毕业设计(论文)-65Si2MnWA弹簧钢的热处理工艺设计.doc

攀枝花学院
学生课程设计（论文）

题 目： 65Si2MnWA弹簧钢的热处理工艺设计
学生姓名：
学 号：
所在院(系)： 材料工程学院
专 业： 20 XX级材料成型及控制工程
班 级： 材料成型及控制工程一班
指 导 教 师： X X 职称： 讲 师

2013年12月15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
65Si2MnWA弹簧钢的热处理工艺设计
1、课程设计的目的
使学生了解、设计65Si2MnWA弹簧钢的热处理工艺，融会贯通相关专业课程理论知识，培养学生综合运用所学知识、分析问题和解决问题的能力。
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：
① 明确设计任务（包括用途、服役条件及性能要求）
② 绘出热处理件零件图（螺旋弹簧）
③ 给出设计方案
④ 写出设计说明
⑤ 设计质量检验项目
⑥ 设计热处理工艺卡片
⑦ 65Si2MnWA弹簧钢的热处理缺陷及预防或补救措施
要求：
①通过查找资料充实、完善各项给定的设计内容。
②分析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。
③提交设计说明书（报告），2千字以上。报告格式请参照“毕业论文（设计）”格式。

3、主要参考文献
[1] 夏立芳主编.金属热处理工艺学. 哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2005.
[2]中国机械工程学会热处理分会.热处理工程师手册[M]. 机械工业出版社，2003.第一版
[3]张玉庭主编. 热处理技师手册[M]. 机械工业出版社，2006.第一版
[4] 中国机械工程学会热处理学会.热处理手册[M]. 机械工业出版社，2003.第三版

4、课程设计工作进度计划
第16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17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65Si2MnWA弹簧钢的热处理工艺设计。其主要的工艺过程包括锻造、预备热处理（去应力退火）、渗碳、油淬火+低温回火等过程。通过各种不同的工艺过程进行恰当的处理可以获得各种性能良好的材料并且满足各项性能的要求。65Si2MnWA弹簧钢是热轧弹簧钢中合金弹簧钢的一种，钢中含碳量增加能有效的提高冷变形强化或马氏体相变强化效果，获得较高的强度和弹性极限，这是碳素弹簧钢的主要优点。但是，碳素弹簧钢的淬透性小，抗应力松弛性能不够好、耐蚀性差和弹性模量温度系数较大，只能用于制造截面积较小、工作温度不高的弹簧。为了改善上述性能，在钢中加入Si、Mn、Cr、Ni、V、W、Nb及B等合金元素制成合金弹簧钢。

关键词：65Si2MnWA弹簧钢，去应力退火，淬火，低温回火

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 65Si2MnWA弹簧钢设计的分析 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机械加工 5
3.2.3渗碳工艺 5
3.2.4淬火+低温回火热处理工艺 6
4、质量检验项目 7
5、分析与讨论 8
6、结束语 9
7、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
65Si2MnWA弹簧钢的热处理工艺设计
1.2设计的技术要求
65Si2MnWA弹簧钢是一种低合金钢材料，由于它的含碳量高(在0.61-0.69%之间)所以，硬度比较高。同时其中含量Si（1.50-2.00%）、Mn（0.70-1.00%）、Cr（≤0.35%）、W（0.8-1.20%）。弹簧的服役条件是指它工作的环境（温度和介质）及应力状态等因素。工作温度可分为低温（室温一下）、室温、较高温度（120-350℃）、高温（400℃以上）几个档次。工作环境介质有空气（干空气和潮湿气）、水蒸气、雨水、燃烧产物、油及酸碱水溶液等。应当指出，工作持续时间也是一个值得考虑的重要因素。由于弹簧服役条件的复杂性和苛刻性，其失效形式有多种多样，主要有断裂失效和应力松弛（变形）失效两大类。在断裂失效中又可分为脆性断裂和塑性断裂，其中突发性的的脆性断裂的危害性最大。在断裂失效中又可分为脆性断裂、疲劳断裂、应力腐蚀断裂及腐蚀疲劳断裂。此外，还有氢脆、镉脆及黑脆等。
在对65Si2MnWA弹簧钢进行热处理时，即去应力退火，淬火和低温回火时应严格按照卡片所列出的时间进行保温以及其它操作的要求。

