高強度彈簧的熱處理工藝與規(guī)范

一、045大直徑熱卷50CrVA閥門彈簧的熱處理工藝與規(guī)范

(1)大直徑閥門彈簧的工作條件和性能要求大直徑彈簧采用熱

卷而成，作為大型閥門用彈簧，在工作過程中要承受反復的伸長和壓

縮等，故其應(yīng)具有優(yōu)良的彈性和疲勞強度等，彈簧的失效形式主要是

疲勞斷裂和應(yīng)力松池，而90%以上的彈簧都是由于疲勞斷裂而失效

的。根據(jù)其服役條件來看，必須選用淬透性好、變形小而力學性能佳

的50CrVA彈簧鋼，經(jīng)過淬火+中溫回火以及拋丸處理后，完全可以滿

足其工作需要。

(2)大直徑閥門彈簧的機械加工工藝流程大直徑彈簧的卷制比

較困難，它不同于一般小直徑彈簧的直接繞制，因此通常是在對原材

料進行加熱卷制而成，這樣可以有效地減少冷脆斷裂，下面為其流程:

備料一加熱一卷制一校直一切割端面一熱處理(淬火和中溫回火)一

粗磨端面f噴丸f立定處理(定型處理)f檢驗一浸漆f包裝。

(3)大直徑腹門彈簧的熱處理工藝

①技術(shù)要求

a.原材料的成分、脫碳層、非金屬夾雜物以及表面質(zhì)量應(yīng)符合技

術(shù)要求。

b.彈簧的垂直度W0.5mm，間隙向0.5mm,表面進行噴丸處理,彈

簧的基體硬度在40?46HRC,表面無脫碳和過熱。

c.獲得均勻細致的托氏體組織，表面質(zhì)量缺陷。

d.進行噴丸處理。

②熱處理工藝

a.卷制前彈簧采用磨光料，彈簧的加熱是采用電接觸加熱，具有

加熱時間短、奧氏體晶粒細等特點，由于奧氏體晶粒較細，增加了材

料體內(nèi)組織晶粒數(shù)和晶界面積，降低了應(yīng)力集中，提高了位錯運動的

阻力。加熱溫度為(900±10)℃,此時利用材料的高溫強度低、塑

性好等特點，使盤制容易進行，但加熱溫度不宜過高或保溫時間過長,

否則會產(chǎn)生材料的過熱或表面的氧化脫碳，甚至造成過燒而報廢。

b.淬火+中溫回火。在RJX-75-9箱式電阻爐上進行加熱，加熱溫

度為850?880℃,保溫系數(shù)按L5min/m用進行計算，以透燒為準，

冷卻介質(zhì)對彈簧的便度和性能有重要的影響，選擇油冷則可滿足其工

藝要求。如在保護氣氛的連續(xù)式網(wǎng)帶爐上完成加熱，可實現(xiàn)自動化作

業(yè)，其加熱時間可根據(jù)網(wǎng)帶的運轉(zhuǎn)頻率來控制，其目的是確保彈簧在

淬火前充分奧氏體化，同時進行碳勢的控制?；鼗鹪诘蜏鼐交鼗馉t

或網(wǎng)帶回火爐內(nèi)進行，根據(jù)硬度、垂直度和間隙的要求，采用專用的

回火夾具，將其固定并正確放置，工藝規(guī)范為(400?440)℃X(1.5?

