機械畢業(yè)設計15畢業(yè)論文----零保溫熱處理實驗

河南理工大學 本科 畢業(yè)論文 - 1 前 言 提到熱處理，最先想到的是那大功率的電爐以及長時間的保溫，在整個熱處理的過程當中，其能源消耗是巨大的。在相當長的一段時間里，熱處理時如何節(jié)約能源一直都是一道難題。 直到七十年代末，日本學者大和久重雄提出了結(jié)構(gòu)鋼淬火加熱的保溫時間可以為零的設想， 才使節(jié)能問題有重大突破 。 所謂“零保溫”淬火，就是指工件加熱時，其表面和心部達到淬火加熱溫度后，不需保溫，立即淬火冷卻的熱處理工藝。傳統(tǒng)的奧氏體化理論認為 ,工件在加熱過程中必須有較長的保溫時間，以便完成奧氏 體晶粒的形成、長大、剩余滲碳體的溶解和奧氏體的均勻化?，F(xiàn)行的鋼的淬火加熱工藝 ,都是在這一理論指導下制定的。與現(xiàn)行的淬火工藝相比，“零保溫”淬火省去了工件透熱和完成組織轉(zhuǎn)變所需要的保溫時間，不僅能節(jié)約能源，提高勞動生產(chǎn)率，而且還可以減少或消除工件在保溫過程中產(chǎn)生的氧化、脫碳等缺陷，有利于產(chǎn)品質(zhì)量的提高。 “零保溫”淬火的設想提出以來，國內(nèi)外熱處理學者對鋼的零保溫淬火開展了較多的研究，研究方向主要集中在不同工件的零保溫淬火工藝和加熱溫度對鋼的組織性能的影響上，特別是對奧氏體晶粒和馬氏體組織的細化的影響及其機理。 例如： 蘇州絲綢工學院吳國梁、宋哲等的研究表明， 45 鋼工件直徑或厚度不大于100mm 時，在空氣爐中加熱，其表面和心部的溫度幾乎是同時到達的，因而其均溫時間可以不予考慮，和采用大加熱系數(shù)的傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝相比，可以縮短近 1/4 到1/5 淬火加熱時間。 遼寧工程技術(shù)大學孟繁盛等，通過 60SiMn 鋼“零保溫”淬火工藝的實驗研究得到的結(jié)論是： 60SiMn 鋼的“零保溫”淬火工藝與傳統(tǒng)淬火工藝比較，其奧氏體晶粒細小，淬火后組織細小，兩者機械性能指標極為接近。 渤海船舶職業(yè)學院朱鳳艷等所做的理論分析及試驗結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)鋼淬火及 正兩次零保溫淬火溫度對 20MnV 鋼組織、性能的影響 - 2 - 火加熱采用“零保溫”或短時間保溫是完全可行的。特別是 45、 45Mn2 這樣的碳素結(jié)構(gòu)鋼或單元素合金結(jié)構(gòu)鋼，采用“零保溫”工藝可以保證其力學性能要求。對于 40CrNiMo 等多元素合金結(jié)構(gòu)鋼，零保溫處理其力學性能也并不壞，完全符合指標要求，但若為了性能可靠、穩(wěn)定，可選用 5 分鐘短時保溫。 焦作工學院李安銘，對礦用液壓支柱缸體用鋼 27SiMn 的研究表明其“零保溫”淬火得到極細的板條狀馬氏體組織，其原因與奧氏體晶粒細化和奧氏體中碳濃度分布不均勻有關。 武漢科技大學李立新等通過等溫條件下晶粒長大模型研究表明，晶粒直徑隨 著加熱時間的增加而增加 .有的增加很快，有的很慢 .但到一定時間后都趨緩慢增加 . 同時有資料表明， 45、 35CrMo、 GCr15 等結(jié)構(gòu)鋼工件，采用 零保溫 加熱比傳統(tǒng)加熱可節(jié)約加熱時間 50%左右，總節(jié)約電 10-15%，提高工效 20-30%.零保溫 淬火工藝有助于細化晶粒，提高強度 .金屬的晶粒愈細，不僅強度愈高，而且塑性與韌性也較高，表現(xiàn)為具有較高的沖擊載荷抗力 .因此，細化晶粒也是熱處理界廣泛關注的課題之一 。 由此可見， 零保溫 熱處理工藝是非常值得研究與學習的，而我所研究的是在正火的狀態(tài)下，兩次零保溫淬火對 20MnV 鋼組織、性能的影響，通過其金相組織的分析，進一步了解組織的轉(zhuǎn)化規(guī)律。 通過這次實驗，不僅使我對兩次淬火熱處理工藝有了一個全面的了解，而且使我打破了傳統(tǒng)熱處理的局限，讓我們的思維從傳統(tǒng)的束縛中解脫出來，有助于我們更好的認識先進的熱處理技術(shù)，并為以后的工作指明了另一條先進的道路，也為 零保溫 熱處理工藝在以后的實際應用中打下堅實的基礎。 河南理工大學 本科 畢業(yè)論文 - 3 第 一 章 零保溫熱處理簡介 1.1 零保溫熱處理的先進性 所謂“零保溫”淬火，就是指工件加熱時，其表面和心部均達到淬火溫度后，不需保溫便立即淬火冷卻的熱處理工藝。 七十年代末，日本學者大和久重雄提出了結(jié)構(gòu)鋼 淬 火加熱的保溫時間可以為零的設想以來，國內(nèi)的工作者也通過各自的試驗和生產(chǎn)實例證明了在確保工件性能的前提下，可以合理縮短鋼件在箱式爐中的加熱時間，甚至使其保溫時間為零，即“零保溫”淬火的新工藝。 “ 零保溫”淬火省去了工件透熱和完成組織轉(zhuǎn)變所需要的保溫時間，不僅能節(jié)約能源，提高勞動生產(chǎn)率，而且還可以減少或消除工件在保溫過程中產(chǎn)生的氧化、脫碳等缺陷，有利于產(chǎn)品質(zhì)量的提高。