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 65Si2MnWA弹簧钢设计的分析
2.1.1工作条件
由于是65Si2MnWA弹簧钢，因此其工作环境较为恶劣，要考虑弹簧的负荷特性。弹簧的负荷特性由弹簧变形时载荷与变形之间的关系表示。常见者有三类：直线型、渐增型、不重合型。弹簧载荷有动载荷（振动、扭转、弯曲等）和静载荷，有些重要弹簧承受复杂的交变载荷。应力状态是设计弹簧、选材及热处理的一个极其重要的参数。在外力作用下，弹簧材料内部往往产生不同的应力：如弯曲应力、扭转应力（切应力）或弯扭复合应力等。
2.1.2失效形式
主要失效形式为断裂失效和应力松弛（变形）。
断裂失效：疲劳断裂。弹簧在使用过程中，在腐蚀介质中工作的弹簧，其表层金属与腐蚀介质发生化学或电化学反应，弹簧表层逐渐被腐蚀，易造成腐蚀脆性断裂。特别是在交变应力作用下，材料的疲劳极限将显著降低，弹簧更易发生腐蚀疲劳断裂失效。疲劳断裂失效的严重危害性非常明显，故而非常被人们重视。
应力松弛（变形）。应力松弛（变形）是最为常见的失效现象，但却往往不被人关注。应力松弛是指弹簧或弹性元件在恒应变条件下的应力随工作时间的延续而减小的现象。也就是弹簧长期在室温或较高温度下工作、材料内部的微塑性变形逐渐转变为永久变形的必然结果。它是在服役时由于材料的弹性变形逐步向微塑形变形转变的结果。
2.1.3性能要求
弹簧质量好坏应包括弹簧材料、几何形状、尺寸精度和表面质量（美观）等，其中对弹簧材料的性能要求是重点。
①力学性能方面。由于弹簧是在弹性范围内工作，不允许出现永久变形。弹性好坏可用应变能或弹性比功表示，根据应力应变曲线可知，弹性应变能与材料的弹性极限的平方成正比，与弹性模量成反比。要求弹性应变能或比功较大，也就是要求弹性材料有良好的微塑性变形抗力，即弹性极限、屈服极限和屈强比要高，所以弹簧钢一般属于高强度或超高强度钢。弹簧材料的种类和热处理工艺对上述性能影响很大。相对而言，它们对钢材的弹性模量的影响较小。另一方面，许多重要弹簧是在交变载荷条件下长期工作，则要求弹簧有很高的疲劳强度，同时要求有良好的抗应力松弛性能，减少永久变形，以便保证机电产品效率的正常发挥和仪表的工作灵敏性及可靠性。
②理化性能方面。弹簧的工况很复杂，有些弹簧是在较高或高温下长期工作的，因此要求弹性材料有良好的耐热性，即有高的蠕变极限、蠕变速率较小和较低的应力松弛率。相反，有些弹簧是在严寒地带工作，则要求材料有较高的低温冲击韧度、较低的脆性转化温度。以免发生冷脆。这方面的性能与弹簧材料的化学成分和组织状态有密切关系。
③工艺性能方面。对于要求淬火而其截面尺寸较大的弹簧，其钢材应有相应的淬透性、较小的过热敏感性和表面脱碳倾向小，才能保证弹簧表里组织和性能的均匀性。在冷、热成形时要求材料有足够的塑性和良好的弯曲、扭转及缠绕性能，以便保证或提高弹簧的制造质量。尺寸较小的弹簧热处理时变形大、难以校正和保证弹簧产品质量，宜选用已强化的弹簧材料，冷成形后不经淬火、回火，只须进行低温退火。这样更能保证大批量小弹簧的产品质量和成本低廉。
65Si2MnWA弹簧钢是一种低合金钢，其容许工作温度是350℃，强度、硬度较高，锻造、焊接和冷冲压性能良好，冷变形塑性高，通常用于制作极重要的和重载下工作的螺旋弹簧与板簧等等。
65Si2MnWA弹簧钢力学性能：抗拉强度 σb (MPa)：≥1029，屈服强度 σs (MPa)：≥1700，伸长率 δ5/（%）：≥5，断面收缩率 ψ/（%）：≥20。

