課程設(shè)計(jì)--螺旋彈簧熱處理工藝設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　課程設(shè)計(jì)（說明書）</b></p><p>　　螺旋彈簧熱處理工藝設(shè)計(jì)</p><p>　　一﹑ 熱處理工藝課程設(shè)計(jì)的目的</p><p>　　熱處理工藝課程設(shè)計(jì)是材控專業(yè)熱處理方向?qū)W生的一次專業(yè)課設(shè)計(jì)練習(xí)，是熱處理原理與工藝課程的最后一個教學(xué)環(huán)節(jié)，其目的是：</p><p>　　1、培養(yǎng)學(xué)

2、生綜合運(yùn)用所學(xué)熱處理知識去解決工程問題的能力，并使所學(xué)知識得到鞏固和發(fā)展。</p><p>　　2、學(xué)習(xí)熱處理工藝課程設(shè)計(jì)的一般方法，熱處理設(shè)備選用和裝夾具設(shè)計(jì)等。</p><p>　　3、進(jìn)行熱處理設(shè)計(jì)的基本技能訓(xùn)練，如計(jì)算、工藝圖繪制和學(xué)習(xí)使用設(shè)計(jì)資料、手冊、標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。</p><p><b>　　二﹑ 設(shè)計(jì)任務(wù)</b></p>

3、;<p><b>　　2.1 給定零件</b></p><p>　　給定零件為60鋼螺旋彈簧，如下圖所示。</p><p><b>　　2.2 技術(shù)要求</b></p><p>　　硬度：46-48HRc；</p><p>　　工藝路線：退火--成型--等溫淬火（或分級淬火）--回火。

4、</p><p><b>　　2.3 選材論證</b></p><p>　　2.3.1彈簧用鋼性能要求</p><p>　　彈簧是利用彈性變形吸收能量以緩和振動和沖擊，或依靠彈性儲能產(chǎn)生驅(qū)動作用。根據(jù)工作要求，彈簧應(yīng)具有以下性能特點(diǎn)。</p><p>　　1） 高的彈性極限，以保證彈簧具有高的彈性變形能力和彈性承載能力，

5、為此應(yīng)具有高的屈服強(qiáng)度。</p><p>　　2） 高的疲勞極限，因?yàn)閺椈梢话阍诮蛔冚d荷下工作。眾所周知，抗拉強(qiáng)度越高，疲勞極限也越高。另外，表面質(zhì)量對疲勞極限影響極大，彈簧鋼表面不應(yīng)有脫碳、裂紋、折疊、斑疤和夾雜等缺陷。</p><p>　　3） 足夠的塑性和韌度，以免發(fā)生脆斷。</p><p>　　2.3.2彈簧用鋼的成分特點(diǎn)</p><p&

6、gt;　　合金彈簧鋼的化學(xué)成分有如下特點(diǎn)：</p><p>　　１）中、高碳鋼 為了保證高的彈性極限、疲勞極限及高的強(qiáng)度，彈簧鋼的碳含)量一般為0.45%~0.70% 。</p><p>　?。玻┘尤隨i、Mn為主的提高淬透性的元素 Si和Mn主要提高淬透性，同時也提高屈服比，其中以Si的作用最突出，但它在熱處理時促進(jìn)表面脫碳，Mn則使鋼易于過熱。因此重要用途的彈簧鋼，必須加入Cr、V

7、、W等元素。</p><p>　?。常┐送猓瑥椈射摰膬艋瘜ζ趶?qiáng)度有很大的影響，所以彈簧鋼均為優(yōu)質(zhì)鋼（P≤0.04%,S≤0.04%）或高級優(yōu)質(zhì)鋼（P≤0.035%,S≤0.03%）。</p><p>　　2.3.3彈簧鋼的品種</p><p>　　按生產(chǎn)方法彈簧鋼分為熱軋鋼和冷拉鋼。熱軋鋼包括用來制造螺旋彈簧的圓鋼，方鋼和扁鋼。冷拉鋼包括用于制造較小的螺旋彈簧的冷