有關資料使用組織分析和性能測試方法，對比了 40Cr 鋼加熱，并經(jīng) 0min，15min 和 40min 保溫后淬火 及回火的組織、力學性能、沖擊抗力、耐蝕性能、掃描電鏡斷口及馬氏體成分的檢測后指出， 0min 與 40min 保溫處理的組織和性能相近或相同。由于零保溫處理時，鋼件在高溫停留時間短，奧氏體晶粒來不及長大，淬火得到更細小的馬氏體，故塑性和韌性還稍優(yōu)。 1.2 零保溫熱處理的依據(jù) 鋼鐵熱處理目的是改善其組織，提高其機械性能，延長機械零件的使用壽命。然而該工藝大量消耗能源。我國機械工業(yè)正在服役的熱處理設備中，電爐約占 90%，年耗電量將近 90 億度，經(jīng)過多年努力，雖然全國熱處理平均電耗已由 1978 年的約1600 度 /噸，下降 到目前的約 1000 度 /噸，但是與工業(yè)發(fā)達國家相比仍有很大差距，平均處理 1 噸工件的耗電量比日本和歐美要多 2 至 3 倍。熱處理能耗絕大部分用于加熱和保溫，因此為了降低能耗，降低產(chǎn)品成本，應在滿足熱處理質(zhì)量前提下，盡可能降低加熱溫度，縮短保溫時間。 奧氏體的形成溫度升高，奧氏體的形核率和長大速度急劇增加，因此轉(zhuǎn)變速度兩次零保溫淬火溫度對 20MnV 鋼組織、性能的影響 - 4 - 顯著縮短，加熱溫度越高，轉(zhuǎn)變孕育期和完成轉(zhuǎn)變的時間越短。這就為零保溫的實現(xiàn)提供了可能，特別是中小工件，其尺寸較小，再加上鋼的導熱系數(shù)很大，可以認為奧氏體的轉(zhuǎn)變在瞬間即可完成，無需進行長時間的保溫。如：在 780時奧氏體完成一半轉(zhuǎn)變所需要的時間為 3 秒鐘，而在 800時奧氏體完成一半的轉(zhuǎn)變所需要的時間為 1 秒鐘。另外，采用“零保溫”工藝可以減少滲碳體在奧氏體中的溶入量，淬火后滲碳體均勻的分布在馬氏體的表面，且滲碳體呈粒狀，有助于提高鋼的韌性。除此之外，“零保溫”淬火省去了奧氏體均勻化的時間，在初期擴散時，由于擴散速度和濃度有關梯度有關，起初擴散速度很快，隨著濃度梯度的下降，擴散速度也緩慢了下來，均勻化時間短，從而使奧氏體的成分存在濃度不均勻，這將使馬氏體的形核的位置增多，淬火后的組織細化，晶粒的細小也使鋼的韌性有 所提高。 河南理工大學 本科 畢業(yè)論文 - 5 第 二 章 實驗目的及方案 2.1 試驗目的 隨著 零保溫 熱處理工藝的提出和在實際生產(chǎn)中的應用， 零保溫 不再只是一種設想，在許多方面已經(jīng)運用在工業(yè)生產(chǎn)中，產(chǎn)生了經(jīng)濟效益。因此這種新的熱處理工藝受到廣泛的關注，并被眾多的學者研究。 鑒于這種新的熱處理方法的先進性，在李安銘老師的指導下，我做的是兩次零保溫淬火溫度對 20MnV 鋼組織、性能的影響。通過實驗，我弄清了 20MnV 鋼在兩次淬火后組織性能的變化，對 20MnV 鋼的強度及硬度隨淬火溫度的變化規(guī)律有了一定的了解。 通過此次實驗， 使我們了解了熱處理的含義和效果，明確了熱處理對提高工件設備質(zhì)量的重要意義。熱處理之后，對鋼件進行硬度測量，使我們了解和明確了硬度的概念，了解到硬度測量的意義，并掌握了洛氏硬度的測量方法，對洛氏硬度計有了更進一步的認識。在進行組織的觀察時，我們學會了顯微鏡的使用方法，并對如何使用顯微鏡有了明確的概念，如對于手放的位置、觀察的姿勢、觀察前的準備等都有了新的認識。在打磨試樣的過程中，讓我們學會了如何打磨試樣以及怎樣才能將試樣磨得很光，怎樣進行拋光，怎樣防止拋光時試樣的升溫等書上學不到的知識。 通過此次畢業(yè)設計，不 僅是我們的動手能力有進一步的提高，最重要的是使我們掌握了一種研究的方法即：正交回歸實驗方法?？梢允刮覀兪煜た蒲许椖康娜^程，掌握較全面的科研方法。并通過親自動手操作，鍛煉了學生的動手能力、獨立思考問題的能力，從而對本專業(yè)的基礎理論和實際操作有機的結(jié)合起來。 2.1 準備工作 截取 27 個試樣，用打號的鋼錐分別對其編號，以便分別不同熱處理溫度下的兩次零保溫淬火溫度對 20MnV 鋼組織、性能的影響 - 6 - 鋼，為以后的實驗做準備。核對工件數(shù)量，并檢查工件。明確淬火的要求：如淬火溫度等。 根據(jù)淬火要求，選用適當?shù)墓ぞ邐A。裝爐時允許不同材質(zhì)但是具有相同加熱溫度的工件裝入同一爐中 加熱。入爐工件需干燥、無油污及其它臟物。在箱式爐中加熱時，一般單層排列。加熱時可直接裝入調(diào)至淬火溫度的爐中加熱，工件出爐時不可用鉗子直接夾實驗面。冷卻方法為水冷。 2.3 熱處理進行方案 2.3.1 正火 將 27 個 20MnV 鋼試樣放入箱式爐中加熱到 880 ，保溫 20 分鐘，在空氣中冷卻。 2.3.2 一次淬火 將正火后的 27 個試樣分成 3 組，每組 9 個試樣， 3 組試樣分別加熱到 920， 870 ， 820 ，保溫約 1 分鐘，取出淬火。 2.3.3 二次淬火 在一次淬火的三組試樣中，每組中取出 3 個試樣，分別加熱到 890， 840， 790進行淬火。 2.3.4 回火 對處理完的所有試樣進行回火，回火的溫度為 630（零保溫、空冷）。 