温球化退火后，升温至830～870℃进行淬火并保温；
(5)冷却：保温后油冷钢坯至100～150℃，取出钢坯并对其清洗；
(6)中温回火：将清洗后的钢坯放入回火炉中，加热钢坯至400～500℃回火并保温，出炉室温下空冷；
(7)两次喷丸处理；
(8)加工检验后最终制得合金弹簧钢。
进一步，所述步骤(1)中合金弹簧钢坯为50CrVA。
进一步，所述步骤(1)中预热钢坯保温时间为20～40min。
进一步，所述步骤(2)中加热钢坯保温时间为30～60min；所述步骤(2)中加热炉管式炉或电阻炉，加热过程中通入保护气体；所述保护气体为氮气或氩气，保护气体的流量为4～4.5L/h。
进一步，所述步骤(3)冷却速率为100～120℃/h，钢坯随炉冷却至650～700℃后等温球化退火2～3h。
进一步，所述步骤(4)中淬火保温时间为40～60min。
进一步，所述步骤(6)中钢坯回火保温1～2h；所述步骤(6)中的回火炉为辊底式热处理炉。
进一步，所述步骤(7)两次喷丸处理分为粗喷和细喷工艺；所述粗喷工艺的时间控制在10～20min。
本发明的有益效果在于：
1.本发明采用等温球化退火的工艺，通过控制球化退火的温度和时间，避免出现部分碳化物未能充分球化的现象，使得粒状珠光体分布均匀，颗粒化程度高，降低弹簧钢的硬度至32～48HRC，使其在冷热状态下容易加工成形，改善后续热处理中容易产生变形或开裂的问题，同时降低相应的抗拉强度至1810～1930MPa，使用应力幅度比传统工艺制成的弹簧钢提高10～15％，稳定弹簧钢的组织和尺寸，使其具有更高的延展性和韧性。
2.本发明通过控制淬火的温度来降低淬火应力，减小形变，以获得较高屈强比和良好的综合力学性能，通过控制冷却方式以及采用两次喷丸处理，强化弹簧钢的表面，改善了弹簧钢的表面质量并在表面产生残留压应力，提高了弹簧钢的疲劳强度和使用寿命。
附图说明
图1为本发明所述合金弹簧钢的热处理工艺流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行进一步详细描述，但本发明的保护范围并不限于此。
本发明提供了一种合金弹簧钢的热处理工艺，包括等温球化退火工艺、淬火工艺和喷丸处理工艺，所述等温球化退火工艺中控制温度在650～700℃，控制淬火温度在830～870℃，喷丸处理分为粗喷和细喷工艺，控制粗喷工艺时间在10～20min。
实施例1
本发明提供了一种合金弹簧钢的热处理工艺，包括对钢坯进行预热、加热、等温球化退火、淬火、冷却、中温回火、两次喷丸处理和加工检验，具体包括以下步骤：
(1)预热段使用的合金弹簧钢坯为50CrVA或其他含Cr、V的钢坯。
(2)预热段的温度控制670℃并保温20min；
(3)在管式炉或电阻炉中加热钢坯至800℃并保温30min，过程中通入氮气，氮气的流量为4L/h，用以减少钢材表面脱碳，保证了钢材的使用寿命；
(4)将所述钢坯冷却至650℃，冷却速度为100℃/h，然后在650℃环境下进行等温球化退火2.5h；
(5)球化退火后油冷钢坯至100℃，取出钢坯并对其清洗；
(6)将清洗后的钢坯放入回火炉中，加热钢坯至400℃回火并保温，出炉室温下空冷；
(7)对钢坯进行粗喷和细喷工艺，粗喷处理时间控制在10min，得到的残余压应力值较大，但是较浅，之后对其进行细喷处理，得到的残余压应力值较小，但是可获得较深的残余压应力值，提高了弹簧钢的疲劳强度和使用寿命；
(8)加工检验后最终制得合金弹簧钢。
采用上述工艺得到的合金弹簧钢表面的硬度至48HRC，抗拉强度至1930MPa，使其在冷热状态下容易加工成形，改善后续热处理中容易产生变形或开裂的问题，使其具有更高的延展性和韧性。
实施例2
本发明提供了一种合金弹簧钢的热处理工艺，包括对钢坯进行预热、加热、等温球化退火、淬火、冷却、中温回火、两次喷丸处理和加工检验，具体包括以下步骤：
(1)预热段使用的合金弹簧钢坯为50CrVA或其他含Cr、V的钢坯。
(2)预热段的温度控制在700℃并保温30min；
(3)在管式炉或电阻炉中加热钢坯至800℃并保温60min，过程中通入氮气，氮气的流量为4.5L/h，用以减少钢材表面脱碳，保证了钢材的使用寿命；
(4)将所述钢坯冷却至680℃，冷却速度为110℃/h，然后在680℃环境下进行等温球化退火2h；
(5)球化退火后油冷钢坯至110℃，取出钢坯并对其清洗；
(6)将清洗后的钢坯放入回火炉中，加热钢坯至450℃回火并保温，出炉室温下空冷；
(7)对钢坯进行粗喷和细喷工艺，粗喷处理时间控制在15min，得到的残余压应力值较大，但是较浅，之后对其进行细喷处理，得到的残余压应力值较小，但是可获得较深的残余压应力值，提高了弹簧钢的疲劳强度和使用寿命；
(8)加工检验后最终制得合金弹簧钢。