8、拉鋼絲和用于制造發(fā)條和各種形式的彈簧片的冷軋鋼。</p><p>　　熱軋鋼一般截面比較大，制造彈簧時采用加熱成形，然后經(jīng)淬火回火處理。冷拉鋼截面尺寸較小，彈簧采用冷態(tài)成形制造，成形后或經(jīng)淬火回火處理，或經(jīng)消除應(yīng)力回火處理。</p><p>　　由于要求加工的彈簧為小截面彈簧，所以選用冷拔鋼絲；只有硬度要求的普通彈簧，采用中高碳優(yōu)質(zhì)鋼即可；由硬度要求查詢表２－１。</p>&

9、lt;p>　　中溫回火基本都可達(dá)到硬度要求，因彈簧鋼含碳量一般選用大于或等于0.6%的優(yōu)質(zhì)，因此材料暫定為60鋼。</p><p>　　表2-1 不同回火溫度的硬度值</p><p><b>　　三、工藝流程</b></p><p>　　3.1 60鋼的各類熱處理工藝數(shù)據(jù)</p><p>　　3.１.1 60鋼的

10、化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，％）</p><p>　　60鋼的化學(xué)成分，如表3-1所示。</p><p>　　表3-1 60鋼的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）</p><p>　　3.1.2 60鋼的淬火臨界直徑</p><p>　　60鋼的淬火臨界直徑，如表3-2。</p><p>　　表3-2 60鋼的淬火臨界直徑<

11、;/p><p>　　3.1.3 60鋼的臨界溫度及常規(guī)熱處理工藝參數(shù)</p><p>　　60鋼的臨界溫度及常規(guī)熱處理工藝參數(shù)，如表3-3.</p><p>　　表3-3 60鋼的臨界溫度及常規(guī)熱處理工藝參數(shù)</p><p>　　3.２ 熱處理工藝流程</p><p>　　工藝路線：退火 -- 成型 -- 分級淬火

12、 -- 回火。</p><p>　　3.3熱處理工藝參數(shù)設(shè)定</p><p>　　3.3.1 退火</p><p>　　退火目的：退火是為了消除冶金及冷熱加工過程中產(chǎn)生的組織與性能缺陷而進(jìn)行的預(yù)備熱處理工藝，并為以后的機(jī)械加工及熱處理準(zhǔn)備良好的組織狀態(tài)。降低材料的硬度，提高塑性，改善切削性能及壓延成型性能。</p><p>　　加熱方法：

13、熱爐裝料。理由：縮短加熱時間，節(jié)省能源。</p><p>　　退火溫度：800~820℃</p><p>　　退火溫度選取依據(jù)：查詢優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼的臨界溫度、退火正火工藝參數(shù)表（熱處理工藝參數(shù)手冊表2-22）</p><p>　　退火保溫時間：1~2h</p><p><b>　　3.3.2成型</b></p>

14、;<p>　　將退火后的半成品按照要求進(jìn)行機(jī)械加工，達(dá)到規(guī)定的形狀和尺寸。</p><p><b>　　3.3.3分級淬火</b></p><p>　　分級淬火工藝方法：將奧氏體化后的工件淬入溫度稍高于Ms點(diǎn)溫度的淬火介質(zhì)中冷卻，直至工件各部分溫度達(dá)到淬火介質(zhì)的溫度，然后取出在空氣中冷卻至室溫，發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變。</p><p>　

15、　進(jìn)行分級淬火的目的：分級淬火減少了馬氏體轉(zhuǎn)變時截面上的溫度差，熱應(yīng)力降低，還由于工件各部分溫度趨于均勻，使馬氏體轉(zhuǎn)變的不同時現(xiàn)象減少。淬火溫度選擇在250℃附近。分級淬火后處于奧氏體狀態(tài)的工件具有較大塑（相變超塑性），因而創(chuàng)造了進(jìn)行矯直和矯正的條件。</p><p>　　分級淬火保持時間：因截面較小，保持1~5min即可。</p><p><b>　　冷卻介質(zhì)：鹽浴 </

16、b></p><p><b>　　3.３.4回火</b></p><p>　　回火溫度：1）由表2-1查出回火溫度在300~400℃之間。</p><p>　　2）為滿足彈簧的高彈性極限性能一般采用中溫回火。</p><p>　　因此回火溫度定為350℃。</p><p><b>

