一系弹簧工艺研究

徐伟 蒋志斌

摘 要：一系弹簧是某型内燃机车转向架上的重要零部件，其工作应力高达450MPa，平面度、平行度、垂直度等相关技术参数都高于其它车型同类弹簧。因此，对制造的要求相对较高。鉴于此，工艺装备在原有生产线的基础上进行改造，新增数控卷簧机、气氛保护加热炉等相关设备以满足实际生产的需要。

关键词：一系弹簧；逆向工程；余热淬火

引言

由于主要生产设备状况未知，因此在工艺设计前采用逆向工程，利用执行标准和图纸技术要求反推制造工艺。机车一系弹簧执行标准为TB/T 2211-2010《机车车辆悬挂装置钢制螺旋弹簧》

1.工艺方案的确定

热成形弹簧的主要制造工艺为端部加热制扁、加热、卷制及校整、热处理、喷丸处理、立定处理、磨削断面、检验、表面除锈处理 [1] 。一系弹簧的制造和以前的主要区别在端部加热制扁和卷制上，而工艺试验的重点则在弹簧刚度和热处理方面。

2.工艺试验

2.1 弹簧刚度试验

根据圆柱螺旋压缩弹簧的刚度公式 ，D、d、n对弹簧的刚度都有影响。该弹簧内经只有2mm公差，而回弹将近0.5mm，于是内径取中间值，以方便调整刚度；同一批弹簧的料径波动很小，工艺上无法用该值调整刚度。因此能改变刚度的只有有效圈，而反映到具体的参数就是展开长度。通过上述公式计算，弹簧的有效圈数为7.8，总圈数为9.3。根据展开长度公式计算，展开长度应为5160。根据PRO-E模拟，两边制扁后总长度增加210，因此材料的总长度为4950，取整为5000。根据上述确定的参数进行了试卷制后发现，刚度偏高超过了要求，因此增加圈数修正下料长度。第二次更改下料5040，碾尖后展开总长为5240，进行了试卷制后，刚度符合要求，具体数据见表2。

由于弹簧受压力压缩后，弹簧的有效圈会逐渐减少，弹簧的刚度会逐渐增加，因此表2中根据理论计算的第一次刚度试验偏差都为正偏差，且超过20，即实际测量值大于理论计算值。而根据试验数据合理的第二次试验，其有效圈为8，总圈数为9.5。

2.2 弹簧热处理试验

该试验的目的除了完成硬度试验外，还必须兼顾脱碳层深度的要求。

2.2.1 弹簧硬度

在进行卷簧试验时发现，卷簧后弹簧的余温在（790～820）℃之间，仍在奥氏体温度下，从理论上，存在余热淬火的可能。根据高温形变热处理的理论：将钢加热到稳定奥氏体区保持一段时间，在该状态下形变，随后进行淬火以获得马氏体组织的综合热处理工艺【2】。试验后，确定了保温温度为985℃，保温40min后卷制，卷制后利用余热淬火，回火温度为450℃，保温90min的热处理制度。单从晶粒度上看，利用余热进行淬火回火后，晶粒度为8级，而普通的热处理晶粒度为7级，高温形变热处理晶粒更细，强度更高。

2.2.2 脱碳层深度

通常氧化膜是疏松的，尤其是工业条件下形成的氧化膜，因此CO的挥发较为容易。脱碳虽然发生在表面层，但是碳显然来自于快速的晶界扩散；尽管脱碳是表面现象，胆不存在脱碳层的内边界。“脱碳深度”的测量在工业上被用来表征钢的状态，因此引入主观因素，需要判断脱碳层的内边界。【3】

根据菲克第二定律，将脱碳看作两端成分不受扩散影响的扩散偶：

初始条件：t=0 ，

边界条件：t>0 ，

【4】

其中 【4】

D0为2.0×10-5m2s-1，R为8.314Jmol-1K-1，Q为140000Jmol-1【4】，在T=（273.15+985）K计算得出D为3.08×10-11 m2s-1。

从上式可以看出，如果在整个加热过程中，环境和材料的含碳量一样，那么将不会发生脱碳现象。实际并非如此，即使使用气氛保护加热，在开炉门的瞬间以及受炉子密封性的影响，其环境碳含量会瞬间降低，为了更好的计算，先将环境的含碳量定为0.2%进行计算，将材料含碳量从0.6%将为0.5%定义为脱碳，分别计算保温10min、20min、30min、40min距离表面0.2mm处的含碳量。计算结果如下：

由上述计算可知，在加热过程中加热炉中的碳含量保持在0.3%以上，0.2mm处就不会发生“脱碳现象”，当炉中气氛在0.2%时，若加热时间超过20min，就会发生“脱碳”。鉴于此，我们根据炉内碳势的上升速度，将炉内的碳势设定为0.6%，将装炉的碳势控制在0.2以上，20min以内碳势增加到0.4以上，这样可以确保整个加热过程中，弹簧的脱碳不会超过0.2mm。按上述工艺进行制造的弹簧，其脱碳层深度检测都小于0.2mm。

3.结论

（1）利用余热淬火，高温形变热处理可以在弹簧热处理中运用。

（2）高温形变热处理对60Si2CrVA的性能和普通淬火相比有区别，目前只能看出晶粒度更细，其他究竟影响多大，还需进一步的试验。

（3）弹簧刚度理论计算时，应考虑弹簧中径的回弹及弹簧在压缩过程中有效圈数的减少。

（4）用菲克第二定律可以定量的估算弹簧脱碳层深度，指导卷簧炉碳势控制的工艺参数。

参考文献：

[1]张英会，刘辉航，王德成.弹簧手册[M].机械工业出版社，2008.

[2]中国机械工程学会热处理学会.热处理手册.第一卷[M].机械工业出版社，2008.

[3]辛力，王文【译】.金属高温氧化导论[M].高等教育出版社，2010.