65Mn弹簧垫圈的热处理工艺设计
攀枝花学院
学生课程设计（论文）
题 目：65Mn弹簧垫圈的热处理工艺设计
学生姓名： 学 号： 所在院(系)： 材料工程学院 专 业： 20XX级材料成型及控制工程 班 级： 材料成型及控制工程 指 导 教 师： X X X 职称： 讲 师
2013年11月25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
课程设计（论文）指导教师成绩评定表
攀枝花学院本科课程设计（论文） 摘要
摘 要
本课设计了65Mn弹簧垫圈热处理工艺设计。主要的工艺过程包括下料、冲孔、冷压成型、热处理定型等过程。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。65Mn波浪形弹簧垫圈原有的回火工艺加以改，采用不同的工艺对其进行热处理，并作压缩试验检测弹性性能，比较、分析各种工艺热处理后弹簧垫圈压缩试验的结果，起结果表明弹簧垫圈最佳热处理工艺为260℃低温回火。
预备热处理采用去应力退火，为增加其耐磨性最终热处理采用等温淬火+低温回火。
关键词：65Mn，弹簧垫圈，低温回火
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、热处理零件图 ............................................................................................................... 2 3、设计方案 ....................................................................................................................... 3
3.1 3.2
弹簧垫圈设计的分析 ......................................................................................... 3 钢种材料 ............................................................................................................. 4
4、设计说明 ....................................................................................................................... 5
4.1 4.2
加工工艺流程 ..................................................................................................... 5 具体热处理工艺 ................................................................................................. 5
5、质量检验项目 ............................................................................................................... 9 6、分析与讨论 ................................................................................................................. 10
6.165Mn 6.2
弹簧垫圈热处理缺陷及产生原因 ........................................................... 10
预防或补救措施 ............................................................................................... 10
7、结束语 ......................................................................................................................... 11 8、热处理工艺卡片 ......................................................................................................... 12 参 考 文 献 ..................................................................................................................... 13
1 设计任务
1.1设计任务
65Mn弹簧垫圈的热处理工艺设计
1.2设计的用途及技术要求
65Mn钢强度.硬度.弹性和淬透性均比一般钢材要好的多。具有过热敏感性
和回火脆性倾向，水淬有形成裂纹倾向。退火态可切削性尚可，冷变形塑性低，焊接性差，表面脱碳倾向比硅钢小，这些作为弹簧垫圈是很好的先决条件。该钢强度较高，淬透性较大，脱碳倾向小，但有过热敏感性，易出现淬火裂纹，并有回火淬性，65Mn弹簧垫圈的失效形式主要是断裂。在退火状态下切削加工性尚好，焊接性好，冷变形塑性低，带材可进行一般弯曲成型加工。