17、　　回火保溫時間依據(jù)：</b></p><p>　　回火時間是從工件入爐后爐溫升至回火溫度時開始計(jì)算的?？蓞⒖冀?jīng)驗(yàn)公式：</p><p>　　t= Kn + An*D4</p><p><b>　　式中：</b></p><p>　　t—回火時間；（min）</p><p>　　Kn—

18、回火時間基數(shù)；</p><p>　　An— 回火時間系數(shù)；</p><p>　　D—零件有效厚度；（mm）</p><p>　　通過查熱處理手冊得Kn 和 An的推薦值見表3-4</p><p>　　表3-4：Kn及An的推薦值</p><p>　　因此回火選用箱式爐即可，時間為21.25min。</p>

19、<p><b>　　四、 工藝曲線</b></p><p><b>　　五、熱處理后檢驗(yàn)</b></p><p>　　5.1 熱處理后檢驗(yàn)方法</p><p>　　5.1.1．彈簧硬度的檢測 </p><p>　　卷制后不經(jīng)淬火、回火處理的彈簧不考核硬度。經(jīng)淬火、回火處理的彈簧

20、，一般硬度值的范圍為HRC44～52。工作應(yīng)力高的彈簧，為防止永久變形，硬度值可超過HRC52，最高可達(dá)HRC54。硬度的檢測一般用洛氏和維氏硬度計(jì)。</p><p>　　1)硬度計(jì)的選用：試樣厚度0．5mm以下用維氏硬度計(jì)；0．5～1．0mm用洛氏硬度A標(biāo)；大于1．0mm用洛氏硬度C標(biāo)。</p><p>　　2)試樣的選取和制作：在彈簧的工作圈部位截取試樣；試樣在切割和磨制過程中，不允許

21、因溫度升高而造成硬度變化；彈簧材料直徑厚度在8mm以下的其縱截面和橫截面均可作為硬度的測試面，材料直徑或厚度在8mm以上的應(yīng)取橫截面作為測試面；試樣厚度必須不小于10倍的壓入深度，厚度應(yīng)該均勻．硬度測試舌試樣背面不得有目視可見的變形痕跡；試樣的硬度測試面寬度應(yīng)大于2mm．表面粗糙度Ra不低于0．8μm。</p><p>　　3)測試方法：洛氏硬度檢驗(yàn)按金屬洛氏硬度試驗(yàn)方法(GB230)的規(guī)定；維氏硬度檢驗(yàn)按金屬維

22、氏硬度試驗(yàn)方法(GB4340)的規(guī)定。</p><p>　　5.1.2 彈簧脫碳層的檢測</p><p>　　1)試樣的選取和制做：在彈簧工作圈的橫截面取樣。試樣直徑超過20mm時，允許取橫截面的1／2到1／4作試樣；試樣需經(jīng)鑲嵌或夾持后磨制拋光；拋光后表面呈鏡面狀，無目視可見的打磨痕跡，四周無倒角；試樣需經(jīng)2％～4％(質(zhì)量分?jǐn)?shù))硝酸酒精溶液的腐蝕，腐蝕不應(yīng)過度，以拋光面的金屬光澤剛消失為

23、宜。</p><p>　　2)脫碳層深度的測定：試樣在放大100倍的金相顯微鏡下觀察。試樣放在載物臺上，移動載物臺，對試樣的邊緣一周進(jìn)行觀察，找出脫碳深度最大的部位；用測微標(biāo)尺對最大脫碳部位的脫碳層深度進(jìn)行測定，總脫碳層深度包括全脫碳層和過渡區(qū)；脫碳層的判定以放大100倍下測得的結(jié)果為準(zhǔn)，其他倍率所得的結(jié)果只能作為參考。未盡事項(xiàng)參照鋼的脫碳層深度測定法(GB224)的規(guī)定。</p><p>

