變截面板簧熱處理工藝的優(yōu)化

徐賢豐，張維生，高峰

（新疆八鋼金屬制品有限公司）

1 前言

隨著汽車工業(yè)的不斷發(fā)展，汽車用鋼板彈簧在不斷的更新?lián)Q代，傳統(tǒng)的多片式板簧逐漸被少片式變截面板簧所取代。變截面板簧具有重量輕,壽命高,減振性能好,具有應(yīng)力分布最合理,材料利用最充分的優(yōu)點(diǎn),是一種理想的汽車鋼板彈簧結(jié)構(gòu)形式,得到了越來越廣泛的應(yīng)用。陜西重型汽車有限公司(以下簡(jiǎn)稱陜汽)是八鋼板簧公司最大的板簧配套主機(jī)廠。近幾年陜汽變截面板簧產(chǎn)品的應(yīng)用越來越多，為了更好地提高產(chǎn)品質(zhì)量及服務(wù)，必須加強(qiáng)板簧變截面產(chǎn)品的生產(chǎn)過程控制，熱處理工藝是變截面板簧生產(chǎn)過程最主要的環(huán)節(jié)。由于簧片截面的不同，在熱處理過程中的工藝參數(shù)控制和普通的等截面板簧不同。為此八鋼板簧公司成立了技術(shù)攻關(guān)組，通過生產(chǎn)過程試驗(yàn)確定了變截面板簧產(chǎn)品的最佳熱處理工藝。

2 試驗(yàn)方案

少片式變截面板簧如圖1所示。以某變截面板簧產(chǎn)品的第三片（見圖2）為試驗(yàn)對(duì)象取樣。試驗(yàn)片生產(chǎn)采用步進(jìn)式淬火爐和網(wǎng)帶式燃?xì)饣鼗馉t。

圖1 變截面板簧

熱處理工藝過程涉及的主要參數(shù)：淬火溫度、保溫時(shí)間、冷卻時(shí)間、淬火介質(zhì)、回火溫度、回火時(shí)間等。八鋼板簧熱處理生產(chǎn)過程的淬火爐為步進(jìn)式燃?xì)鉅t配備六個(gè)成型淬火機(jī)，連續(xù)式生產(chǎn)時(shí)簧片的保溫時(shí)間與成型冷卻時(shí)間是對(duì)應(yīng)的關(guān)系，因此試驗(yàn)中將冷卻時(shí)間作為變量參數(shù)。因受試驗(yàn)條件限制，淬火介質(zhì)保持不變。結(jié)合板簧多年生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，決定回火溫度保持不變。因此本次試驗(yàn)方案中，在淬火介質(zhì)和回火溫度保持不變的情況下，尋求不同淬火溫度、冷卻時(shí)間、回火時(shí)間下的最佳熱處理工藝。

圖2 試驗(yàn)用變截面板簧片

試驗(yàn)結(jié)果判定依據(jù)為GB/T19844《鋼板彈簧》及顧客技術(shù)要求。技術(shù)參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)為：回火后硬度HB409-HB465（對(duì)應(yīng)洛氏硬度為HRC43.6-HRC48.4）；回火后金相組織1-4回火屈氏體；疲勞壽命按照GB/T19844中試驗(yàn)方法進(jìn)行不小于12萬次；脫碳層深度與簧片厚度比值不大于2.5%。

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集與分析

3.1 最佳熱處理工藝的試驗(yàn)

采用正交試驗(yàn)法，共取樣18件分別按照不同的熱處理工藝生產(chǎn)后對(duì)樣片做硬度、脫碳層深度、金相、疲勞壽命等檢測(cè)。通過數(shù)據(jù)分析確定最佳熱處理方案。各組硬度數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

從表1數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)淬火溫度在970-980℃時(shí)，對(duì)簧片硬度影響不大。冷卻時(shí)間在150s及以上時(shí)，淬火硬度均符合技術(shù)要求（HRC≥51）。當(dāng)回火時(shí)間為95分鐘時(shí)，只有兩端軋制薄處硬度符合技術(shù)要求，中間軋制厚的部分硬度均高出標(biāo)準(zhǔn)值。隨著回火時(shí)間的延長(zhǎng)，硬度值逐漸降低。當(dāng)回火時(shí)間為101分鐘及以上時(shí)，產(chǎn)品兩端及中間硬度符合技術(shù)要求。通過圖3所示各組硬度值分布圖可以看出，第三組、第四組、第五組數(shù)值均在合格區(qū)間，第五組數(shù)值波動(dòng)范圍最小，熱處理工藝最優(yōu)。

