发条生产制造工艺的试验验证分析

2014-12-31齐孟雷

机械工程与自动化 2014年2期

关键词：发条碳化物时效

齐孟雷

（辽宁机电职业技术学院机械工程系，辽宁丹东 118009）

0 引言

由于发条具有工作可靠、维护简单、防潮、防爆等特点，当仪器仪表在恶劣环境气候下工作时，用发条作为能源，其优势明显［1］。因此本文以仪器仪表中定时器所用发条为研究对象，以试验为手段，分析发条的物理性能，以确定发条的最佳生产方案。

1 试验方法

试验材料：2Cr19Ni9Mo，Φ10mm棒料。

试验方法：对发条物理性能的影响因素较多，主要包括原材料化学成分、固溶温度及时间、盐浴尺寸（变形量）、定性温度及时间，因此试验时，观察每个因素的影响都是把其他各因素加以固定，以观察该因素影响的效果。

2 结果分析

2.1 原材料化学成分的影响

试验条件：固溶1 180℃＋8min，固溶尺寸为3.7 mm，时效处理490℃＋2h，试验结果见表1。文中成分均为质量分数。

表1 原材料的化学成分对发条性能的影响

表1中，HRB为洛氏硬度测量法（HR）中的B级标尺，HV为维氏硬度，σb为抗拉强度，M2为满弦后退两圈力矩，M1为满弦后退120°力矩，△M为力矩差。

由表1可知，在其他成分大致相同的情况下，含碳量高者其强度及力矩均较高，但轧制效果较差，轧出的条硬度高、易裂，轧制困难，成品易断，脆性较大；含碳量低者其性能略低于含碳量高者，但塑性好，合格率高；而在原材料中加氮，则性能较低碳量有所提高。材料中碳含量高，经固溶后，其中的碳化物完全溶解，均匀化，故表现出固溶后硬度值较高、强度高，同时碳含量高，易造成晶界腐蚀，使塑性下降，脆性增大，造成工艺难度较大，成品出现脆断。组织中加氮，在固溶时，同样以固溶状态溶入到组织中，材料塑性很好，经过90%形变量轧制后，金属组织中的位错密度增大，形成加工硬化，而当时效处理时，有些位错被恢复，而大量的位错织构被碳、氮所形成的柯氏气团钉扎住，提高了材料强度。故加氮是可行的，但量不可过高，过高将使脆性增大。

综上所述，含碳量（质量分数）以0.21%～0.25%为宜，加氮量（质量分数）为0.1%～0.13%，含碳量（质量分数）0.24%以上时，不宜加氮。

2.2 原材料固溶尺寸对发条的影响

试验条件：固溶1 180℃＋8min，时效处理490℃＋2h，C的质量分数为0.22%。试验结果见表2。

表2 原材料固溶尺寸对发条性能影响

由表2可知，固溶尺寸越大，形变量越大，位错密度就越高。即加工硬化效果就越大，在时效强化后发条的抗拉强度也随之提高，但当形变量过大时位错密度高到一定程度，便形成微裂纹，使成品脆性增大，废品率提高。另外当形变量大到一定程度时，其力矩提高幅度并不高，如图1所示。但形变低时，其强化效果不佳。在固溶尺寸为4.2mm左右时，其强化效果和轧制效果均较好，变形量对力矩的落差影响不大，故应采用4.2mm左右的固溶尺寸。

图1 变形量与M的关系

2.3 固溶温度的影响

试验条件：固溶尺寸3.7mm，C的质量分数为0.22%，时效处理490℃＋2h，固溶时间8min。试验结果见表3。

表3 固溶温度对发条性能影响

由表3可知，固溶温度变化对成品的硬度、抗拉强度影响很小，对力矩影响也不明显，温度高能使材料固溶达到较好的程度，碳化物溶解得较多。在1 250℃时处理的材料轧制效果较差，可能是金属组织中的晶粒变大，或是由于温度过高组织中产生过烧现象，故固溶温度在1 180℃左右为宜。

2.4 固溶时间的影响

试验条件：固溶1 180℃，尺寸3.7mm，C的质量分数为0.22%，时效处理490℃＋2h。试验结果见表4。

由表4可知，固溶时间长的效果好，1 180℃时，材料达不到过热和过烧，固溶时间长，则材料中的碳化物溶解较多，均匀化程度较好，故表现出固溶后的硬度较低，轧制效果也好。碳原子的均匀化对后续的时效强化是极有好处的，这样的时效使其柯氏气团的碳化物微粒更均匀、弥散，大粒的硬化物较少，使发条的力矩也有所提高。均匀化是需要较长时间的，因此从经济效果考虑，取固溶时间为8min时合适，时间太短其碳化物的溶解度扩散极不充分，对材料的性能无好处。

表4 固溶时间对发条性能影响

2.5 时效温度的影响

试验条件：固溶1 180℃＋8min，尺寸3.7mm，C的质量分数为0.22%，时效时间为2h。试验结果见表5。

由表5可知，时效强化存在一个最佳温度区，在该温度时，其硬度及抗拉强度都能达到最大值，同样发条的力矩输出也是符合这个规律的，它们的变化规律由图2可清楚地反映出来。在520℃时，其组织中的碳化物析出较为均匀、弥散，是较理想的碳化物气团，对位错的移动阻力最大，因此效果最好；而过高的温度，金属组织中的碳化物聚集长大，破坏柯氏气团的作用，同时，高温时效使位错被恢复，或被再结晶，因而发条的强度及力矩下降；若温度低，将造成碳化物形核量不足或形成不了柯氏气团，故强化效果不佳，因此时效温度以520℃为宜。

表5 时效温度对发条性能影响

图2 时效温度对发条输出力矩的影响

2.6 时效时间的影响

试验条件：固溶1 180℃＋8min，尺寸3.7mm，C的质量分数为0.22%，时效温度为490℃。试验结果见表6。

表6 时效时间对发条性能影响

由表6可知，在温度一定的条件下，时效时间是一个主要参数，此试验所取的温度是较低的，非理想温度。但从表6可以找出一些规律性的东西，在该温度条件下，时间长一点较有利于时效强化，但不可过长，过长了同样会使强度下降。这是由于碳原子及金属原子的扩散速度较慢，故在低温时时间应长一点，而在高温时时间应短一点。因为高温时效的效果不好，易过时效，故在目前的装炉量及加热条件下时效工艺为490℃＋2.00h为宜。