24、;　　5.1.3 彈簧金相組織和晶粒度的檢測  </p><p>　　正常淬火組織應(yīng)為馬氏體，不應(yīng)出現(xiàn)馬氏體針狀異常粗大、甚至發(fā)生局部晶界熔化的過燒組織和裂紋。</p><p>　　彈簧的正常回火組織為屈氏體，允許有少量的索氏體和未熔碳化物，當(dāng)硬度大于HRC50時，允許有少量的回火馬氏體。等溫淬火的彈簧，金相組織應(yīng)為下貝氏體。</p><p><b&

25、gt;　　a．金相組織的檢測</b></p><p>　　1)試樣的選取和制做：在彈簧工作圈取樣，根據(jù)檢驗(yàn)項(xiàng)目的不同，可以分別取其橫截面或縱截面；試樣切割應(yīng)伴有水冷卻裝置，以免引起試樣金相組織發(fā)生變化；試樣允許鑲嵌并經(jīng)拋光和腐蝕處理，碳素鋼和合金彈簧鋼用腐蝕劑為2％～4％(質(zhì)量分?jǐn)?shù))硝酸酒精溶液。</p><p>　　2)試樣檢驗(yàn)：試樣金相組織的觀察應(yīng)遵循從低倍到高倍的程序，開

26、始先在放大100倍或更低倍數(shù)下觀察，然后更換較高的放大倍數(shù)，必要時應(yīng)將金相組織攝制成照片；橫截面檢驗(yàn)：試樣外層邊緣到中心部位金相組織的變化，表面缺陷深度，表面處理結(jié)果；縱截面檢驗(yàn)：材料冷變形程度，材料帶狀組織及熱處理消除結(jié)果。</p><p><b>　　b．晶粒度的檢測</b></p><p>　　1)試樣的選取和制做：冷拔材料制造的彈簧取橫截面，熱軋材料制造的彈簧

27、可以取橫截面也可以取縱截面；經(jīng)拋光后的試樣用苦味酸溶液腐蝕。</p><p>　　2)晶粒度的評定：晶粒度評定的標(biāo)準(zhǔn)放大倍數(shù)為100倍，可以將試樣的晶粒度投影在毛玻璃上或攝成照片后評定；晶粒度評定方法可采用標(biāo)準(zhǔn)圖片比較法或計(jì)算法；晶粒度的標(biāo)示方法可給出跨越2～3晶粒度級別，其中前面的數(shù)字表示占主要數(shù)量的晶粒度級別數(shù)，如只標(biāo)出一個級別時，則該級別的晶粒數(shù)目應(yīng)大于90％。</p><p>　　

28、對于晶粒細(xì)小的試樣可采用其他放大倍數(shù)進(jìn)行晶粒度等級測定，但最終需換算成相當(dāng)于放大100倍下的晶粒度等級G，其換算關(guān)系式為</p><p>　　式中  A——實(shí)際使用的放大倍率；</p><p>　　M——在實(shí)際放大倍率下測得的晶粒等級。</p><p>　　5.1.4 彈簧非金屬夾雜物的檢測</p><p>　　1)試樣選取和制做

29、：用于測定非金屬夾雜物在整個截面的分布情況應(yīng)選用橫截面，用于測定非金屬夾雜物的數(shù)量大小和形狀應(yīng)選用縱截面；試樣拋光不允許有水漬、污物、劃痕，拋光完成后應(yīng)先對未經(jīng)浸蝕的試樣進(jìn)行觀察。</p><p>　　2)低倍明視場(放大100倍)測定項(xiàng)目：夾雜物的總含量；夾雜物的形狀大小及分布；夾雜物的可塑性；夾雜物的拋光性；夾雜物的色彩。</p><p>　　3)高倍暗視場(放大倍數(shù)大于等于500倍)

30、測定項(xiàng)目：夾雜物的透明程度；透明夾雜物本身的色彩。</p><p>　　4)高倍偏振光(放大倍數(shù)大于等于500倍)測定項(xiàng)目：各向異性效應(yīng)；夾雜物的色彩；黑十字現(xiàn)場。</p><p>　　5)顯微硬度測定項(xiàng)目：夾雜物的顯微硬度值。</p><p>　　6)化學(xué)試劑浸蝕測定：檢查夾雜物的性質(zhì)，進(jìn)一步對夾雜物作定性分析。</p><p>　　5.2

