一种针对硅锰系合金弹簧钢的热处理工艺技术领域
本发明属于合金弹簧钢热处理工艺技术领域，具体涉及一种针对硅锰系合金弹簧
钢的热处理工艺。
背景技术
弹簧钢是指由于在淬火和回火状态下的弹性，而专门用于制造弹簧和弹性元件的
钢。合金弹簧钢是在碳素钢的基础上，通过适当加入一种或几种合金元素来提高钢的力学
性能、淬透性和其他性能，以满足制造各种弹簧所需性能的钢。如：硅锰系合金弹簧钢的硅
含量高（上限达2.00%），其具有强度高，弹性好、抗回火稳定性好等优势特征，能够制成高品
质的汽车用板簧或者其他种类弹簧；但硅锰系合金弹簧钢也存在在热处理工序中出现易脱
碳、石墨化和淬透性不高的缺点。
弹簧钢在加工使用前需要经过淬火处理，即将钢材加热到临界温度以上，保温一
段时间使组织奥氏体化后，以大于临界冷却速度的冷速进行冷却，使奥氏体转化为马氏体，
从而提高钢的硬度、耐磨性、韧性及弹性等其他各项组织性能的加工工艺。由于硅锰系合金
弹簧钢以硅为主要合金元素，它是对弹减抗力影响最大的合金元素，这主要是由于硅具有
强烈的固溶强化作用；同时，硅能抑制渗碳体在回火过程中的晶核形成和长大，改变回火时
析出碳化物的数量、尺寸和形态，提高钢的回火稳定性。但硅含量如果过高，将导致钢在轧
制和热处理过程中的脱碳和石墨化倾向。
弹簧钢传统热处理过程中，普遍使用淬火介质为普通淬火油，这种传统的油介质
淬火方式，冷却速度低而淬透厚度也很低，油耗大，加工车间的作业环境恶劣，且操作稍有
不慎即会引发火灾隐患，还不利于节能环保；而选用水溶性淬火液虽然较为环保，但往往存
在冷却速度过快，易使工件开裂且淬火液消耗量大，有效成分难以长时间保持合理的浓度，
以致影响淬火效果。
此外，经过淬火后的硅锰系合金弹簧钢并不能直接达到成品状态，还需要进行抛
丸处理以及涂覆防锈漆等的工艺步骤，造成弹簧钢的生产工序繁复，生产成品居高不下。
鉴于此，申请人研发了本专利技术，能够针对硅锰系合金弹簧钢进行高效热处理，
热处理工艺设计科学合理，能有效避免其出现脱碳和石墨化倾向，且热处理工艺所使用的
淬火液安全环保无毒，能有效替换原有高耗能、高污染的油基淬火介质，使用寿命长且淬火
效果优良；此外，经过本工艺处理过的硅锰系合金弹簧钢能够达到成品状态，且自带一层防
锈薄膜，无需额外的抛丸和涂漆工艺，更加经济便捷。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种针对硅锰系合金弹簧钢的热处理工艺及
淬火工艺，能够针对硅锰系合金弹簧钢进行高效热处理，热处理工艺设计科学合理，能有效
避免其出现脱碳和石墨化倾向；本发明解决的第二个技术问题是热处理工艺所使用的淬火
液安全环保无毒，能有效替换原有高耗能高污染的油基淬火介质，使用寿命长且淬火效果
优良；此外，经过本工艺处理过的硅锰系合金弹簧钢能够达到成品状态，且自带一层防锈薄
膜，无需额外的抛丸和涂漆工艺，更加经济便捷。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种针对硅锰系合金弹簧钢的
热处理工艺，其特征在于包括如下步骤：
（1）加热：将工件放入流态石墨粒子电炉，加热到850±60℃之后，保温10-20分钟；
（2）淬火：首先准备淬火溶液，在淬火池中将淬火液和液态水按照质量分数2:8-3:7的
比例配比，淬火溶液的温度20～40℃；在淬火池中设置搅混装置，所述搅混装置搅动淬火溶
液令其流速为0.3-0.8米/秒；而后将工件放置到淬火池中进行淬火，淬火加热保温时间30-
45分钟，经过蒸汽膜阶段、沸腾阶段和对流阶段后完成淬火；
（3）按照450±30℃保温三个小时，水冷回火。
优选的，步骤（1）中流态石墨粒子电炉的流化介质为石墨粒子。
优选的，步骤（2）中使用的淬火液所包含成分及各种成分所占质量分数如下：
抗氧化剂0.6%-0.65%；
防锈剂1.5%-2.5%；
防腐剂0.1%-0.35%；
消泡剂0.2%-0.3%；
其余为：甲氧基聚乙二醇。
优选的，所述甲氧基聚乙二醇的聚合度n为3-5。
优选的，所述抗氧化剂为吩噻嗪或N,N'-二仲丁基对苯二胺。
优选的，所述防锈剂为三乙醇胺。
优选的，所述消泡剂为甲基硅油。
本热处理工艺生产的硅锰系合金弹簧钢的淬火硬度不小于54HRC，马氏体组织百
