弹簧材料局部感应加热退火工艺研究

作者:姜林

单位:航空工业吉林航空维修有限责任公司

来源:《金属加工(热加工)》杂志

弹簧是量大面广的基础零件,对于动力机械、仪器仪表及武器中的控制性元件都是非常关键的零件,其基本功能是利用材料的弹性和弹簧的结构特点,以便达到缓冲或减振、控制运动或复位等目的。

针对碳素弹簧钢丝,材料牌号为IIa,图样要求局部退火,没有任何相应的标准中规定IIa材料的局部退火的工艺参数,通过试验达到局部退火状态,以得到较低硬度并接近于平衡状态的组织,从而改善金属或合金的物理、化学、力学性能,稳定尺寸和形状;改善组织,为后道弯钩工序作准备,此项弹簧局部退火的目的是容易弯钩,保证装配后对弹簧销起到限位作用。

1.局部退火工艺参数的确定

IIa弹簧材料属于形变强化弹簧钢,以冷变形(冷拉或冷轧)状态供货,绕制弹簧后进行消除应力回火,使弹簧定型,这种钢丝在成形前已经具有很高的强度和足够的塑性和韧性,标准中只规定了回火工艺参数260~300℃,没有规定任何其他的热处理工艺参数,经翻阅航空材料手册、航空弹簧钢丝等资料和咨询其他有关单位,确定 IIa弹簧材料没有退火参数,建议可以考虑借鉴相近材料进行试验。

由于IIa弹簧材料的材质为优质碳素钢,是碳素钢65钢、70钢、65Mn等弹簧钢丝的升级材料,其综合性能与碳素钢70钢相近,故决定按70钢的退火参数进行试验。经查阅相关标准,参考70钢的退火参数,最终确定了在680~700℃进行退火试验。

2.局部退火工艺方法的选择

弹簧钢丝较细且较小,结合我公司现有的生产能力,由于盐浴具有加热速度快、加热均匀,并可防止氧化、脱碳,可以用来进行退火。感应加热是靠零件内部感应电流直接加热的,具有加热效率高、加热速度快的特点,也可以用来进行退火。故决定采取盐浴炉和高频机感应加热这两种方法进行局部退火试验。

(1)盐浴炉局部退火

在盐浴炉中进行局部退火时,加热温度较高,由于弹簧细小,工人操作起来较为困难,无法避免地会将整个弹簧工作圈侵入到盐浴中,造成整个弹簧退火,致使弹簧失去弹性,无法起到限位作用,影响正常工作,违反零件使用规定,造成零件报废,增加生产成本,所以不能选用盐浴炉加热退火方法。

(2)感应加热局部退火

由于之前有过对30CrMnSiNi2A螺栓螺纹部分退火的先例,故采用高频机对弹簧进行局部感应退火,通过制作适宜的感应加热圈,利用加热圈对弹簧局部进行加热。采用感应加热退火,零件表面没有脱碳,也不会有严重的氧化现象,并且零件变形量较小,生产效率高,易于实现机械化和自动化,有效地扩宽了加工制造能力。

3.局部退火具体操作方法

采用高频机对弹簧零件根部局部感应加热退火,感应圈选用15mm×15mm空心铜管制造,感应圈间隙为15mm左右,高频机的频率为2500Hz。用圈状感应器内磁场加热退火,加热温度为680~700℃。在实际生产中,感应加热的温度主要依靠电压、电流和加热时间等参数进行控制,工厂一般采用光电高温计测量加热温度,效果比较好。由于感应加热速度快,应采用间歇式加热方式,加热与停止加热交替进行。

为了减少穿透加热时零件表面和中心的温差,加热速度应缓慢,加热功率应尽量控制在最低,以得到较大的电流透入深度。加热时间根据现场情况而定,通过改变零件与感应器的相对移动速度来改变加热时间,以零件心部加热透为准。加热部位如附图所示,加热退火后将零件加热部位插入砂子内,使其缓慢冷却。

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4.试验结果

经过反复试验,不断摸索,通过做抗拉强度试验,强度值明显降低,弹簧局部硬度明显降低,钳工很容易进行弯钩工作,而过渡区外弹簧整体强度不受任何影响,热影响区很小,实现了局部硬度降低的特点,弹簧弹性在弹性区间内,局部退火部分弯钩,装配起来可以起到限位作用,符合图样要求,为后续装机提供保证。由于感应加热的趋肽效应,表层温度快速升高而心部温度变化慢,心部靠热传导升温。因此退火加热需要低功率、慢速升温、间断性加热。

5.结语

IIa弹簧材料局部感应加热退火,加热部位强度明显降低,表明IIa弹簧材料局部感应加热退火工艺可行,退火后的硬度有利于钳工工序高效、顺利的进行。通过试验摸索同时确定了此类弹簧的退火工艺参数,解决了此项弹簧局部退火工艺问题,为分厂解决了技术难题,使零件按时间节点完成加工,增加了分厂加工能力。采用高频机对弹簧进行局部退火属于首次,操作简单,时间短,效果好,可继续推广使用。