弹簧钢及金相分析（四）

      弹簧钢及金相分析——弹簧成型后的热处理及金相分析
      弹簧成型后的热处理主要是根据弹簧钢的牌号和加工状态来制定的，概括起来可分为三种类型：
      第一种类型：凡是用经过强化处理的钢丝，如碳素弹簧钢丝、重要用途碳素弹簧钢丝、油淬火回火弹簧钢丝和钢带以冷成型工艺制作的弹簧，成形后只需要进行区应力退火处理，也有称去应力回火。
      第二种类型：凡是用热成形和已退火材料冷卷的弹簧，均需要进行淬火回火处理。
      第三种类型：凡是用经过固溶处理和冷拉强化的奥氏体不锈钢、沉淀硬化的不锈钢钢丝、钢带和铜镍合金材料以冷成形工艺制作的弹簧，成形后需进行时效硬化处理。

      1、弹簧成型后的去应力退火
      凡属于第一类型材料，其热处理方法为去应力退火，常用弹簧钢的退火工艺见表1。

表1 常用弹簧钢的去应力退火

材料名称		退火温度℃	退火时间/min	工作条件
冷拔碳素钢丝及重要用途碳素弹簧钢丝（琴钢丝）	<φ1.27mm	200~230	10~30	防止弹簧应力松弛条件下使用，长期工作温度不得超过120℃
	φ1.28mm~φ3.0mm	230~260	20~40
	> φ3.0mm	275~290	60~80
		300~350	15~30	疲劳强度较高场合下使用，工作温度较高
低合金钢油淬火-回火钢丝		300~400	20~40	工作温度：200℃~250℃，抗应力松弛性能良好，疲劳强度要求高
18-8型奥氏体不锈钢丝		350~450	20~40	工作温度较高和耐蚀条件下使用

      2、弹簧成型后的淬火和回火
      对于一般热卷螺旋弹簧、热弯板板簧及热冲压的蝶形弹簧，最好在热成形之后，利用其余热立即淬火。这样可以省去一次加热，减少弹簧的氧化脱碳程度，既经济又改善了弹簧的表面质量。例如60Si2MnA钢板弹簧目前采用的热处理工艺是在900℃~925℃弯片之后，在850℃~880℃入油淬火。若受条件限制，也可在成形之后重新加热淬火。
      弹簧的淬火温度可根据弹簧材料的临界温度而定。淬火后弹簧材料的金相组织中，应无自由铁素体或渗碳体，以免导致不均匀变形或疲劳强度的下降。淬火加热的温度选择取决于钢种，要保证晶粒不粗大。例如60Si2Mn在晶粒不易长大的有利条件下，加热温度可适当提高，使合金元素充分溶解到奥氏体中去，以提高钢的淬透性和淬火后力学性能的均匀性。但过度加热却会造成钢材表面脱碳和氧化，导致疲劳寿命下降。为此必须合理选择淬火的加热方法、加热温度和时间。图1所示为60Si2Mn淬火后的金相组织，为针状淬火马氏体，属正常的淬火组织。
  

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图1 60Si2Mn钢淬火组织 500X

      目前大型弹簧成形加热和淬火加热，多采用火焰炉或电炉。为了防止或减轻表面氧化和脱碳，得到较高的表面质量，最好采用可控制气氛的加热炉，或使炉中气氛略带还原性，并采用高温快速加热的方法。对中小弹簧，可用脱氧良好的盐浴炉进行淬火加热。
      弹簧淬火宜在油中冷却，以避免变形和开裂。用尺寸较大的碳钢材料制造的弹簧，当要求不高时可用水冷却。
      弹簧淬火后要通过适当的回火才能获得所需要的力学性能、稳定弹簧的组织和尺寸以及消除内应力。向马氏体内或晶界上聚集，以获得托氏体，如图2所示。一般来说弹簧钢的弹性极限在回火温度350℃~450℃时出现最大值，而疲劳极限在回火温度450℃~500℃时出现最大值。当回火温度最佳时，钢的塑性及韧性得到改善，对缺口和裂纹的敏感性及过载的倾向也相应减小。回火的保温时间与材料的直径或有效厚度有关。弹簧在淬火后应尽快进行回火，时间间隔不宜超过2h~4h，以避免由于淬火应力过大而产生裂纹。

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图2 60Si2Mn钢淬火回火后的托氏体组织 500X

      弹簧在热处理后的性能是否适应工作要求主要取决于设计（包括材料选用和计算），而热处理主要在于保证使材料发挥最大的“潜力”，同时防止氧化脱碳。各类弹簧经淬火-回火后的硬度是：一般螺旋弹簧为45HRC~50HRC，钢板弹簧为42HRC~47HRC，工作应力较高的弹簧为48HRC~53HRC。如果在热处理后弹簧硬度达到要求，而使用中有偏“硬”或偏“软”问题（主要是指弹性太差或压缩后残余变形太大），还应从设计计算及选材方面去找原因。

      3、弹簧成型后的等温淬火
      等温淬火主要应用在要求热处理变形小的和希望获得良好塑性和韧性的弹簧。
      等温淬火就是将弹簧加热到该钢种的淬火温度，保温一定时间，以获得均匀的奥氏体组织，然后淬入Ms点以上20℃~50℃的熔盐中，等温足够时间，使过冷奥氏体基本上完全变成贝氏体组织，再将弹簧取出，在空气中冷却。这种处理比普通淬火、回火处理的材料具有更高的延展性和韧性，而且弹簧极少变形或开裂。如果在等温淬火后再加一次略高于等温淬火温度的回火，则弹性极限和冲击韧度还能有所提高，而强度并没有太大变化。
      等温淬火时，等温的温度是根据弹簧所要求的力学性能决定的，必须严格控制。通常是稍高于该钢种的Ms点，以获得下贝氏体。如温度偏高，得到上贝氏体组织，其硬度较前者低；如温度过低，虽能提高弹性极限，但塑性、韧性偏低，以致失去等温淬火的优越性。

      4、弹簧成形后的时效强化处理
      凡是经过固溶处理或冷拉（轧）的沉淀硬化不锈钢材料制作的弹簧，在奥氏体化状态或马氏体状态下成型后必须进行时效强化处理。
      适用弹簧的沉淀硬化不锈钢主要是奥氏体-马氏体沉淀硬化不锈钢，其强化处理包括3个阶段：
      1）固溶处理阶段。即奥氏体调整处理，称A状态；
      2）马氏体转变阶段。有3中状态：T状态（淬火相变）、R状态（冷处理相变）、C状态（冷变形相变）；
      3）沉淀（时效）硬化阶段。相应上述各工艺，有四种处理方法：TH1050、TH950、RH950和CH900，其中CH900处理强化效果最显著，抗蠕变性能也比TH和RH好，制作形状简单的弹性元件都采用CH处理，只有制作形状复杂，成形困难的弹性元件才采用RH或TH处理。上述各处理代号字母后的数字表示进行某种处理的华氏温度。