分比不小于85%，淬透厚度不小于20mm。
本发明的有益效果是：
1、由于硅锰系合金弹簧钢的硅含量高，热处理过程中容易出现脱碳和石墨化倾向，因
此采用流态石墨粒子电炉加热系统进行加热。本炉加热系统采用内热式，利用流化状态的
石墨粒子为导电体，特制电极，用屏蔽网屏蔽，若干零电位区作电阻发热体，经热能的传导，
辐射，对流对工件进行快速均匀无氧化加热。采用这种加热方式具有升温快、温差小、被处
理零件受热均匀，不脱碳，不氧化，表面光洁，变形小，炉床零电位，工件无烧伤，操作简便，
环境无污染，热效率高等特点，其综合经济效率比同规格盐浴炉提高40%。
2、本发明所采用的水溶性淬火液的主要溶剂为甲氧基聚乙二醇，其具备极易溶于
水的特质，所制备的淬火液能够替代油基淬火液，冷却速度适宜且淬厚度能够满足弹簧钢
的使用需求。由于本淬火液为水溶性基质，且无毒无污染，甲氧基聚乙二醇而且能够作为优
良的促溶剂将防锈剂等功能添加剂溶于淬火液中，并且其受热分解产物均为挥发性物质，
不会产生硬壳或粘泥状的沉淀物。
本发明使用的淬火液还具备良好的逆溶性。由于在使用水溶性淬火液的淬火过程
中，工件周围液温升高，淬火液中的有效成分从溶液中脱溶出来，并靠其润湿性以富水的包
膜形式粘附在工件表面上，从而调整工件的冷却速度。工件冷却下来后，粘附在工件表面的
聚合物又会回溶到淬火液中。回溶需要一定时间，而生产中往往等不到聚合物回溶干净就
将工件从淬火液中取走。因此，工件带出的液体中有效物质的含量往往高于所用淬火液中
的平均浓度。长期、大量淬火后，淬火液的相对浓度必然逐渐降低，而其他添加剂组分的相
对含量就随之增长。因此，回溶得越充分，淬火液中有效成分的相对减少就越慢，即其冷却
特性越稳定。在本发明所述的弹簧钢淬火过程中，蒸汽膜阶段和沸腾阶段从淬火液中析出
的功能性物质，能够迅速回溶到淬火液中，使得本发明即便长期使用，其有效成分的变化量
也较同类型产品要小得多，因此淬火液具备优良的稳定性和较长的使用寿命。
2、本发明专利可选用甲氧基聚乙二醇或聚乙二醇作为基础溶剂，但实验表明，甲
氧基聚乙二醇较聚乙二醇在淬火液中具备更为优良的抗氧化性能。为了进一步防止甲氧基
聚乙二醇在高温时发生裂解，在本淬火液中还针对性的添加了适量的抗氧化剂。吩噻嗪基
本适用于常规条件下的淬火液，而当淬火对象要求更高的淬火品质时，可根据淬火温度进
行甄别选择。当弹簧钢在加热到800℃以上进行淬火时，抗氧化剂可选用N,N'-二仲丁基对
苯二胺。由于本配方具备灵活的适应性，因此能够更为方便的使用。
3、各功能组分有机结合在一起，在协同作用下，令淬火液的淬火性能发挥到极致：
在满足基础溶剂优良的促溶性和逆溶性同时，通过其他功能组分修补其不足。将本淬火液
替代快速油或柴油淬火，节约资源的同时，降低了生产成本，而且保护了生产环境和自然资
源。
4使用本本淬火液进行淬火后，硅锰系合金弹簧钢的淬火硬度不小于54HRC，马氏
体组织百分比不小于85%，淬透厚度不小于20mm。产品经过淬火后表面光亮，无需进行进一
步的加工，且自带一层防锈保护薄膜，提升了产品品质。
5、本发明在操作实施时，生产安全，消除了火灾隐患，操作时工作环境友好，节能
降耗。本发明经过小试，中试、批量试制和生产，取得商业化成功，实施投产成本低，实用性
能良好，适宜在业界推广普及。
具体实施方式
本发明所述的一种针对硅锰系合金弹簧钢的热处理工艺，包括如下步骤：
（1）加热：将工件放入流态石墨粒子电炉，加热到850±60℃之后，保温10-20分钟；
（2）淬火：首先准备淬火溶液，在淬火池中将淬火液和液态水按照质量分数2:8-3:7的
比例配比，淬火溶液的温度20～40℃；在淬火池中设置搅混装置，所述搅混装置搅动淬火溶
液令其流速为0.3-0.8米/秒；而后将工件放置到淬火池中进行淬火，淬火加热保温时间30-
45分钟，经过蒸汽膜阶段、沸腾阶段和对流阶段后完成淬火；
（3）按照450±30℃保温三个小时，水冷回火。
步骤（2）中使用的淬火液所包含成分及各种成分所占质量分数如下：
抗氧化剂0.6%-0.65%；
防锈剂1.5%-2.5%；
防腐剂0.1%-0.35%；
消泡剂0.2%-0.3%；
其余为：甲氧基聚乙二醇。
使用HR-15A洛氏硬度计检测试样淬火硬度及回火硬度；用便携式磁粉探伤设备对