2.2钢种材料
65Si2MnWA弹簧钢优质碳素结构钢的S，P杂质含量比普通碳素结构钢要低些，一般在0.035%（质量分数）以下。按碳含量由低到高可分为低碳钢，中碳钢和高碳钢；按锰含量不同可分为普通含锰量和较高含锰量两类。65Si2MnWA弹簧钢是一种中碳钢材料，它的延展性、可塑性都是比较好的，由于它的含碳量低(在0.61-0.69%之间)所以，硬度比较高。另外，由于65Si2MnWA弹簧钢的含碳量较高，对这样的材料制成的零件在进行热处理时其硬度容易达到一定的要求。

2

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
65Si2MnWA弹簧钢的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: 下料→锻造→预备热处理(去应力退火)→渗碳→油淬火+低温回火→平磨→组装。
65Si2MnWA弹簧钢属于中碳钢，其成分[1]如下表1.
表1 65Si2MnWA弹簧钢的化学成分（质量分数，%）
C
Mn
P
S
Cr
Ni
W
Si
0.61～0.69
0.70～1.00
≤0.035
≤0.030
≤0.35
≤0.35
0.80～1.20
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。
Si能溶于铁素体和奥氏体中提高钢的硬度和强度。硅能提高钢的弹性极限、屈服强度和屈服比(σs/σb),以及疲劳强度和疲劳比(σ-1/σb)等。 硅能促使铁素体晶粒粗化，降低矫顽力。

3.2具体热处理
65Si2MnWA弹簧钢的热处理包括初期的锻造和预先热处理，以减少坯料的硬度为方便后面的机加工，也为后续渗碳、淬火、回火提供优良的原始组织。
65Si2MnWA弹簧钢的热处理工艺分析：
①由于65Si2MnWA弹簧钢的含碳量较高，所以这种材料做成的弹簧钢具有刚强度和高耐磨的特性，那么65Si2MnWA弹簧钢在生产使用过程中极大的满足了人们的需求。
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。
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65Si2MnWA弹簧钢使用时都需要进行锻造和预先热处理, 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
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]。
T=400~460
Ac3
Ac1
t=20~30min

图1 65Si2MnWA弹簧钢去应力退火工艺曲线
加热温度：400~460℃；保温时间：t=20~30min[8]
3.2.2机械加工
由于我们专业并不怎么涉及机加工方面的知识，因此此处我们不予涉及讨论。
3.2.3渗碳工艺
渗碳是将工件放入渗碳气氛中，并在900~950℃的温度下加热、保温，使其表面层增碳的一种工艺操作。
渗碳的目的在于使工件在继续经过相应热处理后表面具有高硬度和耐磨性，而心部任保持一定的强度和较高的任性。
固体渗碳工艺如图2[6]所示。
900~950
T 800~850

h
图2 65Si2MnWA弹簧钢的渗碳工艺曲线

5
3.2.4油淬火+低温回火热处理工艺
①油淬火
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3.4[7]所示
Ac3
Ac1
A
A→P
A→B
Ms

图3
②低温回火
回火是将淬火钢加热到A1以下某一温度，经过保温，然后以一定的冷却方法冷至室温的热处理操作。
其目的在于：
a.降低脆性，消除内应力。工件淬火后存在着很大的内应力和脆性，若不及时回火，零件会产生变形或开裂。
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]。

