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高强度弹簧的热处理工艺与规范

一、ф45大直径热卷50CrVA阀门弹簧的热处理工艺与规范

（1）大直径阀门弹簧的工作条件和性能要求大直径弹簧采用热卷而成，作为大型阀门用弹簧，在工作过程中要承受反复的伸长和压缩等，故其应具有优良的弹性和疲劳强度等，弹簧的失效形式主要是疲劳断裂和应力松弛，而90％以上的弹簧都是由于疲劳断裂而失效的。根据其服役条件来看，必须选用淬透性好、变形小而力学性能佳的50CrVA弹簧钢，经过淬火+中温回火以及抛丸处理后，完全可以满足其工作需要。

（2）大直径阀门弹簧的机械加工工艺流程大直径弹簧的卷制比较困难，它不同于一般小直径弹簧的直接绕制，因此通常是在对原材料进行加热卷制而成，这样可以有效地减少冷脆断裂，下面为其流程：备料→加热→卷制→校直→切割端面→热处理（淬火和中温回火）→粗磨端面→喷丸→立定处理（定型处理）→检验→浸漆→包装。

（3）大直径阀门弹簧的热处理工艺

①技术要求

a.原材料的成分、脱碳层、非金属夹杂物以及表面质量应符合技术要求。

b.弹簧的垂直度≤0.5mm，间隙≤0.5mm，表面进行喷丸处理，弹簧的基体硬度在40～46HRC，表面无脱碳和过热。

c.获得均匀细致的托氏体组织，表面质量缺陷。

d.进行喷丸处理。

②热处理工艺

a.卷制前弹簧采用磨光料，弹簧的加热是采用电接触加热，具有加热时间短、奥氏体晶粒细等特点，由于奥氏体晶粒较细，增加了材料体内组织晶粒数和晶界面积，降低了应力集中，提高了位错运动的阻力。加热温度为（900±10）℃，此时利用材料的高温强度低、塑性好等特点，使盘制容易进行，但加热温度不宜过高或保温时间过长，否则会产生材料的过热或表面的氧化脱碳，甚至造成过烧而报废。

b.淬火+中温回火。在RJX-75-9箱式电阻炉上进行加热，加热温度为850～880℃，保温系数按1.5min/mm进行计算，以透烧为准，冷却介质对弹簧的硬度和性能有重要的影响，选择油冷则可满足其工艺要求。如在保护气氛的连续式网带炉上完成加热，可实现自动化作业，其加热时间可根据网带的运转频率来控制，其目的是确保弹簧在淬火前充分奥氏体化，同时进行碳势的控制。回火在低温井式回火炉或网带回火炉内进行，根据硬度、垂直度和间隙的要求，采用专用的回火夹具，将其固定并正确放置，工艺规范为（400～440）℃×（1.5～2）h，保温结束后水冷。一般弹簧的回火温度一般在400～500℃之间，回火后可获得较高的疲劳强度，可从图3-10中了解到这类关系。

图3-1055Si2Mn弹簧钢回火温度与疲劳强度的关系

（4）大直径阀门弹簧的热处理工艺分析与实施要点

①由于50CrVA钢的合金元素多，使钢的淬透性得到了改善，铬是强烈的碳化元素，它们的碳化物存在于晶界附近，故能有效地阻止晶粒的长大，因此适当提高淬火温度和延长保温时间不致引起晶粒的长大。

②在热卷弹簧的加热过程中，应当注意表面脱碳与淬火加热温度和时间的关系，实践表明淬火温度高和加热时间长，均造成脱碳的加剧。因此，在箱式炉中进行加热时，应严格控制其工艺参数，另外，也可采用涂料或装箱保护加热，来减少其表面的氧化和脱碳。弹簧的表面脱碳能降低其使用寿命，而且容易成为疲劳裂纹源。

③弹簧的中温回火是为了获得要求的组织性能，考虑到50CrVA钢是产生第二次回火脆性的材料，因此回火结束后必须快冷（油冷或水冷），可防止回火脆性（造成其冲击韧性的降低），又能在表面造成残余压应力，有利于提高疲劳强度，通常采用水冷而不进行油冷。回火后的组织为回火托氏体，硬度在40～46HRC，它具有良好的弹性和足够的强度和韧性。另外，回火时间过短，不能获得均匀的组织和性能，时间过长则对于性能的改善不大，因此应进行工艺试验来确定合理的时间。

④为了提高大直径弹簧的使用寿命以及承载能力，稳定弹簧变形的特性和疲劳强度，应对弹簧进行喷丸和强化处理。由于弹簧热卷和热处理时，脱碳总是存在的，有时深度在0.2～0.4mm，而喷丸后的硬化层可达0.5～0.6mm，既去掉了脱碳层，又产生一定的表面压应力，因此在弹簧承受载荷时，可抵消一部分交变载荷下的最大拉应力作用，需要注意应选择合理的吊装抛丸工艺参数：钢丸直径为ф1mm、硬度为46～50HRC、喷丸速度为40～60m/s、时间5～8min，另外，钢丸的流量、叶轮的转速、装量的大小和排列情况等，对弹簧的抛丸质量有一定的影响，可通过工艺试验得到最佳的工艺参数。

⑤弹簧抛丸后，应进行低温的时效处理［（180～200）℃×（1～2）h］，其目的是减少残余变形，稳定弹簧尺寸以及提高疲劳强度等。

⑥对于该类大直径的弹簧，应进行立定处理（即定型处理），其目的是稳定弹簧的外形尺寸，暴露其材料的外观缺陷，确保垂直度和间隙符合技术要求。为了减少变形，弹簧在炉内加热时，不宜竖放和堆放，应采用夹具（串芯轴）