65Mn弹簧钢易过热，注意加热温度和保温时间。建议加热820度，适当保温。回火温度：320度时间要充分。硬度：45－48HRC．使用性能较好。盐浴NaCl:BaCl=3:7左右即可加热温度820，时间30秒/mm（mm指零件有效厚度），油冷。回火温度280，空气炉时间2小时，硝盐炉时间30分钟（只供参考，具体温度及时间看技术要求而定）
热处理规范：淬火830℃±20℃,油冷;回火540℃±50℃(特殊需要时,±30℃)。 金相组织：屈氏体。
抗拉强度 σb (MPa)：≥980(100) 屈服强度 σs (MPa)：≥784(80) 伸长率 δ10 (%)：≥8 断面收缩率 ψ (%)：≥30 硬度：热轧,≤302HB; 冷拉+热处理，≤321HB
2 热处理零件图
3 设计方案
3.1弹簧垫圈设计的分析
工作条件
由于是制造弹簧垫圈，因此其工作环境为受力较大的地方，其目的是为了分担共建所承受螺母的应力，所以弹簧垫圈一般耐磨性和硬度要求很高。
失效形式
由于弹簧的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、应力腐蚀断裂及疲劳腐蚀断裂。此外还有氢脆、镉脆及黑脆等。其中疲劳断裂约占其断裂失效形式的80%到90%。在生产实践中可依据起断口特征来判断其断裂方式，可根据其受力条件来找到断裂源，分析其断裂的扩展速率。应力松弛（变形）失效是弹簧垫圈在工作过程中普遍存在的现象，但一般不被重视，而它对那些执行控制性元件中则是影响产品效率、灵敏度及可靠性的关键性零件。弹簧垫圈的早期失效对钢材的浪费相当严重、造成直接和间接的经济损失巨大。所以弹簧垫圈的失效分析和预防是一项重要的技术任务。
性能要求
弹簧垫圈质量的好坏应包括弹簧材料、几何尺寸、尺寸精度和表面质量等，其中对弹簧材料的性能要求是其重点具体内容如下。 A.力学性能方面
由于弹簧垫圈是在弹性范围内工作，不允许产生永久性变形。弹性好坏可以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（比功）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，也就是要求弹簧垫圈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。弹簧垫圈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。为延长其使用寿命，它的第二相指点匀、细、圆、显微组织均匀、不耗脆性马氏体等。
B.理化性能方面
弹簧垫圈的工作情况很复杂，有些是在高温下长期工作的，因此要求其有良好的耐热性，即有高的蠕变极限、蠕变速率较小和较低的应力松弛率。相反有些是在低温地带工作则要求材料要有较高的低温冲击韧度、低温的脆性转化温
度，以免发生冷脆。
在腐蚀介质中工作的弹簧垫圈，其表层金属与腐蚀介质发生化学货电化学反应，弹簧垫圈表层巨匠被腐蚀，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，弹簧垫圈更易发生腐蚀疲劳断裂失效。所以必须具备良好的耐腐蚀能力。在高强度工作中，弹簧垫圈更易磨损消耗，所以要有更强的耐磨能力。 C.工艺性能方面
对于要求淬火而其截面尺寸较大的弹簧垫圈，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，才能保证弹簧垫圈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耐磨、抗压性能。
3.2钢种材料
65Mn钢具有较高的硬度,淬透性好,脱碳倾向少,价格低廉,切削性好等优点,
但它有过热敏感性,易产生淬火裂纹,并有回火脆性。在65Mn中，锰大部分溶于铁素体中，形成置换固溶体，并使铁素体强化，一部分锰也溶于Fe3C中，形成合金渗碳体，锰还能增加珠光体相对量，并使它变细，从而提高钢的强度。锰能与S化合成为MnS，以减轻S的有害作用锰钢具有过热倾向。65Mn钢属于高碳钢，加上Mn与Si的联合作用，使其碳当量达0.8%以上。这就使65Mn钢具有极大的淬硬倾向，焊接性极差。
4 设计说明
4.1加工工艺流程
65Mn弹簧垫圈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(完全退火)→机械加工→淬火+低温回火→平磨→组装。
65Mn钢属于高碳钢，其成分[1]如下表1.
表3.1 A钢的化学成分（质量分数，%）
C
0.62～0.70
Mn
0.90～1.20
P
≤0.035
S
≤0.035
Cr
≤0.25
Ni
≤0.30
Cu
≤0.25
Si
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。
4.2具体热处理工艺
65Mn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，也为后续淬火、回火提供优良的原始组织。
65Mn钢的热处理工艺分析：
第一、由于65Mn钢的含碳量较高，对于垫圈这种要求高强度和高耐磨的特性，那么65Mn钢的最重要的就是具有高硬度，需要调高其耐磨性。
第二、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。
第三、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。 第四、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65Mn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。
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。图1是65Mn钢的退货工艺曲线。
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.
