55SiCr钢制悬架弹簧的气体渗氮方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及汽车悬架弹簧的渗氮方法，尤其涉及55SiCr钢制悬架弹簧的渗氮方 法。
【背景技术】
[0002] 55SiCr (SUP12)是一种优质的弹簧钢材料，钢丝的抗拉强度达到1700MPa以上，弹 簧的设计应力可达llOOMPa以上，目前已被广泛作为高档轿车悬架弹簧用钢。国内目前鲜 有科技人员对弹簧钢55SiCr进行气体渗氮方面的研究，其最主要的原因是常规渗氮的温 度过高，而55SiCr弹簧钢采用中温回火，其正常回火后的显微组织是回火马氏体和回火屈 氏体的混合组织，在长时间的渗氮保温后，弹簧钢的组织发生改变，工件表面虽在氮化后形 成了强化层，但弹簧钢的整体性能却下降了。另外，对于常规的气体渗氮，在渗氮后工件表 面一般都会形成渗氮白层（白亮层)，白亮层对于提高工件表面硬度及耐腐蚀性能具有重要 的作用，但是对于弹簧在长时间承受往复交变载荷的过程中，表面硬而脆的白亮层很容易 产生裂纹而导致弹簧断裂失效。因此，希望弹簧钢渗氮后表面不生成白亮层。
[0003]弹簧钢低温气体渗氮能够很好的避免常规气体渗氮中出现的问题，通过对渗氮过 程中氨气分解率的控制及在渗氮后期对钢件进行退氮处理从而控制白亮层厚度甚至使表 面不生成白亮层。对于低温气体渗氮如何提高渗速是亟需解决的问题，而弹簧钢自身组织 结构及性能要求渗氮温度不能高于400°c，渗氮温度是影响氮元素扩散速度的重要因素，渗 氮温度为300°C和500°C时晶内扩散系数分别为3. 50X10_1(lCm2/s、2. 15X10_8cm2/s。理论 上，300°C的渗氮速度仅是500°C时渗速的1/100左右。我们知道氮原子在晶界和缺陷处具 有较小的扩散激活能，其大小仅为晶内扩散激活能的〇. 6左右，工件表面经塑性变形后产 生的晶界和缺陷将显著提高氮原子的渗入速度。以300°C渗氮为例，氮原子沿晶界的扩散系 数为2. 06X UTcmVs，比500°C时点阵扩散系数还要大一个数量级。因此钢件表面经预先塑 性变形处理，细化晶粒尺寸，增加缺陷密度，可以大大提高渗氮速度，实现低温环境下渗氮。
[0004] 喷丸是一种广泛使用的材料表面冷加工方法，弹簧钢表面经过预先的喷丸处理能 够显著提升渗氮速度，主要是由于弹簧钢表面经喷丸处理后产生了大量的塑性变形，由塑 性变形产生的晶界、位错及空位等缺陷作为氮元素扩散的快速通道，大幅提升了氮原子的 渗入速度。因此弹簧钢经过喷丸以后既可以提高弹簧的疲劳寿命又能够提高弹簧钢气体渗 氮的速度，但是对于喷丸强度的控制就尤为重要。喷丸强度低，一方面造成弹簧钢内部压应 力不够从而降低弹簧的疲劳寿命，另一方面低强度喷丸对气温气体渗氮渗入速度提升作用 也不大；过度喷丸虽可以加快渗氮速度，降低表面粗糙度，但使表层材料受到损伤，反会降 低疲劳寿命。因此合理的控制喷丸强度对提升弹簧的疲劳寿命和低温气体渗氮速度至关重 要。
【发明内容】
[0005] 本发明所要解决的技术问题在于提供一种55SiCr钢制悬架弹簧的气体渗氮方 法，该方法不仅能实现55SiCr钢制悬架弹簧的低温快速气体渗氮，而且能同时在弹簧表层 一定深度范围内保持合适的残余压应力。
[0006] 本发明所采用的技术方案是：55SiCr钢制悬架弹簧的气体渗氮方法，包括以下步 骤：
[0007] 应力退火步骤：将冷卷成型后的悬架弹簧进行应力退火；
[0008] 喷丸处理步骤：对经过应力退火后的悬架弹簧进行喷丸处理；
[0009] 渗氮步骤：将经过喷丸处理后的悬架弹簧装入渗氮炉内进行渗氮处理，其中，渗氮 气体为纯氨气，氨气的分解率为40%~50%，渗氮温度为370~390°C，氮化时间为12~18 小时。
[0010] 退氮步骤：在渗氮结束后，停止氨气供应，使悬架弹簧在渗氮炉内保温2~3小时； 将完成渗氮步骤后的悬架弹簧进行退氮处理。
[0011] 本发明提高了工件表面对活性氮原子的吸收能力，加速了氮原子的渗入速度，降 低了渗氮温度，使工件表面生成均匀的渗层组织，工件表面硬度大于660HV a(l25，高出基底 120HVa(l25，经过低温气体渗氮后55SiCr钢制悬架弹簧的性能得到了提升。
【附图说明】
[0012] 图1是本发明55SiCr钢制悬架弹簧的气体渗氮方法一个实施例的流程图；
[0013] 图2是经390°C X 12h低温气体渗氮处理的渗层显微组织（X 100);
[0014] 图3是经390°C X 12h低温气体渗氮处理的渗层显微组织（X 1000);
[0015] 图4是未经喷丸处理的55SiCr钢制悬架弹簧在390°C X12h渗氮后的渗层显微组 织（X1000);
[0016] 图5是经390°C X 12h低温气体渗氮处理后渗层硬度分布曲线。
【具体实施方式】
[0017] 请参阅图1。55SiCr钢制悬架弹簧的气体渗氮方法，包括以下步骤：