6
回火规范如表3.2 [9]。
表2 65Si2MnWA弹簧钢回火规范表

方案

 淬火温度 /℃
回 火
用 途
加热温度/℃
介质
硬度HRC
Ⅰ

Ⅱ

Ⅲ

1020~1040

消除应力

去除应力，降低硬度
去除应力，降低硬度
150~170

200~275

400~425
油或硝盐

—

—

61~63

57~59

55~57
Ⅳ

Ⅴ

Ⅵ

1115~1130
去除应力及形成二次硬化
去除应力及形成二次硬化
去除应力及形成二次硬化
510~520℃多次回火

-78℃冷处理加510~520℃一次回火
-78℃冷处理加一次510~520℃回火，再-78℃冷处理
—

—

—
60~61

60~61

61~62
3.2.5物理性能
经过上述各种热处理后65Si2MnWA弹簧钢的韧性、硬度、耐磨性都有所甚至很大的提升。

4 质量检验项目
4.1 弹簧热处理缺陷及其预防
选用和验收热轧弹簧钢材的尺寸要求应符合公差外，还应特别注意其表面是否有较严重的裂纹、划痕、刮伤、分层、斑疤、飞边或折叠、锈蚀麻坑及表面脱碳超标等。还应检查钢中的非金属夹杂物等级。
①淬火弹簧的硬度不足或过高。主要原因是弹簧加热温度过低或过高，或冷却不足、不均匀造成的，或回火工艺不当造成的。
②过热或过烧。弹簧过热还可再淬火回火得以补救，过烧时只能报废。
③弹簧表面氧化及脱碳严重。上述两缺陷是由于炉温过高、保温时间太长造成的。
④弹簧变形不符合技术要求。
7
攀枝花学院本科课程设计（论文） 4 分析与讨论

5 分析与讨论

65Si2MnWA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，不能纸上谈兵须得到工厂或者实验室中反复的通过实验数据进行分析，然后在得出最重要的结论用于实践中，从而在生产中减低成本、提高效率并且减少工时，降低能源消耗。

9
攀枝花学院本科课程设计（论文） 5 结束语

6 结束语

这次65Si2MnWA弹簧钢的热处理工艺设计的完成，让我不仅通过自己的努力大致了解了65Si2MnWA弹簧钢的热处理工艺设计的制作流程，还学会了把自己书本上学到的知识运用到实际物体上去。
前段时间在没有认真学习金属学时，我觉得这个课程设计很难很难，但现在经过我对金属学的充分认识，我重新把这套支撑辊的设计完成了一遍，也从中发现了很多原作者的问题，使我从中吸取了精华部分。金属学都是理论上的成型工艺，在实际生产中肯定还有许多细节问题需要我们去解决和改进。在这次的课程设计中，发挥出了自己单独设计65Si2MnWA弹簧钢的热处理工艺设计的能力和综合运用书本知识，体会了学以致用、突出自己劳动成果的喜悦心情，尤其是热处理加工工艺，是自己很有成就感。同时各科相关的课程都有了全面的复习与运用，独立思考的能力也有所提高，更为重要的是：在这次65Si2MnWA弹簧钢的热处理工艺设计中，从中发现自己平时学习的不足和薄弱环节，进而加以弥补。

10
攀枝花学院本科课程设计（论文） 6 热处理工艺卡

7 热处理工艺卡片

零件名称： 弹簧钢
热处理工艺卡
处理要求： 下料、锻造、预备热处理(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
硬度：小于等于302HBS
材料：65Si2MnWA弹簧钢
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

880~950
--
--
--
炉冷

2
去应力退火

400~460
5min
1h
1h
油

3
渗碳

900~950
5min
2h
2h
渗碳气氛

4
淬火

850
1h
1-2
2-3h
油

5
低温回火

400～450
2h
3-5

6

7

8

9

10

更该日期

更改
单号

更改
标准
更改者

11
攀枝花学院本科课程设计（论文） 参考文献

参 考 文 献

[1] 张英会主编.弹簧.北京：机械工业出版社，1982.
[2] 罗辉主编.机械弹簧制造技术.北京：机械工业出版社，1987
[3] 陈复民，李国俊，苏德达.弹性合金.上海：上海科技出版社，1986
[4] 苏德达.弹簧钢丝的强韧化热处理及其应用.天津大学学报，1980（1）：74~83
[5] 苏德达编译.瑞典Garphytann的弹簧钢丝及弹簧制造.天津,1979
[6] 殷仁龙编著.机械弹簧设计理论及其应用.北京：兵器工业出版社.1993
[7] 朱达明等.形变热处理弹簧钢丝的研究.冶金建筑工程学院学报，1978（8）
[8] 刘诚勇等.弹簧工.天津：铁道部工业总局，1981，58~62.
[9] 祖荣祥.高弹性减退抗力弹簧钢的研究.弹簧工程，1990（1）：16~23
[10] 苏德达等.弹簧的失效分析.北京：机械工业出版社，1988
[11] 曾林.车用稳定杆及其发展前景，弹簧工程，1993（2）：2~8;1993(3):2~7
[12] 苏德达等.碳钢的低温形变热处理.金属科学与工艺，1983，2（1）：21~31
12