31、熱處理規(guī)范及操作守則</p><p>　　1）熱處理設(shè)備應(yīng)定期保養(yǎng)，熱處理控制儀表必須定期校驗(yàn)，非專業(yè)儀表人員不得隨意調(diào)整。</p><p>　　2）熱處理過程應(yīng)由專業(yè)人員操作。</p><p>　　3）熱處理工藝材料應(yīng)按照相應(yīng)的技術(shù)要求建立定期檢驗(yàn)制度，確保熱處理質(zhì)量穩(wěn)定。</p><p>　　4）熱處理質(zhì)量檢查均必須編制相應(yīng)的書面檢查規(guī)程

32、和檢查工藝卡。</p><p>　　5）經(jīng)過檢驗(yàn)的零件，應(yīng)按規(guī)定做好標(biāo)識，避免混淆。</p><p>　　六、熱處理材料組織、性能分析及常見缺陷分析</p><p><b>　　6.1退火</b></p><p>　　正常溫度的組織為均勻細(xì)小的F+P還可能有少量網(wǎng)狀滲碳體，組織較均勻且硬度較低，切削加工性能好，塑性好。加

33、熱溫度過高有可能出現(xiàn)過燒過熱等問題，加熱溫度不足時可能會造成硬度過大的問題。彈簧尺寸較小可以均勻加熱和冷卻，容易獲得均勻組織。在保溫過程中，主要是奧氏體形核長大，碳化物溶解進(jìn)入奧氏體并均勻分布的過程。</p><p><b>　　常見缺陷有：</b></p><p>　　1）過熱：加熱溫度過高使奧氏體晶粒粗大，冷卻后變成粗大魏氏組織或粗晶組織（重新退火）</p&

34、gt;<p>　　2）過燒：由于加熱溫度過高，出現(xiàn)晶界氧化，甚至晶界局部溶化，造成工件報廢 3）反常組織：在Ar1附近冷卻過慢時，在先共析鐵素體晶界上有粗大的滲碳體存在，珠光體片間距也很大（重新退火）</p><p>　　4）網(wǎng)狀組織：加熱溫度過高，冷卻速度較慢引起</p><p>　　5）硬度過高：加熱溫度過高，冷卻速度過慢（重新退火）</p>

35、<p>　　所以加熱過程一定要嚴(yán)格控制加熱溫度及保溫時間。</p><p><b>　　6. 2 分級淬火</b></p><p>　　淬火后組織為M和大量殘余奧氏體，硬度強(qiáng)度高，塑性韌性差。淬火時常見缺陷有淬火變形、開裂，表面氧化、脫碳、腐蝕、過燒及過熱，硬度不足等。</p><p><b>　　淬火變形、開裂<

36、/b></p><p>　　變形開裂主要是由于組織轉(zhuǎn)變引起的體積變化和材料熱處理過程中出現(xiàn)的內(nèi)應(yīng)力造成的。預(yù)防方法如下：</p><p>　　原材料應(yīng)避免顯微裂紋及嚴(yán)重的非金屬夾雜物和碳化物偏析。</p><p>　　對工件易開裂部位，如尖角、薄壁、孔等進(jìn)行局部包扎。</p><p><b>　　淬火后及時回火。</b&

37、gt;</p><p>　　表面氧化、脫碳、腐蝕、過燒及過熱</p><p>　　零件淬火加熱過程中要進(jìn)行保護(hù)措施，需在保護(hù)氣氛下或鹽浴爐中進(jìn)行。小批量生產(chǎn)也可采用防氧化表面涂層加以保護(hù)。</p><p><b>　　硬度不足</b></p><p>　　造成硬度不足的原因有：①加熱溫度過低，保溫時間不足。</p&

38、gt;<p>　?、诒砻婷撎家鸨砻嬗捕炔蛔?。</p><p><b>　?、劾鋮s速度不夠。</b></p><p><b>　?、茕摬拇阃感圆蛔?。</b></p><p>　　當(dāng)出現(xiàn)硬度不足時，應(yīng)分析其原因，采取相應(yīng)的措施。其中，由于加熱溫度過高或過低引起的不足，除對已出現(xiàn)缺陷進(jìn)行回火，再從新加熱淬火外，應(yīng)

