50CrMn钢弹簧热处理工艺设计.doc

攀枝花学院
学生课程设计（论文）

题 目： 50CrMn钢弹簧热处理工艺设计
学生姓名： 杨华
学 号： 201311102090
所在院(系)： 材料工程学院
专 业： 2013级材料成型及控制工程
班 级： 3班
指 导 教 师： 孙 青 竹 职称： 副教授

2016年 6 月 20 日
攀枝花学院教务处制

攀枝花学院本科学生课程设计任务书
题　目
50CrMn钢弹簧热处理工艺设计
1、课程设计的目的
使学生了解、设计50CrMn钢弹簧热处理生产工艺，主要目的：（1）培养学生综合运用所学的热处理课程的知识去解决工程问题的能力，并使其所学知识得到巩固和发展。（2）学习热处理工艺设计的一般方法、热处理设备选用和装夹具设计等。（3）进行热处理设计的基本技能训练，如计算、工艺图绘制和学习使用设计资料、手册、标准和规范。
2、课程设计的内容和要求（包括原始数据、技术要求、工作要求等）
内容：进行零件的加工路线中有关热处理工序和热处理辅助工序的设计。根据零件的技术要求，选定能实现技术要求的热处理方法，制定工艺参数，画出热处理工艺曲线图，选择热处理设备，设计或选定装夹具，作出热处理工艺卡。最后，写出设计说明书，说明书中要求对各热处理工序的工艺参数的选择依据和各热处理后的显微组织作出说明。
要求：（1）分析生产加工及热处理过程中可能出现的缺陷，针对这些缺陷提出预防措施或补救措施。
（2）提交设计说明书（或设计报告），3～5千字，提交设计说明书。

3、主要参考文献
[1] 崔明择主编.工程材料及其热处理[M]. 北京：机械工业出版社，2009.7.
[2]崔忠析主编.金属学与热处理（第二版）[M]. 北京：机械工业出版社，2007.5
[3]王建安. 金属学与热处理[M]. 北京：机械工业出版社，1980
[4] 中国机械工程学会.热处理手册[M]. 北京：机械工业出版社，2006.7
[5] 范逸明.简明金属热处理工手册[M].北京：国防工业出版社，2006.3
4、课程设计工作进度计划
第13周：对给定题目进行认真分析，查阅相关文献资料，做好原始记录。
第14周：撰写课程设计说明书，并进行修改、完善，提交设计说明书。
指导教师（签字）