试样进行逐片探伤；用NikonMA100型金相显微镜对试样进行金相组织观察；试样经过表面
处理后，进行疲劳试验(PSJ200机械疲劳试验机，最大应力1100MPa，预加变形62mm，振幅
±26mm)
下面结合实施例对本发明进行进一步的解释说明。
实施例一
1)材料：60Si2Mn钢，化学成份（Wt%)见表1，符合标准要求。材料规格500mmX24mm
X90mm，500mmX25mmX90mm。单片簧重20～25Kg，试验材料总重100吨。
表1实验材料化学成分（质量分数，%）
C
Si
Mn
S
杂质
0.60
1.8
0.7
<0.035
按标准要求
2）将工件放入流态石墨粒子电炉，加热到850±60℃之后，保温10-20分钟。
按如下质量分数配比配制淬火液：
吩噻嗪（或N,N'-二仲丁基对苯二胺），0.6%；三乙醇胺，1.5%%；防腐剂，0.1%%；甲基硅
油，0.2%%；其余为：甲氧基聚乙二醇。
将淬火液和液态水按照质量分数2:8的比例配比，溶液温度20℃。淬火液的最大冷
却速度120℃/s。工件加热到850±60℃出炉后，将弹簧钢放入淬火溶液中，经过蒸汽膜阶
段、沸腾阶段和对流阶段后完成淬火,
3）按照450±30℃保温三个小时，水冷回火。检验硬度和无损探伤。
4）100%检验硬度和探伤。结果为：淬火硬度≥54HRC，淬火组织为85%以上的马氏
体，无铁素体组织，无淬火开裂，淬透厚度不小于20mm。结果显示，实验用弹簧钢完全淬透，
符合行业加工和使用规范。
实施例二
1)材料：60Si2Mn钢，化学成份（Wt%)见表2，符合标准要求。材料规格500mmX20mmX90
mm，500mmX24mmX90mm，500mmX25mmX90mm。单片簧重10～20Kg，试验材料总重200吨。
表2实验材料化学成分（质量分数，%）
C
Si
Mn
S
杂质
0.58
2.0
0.65
<0.035
按标准要求
2）将工件放入流态石墨粒子电炉，加热到850±60℃之后，保温10-20分钟。
按如下质量分数配比配制淬火液：
吩噻嗪（或N,N'-二仲丁基对苯二胺），0.61%；三乙醇胺，1.8%；防腐剂，0.2%；甲基硅油，
0.25%；其余为：甲氧基聚乙二醇。
将淬火液和液态水按照质量分数2.5:7.5的比例配比，溶液温度35℃。淬火液的最
大冷却速度120℃/s。工件加热到850±60℃出炉后，将弹簧钢放入淬火溶液中，经过蒸汽膜
阶段、沸腾阶段和对流阶段后完成淬火。
3）然后按照450±30℃保温三个小时，水冷回火。检验硬度和无损探伤。
4）100%检验硬度和探伤。结果为：淬火硬度≥54HRC，淬火组织为85%以上的马氏
体，无铁素体组织，无淬火开裂，淬透厚度不小于20mm。结果显示，实验用弹簧钢完全淬透，
符合行业加工和使用规范。
实施例三
1)材料：60Si2Mn钢，化学成份（Wt%)见表2，符合标准要求。材料规格500mmX20mmX90
mm，500mmX24mmX90mm，500mmX25mmX90mm。单片簧重10～20Kg，试验材料总重200吨。
表3实验材料化学成分（质量分数，%）
C
Si
Mn
S
杂质
0.58
2.0
0.65
<0.035
按标准要求
2）将工件放入流态石墨粒子电炉，加热到850±60℃之后，保温10-20分钟。
吩噻嗪（或N,N'-二仲丁基对苯二胺），0.65%；三乙醇胺，2.5%；防腐剂，0.35%；甲
基硅油，0.3%；其余为：甲氧基聚乙二醇。
将淬火液和液态水按照质量分数2.5:7.5的比例配比，溶液温度35℃。淬火液的最
大冷却速度120℃/s。工件加热到850±60℃出炉后，将弹簧钢放入淬火溶液中，经过蒸汽膜
阶段、沸腾阶段和对流阶段后完成淬火。
3）然后按照450±30℃保温三个小时，水冷回火。检验硬度和无损探伤。
4）100%检验硬度和探伤。结果为：淬火硬度≥54HRC，淬火组织为85%以上的马氏
体，无铁素体组织，无淬火开裂，淬透厚度不小于20mm。结果显示，实验用弹簧钢完全淬透，
符合行业加工和使用规范。
需要指出的是，上述实施方式仅是本发明优选的实施例，如防腐剂等其他功能性添加
剂可选用本领域内通用产品即可。对于本技术领域的普通技术人员来说，在符合本发明工
作原理的前提下，任何等同或相似的替换均落入本发明的保护范围内。