2)h,保溫結(jié)束后水冷。一般彈簧的回火溫度一般在400?500℃之

間，火后可獲得較高的疲勞強度，可從圖3-10中了解到這類關(guān)系。

圖3-1055Si2Mn彈簧鋼回火溫度與疲勞強度的關(guān)系

（4）大直徑質(zhì)門彈簧的熱處理工藝分析與實施要點

①由于50OVA鋼的合金元素多，使鋼的淬透性得到了改善，銘

是強烈的碳化元素，它們的碳化物存在于晶界附近，故能有效地阻止

晶粒的長大，因此適當提高淬火溫度和延長保溫時間不致引起晶粒的

長大。

②在熱卷彈簧的加熱過程中，應(yīng)當注意表面脫碳與淬火加熱溫度

和時間的關(guān)系，實踐表明淬火溫度高和加熱時間長，均造成脫碳的加

劇。因此，在箱式爐中進行加熱時，應(yīng)嚴格控制其工藝參數(shù)，另外,

也可采用涂料或裝箱保護加熱，來減少其表面的氧化和脫碳。彈簧的

表面脫碳能降低其使用壽命，而且容易成為疲勞裂紋源。

③彈簧的中溫回火是為了獲得要求的組織性能，考慮到50CrVA

鋼是產(chǎn)生第二次回火脆性的材料，因此回火結(jié)束后必須快冷（油冷或

水冷），可防止回火脆性（造成其沖擊韌性的降低），又能在表面造

成殘余壓應(yīng)力，有利于提高疲勞強度，通常采用水冷而不進行油冷。

回火后的組織為回火托氏體，硬度在40?46HRC,它具有良好的彈性

和足夠的強度和韌性。另外，回火時間過短，不能獲得均勻的組織和

性能，忖間過長則對于性能的改善不大，因此應(yīng)進行工藝試驗來確定

合理的時間。

④為了提高大直徑彈簧的使用壽命以及承載能力，穩(wěn)定彈簧變形

的特性和疲勞強度，應(yīng)對彈簧進行噴丸和強化處理。由于彈簧熱卷和

熱處理時，脫碳總是存在的，有時深度在0.2?0.4mm,而噴丸后的

硬化層可達0.5?0.6mm,既去掉了脫碳層，又產(chǎn)生一定的表面壓應(yīng)

力，因此在彈簧承受載荷時，可抵消一部分交變載荷下的最大拉應(yīng)力

作用，需要注意應(yīng)選擇合理的吊裝拋丸工藝參數(shù)：鋼丸直徑為4）1mm、

硬度為46?50HRC、噴丸速度為40?為m/s、時間5?8min,另外，

鋼丸的流量、葉輪的轉(zhuǎn)速、裝量的大小和排列情況等，對彈簧的拋丸

質(zhì)量有一定的影響，可通過工藝試驗得到最佳的工藝參數(shù)。

⑤彈簧拋丸后，應(yīng)進行低溫的時效處理[（180-200）℃X（1?

2）h],其目的是減少殘余變形，穩(wěn)定彈簧尺寸以及提高疲勞強度等。

⑥對于該類大直徑的彈簧，應(yīng)進行立定處理（即定型處理），其

目的是穩(wěn)定彈簧的外形尺寸，暴露其材料的外觀缺陷，確保垂直度和

間隙符合技術(shù)要求。為了減少變形，彈簧在爐內(nèi)加熱時，不宜豎放和

堆放，應(yīng)采用夾具（串芯軸）進行淬火和冷卻。

⑦如果條件允許，對大直徑彈簧采用電阻加熱進行淬火和回火處

理，也具有良好的效果，是指將彈簧頭夾在電接點上進行加熱，利用

彈簧本身的電阻使之發(fā)熱到淬火溫度，加熱是從內(nèi)部向外部加熱，淬

火后變形小，組織均勻，同時也節(jié)約了能源，減少了浪費。

⑧為了提高彈簧的疲勞強度和使用壽命，除了進行噴丸處理外,

還可進行高溫形變、回火與軟氮化相結(jié)合的熱處理工藝，目前在部分

彈簧上已經(jīng)得到了應(yīng)用，取得了較好的經(jīng)濟效益和社會效益。

（5）大直徑閥門彈簧的熱處理質(zhì)量檢驗彈簧的熱處理質(zhì)量檢驗

主要是硬度、金相組織、表層組織、外觀質(zhì)量、垂直度與間隙等，具

體可參見相關(guān)的彈簧的質(zhì)量檢驗。

（6）大直徑閥門彈簧的常見熱處理缺陷分析與對策考慮到

50CrVA鋼與65Mn、60Si2Mn等同屬于彈簧鋼的范圍，因此其熱處理

后的缺陷分析與對策基本上是無大的差異，這里不再贅述，請參閱其

他章節(jié)。

二、柴油機部件彈簧的熱處理工藝與規(guī)范

（1）噴油嘴調(diào)速彈簧的工作條件和性能要求柴油機的噴油嘴調(diào)

速彈簧（見圖3-11）是受到高應(yīng)力、高頻率的反復作用，工作溫度

較高,在交變載荷的作用下，要求較高的硬度，兩腳應(yīng)在同一平面上，

偏差應(yīng)不大于0.5mm,受力后張開60°,去除應(yīng)力后仍能保持在同一

平面上，不得有永久變形。其失效的形式為疲勞斷裂和應(yīng)力松弛

(變形)，一旦失控或失穩(wěn)則降低柴油機的效率，其中疲勞斷裂占總

失效數(shù)量的80%?90%。根據(jù)其工作的條件和要求，選用d)2.8?