[0018] 应力退火步骤：将冷卷成型后的悬架弹簧进行应力退火；应力退火的温度为 370~390°C，时间为1~3小时。
[0019] 喷丸处理步骤：对经过应力退火后的悬架弹簧进行喷丸处理。可采用单次喷丸或 二次喷丸，弹丸材质为钢丝切丸，弹丸直径在0. 8~1mm之间，弹丸的喷射速度为75~80m/ s，喷头距工件的表面的距离为150~300mm，单次喷丸的时间为60~90秒，阿尔曼-A试片 弧高 0. 40 ~0. 55mm。
[0020] 渗氮步骤：将经过喷丸处理后的悬架弹簧装入渗氮炉内进行渗氮处理，装炉量为 总炉罐体积的1/3~1/2。其中，渗氮气体为纯氨气，氨气的分解率为40%~50%，渗氮温度 为370°C~390°C，氮化时间为12~18小时。
[0021] 退氮步骤：在渗氮结束后，停止氨气供应，使悬架弹簧在渗氮炉内保温2~3小时； 将完成渗氮步骤后的悬架弹簧进行退氮处理，通过退氮处理可避免材料表面生成白亮层。
[0022] 本发明提高了工件表面对活性氮原子的吸收能力，加速了氮原子的渗入速度，降 低了渗氮温度，使工件表面生成均匀的渗层组织，工件表面硬度大于660HV a(l25，高出基底 120HVa(l25，经过低温气体渗氮后55SiCr钢制悬架弹簧的性能得到了提升。
[0023] 本发明提出的55SiCr钢制悬架弹簧的低温气体渗氮与普通弹簧表面经喷丸或纳 米化处理后进行低温气体渗氮有以下区别：
[0024] 第一、本发明是专门应用于55SiCr这一特殊钢材的低温气体渗氮处理方法；
[0025] 第二、本发明中低温渗氮之前经预先的喷丸处理是弹簧生产流程的一个正常工 序，而不是对弹簧表面进行额外的加工；
[0026] 第三、本发明中的各项工艺参数如喷丸强度、渗氮温度和渗氮时间等是针对 55SiCr弹簧钢这一特殊钢种所设计的，经低温气体渗氮后弹簧表面既可以获得一定厚度的 强化层，并且在表层以下一定深度范围内同时存在大小合适的压应力。
[0027] 下面将结合两个具体的实施例对本发明作进一步详细说明。图2~图4是实施例 1中的附图。
[0028] 实施例1
[0029] 55SiCr弹簧钢的成分如下表所示（wt%):
【主权项】
1. 55SiCr钢制悬架弹簧的气体渗氮方法，其特征在于，包括： 应力退火步骤：将冷卷成型后的悬架弹簧进行应力退火； 喷丸处理步骤：对经过应力退火后的悬架弹簧进行喷丸处理； 渗氮步骤：将经过喷丸处理后的悬架弹簧装入渗氮炉内进行渗氮处理，其中，渗氮气体 为纯氨气，氨气的分解率为40%~50%，渗氮温度为370°C~390°C，氮化时间为12~18小 时。 退氮步骤：在渗氮结束后，停止氨气供应，使悬架弹簧在渗氮炉内保温2~3小时；将 完成渗氮步骤后的悬架弹簧进行退氮处理。
2. 如权利要求1所述的气体渗氮方法，其特征在于，在所述的应力退火步骤中，应力退 火的温度为370~390°C，时间为1~3小时。
3. 如权利要求1所述的气体渗氮方法，其特征在于，所述的喷丸处理步骤中，采用的是 单次喷丸，弹丸直径在〇. 8~Imm之间，喷丸时间为60~90秒。
4. 如权利要求1所述的气体渗氮方法，其特征在于，所述的喷丸处理步骤中，采用的是 二次喷丸，弹丸直径在〇. 8~Imm之间，单次喷丸时间为60~90秒。
5. 如权利要求3或4所述的气体渗氮方法，其特征在于，所述的喷丸处理步骤中，弹丸 的喷射速度为75~80m/s，喷头距工件的表面的距离为150~300mm，阿尔曼-A试片弧高 0. 40 ~0. 55mm。
6. 如权利要求1所述的气体渗氮方法，其特征在于，所述的渗氮步骤中，炉温在达到渗 氮温度之前采用阶梯式升温。
7. 如权利要求1所述的气体渗氮方法，其特征在于，所述的渗氮步骤中，悬架弹簧的装 炉量为总炉罐体积的1/3~1/2。
【专利摘要】本发明公开了55SiCr钢制悬架弹簧的气体渗氮方法，包括：应力退火步骤：将冷卷成型后的悬架弹簧进行应力退火；喷丸处理步骤：对经过应力退火后的悬架弹簧进行喷丸处理；渗氮步骤：将经过喷丸处理后的悬架弹簧装入渗氮炉内进行渗氮处理，其中，渗氮气体为纯氨气，氨气的分解率为40%～50%，渗氮温度为370～390℃，氮化时间为12～18小时。退氮步骤：在渗氮结束后，停止氨气供应，使悬架弹簧在渗氮炉内保温2～3小时；将完成渗氮步骤后的悬架弹簧进行退氮处理。本发明不仅能实现55SiCr钢制悬架弹簧的低温快速气体渗氮，而且能同时在弹簧表层一定深度范围内保持合适的残余压应力。
【IPC分类】C23F17-00, C21D9-02, C23C8-26, C23C8-02
【公开号】CN104694872
【申请号】CN201310654829
【发明人】周细应, 钱士强, 陈明, 戚文, 金方杰, 许浩
【申请人】上海中国弹簧制造有限公司
【公开日】2015年6月10日
【申请日】2013年12月5日