采用上述工艺得到的合金弹簧钢表面的硬度至32HRC，抗拉强度至1810MPa，使其在冷热状态下容易加工成形，改善后续热处理中容易产生变形或开裂的问题，使其具有更高的延展性和韧性。
实施例3
本发明提供了一种合金弹簧钢的热处理工艺，包括对钢坯进行预热、加热、等温球化退火、淬火、冷却、中温回火、两次喷丸处理和加工检验，具体包括以下步骤：
(1)预热段使用的合金弹簧钢坯为50CrVA或其他含Cr、V的钢坯。
(2)预热段的温度控制在750℃并保温40min；
(3)在管式炉或电阻炉中加热钢坯至840℃并保温50min，过程中通入氮气，氮气的流量为5/h，用以减少钢材表面脱碳，保证了钢材的使用寿命；
(4)将所述钢坯冷却至700℃，冷却速度为120℃/h，然后在700℃环境下进行等温球化退火2h；
(5)球化退火后油冷钢坯至1500℃，取出钢坯并对其清洗；
(6)将清洗后的钢坯放入回火炉中，加热钢坯至500℃回火并保温，出炉室温下空冷；
(7)对钢坯进行粗喷和细喷工艺，粗喷处理时间控制在20min，得到的残余压应力值较大，但是较浅，之后对其进行细喷处理，得到的残余压应力值较小，但是可获得较深的残余压应力值，提高了弹簧钢的疲劳强度和使用寿命；
(8)加工检验后最终制得合金弹簧钢。
采用上述工艺得到的合金弹簧钢表面的硬度至40HRC，抗拉强度至1890MPa，使其在冷热状态下容易加工成形，改善后续热处理中容易产生变形或开裂的问题，使其具有更高的延展性和韧性。
对比例1
本对比例提供了一种合金弹簧钢的热处理工艺，所述方法除了步骤(4)的等温球化退火温度为850℃以及退火时间为2.5h外，其他条件均与实施例1相同。
采用上述方法得到的合金弹簧钢表面的硬度至64HRC，抗拉强度至2126MPa。
对比例2
本对比例提供了一种合金弹簧钢的热处理工艺，所述方法除了步骤(6)的回火温度为340℃外，其他条件均与实施例2相同。
采用上述方法得到的合金弹簧钢表面的硬度至51HRC，抗拉强度至1943MPa。
通过实施例1-3以及对比例1-2可以看出，本发明提供的一种合金弹簧钢的热处理工艺中，等温球化退火的温度和时间、淬火温度控制十分重要，只有保证等温球化退火的温度和时间、淬火温度控制在本发明权利要求所给出的范围内，才能有效降低合金弹簧钢表面的硬度，改善后续热处理中容易产生变形或开裂的问题，使其具有更高的延展性和韧性。
本发明提供的一种合金弹簧钢的热处理工艺可有效降低效降低合金弹簧钢表面的硬度，改善后续热处理中容易产生变形或开裂的问题，使其具有更高的延展性和韧性，明显低于对比例1和2采用现有技术加工的合金弹簧钢表面硬度64HRC和51HRC，抗拉强度2126MPa和1943MPa。
所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种合金弹簧钢的热处理工艺，其特征在于，包括以下步骤：
(1)预热：在加热炉中预热合金弹簧钢坯至670～750℃并保温；
(2)加热：加热钢坯至800～840℃并保温；
(3)等温球化退火：随炉冷却至650～700℃后进行等温球化退火；
(4)淬火：等温球化退火后，升温至830～870℃进行淬火并保温；
(5)冷却：保温后油冷钢坯至150℃，取出钢坯并对其清洗；
(6)中温回火：将清洗后的钢坯放入回火炉中，加热钢坯至400～500℃回火并保温，出炉室温下空冷；
(7)两次喷丸处理；
(8)加工检验后最终制得合金弹簧钢。
2.根据权利要求1所述的合金弹簧钢的热处理工艺，其特征在于，所述步骤(1)中合金弹簧钢坯为50CrVA。
3.根据权利要求1所述的合金弹簧钢的热处理工艺，其特征在于，所述步骤(1)中预热钢坯保温时间为20～40min。
4.根据权利要求1所述的合金弹簧钢的热处理工艺，其特征在于，所述步骤(2)中加热钢坯保温时间为30～60min；所述步骤(2)中加热炉为管式炉或电阻炉，加热过程中通入保护气体；所述保护气体为氮气或氩气，保护气体的流量为4～4.5L/h。
5.根据权利要求1所述的合金弹簧钢的热处理工艺，其特征在于，所述步骤(3)冷却速率为100～120℃/h，钢坯随炉冷却至650～700℃后等温球化退火2～3h。
6.根据权利要求1所述的合金弹簧钢的热处理工艺，其特征在于，所述步骤(4)中淬火保温时间为40～60min。
7.根据权利要求1所述的合金弹簧钢的热处理工艺，其特征在于，所述步骤(6)中钢坯回火保温1～2h；所述步骤(6)中的回火炉为辊底式热处理炉。
8.根据权利要求1所述的合金弹簧钢的热处理工艺，其特征在于，所述步骤(7)两次喷丸处理分为粗喷和细喷工艺；所述粗喷工艺的时间控制在10～20min。
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