CN111676362B - 一种可获得Si系超高强碟簧的淬火-配分-等温淬火热处理新方法 - Google Patents

一种可获得Si系超高强碟簧的淬火-配分-等温淬火热处理新方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种可获得Si系超高强碟簧的淬火‑配分‑等温淬火热处理新方法，通过加热、冷却以及保温过程的温度、时间和冷却速度的控制，以及以上各工艺参数的配合，在碟簧中获得由减碳马氏体，细小贝氏体型铁素体、残余奥氏体以及纳米超级贝氏体组成的新型多相结构显微组织。经过以上多相组织中强化相和韧化相的协调强化韧化作用，可以将普通Si系碟簧在满足弹性极限的条件下，使其硬度从HRC42‑52增加至HRC58‑60，抗拉强度从1400‑1600MPa提高到2500MPa超高强度水平，为碟簧的升级换代提供了理论和实践依据。该工艺实际工业生产时，无需盐浴处理和油淬火，从而减少环境污染并节约能源，达到绿色环保生产的目的。

Description

一种可获得Si系超高强碟簧的淬火-配分-等温淬火热处理新 方法
技术领域
本发明涉及一种可获得Si系超高强碟簧的淬火-配分-等温淬火热处理新方法，属于机械装备工业和国防工业用重要基础零部件制造领域，是一种大幅度提制件高强度和使用寿命的热处理新方法新技术。
背景技术
碟簧是一种重要机械装备的基础零件，广泛应用于火箭火炮发射、运输机械等各个领域。根据其工况和通常的失效形式，碟簧材料的高强度（抗塑性变形能力和抗脆性断裂能力）是提高吸振性和使用寿命的重要保证，同时也是制件轻量化的发展目标。
然而，传统提高碟簧强度的热处理工艺是淬火加中温回火，获得的显微组织为回火屈氏体（见图1），其硬度为HRC40-48，强度为1400-1600MPa，为中等强度水平。
国际著名的SCHNORR碟簧生产公司，采用等温淬火工艺获得贝氏体组织来制造高端碟簧，其硬度为HRC42-52，强度比淬火回火的碟簧稍高。以上这两种热处理工艺中，如果降低回火温度或等温温度，都可以提高碟簧的硬度，但因其显微组织都具有硬脆相碳化物，会引起脆断强度的降低，致使产品无法使用。
因此，如何从材料本身来提高碟簧的强度硬度以及疲劳抗力，使高端碟簧的性能得到全面的提升，是实现轻量化和社会可持续发展的重要保证。
本发明获得的是与上述提到的回火屈氏体以及贝氏体完全不同的显微组织。它是由多个强而不脆的强化相以及韧而不软的韧化相所组成，不仅如此，其中的韧化相包裹强化相，可以抑制脆性断裂；而强化相支撑韧化相，抑制过量塑性变形。从而可以使碟簧在HRC59-60的状态下满足行业压缩实验要求不发生脆断，强度可达到2500MPa的超高强度水平，为该产品的升级换代提高了依据。
发明了一种“Q-P-A”（淬火-配分-等温淬火）热处理新技术，可以稳定可靠获得上述超高强度的显微组织，为碟簧的工业生产提供用之可行的新工艺和新方法。
发明内容
本发明的目的就是针对上述问题，提供一种可获得Si系超高强碟簧的淬火-配分-等温淬火热处理新方法。
本发明的目的是这样实现的，一种可获得Si系超高强碟簧的淬火-配分-等温淬火热处理新方法，其特征是，包括以下步骤：
1）、将电炉加热到600-650℃，控制加热速度V1=40-50℃/sec；
2）、对电炉在600-650℃进行保温，控制保温时间t1＝0.15-0.3h；
3）、将电炉继续加热到880-920℃，控制加热速度V2＝8-10℃/sec；
4）、电炉加热到880-920℃后，将碟簧放入电炉中进行保温，控制保温时间t2＝0.3-0.4h；
5）、保温结束后，将碟簧从炉中快速取出，控制碟簧的冷却速度V3＝20-30℃/sec，使碟簧温度降至760℃；
6）、随后增大冷却速度，控制碟簧冷却速度V4＝160-200℃/sec，使温度降至400℃；
7）、控制碟簧冷却速度V5＝100-120℃/sec，使碟簧温度降至180℃；
8）、然后将碟簧放入另一电炉中，控制加热速度V6＝30-50℃/sec，使温度升高到220-240℃；
9）、将碟簧在220-240℃保温，控制保持时间t3＝0.5-1h；
10）、对电炉进行降温，控制冷却速度V7＝50-70℃/sec，使温度降至220-190℃；
11）、对碟簧在220-190℃进行保温，控制保持时间t4＝2-4h；
12）、最后将碟簧从电炉中快速取出冷却至室温，控制冷却速度V8＝20-30℃/sec，完成热处理。
所述碟簧的材质为60Si2Mn钢、70Si3Mn钢或55Si2MnW钢。
目前碟簧无法获得高强度、高硬度（只能采用中等强度和硬度），是由于显微组织中存在硬脆相片状碳化物（等温淬火处理时，还可能存在淬火针片状马氏体），造成在承受外力作用下，应力集中引起脆断而造成的。
为防止制件热处理后出现硬脆的碳化物，本发明选用的是目前工业上普使用的含Si较高的弹簧钢，如60Si2Mn钢、70Si3Mn钢，55Si2MnW钢等。这些钢因Si在较低温度下有抑制碳化物形成的作用，而且易形成富碳残余奥氏体的韧性相。
本发明设计了一种可以可靠稳定获得上述要求的显微组织的“Q-P-A”热处理方法。如图2所示，该热处理方法包括以下6个控制区域：加热区域1（A-B-C-D）、保温区域2 （D-E）、冷却区域3（E-F-G-H）、加热区域4（H-I）、保温区域5（I-J-K-L）以及最终冷却区域6（L-M）。各个区域的冷却速度、温度范围和保持时间按照下述范围控制，步骤如下：
1）将电炉加热到600-650℃，控制加热速度V1=40-50℃/sec；
2）对电炉在600-650℃进行保温，控制保温时间t1＝0.15-0.3h；
3）将电炉继续加热到880-920℃，控制加热速度V2＝8-10℃/sec；