2.4 測硬度及拍照 2.4.1 準備工作 熱處理后的試樣冷卻后，用粗砂紙打磨，使試樣表面平整，且無氧化皮和油污等；試樣形狀應能保證實驗面與硬度計壓頭軸線垂直，測量時應盡量沿著過試樣圓心的直線方向測量。如果測量的地方有小的凹槽或未去掉的氧化皮，應該繞過或者在就近的地方測量，以保證測量出來的數(shù)據(jù)可靠。 2.4.2 測洛氏硬度 洛氏硬度法壓痕較小，可測量硬度較高，可直接讀數(shù)，操作方便、 效率高，故為熱處理產(chǎn)品檢驗的主要方法之一。洛氏硬度測試法采用壓入法，其原理見圖 1。在測量時，每個試樣上測 5 個點。應注意在測量時加壓時要緩慢進行，不要過快，否則容易損壞儀器且測量的值誤差也較大。 河南理工大學 本科 畢業(yè)論文 - 7 132132圓角錐壓頭圖 1、洛氏硬度試驗方法的原理 Fig.1 The principle of Rockwell test 在初始試驗力及總試驗力的先后作用下，將壓頭（金剛石圓錐體或鋼球）壓入試樣表面，經(jīng)規(guī)定保持時間后卸載，用測量的殘留壓痕深度增量計算硬度值（表面洛氏硬度只 是試驗載荷較輕， C 值較?。?HR= K（ h3h1） /C 式中 K 常數(shù)（鋼球： 0.26，金剛石圓錐： 0.2） h1 預加載荷 10kgf 壓入深度（ mm） h3 試樣上留下的最后深度（ mm） C 硬度計刻度盤上每一小格所代表的壓痕深度（ mm），洛氏硬度為0.002，表面洛氏硬度為 0.001。 注：本次試驗采用的是金剛石圓錐壓頭，其頂角為 120。 2.4.4 拍照 拍金相照片應用黑白膠卷。將制備好的試樣放在金相顯 微鏡下調(diào)試出清晰的金相組織，然后拍照，以備金相組織分析用。在拍照時應盡量選用組織清晰且硬度值接近平均硬度值的試樣。 兩次零保溫淬火溫度對 20MnV 鋼組織、性能的影響 - 8 - 第 三 章 金屬試樣的制備 3.1、取樣 3.1.1 對熱處理試樣的制備 熱處理試樣為指導老師備好的試驗材料，其尺寸為 d18*20mm。 3.1.2 硬度測試的準備 對熱處理后的試樣，選擇一面進行粗磨，粗磨在粗砂紙上磨就可以了。在磨試樣時，要保證試樣和砂紙垂直，以便確認其劃痕是否被磨盡，粗磨時應把試樣表面的氧化皮磨掉，以保證測得的硬度值準確、可靠。 3.2、磨光與拋光 3.2.1 金像觀察用 試樣的制備 磨光 磨光是為了得到平滑光潔的磨面。首先選取磨面，再進行粗磨和細磨，粗磨一般將試樣表面的氧化皮磨掉并使試樣平坦光潔即可，它只是為精磨做準備。試樣粗磨后要倒角，以免劃破精磨時用的試紙，磨試樣時要從粗砂紙到細紗紙一級一級的磨下來，這樣才能保證磨出來的試樣很光潔，并且每次換砂紙時都要將試樣轉(zhuǎn)九十度，然后再磨，這樣可使試樣達到最佳的光潔度。 拋光：拋光的目的是為了消除試樣細磨時留下的微小痕跡，從而得到光亮無痕的鏡面，使組織更易于觀察。按照拋光的原理可以分為機械拋光，電解拋光和化學拋光等。其中本次 試驗用的是機械拋光，它是在專用的金相拋光機上拋光。拋光機由電動機帶動，拋光盤上墊有拋光布，拋光時應不斷往布上灑三氧化二鋁粉末的水溶液，這樣可以防止拋光布的過度磨損，也可以加快試樣的拋光速度并且可以防止試樣溫度升得過高而影響其性能。 3.2.2 腐蝕 拋光后試樣的磨面除了非金屬夾雜物和一些裂紋、孔洞的痕跡外，在光學顯微鏡下是看不到任何組織的，為了使其組織顯示出來，我們必須對磨面進行腐蝕，由于合金中不同相的耐腐蝕程度不同，因此腐蝕后就會在表面行成凹凸不平的痕跡，他們對光線的反射程度不 同， 因此在顯微鏡下就看見了 其組織構(gòu)河南理工大學 本科 畢業(yè)論文 - 9 成。值得注意的是腐蝕時間掌握一定要恰當，腐蝕時間過短不能顯示其組織，腐蝕時間過長則一團漆黑，什么也看不見。腐蝕完之后將腐蝕劑沖洗干凈，然后放到純酒精中浸泡片刻以防止試樣生銹，從酒精里拿出來后用吹風機吹干再保存或者直接照金相照片。 兩次零保溫淬火溫度對 20MnV 鋼組織、性能的影響 - 10 - 第 四 章 實驗方法 4.1.材料及數(shù)據(jù)處理方式 27 個 20MnV 鋼試件，其化學成分見表 1。 表 1 20MnV 鋼的化學成分 Tab.1 Chemical composition of 20 MnV steel % 不同合金元素的 B GB3077-1988 數(shù)值 實際結(jié)果 (C) 0.170.23 0.23 (Si) 0.170.33 0.23 (Mn) 1.201.50 1.50 (V) 0.070.12 0.12 (S) 0.031 0.020 (P) 0.031 0.031 數(shù)據(jù)處理方式： 選取三個不同的一次淬火溫度 (920、 870、 820 )和三個不同的二次淬火溫度 (790、 840、 890 )，見表 2。選取 870作為試驗的淬火溫度基水平。二次淬火溫度基水平選取 840。一次淬火溫度和二次淬火溫度的試驗水平見表 3。 各試樣的熱處理工藝及編號見表 2。 