50CrV4中碳高强弹簧钢热处理工艺研究.pdf
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分类号UDC密级编号十I初大警CENTRALSOUTHUNIVERSITY硕士学位论文论文题目烈蔓她史臻赢爨虢蓑觎。
热缝堡王薹研究学科、专业:
材料抑曼墨程一研究生姓名:
翅缝蠡导师姓名及专业技术职务奎錾荚一熬攮原创性声明本人声明,所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。
尽我所知,除了论文中特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。
与我共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。
作者签名:
竭堡玉日期:
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墓竺复日期:
竺年旦月上日中南大学硕士学位论文摘要摘要本文以50CrV4中碳高强弹簧钢为对象,系统研究球化退火、连续退火、淬火回火等工艺对实验钢组织性能的影响,分别研究了亚温球化退火、等温球化退火、周期球化退火、连续退火等工艺对实验钢球化效果的影响规律,得出以下结论:
球化退火后,实验钢的塑性显著提高,硬度和强度降低。
随均热时间的延长,实验钢的球化率逐渐增大,亚温球化退火12h后可以获得球化率985以上的组织,等温球化退火6h后可以获得球状率为95的组织,而经4周期的球化退火后实验钢的球化率仍低于95。
实验钢的最佳连续退火工艺为:
均热温度为87512,均热时间为120s,缓冷速率为5。
Cs,缓冷温度为705。
C,缓冷时间为300s,经过此工艺连续退火处理后,可以使50CrV4钢获得较好的球化组织。
实验钢在850保温30min后油淬,475525。
C回火保温45-60min后可获得较好的强度和塑性匹配,经此工艺热处理后,50CrV4钢组织主要为均匀细小的回火索氏体,实验钢具有较好的强度和塑性。
关键词:
50CrV4钢,球化退火,连续退火,淬火,回火,热处理中南大学硕士学位论文ABSTRACTABSTRACTInthispaper,themediumcarbonhi曲strengthspringsteelof50CrV4wastakenforthesubjectoftheresearchInordertofindoutthebestspheroidizationannealingprocessofthe50CrV4steel,thesubcriticalspheroidization,isothermalspheroidization,periodicspheroidizafionandcontinuousannealingprocesswerestudiedResultsareasfollows:
ThestrengthandhardnessofthesteelisreducedandthetoughnessisenhancedbythespheroidizationexperimentsThenodularityofexperimentalsteelincreaseswitlltheincreasingofthesoakingtimeofsuberiticaispheroidizationandisothermalspheroidizationalsoincreases、析tlltheincreasingofthecyclesofperiodicspheroidizationThe50CrV4steelcanbeobtainedthespheroidizationrateover98by12hoursofsoakingtimeofthesubcriticalspheroidizationAndthesteelCanbeobtainedthespheroidizationrateover95by6hoursofisothermalspheroidization,whileafterfourcyclesthespheroidizationrateofthesteelisstillunder95Theresultsofcontinuousannealingexperimentshowedthatthebestcontinuousannealingprocessparametersof50CrV4steelareisfollows:
thesoakingtemperatureis875,thesoakingtimeis120S,theslowcoolingrateis5。
Cs,theslowcoolingtemperatureis705andtheslowcoolingtimeis300SThe50CrV4steelcangetgoodspheroidizedmicrostructurebythiscontinuousannealingprocessConsideringthebestcombinationofstrengthandductilityofthe50CrV4steel,thebestprocessisholdingat850for30minthenoilquenchingandtemperingat475-525for45-60minandair-coolingThe50CrV4steelcangetfinetemperingsorbite,goodstrengthandductilitybYthisheattreatmentprocessKEYWORDS:
50CrV4steel;spheroidizingannealing;continuousannealing;quenching;tempering;heattreatmentII中南大学硕士学位论文目录目录摘要lABSTRACT。
II第一章文献综述111弹簧钢概述112弹簧钢现状与发展2121现状2122发展趋势313球化退火314连续退火一415淬火一516回火617研究意义及内容。
7第二章实验材料与方法921实验材料。
922实验方法9221球化退火9222连续退火10223淬火回火1l224组织观察11225拉伸测试一12226硬度测试。
12227XRD测试一1223球化组织评定方法12第三章球化退火工艺研究1531引言1532实验结果15321原始材料组织性能15322亚温球化退火17323等温球化退火一2732。
4周期球化退火2933分析与讨论33331亚温球化退火对组织性能的影响33111中南大学硕士学位论文目录332等温球化退火对组织性能的影响3433,3周期球化退火对组织性能的影响3534小结35第四章连续退火工艺研究3741引言3742实验结果37421不同均热温度对应的组织性能37422不同均热时间对应的组织性能39423不同缓冷速率对应的组织性能40424不同缓冷湿度对应的组织性能41425不同缓冷时间对应的组织性能4443分析与讨论464。
4小结47第五章淬火回火工艺研究4851引言4852实验结果48521不同淬火温度对应的组织性能48522不同回火温度对应的组织性能53523不同回火时间对应的组织性能5753分析与讨论60531淬火温度对组织性能的影响60532回火温度对组织性能的影响61533回火时间对组织性能的影响6l5。
4小结62第六章结论63参考文献64致j射69攻读硕士学位期间发表的论文70IV中南大学硕士学位论文第一章文献综述11弹簧钢概述第一章文献综述弟一早义陬琢尬近年来,我国制造工业持续高速地发展,使我国成为一个制造大国,世界各国都在大量进口中国产品,在出口的产品中,机械制造产品已占多数。