日期
年 月 日
教研室意见：

年 月 日
学生（签字）：
接受任务时间： 年 月 日
注：任务书由指导教师填写。

课程设计（论文）指导教师成绩评定表
题目名称

评分项目
分值
得分
评价内涵
工作
表现
20%
01
学习态度
6

遵守各项纪律，工作刻苦努力，具有良好的科学工作态度。
02
科学实践、调研
7

通过实验、试验、查阅文献、深入生产实践等渠道获取与课程设计有关的材料。
03
课题工作量
7

按期圆满完成规定的任务，工作量饱满。
能力
水平
35%
04
综合运用知识的能力
10

能运用所学知识和技能去发现与解决实际问题，能正确处理实验数据，能对课题进行理论分析，得出有价值的结论。
05
应用文献的能力
5

能独立查阅相关文献和从事其他调研；能提出并较好地论述课题的实施方案；有收集、加工各种信息及获取新知识的能力。
06
设计（实验）能力，方案的设计能力
5

能正确设计实验方案，独立进行装置安装、调试、操作等实验工作，数据正确、可靠；研究思路清晰、完整。
07
计算及计算机应用能力
5

具有较强的数据运算与处理能力；能运用计算机进行资料搜集、加工、处理和辅助设计等。
08
对计算或实验结果的分析能力（综合分析能力、技术经济分析能力）
10

具有较强的数据收集、分析、处理、综合的能力。
成果
质量
45%
09
插图（或图纸）质量、篇幅、设计（论文）规范化程度
5

符合本专业相关规范或规定要求；规范化符合本文件第五条要求。
10
设计说明书（论文）质量
30

综述简练完整，有见解；立论正确，论述充分，结论严谨合理；实验正确，分析处理科学。
11
创新
10

对前人工作有改进或突破，或有独特见解。
成绩

指导教师评语

指导教师签名： 年　月　日

攀枝花学院本科课程设计（论文） 摘要

摘 要

本课设计了50CrMn钢弹簧热处理工艺。50CrMn钢是我国国标中铬锰弹簧钢的一种。主要用以制造截面较大的和较重要的汽车板簧和螺旋弹簧。其具有良好的热加工性能和淬透性，缺点是有回火脆性的倾向，因此热处理时注意回火后需快冷。主要的工艺过程包括预备热处理（退火），预备热处理淬火（840℃，油冷），中温回火（500℃，水冷），喷丸强化处理。通过这些工艺过程进行恰当的处理可以获得性能良好的材料并且满足各项性能的要求。

关键词：50CrMn钢，完全退火，中温回火，汽车板簧

Ⅰ
攀枝花学院本科课程设计（论文） 目录

目 录

摘 要 Ⅰ
1、设计任务 1
1.1设计任务 1
1.2设计的技术要求 1
2、设计方案 2
2.1 板簧设计的分析 2
2.1.1工作条件 2
2.1.2失效形式 2
2.1.3性能要求 2
2.2钢种材料 3
3、设计说明 4
3.1加工工艺流程 4
3.2具体热处理工艺 4
3.2.1预备热处理工艺 5
3.2.2淬火及中温回火热处理工艺 5
3.2.3喷丸处理 6
3.2.4物理性能 7
4、分析与讨论 8
5、结束语 9
6、热处理工艺卡片 10
参 考 文 献 11

攀枝花学院本科课程设计（论文） 1 设计任务

1 设计任务

1.1设计任务
50CrMn钢弹簧热处理工艺设计
1.2设计的技术要求
50CrMn钢是我国国标中铬锰弹簧钢的一种[1]。其具有良好的热加工性能和淬透性，铬元素提高了钢的硬度和回火稳定性，脱碳的倾向有减小。缺点是有回火脆性的倾向，因此热处理时注意回火后需快冷。是碟形弹簧材料的一种。
50CrMn钢由于含有1%左右的铬和锰﹐有较高的淬透性﹐脱碳倾向小﹔缺点是铬和锰均加重回火脆性的倾向﹐回火后需快冷﹐多用以制造截面较大的和较重要的板簧和螺旋弹簧。

1
1
攀枝花学院本科课程设计（论文） 2 设计方案

2 设计方案

2.1板簧设计的分析
2.1.1工作条件
50CrMn钢用于缓冲和吸震，承受很大的交变应力和冲击载荷的作用，需要高的屈服强度和疲劳强度。主要用于中型和重型汽车，汽车板簧是汽车悬架系统中最传统的弹性元件，在悬架系统中除了起缓冲作用而外，当它在汽车纵向安置，并且一端与车架作固定铰链连接时，即可担负起传递所有各向的力和力矩，以及决定车轮运动的轨迹，起导向的作用。
2.1.2失效形式
50CrMn钢板簧可能发生的失效[2]：
①过载断裂：当汽车超载时，载荷的重量超过板簧的承载能力，此时板簧往往发生永久性塑性变形，当工作载荷超过其所能承受的极限载荷时，将发生过载断裂。
②脆性断裂：汽车长时间在北方寒冷空气下行驶时，可能因为低温发生脆性断裂。
③疲劳断裂：由于汽车板簧长期在交变载荷下工作，则容易发生疲劳断裂。当长时间在恶劣的环境下行驶时，可能因金属发生腐蚀而出现腐蚀疲劳断裂。
2.1.3性能要求
板簧钢应具有优良的综合性能，如力学性能(特别是弹性极限、强度极限、屈强比)、抗弹减性能(即抗弹性减退性能，又称抗松弛性能)、疲劳性能、淬透性、物理化学性能(耐热、耐低温、抗氧化、耐腐蚀等)。因此所选材质应具有较高的强度以及适当的韧性，并且具有较高的弹性极限、较好的弹性减退抗力以及较高的屈强比，为了防止板簧在交变应力下发生疲劳和断裂，弹簧应具有较高的疲劳强度和耐蚀等性能，汽车板簧在工作中反复承受交变弯曲应力，故对板簧的表面质量要求很高，不允许其表面有缺口、裂纹、折叠和斑疤等，表面即使存在微小缺陷和损伤，也会由此产生应力集中，形成疲劳源，导致板簧早期疲劳断裂口。有研究指出，断裂板簧的裂源正好萌生于小坑处，并且小坑处组织为针状马氏体，且有淬火裂纹存在。故板簧表面的小坑及裂纹是引起板簧早期疲劳断裂的根源。