河南理工大學 本科 畢業(yè)論文 - 11 表 2 熱處理工藝及編號 Tab.2 Experimental paramenters and seial numbers of each sample 表 3 淬火溫度的試驗水平 Tab.3 Test standard of quenching temperature 因素 淬火溫度 / 二次淬火溫度 / 編碼 變量標記 X1 X2 下水平 820 790 -1 上水平 920 890 +1 基水平 870 840 0 間距 50 50 試驗號 第一次淬火溫度（） 第二次淬火 溫度 （） 1 2 3 4 5 6 7 8 9 820 870 920 820 870 920 820 870 920 790 790 790 840 840 840 890 890 890 兩次零保溫淬火溫度對 20MnV 鋼組織、性能的影響 - 12 - 表 4 正交表 L9 (32 ) Tab.4 The orthogonal table 設計矩陣 系數(shù)矩陣 號碼 x1x2x0x1x2x3x4x5y 1 -1 -1 1 -1 -1 1 1 1 2 0 -1 1 0 -1 -2 1 0 3 1 -1 1 1 -1 1 1 -1 4 -1 0 1 -1 0 1 -2 0 5 0 0 1 0 0 -2 -2 0 6 1 0 1 1 0 1 -2 0 7 -1 1 1 -1 1 1 1 -1 8 0 1 1 0 1 -2 1 0 9 1 1 1 1 1 1 1 1 Bj =xji yi aj= x2ji bj =Bj /aj Qj =bj Bj 注：表 4 中 x3=3(x21-32); x4=3(x22-32); x5=x1 x2. 河南理工大學 本科 畢業(yè)論文 - 13 表 5 方差檢驗計算表 Tab.5 Caculating table of varance test 注：表 5 中 Qj= 21jK +Kj20+Kj21; Sj=Qj-CT;CT= 2T /9; T=Yi 號碼 因素 x1x2e yi 1 -1 -1 -1 2 0 -1 0 3 1 -1 1 4 -1 0 1 5 0 0 -1 6 1 0 0 7 -1 1 0 8 0 1 1 9 1 1 -1 K j1 Kj0 Kj1 21jK T Kj20 Kj21 Qj Sj 兩次零保溫淬火溫度對 20MnV 鋼組織、性能的影響 - 14 - 表 6 方差檢驗表 Tab.6 Table of varance test 方差來源 偏方差平方和 S 自由度 f 平均偏差平方和 S/f F x1 Sx1 2 Sx1 / fx1 (Vx1 ) x2 Sx2 2 Sx2 / fx2 (Vx2 ) 誤差 (e) Se fe =4 Se /fe (Ve ) 總和 (T) Sx1 +Sx2 +Se 8 注：表 6 中 Fx1 =Vx1 /Ve ;Fx2 =Vx2 /Ve 4.2 兩因素三水平正交回歸試驗設計方法 4.2.1 正交設計方差分析的步驟 計算離差的平方和 計算自由度 計算平均離差平方和 在計算因素離差的平方和時，它們都是若干項平方的和，它們的大小與項數(shù)有關，因此不能確切地反映各因素的情況，為了消除項數(shù)的影響，我們計算它們的平均差的平方和。 求 F 比 將各因素的平均離差的平方和與誤差的平均離差平方和相比，得出 F 值。這個比值的大小反映了各因素對試驗結(jié)果影響的大小。 對因素進行顯著性檢驗 給出檢驗水平 ，從分布表中查出臨界值 F。將在中算出的 F 值與該臨界值比較，若 FF，說明該因素對試驗結(jié)果的影響顯著，兩數(shù)差別越大，說明該因素河南理工大學 本科 畢業(yè)論文 - 15 的顯著性越大。 4.2.2 雙因素試驗的方差分析 多因素試驗中最簡單的是雙因素試驗。在雙因素試驗中，每個因素對試驗都有各自單獨的影響，同時還存在著兩因素聯(lián)合的影響，這種聯(lián)合影響叫交互作用。 4.2.3 混合水平的正交試驗設計 在實際問題中，由于具體情況不同，有時各因素的水平數(shù)是不相同的，這就是混合水平的多因素試驗問題。 4.2.4 多元線性 回歸簡介 在實際問題中經(jīng)常遇到隨機變量與多個普通變量 x1， x2， ， xk(k2)有關的情況，對于自變量 x1， x2， xk的一組確定的 Y 值有它的分布，如果 E(Y)存在，它一定是的 x1， x2， xk 函數(shù)，記為 (x1， x2， xk)，求 (x1， x2， xk)問題就是多元回歸問題。多元線性回歸模型 y=b0+b1x1+b2x2+ +bkxk+ N(0， 2) 其中 b0， b1， b2， bk， 2 都是未知參數(shù)。 4.3 20MnV 鋼簡介 20MnV 鋼相當于 20CrNi 鋼 ，用于制造鍋爐、高壓容器及管道的材料，它亦是礦用圓環(huán)鏈專用鋼， 合金元素對鋼性能的影響： 錳（ Mn）是良好的脫氧劑和脫硫劑。因此，鋼中含 0.30 0.50的錳是 正 常的。在碳鋼中加入 0.7 1.8或以上錳時，就算是特殊鋼“錳鋼”了。這種含錳量較高的碳素鋼的性能要比一般含錳量的好得多，不但有足夠的韌性（在適當?shù)臒崽幚項l件下，且有較高的強度和硬度，能提高鋼的淬透性，改善鋼的熱加工性能。故在低合金鋼中，含錳鋼種發(fā)展十分迅速。但錳能使鋼的抗腐蝕能力減弱，對鋼的焊兩次零保溫淬火溫度對 20MnV 鋼組織、性能的影響 - 16 - 接性能也有不利影響。 