4）到880-920℃后，将碟簧放入电炉中进行保温，控制保温时间t2＝0.3-0.4h；
5）将碟簧从炉中快速取出，控制冷却速度V3＝20-30℃/sec，使温度降至760℃；
6）随后增大冷却速度，控制冷却速度V4＝160-200℃/sec，使温度降至400℃；
7）控制冷却速度V5＝100-120℃/sec，使温度降至180℃；
8）然后将碟簧放入另一电炉中，控制加热速度V6＝30-50℃/sec，使温度升高到220-240℃；
9）将碟簧在220-240℃保温，控制保持时间t3＝0.5-1h；
10）对电炉进行降温，控制冷却速度V7＝50-70℃/sec，使温度降至220-190℃；
11）对碟簧在220-190℃进行保温，控制保持时间t4＝2-4h；
12）最后将碟簧从炉中快速取出冷却至室温，控制冷却速度V8＝20-30℃/sec，完成热处理。
与现有技术相比，本发明的优点：
1、第一个优点在于，不采用目前弹簧制品热处理过程中常用的盐浴保温处理以及设备。与此同时，在淬火阶段使用水基淬火液，而非工业淬火油。因而该工艺可以克服原工艺使用过程中的环境污染和能耗问题，实现工业生产的绿色环保目标。
2、第二个优点在于，针对不同的弹簧制品，该工艺并不需要添加设备，可以直接与现有的工艺生产线接轨，快速投入生产。
3、第三个优点在于，本发明运用最新多相强化理论和超级贝氏体转变理论，并结合先进Q-P（淬火-配分）热处理工艺，首次在弹簧钢中获得多相纳米结构显微组织（包括M-c、BF、RA以及纳米尺度的（BF+RA）nano），而非原工艺处理后的回火屈氏体组织。
4、第四个优点在于，本发明获得的弹簧在满足弹性极限的要求同时，其抗拉强度可达到2500MPa，硬度可达到HRC58-60，从而为轻量化和高强化提供了可靠的技术支持。
综上，本发明提供了一项可获得Si系超高强碟簧的Q-P-A（淬火-配分-等温淬火）热处理新技术，该工艺主要包括6个部分，通过加热、冷却以及保温过程的温度、时间和冷却速度的控制，以及以上各工艺参数的配合，在碟簧中获得由减碳马氏体，细小贝氏体型铁素体、残余奥氏体以及纳米超级贝氏体组成的新型多相结构显微组织。经过以上多相组织中强化相和韧化相的协调强化韧化作用，可以将普通Si系碟簧在满足弹性极限的条件下，使其硬度从HRC42-52增加至HRC58-60，抗拉强度从1400-1600MPa提高到2500MPa超高强度水平，为碟簧的升级换代提供了理论和实践依据。该工艺实际工业生产时，无需盐浴处理和油淬火，从而减少环境污染并节约能源，达到绿色环保生产的目的。
附图说明
图1为60Si2Mn碟簧的传统淬火中温回火热处理工艺图；
图2为本发明60Si2Mn碟簧Q-P-A热处理工艺图；
图3a为采用本发明工艺处理后60Si2Mn碟簧的显微组织图：扫描电镜形貌；
图3b为采用本发明工艺处理后60Si2Mn碟簧的显微组织图：透射电镜形貌；
图4为采用本发明工艺与传统工艺处理后60Si2Mn碟簧抗拉强度与硬度的比较图；
图5为采用本发明工艺与传统工艺处理后60Si2Mn碟簧压缩性能的比较图；
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
将电炉缓慢加热到600-650℃，放入碟簧，待温度稳定后保持10-20分钟。
与碟簧一起，电炉升温到880-920℃，待温度稳定后保持0.5h。根据具体生产实际情况，要实施相应的常规防氧化措施（例如碳粉覆盖或防氧化漆涂覆等）。这个阶段保温时间的长短应与预热阶段的保温时间相配合，若预热时间长，则这个阶段的保持时间要相应缩短。
将电炉缓慢冷却到760℃附近，随后增大冷却速度至160-200℃/sec，降温到400℃，最终控制冷却速度大约为100-120℃/sec至较低的温度，其温度范围为200-180℃。冷却区域的速度控制需要良好的连接性，实际操作时，可通过相应的淬火液和冷却剂加以配合和辅助。
将碟簧放入到另一个温度为220-240℃的电炉中，等温保持为0.5-1h；然后碟簧随炉降温30-50℃，并保持2-4h。这两段不同温度的保温过程中，一般不需要特殊的防氧化保护措施；所需要注意的是等温的温度和时间，等温温度越高，则保持时间越短。
等温保持处理完成后，将碟簧取出，在空气中冷却即可。
实施例1：60Si2Mn碟簧（外径：40mm，内径：20mm，有效厚度：3mm）
采用Q-P-A（淬火-配分-等温淬火）工艺处理后60Si2Mn碟簧的显微组织形貌如图3所示。可以看出一种多相显微组织已经形成，在片状减碳M-c的外侧形成纳米尺度（小于100nm）的超级贝氏体显微组织（（BF+RA）nano），这种显微组织有利于碟簧的强度和韧性的提高。在其他区域得到了细小针状BF和膜状RA，同时也看到有块状的RA出现。
实施例2：不同热处理工艺60Si2Mn碟簧抗拉强度和硬度的比较；
经实施例所述的Q-P-A（淬火-配分-等温淬火）热处理工艺处理工艺与传统热处理工艺处理后的60Si2Mn碟簧抗拉强度和硬度的比较如图4所示。可以看出，与传统工艺碟簧相比，经实施例所述的Q-P-A热处理工艺处理后，硬度值有了大幅度提高，由原先的40HRC增长到56HRC以上，是原先的1.4倍以上。强度由原先的1530MPa增长到2520Mpa，是原先的1.65倍。
实施例3：不同热处理工艺60Si2Mn碟簧压缩性能的比较；
经实施例所述的Q-P-A（淬火-配分-等温淬火）热处理工艺处理工艺与传统热处理工艺处理后的60Si2Mn碟簧的压缩行为比较如图5所示。可以看出，两种碟簧都未发生断裂失效。与传统工艺碟簧相比，经实施例所述的Q-P-A热处理工艺处理后，在相同挠度1.3mm的条件下， 60Si2Mn碟簧可承受更大的压力，是传统碟簧的1.1倍。