39、嚴(yán)格管理爐溫測控儀表。</p><p><b>　　6.3 回火</b></p><p>　　回火后組織為回火屈氏體，硬度較高，有較高的彈性極限，又有較高的塑性韌性。常見的回火缺陷有回火硬度過高或過低，回火后工件發(fā)生變形及脆性等。</p><p>　　回火硬度過高、過低或不均勻，主要是由于回火溫度過高或過低以及爐溫不均勻引起的，還可能與回火時間

40、有關(guān)。預(yù)防可采用調(diào)整回火溫度來控制；硬度不均勻可能是由于一次裝爐量太多，或選用加熱爐不當(dāng)所致。如果回火在氣體介質(zhì)爐中進(jìn)行，爐子中應(yīng)該有氣流循環(huán)風(fēng)扇。</p><p>　　回火工件變形，常由于回火前工件內(nèi)應(yīng)力不平衡，回火時應(yīng)力松弛或產(chǎn)生應(yīng)力重新分布所導(dǎo)致。要避免變形，可采用多次校直多次加熱，或采用壓具回火。</p><p><b>　　七、加熱設(shè)備</b></p&

41、gt;<p>　　退火時用普通型箱式電阻爐RX3-30-9；淬火回火時用普通型箱式電阻爐(保護(hù)氣氛)RX3-30-9Q。</p><p><b>　　表7-1 技術(shù)參數(shù)</b></p><p><b>　　八、參考書籍</b></p><p>　　本次課程設(shè)計(jì)說明書使用到的參考文獻(xiàn)如下：</p>

42、<p>　　1)《熱處理手冊（共4卷）》，中國機(jī)械工程學(xué)會熱處理學(xué)會，機(jī)械工業(yè)出版社；</p><p>　　2)《熱處理工藝與典型案例》王有祈主編，化學(xué)工業(yè)出版社；</p><p>　　3)《熱處理工程師手冊》，中國機(jī)械工程學(xué)會熱處理分會編，機(jī)械工業(yè)出版社；</p><p>　　4)《熱處理工藝參數(shù)手冊》，楊滿編，機(jī)械工業(yè)出版社；</p>

43、<p>　　5)《金屬材料學(xué)》戴啟勛主編，化學(xué)工業(yè)出版社；</p><p>　　6)《熱處理技術(shù)手冊》，樊東黎、潘健生等主編，化學(xué)工業(yè)出版社；</p><p>　　7)《熱處理原理與工藝》，畢鳳琴主編，石油工業(yè)出版社。</p><p><b>　　九、心得體會</b></p><p>　　此次課程設(shè)計(jì)，我的任務(wù)

44、是用60鋼設(shè)計(jì)螺旋彈簧的熱處理工藝過程。在設(shè)計(jì)過程中，需要在各種手冊中查找相關(guān)資料，并運(yùn)用自己的專業(yè)知識按照熱處理工藝設(shè)計(jì)規(guī)范把他們進(jìn)行整理整合起來，最后匯編成熱處理工藝卡的過程。通過此次課程設(shè)計(jì)，我發(fā)現(xiàn)自己需要學(xué)的東西還有很多，熱處理工藝設(shè)計(jì)不僅是一個設(shè)計(jì)過程，更是一個學(xué)習(xí)過程、一個經(jīng)驗(yàn)積累的過程。</p><p>　　現(xiàn)在的我們做出的設(shè)計(jì)肯定存在很多問題，但是我相信我們此次設(shè)計(jì)學(xué)到的東西絕對比問題多得多。每個

45、優(yōu)秀的工程師都是從一點(diǎn)一滴開始學(xué)起的，而一個智者一定是從犯錯開始的。</p><p><b>　　十、熱處理工藝卡</b></p><p>　　熱處理工藝卡是用于指導(dǎo)現(xiàn)場工藝實(shí)施的卡片，它匯集全部指導(dǎo)熱處理現(xiàn)場生產(chǎn)的技術(shù)信息，簡單明了。（見附表１）</p><p><b>　　附表１</b></p><