釩（ V）是我 國富有元素之一，也是目前發(fā)展新鋼種最常用的合金元素之一。它和碳、氮、氧都有極強的親和力，與之形成相應的極為穩(wěn)定的化合物。少量的不到 0.5的釩能細化鋼的晶粒，提高鋼的強度、屈強比和韌性，改善鋼的焊接性能，也能增加鋼的熱強性和對蠕變的抗力。此外，釩對碳的固定作用還可以提高鋼在高溫、高壓下的抗氫侵蝕能力。但是，釩總是和其它合金元素如錳、鉻、鎢、鉬等配合使用。但釩含量不宜過高，過高則降低鋼的韌性，不利于鋼的蠕變性能的提高。 20MnV 鋼用于生產(chǎn)直徑不大于 20mm 的圓環(huán)鏈，淬透性較好，但生產(chǎn)更大的圓環(huán)鏈還 需試制淬透性更好的鋼。 河南理工大學 本科 畢業(yè)論文 - 17 第 五 章 實驗的理論準備 5.1 熱處理簡介 熱處理是將鋼在固態(tài)下加熱到預定的溫度，保溫一定的時間，然后以預定的方式冷卻到室溫的一種熱加工工藝。熱處理可以改變鋼的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，提高鋼的使用壽命，節(jié)約材料和能源。正確的熱處理工藝還可以消除鋼材經(jīng)鑄造，鍛造，焊接等熱加工工藝造成的各種缺陷，細化晶粒、消除偏析、降低內(nèi)應力等。 5.1.1 奧氏體的形成過程 鋼加熱時奧氏體的形成過程一般都是以下幾方面：奧氏體形核、 奧氏體長大、剩余滲碳體的溶解和奧氏體的均勻化過程。 5.1.2 鋼的正火 為了保證實驗的準確性，達到試驗預期的目的，在實驗前對所有的試樣進行了正火。正火是將鋼加熱到 Ac3（對于亞共析鋼）或 Ac1（對于過共析鋼）以上適當溫度，保溫一定時間，使之奧氏體化，然后再空氣中冷卻，可得到珠光體組織的熱處理工藝。 本次實驗用的 20MnV 鋼先進行了 880的正火（保溫 20 分鐘，空冷），正火后得到的組織是索氏體加上鐵素體。 5.1.3 鋼的淬火 淬火是將鋼加熱到臨界點 Ac3 或 Ac1 以上一定的溫度，保溫一定的時間，然后以大 于臨界淬火速度的速度冷卻，是過冷奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體組織的熱處理工藝。一般淬火得到的組織是馬氏體，此外，還有少量的殘余奧氏體。本次實驗采用的使兩次淬火，第一次淬火的溫度分別為 920、 870、 820，淬火后都得到馬氏體組織。第二次淬火所用的溫度為 890、 840、 790。由于淬火態(tài)的鋼在 A1 以下升溫加熱過程中已經(jīng)分解為微細的粒狀珠光體組織，分散度很大，相界面很多，因此轉(zhuǎn)變速度較快，則奧氏體的形成速度也很快，而奧氏體形成速度的加快使得奧氏體的晶粒有所細化。因此再次淬火時得到細 小 的馬氏體。 5.1.4 鋼的 回火 由于淬過火的鋼脆而且硬，一般不直接應用到工業(yè)生產(chǎn)當兩次零保溫淬火溫度對 20MnV 鋼組織、性能的影響 - 18 - 中，經(jīng)過回火的鋼具有良好的綜合性能。本次實驗采用的是 630高溫回火，這種回火主要是為了得到強度、塑性、韌性都較好的綜合機械性能。一般習慣將淬火加高溫回火相結(jié)合的熱處理稱為調(diào)質(zhì)處理。調(diào)質(zhì)處理廣泛應用于各種重要的結(jié)構(gòu)零件，特別是在交變負荷下工作的連桿、螺栓、齒輪及軸類等 .調(diào)質(zhì)處理后得到回火索氏體組織，它的機械性能均比相同硬度的正火索氏體組織更優(yōu)，它的硬度取決于高溫回火溫度并與鋼的回火穩(wěn)定性和工件截面尺寸有關，一般在 HBS200350 范圍。經(jīng)過高溫回火 得到的回火索氏體組織，它是一種鐵素體和粗粒狀滲碳體的機械混合物。 5.2 實驗所采用的方法 試驗設計方法是數(shù)理統(tǒng)計學的應用方法之一。試驗設計是研究如何合理而有效地獲得數(shù)據(jù)資料的方法，它的主要內(nèi)容是討論如何合理地安排試驗，取得數(shù)據(jù)，然后進行綜合的科學分析，從而達到盡快獲得最優(yōu)方案的目的。在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、科學試驗和經(jīng)營管理中，經(jīng)常要進行各種試驗。如果試驗安排得好，且分析恰當，就能以較少的試驗次數(shù)、較短的試驗時間、較低的費用，得到較滿意的試驗結(jié)果。 本次實驗采用的是回歸正交設計法，將回歸分析與正交設計有機 地結(jié)合起來。實驗結(jié)果經(jīng)數(shù)據(jù)處理，得出兩次淬火溫度對 20MnV 鋼硬度、抗拉強度影響規(guī)律的數(shù)學表達式。對實驗結(jié)果進行以下顯著性檢驗：一是方差檢驗，檢驗各因素影響的顯著性，評價實驗結(jié)果的可靠性；二是回歸方程的顯著性檢驗，評價數(shù)學模型的可信度。 5.3 .淬火與零保溫淬火 淬火是將工件加熱到 Ac1 或 Ac3 線以上 30 到 50 ，保溫一定時間后快速冷卻的一種熱處理方法。