目前,我国的制造业总规模和总产量居世界第二,仅次于美国,出口量己达到世界第一。
弹簧是十分重要的机械零件,在各种机械中起着减缓、减震、贮能、联接、支撑、密封、传动等作用。
在国防、工业、农业、科技以及日常生活中,弹簧都得到了广泛的使用。
上至火箭、卫星、宇航装备,下到汽车、火车、仪表乃至家用电器、手表、自行车等各种机械都离不开弹簧及弹性零件【1一。
弹簧钢是制造各种螺旋弹簧、板簧、扭簧及其他形状或类似性能零件的材料。
弹簧钢必须具有优良的性能和质量,才能满足制造弹簧钢的需要。
弹簧钢要具有较高的弹性极限、抗拉强度和硬度、较好的塑性,以得到良好的综合力学性能。
由于弹簧一般在交变载荷下工作,弹簧钢还要具有较高的疲劳极限和抗弹性减退能力,增长其使用寿命。
弹簧钢必须具有较好的耐低温性能、耐高温性能、抗腐蚀性能和抗氧化性能,使其具有优良的物理化学性能。
此外,弹簧钢还要有较好的淬透性、热处理工艺性能和加工成形性能,以保证弹簧钢的生产和制造p巧j。
弹簧钢种类繁多、性能各异,可以适应各种需求。
在形状方面,弹簧有叠板弹簧、螺旋弹簧、盘簧、扭力杆、细丝状弹簧、弹性垫圈及弹簧扣件等。
按成形类型进行分类,弹簧钢可分为热成形弹簧钢和冷成形弹簧钢61。
热成形弹簧钢主要为规格较大的棒材、线材等,主要用于汽车、火车等行业的板簧、螺旋弹簧和扭力簧等。
冷成形弹簧钢的规格一般较小,主要为钢丝、钢带等。
按化学成分进行分类,弹簧钢可分为碳素弹簧钢和合金弹簧钢。
碳素弹簧钢的碳含量在060090,主要代表牌号有65、70、85、65Mn等。
合金弹簧钢的碳含量在O40加94范围内,在碳素弹簧钢的基础上适当加入一种或几种合金元素来提高钢的力学性能,以满足制造各种弹簧所需性能。
常加的合金元素有Mn、Cr、V、Mo、Si等。
Mn和cr可以提高材料的淬透性。
Si可显著提高弹性极限,防止氧化,促进脱碳。
V能抑制奥氏体晶粒的长大,细化晶粒盯州。
表11为各种弹簧钢的性能及用途lbJ。
中南大学硕士学位论文第一章文献综述表1-1弹簧钢的性能及用途12弹簧钢现状与发展121现状我国弹簧钢生产始于20世纪50年代初,生产的钢以SiMn系为主的热轧棒材弹簧钢,由于当时的技术和设备较落后,弹簧钢的性能较差。
随着技术的进步,20世纪60年代所生产的弹簧钢性能有了一定的提高,同时还新开发了一些淬透性较高的Cr-Mn系弹簧钢。
进入20世纪80年代后,随着改革开放的进行,国家的各领域尤其是汽车工业和国防工业的快速发展,对弹簧钢的综合性能、质量和产量等提出了更为严格要求。
在改进国内产品质量的同时,我国积极引入国外广泛应用的弹簧钢,并重新制定了相关标准【lo川。
从上世纪90年代至今,随着我国汽车工业、铁道行业、家电机器、航空航天等各领域的飞速发展,弹簧钢的需求量越来越大,同时也要求弹簧钢具有更高的屈服强度、抗拉强度、耐腐蚀性2中南大学硕士学位论文第一章文献综述能、耐疲劳性能、塑韧性、淬透性和更长的使用寿命【垃】。
2000年我国的弹簧钢需求量约为25万吨,到了2010年,我国弹簧钢总需求量达到了85万吨,预计到2015年,我国弹簧钢需量将达到150万吨113,14。
经过60多年的不断发展,国产弹簧钢从无到有,到现在能基本满足国民经济发展的需求,技术和制造工艺不断改良和提高。
但在生产工艺、技术设备和产品品种、产品性能等方面国产弹簧钢与发达国家产品还存在一定的差距。
我国弹簧钢工业存在的主要问题是生产技术落后、设备陈旧,所生产的产品品种较少、外形和尺寸精度较低15,16】,弹簧钢的性能和质量不够高,对高性能、高质量、长寿命等高附加值弹簧钢还无法量产。
进入21世纪以来,由于弹簧钢具有优良的使用性能使其应用范围迅速扩大,随着汽车、铁道行业的快速发展,对弹簧钢需求越来越大,对弹簧钢提出了更为严格的要求,对弹簧钢的生产提出了更高的要求,同时也要求国产弹簧钢尽快上一个新台阶。
122发展趋势为了更好地适应弹簧的各种苛刻服役环境、高强度、长寿命的要求,弹簧钢必须具有良好的综合性能。
