碟形彈簧可以在較小的空間內具有很大的承載能力;在負荷作用的方向上尺寸較小,因而單位體積材料的變形能較大;可以利用不同的組合方式和改變單片的幾何尺寸,得到各種近線性、漸增性、漸減性及其它組合形式;每一種碟簧可以組成多種彈簧組。所以可以適應設計的不同需要;單個碟簧的制造和熱處理因其小而特別方便;當彈簧組損壞時,只要換下損壞的部分就可以了,便于整機的維修。
一(yi)般(ban)作為重型(xing)設(she)備,汽(qi)車、鉆機、模具(ju)(ju)、液壓(ya)件、制動器、減(jian)振器和安(an)全閥等的(de)彈(dan)(dan)簧部件。高(gao)溫碟簧除了具(ju)(ju)有普通碟簧的(de)特點外,還具(ju)(ju)有在高(gao)溫環境中的(de)彈(dan)(dan)性性能,可以代替高(gao)溫圓柱螺旋(xuan)彈(dan)(dan)簧。
1、試驗方(fang)法
1.1高溫碟簧的材料
試(shi)驗用(yong)的高溫(wen)碟簧材料選用(yong)30W4Cr2VA。
材料的化學成分
材料的機械性能(neng)
1.2彈簧試塊(kuai)的熱處理
為了(le)選擇最佳(jia)的(de)熱處理工藝,將15個(ge)同一爐(lu)號,同一規格(ge)的(de)試塊分為三(san)(san)組,采(cai)用三(san)(san)種溫(wen)度進行(xing)淬(cui)火(huo)處理,并(bing)測定(ding)淬(cui)火(huo)后(hou)的(de)硬(ying)度值,檢查三(san)(san)種溫(wen)度淬(cui)火(huo)后(hou)的(de)金(jin)相組織。三(san)(san)組試塊的(de)淬(cui)火(huo)溫(wen)度分別(bie)為:
A1=1050℃ A2=1070℃ A3=1100℃
將三(san)組經不(bu)同(tong)溫(wen)(wen)度淬火的(de)試塊(kuai)分別(bie)用八(ba)個不(bu)同(tong)的(de)溫(wen)(wen)度進行回火處(chu)理,并(bing)分別(bie)測定試塊(kuai)回火后(hou)的(de)硬度值(zhi),檢(jian)查回火后(hou)的(de)金相組織。八(ba)種回火溫(wen)(wen)度分別(bie)為(wei):
B1=350℃ B2=400℃ B3=500℃ B4=550℃ B5=600℃ B6=650℃ B7=700℃ B8=750℃
1.3彈簧的熱處理
根據試(shi)塊的(de)熱處理(li)硬度和金相組織(zhi)觀察結果,制定出最佳的(de)熱處理(li)工藝,對彈簧進(jin)行淬(cui)火和回火處理(li),測試(shi)彈簧的(de)性(xing)能。
2、熱處理工藝分析與(yu)討論
2.1彈簧的熱(re)處理工藝
淬火:淬火溫(wen)度為1050℃,其間在820℃,保溫(wen)15min。
回火(huo):第(di)一次回火(huo)溫(wen)度(du)為(wei)(wei)480℃,保(bao)溫(wen)2h;第(di)二次回火(huo)溫(wen)度(du)為(wei)(wei)650℃,保(bao)溫(wen)2h。
2.2彈簧淬火加熱方式和保(bao)溫時間
30W4Cr2VA材(cai)料的(de)熱(re)傳(chuan)導性能(neng)比普通合金彈(dan)簧鋼(gang)差一(yi)些(xie).所以加(jia)熱(re)采(cai)用兩段(duan)式加(jia)熱(re)方式。30W4Cr2VA的(de)臨界點Ac1=820℃,MS=400℃,第一(yi)段(duan)加(jia)熱(re)溫(wen)度為(wei)(wei)820℃,保溫(wen)15min,再放(fang)入1050℃的(de)爐內,當(dang)彈(dan)簧溫(wen)度達到淬(cui)火(huo)溫(wen)度時.馬上進行淬(cui)火(huo)處理。因(yin)為(wei)(wei)30W4Cr2VA在高溫(wen)區(qu)間有(you)晶粒長大的(de)傾向,所以這種(zhong)材(cai)料在高溫(wen)區(qu)停(ting)留的(de)時問越(yue)短越(yue)好。因(yin)而采(cai)用所謂(wei)“零”保溫(wen)淬(cui)火(huo),盡量減(jian)少工件(jian)在高溫(wen)區(qu)停(ting)留的(de)時間,保證了彈(dan)簧淬(cui)火(huo)后(hou)的(de)晶粒度。
2.3淬火加熱時的保護氣氛