對于亞共析碳鋼 ，淬火加熱溫度為 Ac3+30 50 ， 共析及過共析鋼加熱溫度為 Ac1+30 50，一般合金鋼淬火溫度為 Ac1 或 Ac3+30 50，高 速鋼及不銹鋼的淬火加熱溫度應根據(jù)要求和合金碳化物溶入奧氏體的多寡加以河南理工大學 本科 畢業(yè)論文 - 19 選定。在某些情況下，為了減少變形可采用冷卻能力較小的冷卻介質(zhì)，為了保證一定的淬硬深度。此外，還有為了提高鋼種的強、韌性而選用新工藝淬火加熱溫度，如亞溫淬火和高溫淬火等。 現(xiàn)行的熱處理工藝在生產(chǎn)中常用加熱系數(shù)來間接估算加熱時間，該時間是按工件入爐后儀表指示溫度到溫時開始計算的。 =a k d 式中 k-加熱系數(shù)（ min/mm）。 D-零件有效厚度， a-零件裝爐等修正系數(shù)。近年來研究工作者普遍認為傳統(tǒng)的保溫時間計算公式推薦的系數(shù)偏 于保守，在實際工作中可根據(jù)實際情況適當縮短保溫時間。 淬火加熱時冷卻方式有多種，最簡單的方法是單液淬火法，這種冷卻方法的特點是采用單一的淬火介質(zhì)進行冷卻。要保證淬火后獲得足夠的淬硬層，且避免開裂、減少開裂應采用雙液淬火法等好的方法。為了減少內(nèi)應力、變形，開裂的趨勢，可選用分級淬火法，這種淬火方法加工出來的工件內(nèi)應力一般較小，它適合于形狀復雜的工件或?qū)π螤?、尺寸要求較嚴格的工件。此外，還有等溫淬火、復合淬火、局部淬火等淬火方法對消除工件的內(nèi)應力有一定的幫助。總之，淬火介質(zhì)的選擇應根據(jù)工件尺寸的大小、形狀的復雜 性、淬火后的性能要求等多方面的因素進行選擇，一方面使工件處理出來符合要求，另一方面使操作工藝盡量簡便。 由于熱處理能耗絕大部分用于加熱和保溫，因此為了降低能耗，降低產(chǎn)品成本，應在滿足熱處理質(zhì)量的前提下盡可能降低加熱溫度，縮短保溫時間。隨著科學技術(shù)的發(fā)展，眾多學者通過大量的實驗證明和理論分析，得出零保溫熱處理是可行的，傳統(tǒng)的奧氏體化理論認為，工件加熱過程中的燒透、奧氏體晶核的形成和長大，剩余滲碳體的溶解和奧氏體的均勻化等過程需要較長時間的保溫。工件在熱處理過程中需要總的時間 總 = s+ t+ b， s 是工件入 爐以后到其表面加熱到所需溫度的時間。他是一個傳熱學問題，與加熱介質(zhì)、加熱方法、工件外形尺寸等因素有關。 t 是工件的均溫時間。由于熱量的傳遞需要一定的時間，因此工件的心部和表面兩次零保溫淬火溫度對 20MnV 鋼組織、性能的影響 - 20 - 會產(chǎn)生一定的溫差。但實際上，由于鋼的導熱系數(shù)很高，對于一般中小件加熱，這個溫差只存在很短的時間，所以可以認為在一般情況下，對于中小工件來說 t 的值為零。 b 為冶金學加熱時間，即完成組織轉(zhuǎn)變、碳化物溶解，奧氏體均勻化等過程所需要的時間。關于這方面的問題，日本學者大和 久 重雄認為， b 可以很短甚至可以為零，這樣淬火后可以獲得極細板條狀的馬氏體 組織，對 鋼 的機械性能大有好處。所以可以根據(jù)工件的材質(zhì)、組織等合理的選擇 b 的大小，甚至為零。這樣對于中小尺寸的工件即為 總 = b。 淬火加熱時的組織狀態(tài)決定淬火后的組織性能，淬火加熱速度、溫度和時間是決定奧氏體狀態(tài)的基本參數(shù)。有關學者分析指出，改變影響奧氏體狀態(tài)的溫度和時間，獲得不均勻的奧氏體可以提高產(chǎn)品的質(zhì)量和節(jié)約能源。傳統(tǒng)的時間概念過度的強調(diào)均溫過程，即工件表面和心部溫度達到一樣高的過程，嚴格的講溫差的確存在，特別對于大型工件更不可忽略，但對于小的工件，由于鋼的導熱系數(shù)極高，我們可以認為溫差不存在。 有 種種理論分析和大量的實驗研究可以得出淬火加熱的保溫時間可以為零，即工件表面達到淬火溫度后應立即冷卻處理，因此叫“零保溫”淬火熱處理。這樣處理后，不僅節(jié)約了能源、提高了勞動生產(chǎn)率，而且省去了傳統(tǒng)淬火工藝中工件熱透和組織轉(zhuǎn)變所花費的額外時間，也可以消除工件在保溫過程中產(chǎn)生的氧化、脫碳等缺陷，有利于產(chǎn)品質(zhì)量的提高。本次畢業(yè)設計實驗了“零保溫”條件下，不同的淬火溫度對 20MnV 組織和性能的影響，對“零保溫”淬火的可行性進行了論證。 傳統(tǒng)加熱時間的計算法，盡管各種資料有所差別，但總的是以有效厚度 (柱狀零件指直徑，板狀 零件指厚度，管狀零件指壁厚 )為基準進行計算的，即 t=K*a*D.然而工件在爐內(nèi)的加熱速度實際上決定于受熱面積和工件體積的比值，即 F/V.只有在工件無限長，由于端面受熱可以忽略不計，上述公式才是正確的。實際上，絕大部分工件端面受熱是不容忽略的。而其它尺寸不同的零件加熱時，到溫的時間相差很大 .板件相差 3 倍，柱件相差 1.5 倍，管狀件相差 2 倍。 河南理工大學 本科 畢業(yè)論文 - 21 另外，在以前對“加熱時間”概念中，往往過分的強調(diào)了“均熱”的過程，也就是工件表面到溫后，還必須有一定的時間通過熱傳導，使心部也達到相同溫度。不過實際上由于鋼的導熱系數(shù)非常大 ，而一般的加熱爐加熱速度均比較緩慢，這個“ 均熱 時間僅僅是瞬間的事 .