Claims (1)

1.一种可获得Si系超高强碟簧的淬火-配分-等温淬火热处理新方法，其特征是，包括以下步骤：
1）、将电炉加热到600-650℃，控制加热速度V1=40-50℃/sec；
2）、对电炉在600-650℃进行保温，控制保温时间t1＝0.15-0.3h；
3）、将电炉继续加热到880-920℃，控制加热速度V2＝8-10℃/sec；
4）、电炉加热到880-920℃后，将碟簧放入电炉中进行保温，控制保温时间t2＝0.3-0.4h；
5）、保温结束后，将碟簧从炉中快速取出，控制碟簧的冷却速度V3＝20-30℃/sec，使碟簧温度降至760℃；
6）、随后增大冷却速度，控制碟簧冷却速度V4＝160-200℃/sec，使温度降至400℃；
7）、控制碟簧冷却速度V5＝100-120℃/sec，使碟簧温度降至180℃；
8）、然后将碟簧放入另一电炉中，控制加热速度V6＝30-50℃/sec，使温度升高到220-240℃；
9）、将碟簧在220-240℃保温，控制保持时间t3＝0.5-1h；
10）、对电炉进行降温，控制冷却速度V7＝50-70℃/sec，使温度降至220-190℃；
11）、碟簧随炉降温30-50℃，对碟簧在220-190℃进行保温，控制保持时间t4＝2-4h；
12）、最后将碟簧从电炉中快速取出冷却至室温，控制冷却速度V8＝20-30℃/sec，完成热处理；
所述碟簧的材质为60Si2Mn钢。
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