2

为了满足上述性能要求，板簧钢应具有优良的冶金质量(高的纯洁度和均匀性)、良好的表面质量(严格控制表面缺陷和脱碳)、精确的外形和尺寸。
50CrMn钢其抗拉强度、屈服强度高，耐腐蚀性能好，缺点是有回火脆性的倾向，因此热处理时注意回火后需快冷。但强度、硬度较低，锻造、焊接和冷冲压性能良好，冷变形塑性高，但切削加工时不易得到光洁的表面。用于制造截面较大的和较重要的板簧片及螺旋弹簧。
50CrMn钢力学性能[3]：抗拉强度 σb (MPa)：≥1300，屈服强度 σs (MPa)：≥1100，断面收缩率 ψ/（%）：≥5。

2.2钢种材料
50CrMn钢属于合金弹簧钢，S，P杂质含量较低，合金弹簧钢按加入合金元素的不同，大体上可分为锰弹簧钢和硅锰弹簧钢。‚硅铬、硅铬钒和硅锰钨弹簧钢。ƒ铬钒和铬锰钒弹簧钢。④硼弹簧钢及稀土弹簧钢。⑤其他多原量少的低合金弹簧钢。50CrMn钢是我国国标中铬锰弹簧钢的一种。其具有良好的热加工性能和淬透性。

3
3
攀枝花学院本科课程设计（论文） 3 设计说明

3 设计说明

3.1加工工艺流程
50CrMn钢弹簧热处理工艺设计的热加工工艺流程经过许多次改进形成如下的工艺流程:原始钢(带)板→锻造→预备热处理(退火)→机械加工→淬火+中温回火→喷丸强化处理。弹簧用材有钢和非铁金属，大部分是钢材。原材料状态有棒料、丝料、板料和带料；有些是在热轧、冷轧、冷拔后进行退火、淬火回火或贝氏体等温淬火状态供货，制成弹簧后再进行最终热处理。
50CrMn钢属于合金钢，其成分[4]如下表3.1.
表3.1 50CrMn钢的化学成分（质量分数，%）
C
Mn
P
S
Cr
Ni
Si
0.46～0.54
0.70～1.00
≤0.040
≤0.040
0.90～1.20
≤0.35
0.17～0.37
成分分析：Mn是良好的脱氧剂和脱硫剂。它能消除或减弱由于硫所引起的钢的热脆性，从而改善钢的热加工性能。Mn和Fe形成固溶体，提高钢中铁素体和奥氏体的硬度和强度，经固溶处理后有良好的韧性，当受到冲击而变形时，表面层将因变形而强化，具有高的耐磨性；同时又是碳化物形成元素，进入渗碳体中取代一部分铁原子。
Cr显著提高强度、硬度和耐磨性,但同时降低塑性和韧性.提高钢的抗氧化性和耐腐蚀性。