3.2mm的鋼絲卷制而成，材質(zhì)為50CrV,熱處理后的技術(shù)要求為46?

50I1RC,該鋼中含有銘、鋼等合金元素，可顯著提高淬透性，降低過

熱敏感脆性，更好地滿足其工作需要。

圖3T1噴油嘴調(diào)速彈簧

(2)噴油嘴調(diào)速彈簧的機械加工工藝流程作為柴油機上的零部

件，主要作用是完成對速度的調(diào)整工作，確保滿足其不同頻率、不同

應(yīng)力下的工作需要，其一般的加工流程為盤繞一調(diào)整一熱處理。

（3）噴油嘴調(diào)速彈簧熱處理工藝根據(jù)彈簧的技術(shù)要求，材料為

50CrV,熱處理后的硬度在46?50HRC,變形量小，不得產(chǎn)生永久變

形，無殘余應(yīng)力，調(diào)速平穩(wěn)。因此其熱處理的工藝路線應(yīng)為：盤繞和

調(diào)整一去除應(yīng)力退火一鹽浴加熱淬火一校直一低溫回火一中溫回火

f檢驗一發(fā)藍或發(fā)黑處理f包裝入庫。

①去除應(yīng)力退火

退火工藝為（200?240）rX（2-4）h,多在井式電阻爐內(nèi)進

行處理。

②鹽浴加熱淬火

850?870℃加熱，保溫時間為3?6min,直徑小的取時間的下限，

采用機械油冷卻，淬火

后硬度在60HRC以上。

③低溫回火

該類回火溫度為160?200C,保溫時間為1.5?2h,在電阻爐內(nèi)

進行，需要注意爐內(nèi)的溫度均勻性。

④中溫回火

低溫P1火后的彈簧冷卻到室溫后，隨后在硝鹽爐或井式回火爐進

行370?400℃的中溫回火，保溫0.7?lh后油冷。

（4）噴油嘴調(diào)速彈簧的熱處理工藝分析與實施要點從調(diào)速彈簧

的熱處理工藝來看，應(yīng)進行的退火、淬火、低溫回火和中溫回火是具

有不同的作用的，作為彈簧應(yīng)考慮到硬度和變形符合技術(shù)要求，其次

是獲得良好的回火組織，這一點十分重要。

①在對鋼絲進行盤繞和調(diào)整后，其冷加工應(yīng)力大，造成了部分晶

粒變形和加工硬化，進行低溫的去應(yīng)力退火，釋放了加工應(yīng)力，有助

于為進行淬火做好減少變形的準備，因此是十分必要的。

②關(guān)于鹽浴的加熱和淬火，應(yīng)當采用合理的工裝夾具，確保內(nèi)口

與鹽浴血進行垂直加熱，另外要進行徹底由脫氧，禁止彈簧有氧化脫

碳缺陷的產(chǎn)生，否則將直接影響到硬度和使用壽命等，故必須認真執(zhí)

行，一般鹽浴中的BaO的含量應(yīng)不大于0.5%。在冷卻過程中，應(yīng)當

使彈簧在油中上下運動，確保充分冷卻，否則將造成硬度的不一致。

③淬火后不能立即進行中溫回火，這是考慮到首先使淬火馬氏體

和殘余奧氏體發(fā)生分解和轉(zhuǎn)變，形成了回火馬氏體組織等，則可避免

在中溫回火時發(fā)生分解轉(zhuǎn)變?yōu)榛鼗鹜惺象w：而引起的部分應(yīng)力的變化,

從而減小了彈簧的變形，確保將應(yīng)力降到最低。需要注意的是：由于

50CrV具有回火脆性，因此中溫回火結(jié)束后應(yīng)快速冷卻（在油中或水

中均可）。

④實踐表明，采用上述熱處理工藝處理的調(diào)速彈簧的熱處理變形

明顯減小，遠遠超過了400h的耐久試驗，高達1500h,彈簧并未發(fā)

生永久變形，其調(diào)速率穩(wěn)定在2.2%?2.7%范圍內(nèi)。完全滿足其工

作需要，為一類優(yōu)化的熱處理工藝，是值得推廣的。

（5）噴油嘴調(diào)速彈簧的熱處理質(zhì)量檢驗由于調(diào)速彈簧是直徑細

小的零件，因此采用正確的熱處理工藝，應(yīng)能確保硬度、變形量和彈

性變形合格，質(zhì)量的檢驗應(yīng)圍繞