碟(die)形彈(dan)簧(huang)的(de)負荷主要(yao)作(zuo)用在彈(dan)簧(huang)的(de)兩個(ge)表面(mian)(mian)上,其中一個(ge)表面(mian)(mian)為(wei)拉應(ying)(ying)(ying)(ying)力(li)(li),另一個(ge)表面(mian)(mian)為(wei)壓(ya)應(ying)(ying)(ying)(ying)力(li)(li)。當作(zuo)用力(li)(li)超過碟(die)簧(huang)的(de)平面(mian)(mian)后,則碟(die)簧(huang)兩個(ge)表面(mian)(mian)的(de)受力(li)(li)情(qing)況和(he)原(yuan)來的(de)受力(li)(li)情(qing)況相反(fan),壓(ya)應(ying)(ying)(ying)(ying)力(li)(li)變(bian)(bian)為(wei)拉應(ying)(ying)(ying)(ying)力(li)(li),拉應(ying)(ying)(ying)(ying)力(li)(li)則變(bian)(bian)為(wei)壓(ya)應(ying)(ying)(ying)(ying)力(li)(li)。
總之,碟(die)(die)簧(huang)(huang)的(de)(de)受力(li)主要(yao)集中在碟(die)(die)簧(huang)(huang)的(de)(de)兩個表(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)(mian)(mian)。所以碟(die)(die)簧(huang)(huang)的(de)(de)表(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)(mian)(mian)質量直接影響到碟(die)(die)簧(huang)(huang)的(de)(de)質量。碟(die)(die)簧(huang)(huang)的(de)(de)表(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)(mian)(mian)質量,除了(le)表(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)(mian)(mian)缺(que)陷外,還表(biao)(biao)現在表(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)(mian)(mian)的(de)(de)粗糙(cao)度(du)和表(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)(mian)(mian)氧(yang)化(hua)(hua)脫(tuo)碳(tan)(tan)層的(de)(de)深度(du)。表(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)(mian)(mian)粗糙(cao)度(du)好,應力(li)分散,彈簧(huang)(huang)的(de)(de)疲勞(lao)(lao)強度(du)就高(gao)。表(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)(mian)(mian)脫(tuo)碳(tan)(tan)嚴重降低工件的(de)(de)疲勞(lao)(lao)性(xing)能(neng),使表(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)(mian)(mian)層材質弱化(hua)(hua),在循環載荷作(zuo)用下形成疲勞(lao)(lao)源,導致彈簧(huang)(huang)早期斷裂。試驗表(biao)(biao)明,表(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)(mian)(mian)脫(tuo)碳(tan)(tan)使40Cr鋼的(de)(de)彎曲疲勞(lao)(lao)極限σ-1降低77%,σ-1n降低22%。使硅(gui)錳彈簧(huang)(huang)鋼的(de)(de)σ-1降低41%,,而表(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)(mian)(mian)氧(yang)化(hua)(hua)的(de)(de)影響較脫(tuo)碳(tan)(tan)更為惡(e)劣。