弹簧钢的轻量化、大型化、高性能化、经济化是发展的趋势。
新型超高强弹簧钢应具有超高强度、高硬度、超高耐疲劳性能、超强耐腐蚀性能、超强抗弹减性能和良好的经济性等多方面的特征。
开发研制新型超高强弹簧钢首先必须提高弹簧钢的冶炼质量,保证弹簧钢钢质具有高纯净度,尽可能地降低含氧量和减少夹杂物或其他杂质【I8f。
目前,一些工业较发达的国家已普遍采用连铸工艺、炉外精炼技术、自动在线检测及控制设备来保证弹簧钢的冶炼质量,这对提高弹簧钢性能和质量是不可缺少的。
开发研制新型超高强弹簧钢可以通过优化和改良现有弹簧钢的化学成分,在降低碳含量的基础上添加部分微合金元素从而开发研制新型弹簧钢钢种。
还可以在现有牌号的基础上,通过改善和开发新型热处理、热加工工艺,从而实现弹簧钢的超强化。
13球化退火球化退火热处理主要是使钢铁组织中的珠光体球化或使片层状碳化物逐渐转化成球状碳化物,使球状渗碳体能较均匀分布于组织基体中。
主要适用于共析钢和过共析钢,如工具钢、轴承钢等201。
这类钢材经加工后空冷,组织主要为较粗的片状珠光体,这种组织的钢硬度较高、脆性较大,不利于加工,且淬火后容易发生变形和出现裂纹。
经球化退火后,可以改善材料的组织与性能,使组织中南大学硕士学位论文第一章文献综述中的渗碳体逐渐转变为球状,还可以显著降低材料的硬度,提高塑性,使材料具有较好的切削加工性能。
常用球化退火工艺有普通球化退火、低温球化退火、等温球化退火、周期球化退火等多种类型21】。
低温球化退火是将钢加热至Acl以下2030。
C,保温一段时间,使碳化物有足够的时间充分球化,随炉冷至500左右出炉空冷,主要适用于经过冷变形加工及淬火硬化的钢。
普通球化退火将钢加热至Acl以上2030,保温一段时间后随炉冷到500左右出炉空冷,适用于大多数钢种,操作较为方便,但其生产周期较长。
等温球化退火将钢加热至AcI以上2030,保温一段时间后冷却至Acl以下某一温度,等温保温一段时间后随炉冷到500左右出炉空冷。
一般等温保温时间为其加热保温时间的12倍。
在等温过程中奥氏体组织逐渐转变成铁素体和碳化物,等温球化退火能较快地使钢铁组织完成球化过程,节约时间,缩短生产周期,提高工作效率。
本方法适用于大多数钢种,尤其是一些较难球化或球化质量要求较高的钢种。
周期球化退火是将钢加热至Acl以上2030,保温一段较短时间后冷却至Acl以下某一温度范围内,等温保温一段时间后继续升温至原保温温度,此为一个球化退火周期,以此类推,依次完成2周期、3周期球化退火过程。
当周期球化退火结束后,冷到500左右出炉空冷。
周期球化退火生产周期较短,但是工艺较为繁琐,设备很难实现精准的温度控制。
14连续退火连续退火是指带钢在直通式炉内连续运行过程中进行退火的工艺过程。
由于连续退火具有生产效率高(可以使产品生产周期由10d缩短到1h以内)、产品品种多样化、产品质量高、生产成本低等许多罩式退火工艺无法比拟的优势,连续退火技术得到了迅速的发展【22,231。
早在20世纪50年代,采用连续退火炉对镀锡板进行处理的生产工艺已经得到广泛的应用。
从20世纪80年代初开始,日本的川铁、新日铁等大型钢铁生产公司开始采用连续退火技术进行深冲冷轧板的生产,开发研究了多类新钢种【24】。
到目前为止,全世界各大钢铁企业使用连续退火技术生产的钢材品种非常丰富,有普通的CQ,DQ冷轧板,也有DDQ、EDDQ、SEDDQ等深冲冷轧板【25,26。
此外,BH烘烤硬化钢、DP双相钢、TRIP钢、Q&P钢、Mart钢等高强钢也采用连续退火技术进行生产。
加热技术和冷却技术是连续退火热处理的两大核心技术。
与传统连续热处理炉相比,采用快速加热与快速冷却技术可以使炉子长度大幅度缩短,带钢在炉内的运行时间从510min缩短到2min之内,节约资源,提高效率,降低能耗,使得冷轧及涂镀产品的生产向低成本化转变,增加产品的附加值。