图1 65Mn钢退火工艺曲线
机械加工
由于我们专业并不怎么涉及机加工方面的知识，因此此处只能说明其在车床上进行加工。
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韧性。
固体渗碳工艺如图2所示。
h
图2 65Mn钢的渗碳工艺曲线
④淬火+低温回火热处理工艺
A.淬火
淬火是将钢加热至临界温度点Ac3或Ac1以上一定的温度，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所示
图3
B.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。
回火规范如表1。
方案 淬火温度 /℃
回 火
用 途
加热温度/℃
介质
硬度HRC
Ⅰ
Ⅱ Ⅲ
830
消除应力
去除应力，降低
硬度 去除应力，降低
硬度
油
540
61~63 57~59 55~57
Ⅳ Ⅴ Ⅵ
60~61 60~61 61~62
⑤物理性能
经过上述各种热处理后65Mn钢的韧性、硬度、耐磨性都有了很大的提升。
5 质量检验项目
① 弹簧垫圈在加热和冷却过程中，应当彼此有适当的间距，叠压后要用夹具压紧回火，确保形变量符合要求；对于弹簧钢而言，为防止回火脆性的发生，在中温回火后应水冷。
②为了避免或减少弹簧垫圈在箱式电炉加热时的氧化脱碳现象，以防淬火软点的出现，应在表面刷上或浸泡涂料。
③提高弹簧垫圈的耐磨性的途径是提高硬度，但事实上当硬度超过60HRC，弹簧垫圈的内应力增大，造成微观裂纹，因此抗疲劳断裂的能力降低，势必在弹簧垫圈在工作受到冲击时，使垫圈破碎，因此要严格控制回火后的硬度，确保在要求的范围内。
④尽管弹簧垫圈的硬度范围在48~60HRC,在同一件产品上的硬度差应小于5HRC，否则将造成零件的硬度不均和变形的增大。
⑤工件在炉内加热时，应均匀放置，防止单面受热，应放平，避免工件在高温塑形状态因自重而变形。
6 分析与讨论
6.1 65Mn弹簧垫圈热处理缺陷及产生原因
①硬度不足：加热温度偏高或保温时间过长 ②氧化与脱碳：加热处于空气中，易氧化脱碳 ③热处理裂纹：热处理工艺不当或人工操作失误
④脆性：由于过热敏感性和回火脆性，不及时回火、保温盒冷却造成。“氢脆”即消弱了晶体之间结合力产生内应力。
⑤网状碳化物：在缓慢冷却中先共析碳化物沿奥氏体晶格网状析出，讲题元件塑性、韧性，产生脆性。
6.2 预防或补救措施
①合理控制加热温度和保温时间，而且在淬火后要对应对进行检查，防止出现回火硬度。而改箱式电阻炉为网带炉可以较好的解决这一问题。 ②控制加热温度同时采用滴入丙烷控制炉内气氛等措施。 ③控制好保温时间，直接油淬，清洗后及时回火。 ④规范镀层工艺流程 ⑤重新进行退火
7 结束语
这次65Mn弹簧垫圈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65Mn钢弹簧垫圈的制作流程，还学会了把自己书本上学到的知识运用到实际物体上去。
65Mn弹簧垫圈是用语螺母等与元件之间的减压及减少两者之间摩擦所用，所以65Mn钢必须具有强的硬度和高的耐磨性。
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65Mn弹簧垫圈热处理工艺设计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65Mn钢弹簧垫圈热处理工艺设计中，从中发现自己平时学习的不足和薄弱环节，进而加以弥补。
8 热处理工艺卡片
参 考 文 献
① 热处理手册第三版第二卷，中国机械工程学会热处理专业分会《热处理手册》编委会编 ② 黎正科.机床变速箱的结构特性分析[J].2009,5
③ 张熹, 崔京玉, 章军.浅析齿轮钢及热处理工艺对汽车用齿轮性能的影响[J].北京,首钢技术研究.2009,10.
④ 吴晓峰,马坤.模具钢应用的主要问题与热处理研究进展[J].2009,35(9):55-62. ⑤ 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. 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. ⑦ 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. 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. ⑨ 周文凤，李昌安，王武顺.《65Mn钢弹簧弹簧垫圈热处理工艺改进》.2010 ⑩ 刘春燕，李昌安. 《5Mn钢弹簧弹簧垫圈热处理工艺》.1994