不論是理論計算還是試驗測定，都已證實對于傳熱學上的薄件來說，所謂“均熱”時間是極短的，可以忽略不計 .例如通過計算可知在空氣爐中直徑 (或板厚 )在 280mm 以內(nèi)的零件，均可視為薄件。因而可以認為大部分熱處理零件均可看成薄件而忽略均熱時間。另外，我們通常的熱處理加熱總是在臨界線以上 3050，即使心部與表面相差 1020，也不會對淬火后性能有什么影響。何況限于淬透性，過大的零件也是不可能完全淬透的 .總之，過分強調(diào)“均熱 而盲目增加保溫時間是不 合理的。在緩慢加熱條件下，表面到溫就可以認為心部也已到了淬火溫度。 最后，傳統(tǒng)工藝往往過分強調(diào)工件到溫后，為了完成組織轉(zhuǎn)變、碳化物的溶解和奧氏體均勻化所需的時間，即 t 保 。不同的資料分別規(guī)定了保溫時間不得少于總加熱時間的 1/2， 1/3 或 1/5。這些規(guī)定并沒有確實的依據(jù)。實際上組織轉(zhuǎn)變的時間很短，而淬火加熱溫度又在相變溫度點以上 3050。例如 45 鋼的 Ac3 為 780，通常的淬火加熱溫度為 810840 .但實驗表明，鐵素體消失的時間僅在 10 秒以內(nèi)。而且這還是等溫形成奧氏體的情況。實踐中奧氏體是在連續(xù) 加熱過程中形成的。一般設備加熱升高這幾十度 (超過臨界溫度的數(shù) )所需的時間，對于補償奧氏體形成時間是綽綽有余的。因此，完全可以認為在加熱到溫時已全部奧氏體化。 碳化物的溶解和奧氏體的均勻化，則需要較長的時間。碳化物完全溶解大約需要一個小時，而奧氏體要達到完全均勻化，甚至三個小時還不夠。問題在于熱處理淬火加熱時，只需要碳化物的溶解和奧氏體的均勻化達到一定的程度，而達到這種必要程度的時間是很短的。實際上保留一部分碳化物，和采用不均勻奧氏體淬火，對零件的性能更為有利。這是因為在珠光體轉(zhuǎn)變成為奧氏體剛結(jié)束時， 鋼中還殘留有一些未溶解的碳化物。當然，由于碳化物僅部分溶解，新生奧氏體的含碳量還低兩次零保溫淬火溫度對 20MnV 鋼組織、性能的影響 - 22 - 于鋼中的平均含碳量，不過淬火硬化并不需要奧氏體被碳化物的碳所完全飽和，一般說來，馬氏體中固溶碳達到 0.55%就可以了。由于奧氏體初形成時的碳濃度梯度大，根據(jù)費克定律，碳擴散很快，要達到淬火的目的，有試驗證明僅需要一分鐘左右即可，至于亞共析鋼，因為碳化物顆粒是在鐵素體完全消失前消失，因此奧氏體中的均勻化是在 A-F 混合物內(nèi)順利進行的，開始時速度很快，以后隨著濃度梯度的降低逐步緩慢，不過最后的均勻化是不重要的。有實驗表明對于含碳 1%的鋼在870加熱時， 10 秒內(nèi)碳化物溶解達 80%，而繼續(xù)保溫一個小時也不能使其全部溶解。最近還有研究認為，奧氏體化至鐵素體剛消失時，奧氏體內(nèi)具有最大的碳濃度不均勻范圍和最低的平均碳濃度，并且此時的奧氏體晶粒還未長大，從而有益于增加淬火組織中板條馬氏體的比列，使碳鋼韌化。加熱速度越快，碳濃度不均勻范圍增大，更有利于細化組織和獲得更多的韌性板條馬氏體。若改善鋼的原始組織，在鐵素體基體上分布有均勻細小球狀碳化物時則效果更加明顯。 總而言之，對于組織轉(zhuǎn)變，碳化物溶解和奧氏體均勻化所需要的時間 (t 保 )應當進行 分析，對于不含過剩碳化物的鋼， t 保 可以看為零或只保溫極短的時間就夠了。而對于含過剩碳化物的鋼，也只需要較短的保溫時間就夠了。 由于受到上述傳統(tǒng)思想的束縛，傳統(tǒng)加熱時間計算往往是寧長勿短。直徑100mm*760mm 工件，入爐 60 分鐘就已到溫，而按傳統(tǒng)算法加上爐溫回升時間，一共加熱 180 分鐘，不僅浪費了大量的能源，降低了生產(chǎn)率。而且，由于加熱時間長，也使得材料表面嚴重氧化和脫碳，使淬火后硬度下降。 熱處理加熱時間的保守性和不嚴格，還體現(xiàn)在退火加熱時間和回火加熱時間的計算上。以前對于回火加熱時間很 不嚴格，一般計算按 25mm/小時，實際生產(chǎn)中對于碳鋼一般保溫 12 小時，合金鋼保溫 1.53 小時。實際上在很多情況下，并不需要這么長的時間。 河南理工大學 本科 畢業(yè)論文 - 23 第 六 章 數(shù)據(jù)處理 6.1 原始數(shù)據(jù) 表 7 20MnV 鋼的硬度值 Tab.7 The test result of hardness of 20MnV 初次淬火溫 度 二次淬火溫 度 測 量 值 HRC 820 790 23.0 23.5 18.5 16.5 24.0 18.0 19.0 18.0 16.0 17.5 21.5 23.0 21.5 21.5 19.5 840 30.0 24.5 27.5 26.5 22.5 29.5 29.0 25.0 25.0 31.5 23.0 24.0 22.0 24.5 25.0 890 30.5 28.5 25.0 28.0 28.0 38.0 31.0 30.5 35.0 37.5 30.5 28.0 29.0 28.5 28.5 870 790 26.5 22.5 21.0 23.0 21.5 19.5 20.0 20.5 20.0 20.0 20.5 20.0 