圖3 各組回火后硬度分布圖

3.2 疲勞壽命試驗(yàn)及組織分析

對(duì)第三、四、五組各樣片進(jìn)行疲勞壽命試驗(yàn)，其數(shù)據(jù)見表2。

表2 疲勞壽命及金相組織數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表 萬次

從表2結(jié)果可看出，疲勞壽命第三組不合格，其余兩組合格。

對(duì)第四組和第五組樣片隨機(jī)取樣進(jìn)行金相組織檢測(cè)，金相組織見圖4所示。

觀察金相照片并參照J(rèn)B3782標(biāo)準(zhǔn)比對(duì)分析，第五組17#樣片回火后組織為2級(jí)回火屈氏體。第四組樣片（11#、13#）回火后組織為 3～4 級(jí)回火屈氏體。因此，第五組對(duì)應(yīng)的熱處理工藝優(yōu)于第四組。

3.3 脫碳層深度檢測(cè)

脫碳層是指含碳材料在高溫加熱過程中，表層受氧化性介質(zhì)侵蝕，碳被氧化后形成的層帶。對(duì)于鋼板彈簧而言，脫碳層深度會(huì)直接影響到板簧的使用壽命，而脫碳層的產(chǎn)生一般只發(fā)生在淬火過程中。根據(jù)試驗(yàn)方案對(duì)各組樣片取樣做脫碳層檢測(cè)，通過金相顯微鏡在100倍下進(jìn)行觀察測(cè)量數(shù)據(jù)見表3。

圖4 部分樣片金相組織 ×400

表3 各試樣脫碳層深測(cè)量記錄表 mm

根據(jù)GB/T19844-2005鋼板彈簧要求，脫碳層深度與簧片厚度比值不大于2.5%，所有檢測(cè)數(shù)值中5#樣片最大為2.33%，全部符合要求。認(rèn)為在本次各熱處理工藝下對(duì)應(yīng)的脫碳層深度差異不大。

4 變截面板簧熱處理工藝的改進(jìn)

試驗(yàn)前八鋼板簧生產(chǎn)材質(zhì)為51CrV4的變截面板簧熱處理工藝為：淬火爐爐溫設(shè)定為970℃～1030℃；淬火加熱時(shí)間為（min）＝（1.6～2.3）×（mm）其中，為鋼板平均厚度；淬火時(shí)間（秒）≥6×片厚(mm)；回火溫度480±30℃；回火時(shí)間按照表4執(zhí)行。

表4 回火時(shí)間對(duì)照表

（4）回火爐溫按照目前工藝規(guī)程不變，保溫區(qū)控制在480±30℃。

4 結(jié)束語

根據(jù)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的分析比較，認(rèn)為第五組樣片的熱處理工藝為最佳方案。并由此對(duì)變截面板簧熱處理進(jìn)行了優(yōu)化：

（1）對(duì)于材質(zhì)為51CrV4的變截面板簧產(chǎn)品，淬火爐爐溫設(shè)定為970～980℃。

本次試驗(yàn)過程歷時(shí)四個(gè)多月，并將優(yōu)化后的熱處理工藝應(yīng)用到生產(chǎn)實(shí)踐中。對(duì)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)的變截面板簧產(chǎn)品抽樣檢測(cè)，結(jié)果表明產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)都達(dá)到顧客要求。2017年8月，將生產(chǎn)的6件變截面產(chǎn)品送國(guó)家機(jī)動(dòng)車質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心（重慶）做第三方檢驗(yàn)認(rèn)真產(chǎn)品質(zhì)量合格。截至2017年11月底，公司累計(jì)生產(chǎn)銷售變截面板簧產(chǎn)品3600余噸。此項(xiàng)試驗(yàn)研究為八鋼板簧生產(chǎn)變截面板簧的順利生產(chǎn)和質(zhì)量改進(jìn)提供了理論支撐。后期還將繼續(xù)跟蹤驗(yàn)證，還將進(jìn)一步研究淬火介質(zhì)對(duì)產(chǎn)品熱處理質(zhì)量的影響。為做好產(chǎn)品的工藝過程控制，保證產(chǎn)品的質(zhì)量夯實(shí)基礎(chǔ)。