3.2具体热处理
50CrMn钢的热处理包括初期的锻造和预备热处理，以减少坯料的硬度为方便后面的机加工，也为后续喷丸处理、淬火、回火提供优良的原始组织。
50CrMn钢的热处理工艺分析：
①50CrMn钢是合金钢，对于板簧这种要求刚强度和高耐磨的特性，那么50CrMn钢的最重要的就是提高其屈服强度和疲劳强度以及抗拉强度。
②通过锻造和随后的退火，形成硬度较低的原始坯料，为后续的切削加工提供有利的方便和减少对于车床的磨损。
③渗碳是通过对其表面更加的硬度能够更大程度的提升，保证质量。
④为了碎化、细化共晶碳化物，把粗大的枝晶状共晶碳化物打碎、提高碳化物分布的均匀性，细化碳化物的粒度，一般50CrMn钢使用时都需要进行轧制和预先热处理, 以减少碳化物的不均匀分布, 为后续淬火、回火提供优良的原始组织[4]。

4
4
3.2.1预备热处理工艺
退火是将偏离平衡状态的金属坯料或零件加热至较高温度，保持一定的时间后通常以相当缓慢的速度冷却，以得到接近于平衡状态组织的各种工艺方法。
退火的目的是：
a消除钢锭的成分偏析，使成分均匀化。
b消除因铸、锻、焊引起的组织缺陷。
c降低硬度，提高塑性，以利于切削加工及冷变形加工。
d细化晶粒，均匀组织，为后续热处理做组织准备。
e消除钢中的内应力，以防止变形与开裂[5]。
1180℃
Ac3
Ac1

图3.2 50CrMn钢完全退火工艺曲线
加热温度：1180℃；加热速度：小于200℃/h；保温时间：2min/mm[8]

3.2.2淬火及中温回火热处理工艺[6]
①淬火
淬火是将钢加热至临界温度点Ac3或Ac1以上一定的度，保温后以大于临界冷却速度的速度冷却得到马氏体（或下贝氏体）的热处理工艺叫做淬火。
其目的是使奥氏体化后的工件获得尽量多的马氏体，然后配以不同温度回火获得各种需要的性能。
钢的理想淬火冷却曲线如图3.3[7]所示
Ac3
Ac1
A
A→P
A→B
Ms

图3.3
5

②中温回火
回火是将淬火钢加热到A1以下某一温度，经过保温，然后以适当的冷却方法冷却至室温的热处理操作。
其目的在于：
a.减少或消除淬火应力，保证相应的组织转变。
b.得到对工件所要求的力学性能。工件淬火后，硬度高，脆性大，为了了获得对工件要求的性能，可以用回火温度调整硬度，减小脆性，得到所需要的塑性、强度和硬度。
c.稳定工件尺寸。淬火后的组织是马氏体和残余奥氏体，这两种组织都是不稳定的，会自发地逐渐地发生组织转变，因而引起工件尺寸和形状的改变。通过回火，可以促使这些组织转变。达到较稳定状态，以便在以后的使用过程中不发生变形[8]。

淬、回火规范如表3.4 [7]。
表3.4 50CrMn钢淬和回火规范表
淬火
回火
加热温度/℃
冷却介质
硬度/（HRC）
加热温度/℃
冷却介质
硬度
840~860
油
>58
400~550
水

备注：适用范围为截面较大的和较重要的板簧片及螺旋弹簧
具体热处理工艺曲线[7]：

温度t/℃ 840℃
2min/mm
油冷
500℃
2min/mm
水冷
室温
时间min
图3.5 淬火及回火热处理工艺曲线
6

3.2.3喷丸处理[5]
喷丸处理是一种表面强化技术，经喷丸处理后，不仅可以减轻或消除弹簧表面缺陷（如小裂纹、凹凸缺口及脱碳等）的有害作用，而且可使弹簧表层产生加工硬化和残余压应力，从而有效提高弹簧的疲劳寿命。
对弹簧进行喷丸处理所用的弹丸一般有硬钢丝切断丸、铸铁丸、铸钢丸及有及玻璃丸等。板簧通常仅对其凹面喷丸，经过喷丸处理后的板簧，其使用寿命大大提高。