22.5 21.5 23.0 840 25.5 28.0 29.0 27.0 29.0 25.5 22.0 29.5 28.0 28.5 28.0 25.0 22.0 27.0 25.5 890 31.5 31.0 31.0 33.0 31.0 29.5 32.0 30.0 34.0 32.0 30.0 28.0 30.0 33.0 29.5 920 790 22.0 23.0 25.0 22.0 24.0 19.5 19.5 16.5 16.0 18.0 22.0 26.0 27.5 31.0 30.0 840 29.5 25.0 23.0 26.0 26.5 26.0 25.5 22.5 31.0 32.0 32.0 20.0 27.0 24.0 34.0 890 29.2 28.5 32.0 32.0 30.5 32.2 31.5 32.0 30.5 35.0 33.0 28.0 30.0 32.0 32.5 兩次零保溫淬火溫度對 20MnV 鋼組織、性能的影響 - 24 - 注：表 7 中所有試樣的回火溫度均為 630，淬火 溫度單位都為 : 表 8 20MnV 鋼的強度值 Tab.8 The test result of tensile strength of 20MnV 淬火溫度（） 強度 b（ Mpa） 820 790 753 736 761 840 847 892 797 890 892 1067 915 870 790 788 736 761 840 880 826 837 890 980 980 940 920 790 788 736 880 840 847 880 880 890 953 993 966 河南理工大學 本科 畢業(yè)論文 - 25 6.2 數(shù)據(jù)的處理過程 表 9 20MnV 鋼硬度的平均值 Tab.9 The average value of hardness of 20MnV 表 10 20MnV 鋼強度的平均值 Tab.10 The average value of tensile strength of 20MnV 淬火溫度 （） 硬度（ HRC） 820 790 20.1 840 25.9 890 30.4 870 790 21.5 840 26.1 890 31.0 920 790 22.8 840 26.9 890 31.2 溫度 （） 強度 b（ Mpa） 820 790 750.0 840 845.3 890 958.0 870 790 761.7 840 847.7 890 966.7 920 790 801.3 840 869.0 890 970.6 兩次零保溫淬火溫度對 20MnV 鋼組織、性能的影響 - 26 - 表 11 20MnV 鋼正交計算表（硬度） Tab.11 the orthogonal calculate of 20MnV（ hardness） 注：表 11 中 X3=3（ X12 2/3） X4= 3（ X22 2/3） 得出回歸方程： HRC=(b0-2b3-2b4)+b1x1+b2x2+3b3x12+3b4x22+b5x1x2 帶入值得： HRC=26.276+0.75 x1+4.7 x2+0.018 x12-0.132 x22-0.475 x1x2 其中： x1 與 x2的值都屬于區(qū)間 -1， +1。 設 計 矩 陣 系 數(shù) 矩 陣 號碼 X1 X2 X0 X1 X2 X3 X4 X5 Yi 1 2 3 4 5 6 7 8 9 -1 0 1 -1 0 1 -1 0 1 -1 -1 -1 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 -1 0 1 -1 0 1 -1 0 1 -1 -1 -1 0 0 0 1 1 1 1 -2 1 1 -2 1 1 -2 1 1 1 1 -2 -2 -2 1 1 1 1 0 -1 0 0 0 -1 0 1 20.1 21.5 22.8 25.9 26.1 26.9 30.4 31.0 31.2 B= XjiYi B0 B1 B2 B3 B4 B5 Yi2 =6320.3 235.9 4.5 28.2 0.1 -0.8 -1.9 Aj= Xji2 a0 a1 a 2 a 3 a 4 a 5 9 6 6 18 18 4 bj= Bj/aj b 0 b 1 b 2 b 3 b 4 b 5 26.2 0.75 4.7 0.006 -0.044 -0.475 Qj= bjBj Q0 Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 6182.9 3.375 132.54 0.0006 0.0352 0.903 河南理工大學 本科 畢業(yè)論文 - 27 表 12 20MnV 鋼方差檢驗計算表（硬度） Tab.12 Variance test and calculation of 20MnV（ hardness） 因素 號碼 X1 X2 e y 1 -1 -1 -1 20.1 2 0 -1 0 21.5 3 1 -1 1 22.8 4 -1 0 1 25.9 5 0 0 -1 26.1 6 1 0 0 26.9 7