4中南大学硕士学位论文第一章文献综述传统的连续热处理机组主要通过可燃气体(煤气、天然气等)燃烧产生的热量加热辐射管,再通过高温辐射管的辐射传热来加热带钢,因此加热速度相对较慢,导致热处理炉的加热段和均热段较长,效率较低。
为了提高加热效率、缩短炉子长度以减少散热,减少炉子热惯性,高密度快速加热技术得到了迅速发展,如感应加热技术、直火加热技术、激光加热技术和高电流密度电阻加热技术等。
近年来,发展较快的直火加热技术和感应加热技术是较实用的快速热处理加热技术【27-291。
快速冷却是连续退火的另一核心技术。
目前,日本新曰铁(NSC)、日本钢管公司(NKK)、法国FIVES公司(STEIN)和CMR公司等所拥有的快速冷却技术处于领先地位。
具体的快速冷却技术有:
WQ(水淬)、ACC(气雾冷却)、RC(辊式冷却)、H2GJC(高氢喷气冷却)、HOWAQ+TWICE(热水淬+湍流冷水淬)、GJC+RC(辊冷复合冷却)等30,311。
近几年,随着国内高品质汽车板生产能力的迅速提高,对国外先进钢铁企业汽车板产品构成了直接竞争态势,使得国外钢铁企业对今后发展前景广阔的先进高强钢生产技术和连续热处理快速冷却等核心技术严格保密并拒绝向中国推广。
因此,中国钢铁企业需要自主研发生产先进高强钢所必需的快速冷却技术,如超细气雾冷却技术、新型水淬技术、高氢高速喷气冷却技术等,摆脱国际垄断显得日益迫切。
15淬火淬火是将钢加热至氏3或A。
I以上某一温度并保温一段时间后快速冷却,使钢材获得马氏体组织。
淬火加热温度是由钢的化学成分来决定的,其中碳含量的影响最为明显lj引。
淬火加热温度的选择应以能得到均匀细小的奥氏体晶粒为原则,以便冷却后能得到晶粒细小的马氏体组织。
一般亚共析钢的淬火温度为氏3以上3050C,若淬火温度在凡lAc3范围内,部分先共析铁素体仍然存在,会降低钢的硬度和强度,若加温温度高于Ac3,奥氏体晶粒容易粗化,淬火后获得的马氏体组织也会较粗大,增大钢的脆性,淬火后钢材易变形甚至开裂。
通常过共析钢采用不完全淬火,其淬火温度为氏l以上3050。
C,淬火后获得马氏体和未溶的粒状渗碳体,残余奥氏体较少,此时的钢有较高的硬度和耐磨性33】。
若加热温度在A。
以上,先共析渗碳体将全部溶入奥氏体,使得奥氏体的碳含量增大,奥氏体晶粒逐渐变粗,会降低马氏体转变起始点M。
和终了点Mf,淬火后会使马氏体较粗大,而且会有大量的残余奥氏体。
一般情况下,淬火保温时间的选择是根据实际生产经验来确定,通常采用公式(11)计算1341。
t=aKD(1一1)中南大学硕士学位论文第一章文献综述式中:
t为钢件在淬火温度上的保温时间(rain);D为钢件的厚度(nun);a为加热系数(minmm),其大小主要由钢材的化学成分和种类决定,在常用的箱式电阻炉和管式电阻炉中,a一般在1012的范围内;K为加热时的修正系数,主要由钢件在热处理炉内的装样方式决定,表12为几种常见装炉方式对应的修正系数KE3列。
袁12常见装炉方式对应的加热修正系数K钢的合理淬火冷却过程应该是在650以上的高温区时为较慢的冷却速度,在400-650。
C的中温区时快速冷却,在400以下的低温区时应该降低冷却速率36,37。
钢在淬火过程中,各温度区间的冷却速率取决于淬火冷却介质的特性,因此,不同的淬火冷却介质对钢淬火后组织性能有较大的影响。
钢的淬火介质一般有水和油两种。
在目前使用的淬火剂中,水的使用极为广泛,主要原因是水的价格较低,具有较大的冷却速度,可以快速地使奥氏体过冷至马氏体区域,以保证钢获得马氏体组织。
对于淬透性较差、需要快冷的碳钢多采用水淬【381。
油介质的冷却速度较慢,淬火内应力较小,变形小,不易淬裂【3引。
通常水淬易开裂的合金钢多用油淬。
对于弹簧钢,由于
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- 50 CrV4 高强 弹簧钢 热处理 工艺 研究