彈簧(huang)表面(mian)的(de)(de)(de)氧(yang)化脫碳與(yu)熱(re)處理有(you)直(zhi)接關(guan)系。為了減少(shao)氧(yang)化脫碳層的(de)(de)(de)深度,在彈簧(huang)加(jia)(jia)(jia)熱(re)時采用保(bao)(bao)護性氣氛,這樣最大限度地(di)減少(shao)工件同氧(yang)氣的(de)(de)(de)接觸(chu),使脫碳降低(di)到(dao)最低(di)程度。試驗的(de)(de)(de)試塊和彈簧(huang)加(jia)(jia)(jia))熱(re)時采用氬氣保(bao)(bao)護,經(jing)保(bao)(bao)護加(jia)(jia)(jia)熱(re)的(de)(de)(de)試塊和彈簧(huang)表面(mian),雖經(jing)高溫加(jia)(jia)(jia)熱(re),也幾乎沒有(you)脫碳,從而保(bao)(bao)證(zheng)了彈簧(huang)的(de)(de)(de)質量。
2.4彈簧的回(hui)火(huo)處(chu)理
30W4Cr2VA彈(dan)簧(huang)(huang)鋼(gang)的(de)淬(cui)透性比(bi)較(jiao)好,為了及時(shi)消除(chu)淬(cui)火(huo)應力(li),防止彈(dan)簧(huang)(huang)開裂(lie),淬(cui)火(huo)后(hou)應立即進行第一(yi)次(ci)(ci)回火(huo),第一(yi)次(ci)(ci)回火(huo)的(de)溫(wen)度可以適當低一(yi)些。一(yi)般取480℃。
從(cong)試塊的(de)(de)(de)淬火回火硬度分析,30W4Cr2VA有回火二次(ci)硬化現象,所(suo)以(yi)應進行不少(shao)于兩次(ci)的(de)(de)(de)回火處理(li)。從(cong)彈簧的(de)(de)(de)彈性(xing)性(xing)能試驗數據(ju)看,經過兩次(ci)以(yi)上(shang)回火處理(li)后,彈簧性(xing)能有很大的(de)(de)(de)提高(gao),故應采用兩次(ci)回火。
試(shi)塊經(jing)淬火和回火后的(de)硬度與溫度的(de)關系
3、試驗結果
3.1試塊的硬度值與溫度的關(guan)系
從(cong)試塊的(de)試驗結果分析,隨著(zhu)淬(cui)火(huo)溫度(du)(du)的(de)提(ti)(ti)高(gao),淬(cui)火(huo)硬(ying)度(du)(du)值提(ti)(ti)高(gao),但晶粒(li)也(ye)隨著(zhu)變大(da)。同一試塊隨著(zhu)回火(huo)溫度(du)(du)的(de)提(ti)(ti)高(gao),硬(ying)度(du)(du)值也(ye)相應增大(da),在650℃回火(huo)時達到最高(gao)硬(ying)度(du)(du)。但當溫度(du)(du)超過700℃時,硬(ying)度(du)(du)值下降,彈(dan)簧的(de)彈(dan)性(xing)性(xing)能也(ye)下降。
3.2金相分析
采(cai)用1050℃淬(cui)火(huo)(huo)(huo),冷卻劑為(wei)(wei)快速淬(cui)火(huo)(huo)(huo)油.淬(cui)火(huo)(huo)(huo)組織為(wei)(wei)較細的淬(cui)火(huo)(huo)(huo)馬(ma)氏體。采(cai)用兩(liang)次回火(huo)(huo)(huo),第一(yi)次480℃回火(huo)(huo)(huo)2h,第二次650℃回火(huo)(huo)(huo)2h.金(jin)相組織中的馬(ma)氏體針狀形態已逐漸消失,但仍隱約(yue)可見(jian),碳化物很細小,組織為(wei)(wei)回火(huo)(huo)(huo)屈(qu)氏體。從(cong)淬(cui)火(huo)(huo)(huo)、回火(huo)(huo)(huo)的金(jin)相組織看,熱處理工藝(yi)可以達到金(jin)相組織對彈簧的要求,可以認為(wei)(wei)熱處理工藝(yi)是合理的。
4、結(jie)論
30W4Cr2VA制高溫碟簧的熱處工藝,要考慮這種材料的特點和碟形彈簧的性能要求,采用兩段式加熱方法、通人保護氣體以防止氧化和脫碳、用“零”保溫以防止高溫區的晶粒長大、經至少兩次回火處理。經此處理之高溫碟簧能達到圖紙要求。