3.2.4物理性能
经过上述热处理后50CrMn钢的抗拉强度、屈服强度、耐腐蚀性能都有较大的提高，抗疲劳能力也有所提高。

7
7
攀枝花学院本科课程设计（论文） 4 分析与讨论

4 分析与讨论

50CrMn弹簧钢热处理工艺设计已经在前面展示，单就其性能以及热处理的过程想必是没多大问题，若放入实际生产中有很多不可预知的问题，因此，就可能存在的缺陷进行分析，见表4.1[8]
表4.1 50CrMn钢淬火时常见缺陷及防止措施
缺陷名称
对弹簧性能影响
防止措施
脱碳
降低使用寿命
采用盐浴炉或控制气氛加热炉加热
‚采用快速加热工艺
过热
脆性增加
严格控制成型及淬火加入温度
‚加强淬火时的金相检验
开裂
脆性增加，严重降低使用寿命
控制淬火加热温度
‚淬水时冷到 250~300℃,取出油冷
ƒ及时回火并快速冷却

8
8
攀枝花学院本科课程设计（论文） 5 结束语

5 结束语

这次50CrMn弹簧钢热处理工艺设计，主要的工艺过程包括预备热处理（退火），预备热处理淬火（840℃，油冷），中温回火（500℃，水冷），喷丸强化处理。让我大致了解了50CrMn弹簧钢热处理工艺流程，以及如何控制工艺流程并了解到弹簧钢的种类。讨论了在热处理工艺流程中可能存在的缺陷，以及预防和处理相应的缺陷。50CrMn钢具有良好的热加工性能和淬透性，铬元素提高了钢的硬度和回火稳定性，脱碳的倾向有减小用于缓冲和吸震，50CrMn需要承受很大的交变应力和冲击载荷的作用，需要高的屈服强度和疲劳强度。其有回火脆性的倾向，因此热处理时注意回火后需快冷。

9
9
攀枝花学院本科课程设计（论文） 6 热处理工艺卡

6 热处理工艺卡片

零件名称： 板簧
热处理工艺卡
处理要求： 下料、锻造、预备热处理(完全退火)、机械加工、淬火+低温回火、平磨、组装
热处理技术要求：恰当控制温度和时间
屈服强度：大于等于1100Mpa
抗拉强度：大于等于1300Mpa
材料：50CrMn钢
工序号
名称
设 备
工具
装 料
工 艺 规 范
冷 却
备 注

工具数量
一工具装数量/
件
温度/℃
加热时间
保温时/h间
合计
介质
温度/℃

1
锻造加热

1000~1050
--
--
--
炉冷

2
完全退火

1180
5min
2min/mm

油

3
淬火
加热炉

840
5min
2min/mm

油

4
中温回火
加热炉

500
1h
2-3min/mm

水

5
喷丸处理
喷丸

6

7

8

9

10

更该日期

更改
单号

更改
标准
更改者

10
10
攀枝花学院本科课程设计（论文） 参考文献

参 考 文 献

[1] 王忠诚,齐宝森,李杨等.典型零件热处理技术[M].北京,化学工业出版社.2010,7.:192
[2] 中国机械工程学会.热处理手册[M]. 北京：机械工业出版社，2006.7：165
[3] 中国机械工程学会.热处理手册[M]. 北京：机械工业出版社，2006.7：166
[4] 范逸明.简明金属热处理工手册[M].北京：国防工业出版社，2006.3：172
[5] 崔中圻,谭耀春.金属学与热处理（第2版）[M].北京,机械工业出版社.2012,1:331-332
[6] 王忠诚,齐宝森,李杨等.典型零件热处理技术[M].北京,化学工业出版社.2010,7：201-202.
[7] .樊新民.热处理工实用技术手册（第2版）[M].江苏,江苏科学技术出版社,2010,1.:175
[8] 林约利,程芝苏.简明金属热处理手册（第二版）[M].上海,上海科技出版社.2003,3.:199

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