热处理毕业设计组织遗传

中国矿业大学本科生毕业设计姓名马建兴学号14095610学院材料科学与工程学院专业材料科学与工程专业设计题目冷拔管原始坯料热处理工艺优化专题指导教师王温银职称高级工程师二O一三年六月徐州中国矿业大学毕业设计任务书学院材料科学与工程学院专业年级材料科学2009级学生姓名马建兴任务下达日期2013年2月20日毕业设计日期2013年2月20日至2013年6月12日毕业设计题目冷拔管原始坯料热处理工艺优化毕业设计专题题目毕业设计主要内容和要求1查阅有关文献，不少于30篇，完成文献综述一般部分；2冷拔管冷拔之前要进行退火处理，以提高冷拔时的塑性，实际冷拔管的原始坯料是热轧管，其中的显微组织很不均匀，如何得到最佳的组织形态是本次研究的重点。通过热处理工艺，金相分析，硬度试验等分析方法，研究找到最佳的热处理工艺。3翻译一篇英文文献。院长签字指导教师签字中国矿业大学毕业设计指导教师评阅书指导教师评语（基础理论及基本技能的掌握；独立解决实际问题的能力；研究内容的理论依据和技术方法；取得的主要成果及创新点；工作态度及工作量；总体评价及建议成绩；存在问题；是否同意答辩等）成绩指导教师签字2013年6月10日中国矿业大学毕业设计评阅教师评阅书评阅教师评语（选题的意义；基础理论及基本技能的掌握；综合运用所学知识解决实际问题的能力；工作量的大小；取得的主要成果及创新点；写作的规范程度；总体评价及建议成绩；存在问题；是否同意答辩等）成绩评阅教师签字2013年6月10日中国矿业大学毕业设计答辩及综合成绩答辩情况提出问题回答问题正确基本正确有一般性错误有原则性错误没有回答答辩委员会评语及建议成绩答辩委员会主任签字年月日学院领导小组综合评定成绩学院领导小组负责人年月日摘要冷拔管在冷拔之前需进行适当的热处理，以提高冷拔时的塑性。而实际冷拔管的原始坯料是热轧管，其中的显微组织很不均匀，通常伴有带状组织、魏氏组织、晶粒大小不均匀等缺陷。本次实验的目的就是寻找最佳的热处理工艺来消除这些缺陷，使45钢热轧试样得到均匀的FP组织。对A、B两批次原始试样进行不同加热温度、保温时间的正火和退火，通过比较正火、直接完全退火以及先正火再完全退火的试样显微组织的差异，比较先正火再去应力退火与直接正火的试样显微组织、性能的差异。分析结果表明（1）780加热，保温30MIN，正火可以完全消除原始试样的带状组织，而完全退火后带状组织基本没有得到改善；（2）试样正火后得到的均匀的FP组织，经完全退火后，带状组织又重新出现；（3）加热温度越高，魏氏组织铁素体越严重；（4）正火后的试样经650去应力退火后，层片状P转变为粒状P。因此，研究认为，对两批45钢热轧管经过780加热，保温30MIN，正火，再经650加热，保温60MIN去应力退火后，其显微组织得到明显改善带状组织、魏氏组织完全消除，得到均匀的F粒状P组织，具有较好的塑性。关键词热轧；冷拔；正火；完全退火；去应力退火ABSTRACTCOLDDRAWNTUBESNEEDTOHAVEPROPERHEATTREATMENTBEFORECOLDDRAWING，INORDERTOIMPROVETHEPLASTICITYOFCOLDDRAWINGANDTHEACTUALCOLDDRAWNTUBEOFTHEORIGINALBILLETISHOTROLLEDTUBE，THEMICROSTRUCTUREISNOTUNIFORM，USUALLYACCOMPANIEDBYDEFECTSSUCHASBANDEDSTRUCTURE，WIDMANSTATTENSTRUCTURE，UNEVENGRAINSIZETHEPURPOSEOFTHISEXPERIMENTISTOFINDTHEBESTHEATTREATMENTPROCESSTOELIMINATETHESEDEFECTS，MAKINGOFHOTROLLED45STEELSAMPLEHAVINGAUNIFORMFPGROUPTWOBATCHESORIGINALSAMPLEA，BFORDIFFERENTHEATINGTEMPERATURE，HOLDINGTIMEOFNORMALIZINGANDANNEALINGCOMPARISONOFTHEMICROSTRUCTUREDIFFERENCEOFTHESAMPLESFORNORMALIZED，FULLANNEALINGDIRECTLYANDFIRSTNORMALIZINGANDANNEALINGCOMPLETELY，COMPAREFIRSTNORMALIZINGAGAINTOSTRESSANNEALINGANDNORMALIZINGDIRECTLYTHEMICROSTRUCTURE，PROPERTIESOFDIFFERENCETHEANALYSISRESULTSSHOWTHAT1780HEATING，HEATPRESERVATIONFOR30MIN，NORMALIZINGCANELIMINATECOMPLETELYTHEBANDEDSTRUCTUREINTHEORIGINALSAMPLE，ANDBANDEDSTRUCTUREBASICHASNOTBEENIMPROVEDAFTERANNEALINGCOMPLETELY2SAMPLESCANBEFORMTHEUNIFORMFPORGANIZATIONAFTERNORMALIZING，BUTBANDEDSTRUCTUREAPPEAREDAGAINAFTERCOMPLETEANNEALING3THEHIGHERTHEHEATINGTEMPERATURE，WIDMANSTATTENSTRUCTUREISMORESERIOUS；（4）AFTERSTRESSRELIEFANNEALINGAT650THESAMPLENORMALIZED，LAMELLARPLAYERINTOGRANULARPTHEREFORE，RESEARCHSHOWSTHETWOBATCHOF45STEELHOTROLLEDTUBEAFTER780HEATING，HEATPRESERVATIONFOR30MIN，NORMALIZING，THENAFTERSTRESSRELIEFANNEALINGBYTHE650HEATING，HEATPRESERVATION60MINTHEMICROSTRUCTUREISIMPROVEDSIGNIFICANTLYBANDEDSTRUCTURE，ANDWIDMANSTATTENSTRUCTUREISCOMPLETELYELIMINATED，OBTAINUNIFORMFGRANULARPGROUP，THEPLASTICISVERYNICE。KEYWORDSHOTROLLED；COLDDRAWING；NORMALIZING；FULLANNEALING；STRESSRELIEFANNEALING目录第1章绪论1145钢概述11145钢的化学成分及临界温度11245钢的性能21345钢的热处理22热轧无缝钢管概述321我国热轧无缝钢管的情况3211我国热轧无缝钢管的发展历史3212我国热轧无缝钢管的工业水平322热轧钢管3221热轧的定义3222无缝钢管热轧的优缺点323无缝热轧钢管生产的基本工艺4231穿孔4232轧管4233定减径424轧钢的几种形式4241横轧4242纵轧5243斜轧525轧制过程的三阶段5251咬入阶段6252稳定轧制阶段6253甩出阶段63冷拔钢管生产概述731国外冷拔技术动态732我国的冷拔技术冷拔生产的现状7321冷拔材产量低、品种少7322工艺水平落后833冷拔钢管834冷拔技术的优缺点835冷拔钢管的基本方式936冷拔钢管关键工序控制9361毛坯选材10362预处理工艺10363拔制过程中模具使用1137冷拔钢管常见缺陷及消除方法11371裂缝11372竹节12373抖纹12374椭圆124选题意义和研究内容12第2章实验目的及原理131实验目的132实验原理1321钢在加热时的组织转变13211奥氏体形核13212奥氏体晶核长大13213残余碳化物溶解14214奥氏体均匀化1422钢的冷却转变概述1423正火与退火工艺15231正火工艺15232退火工艺15233去应力退火1524带状组织16241带状组织的形成机理17242带状组织的危害17243带状组织影响因素及控制措施分析1725魏氏组织18251形成魏氏组织的热力学和动力学18252魏氏组织形成原因19253魏氏组织的危害及消除1926混晶组织19261混晶组织成因分析19262改善混晶组织的措施20第3章实验过程及结果分析201实验材料及仪器设备2011实验材料2012实验仪器设备212实验工艺流程213实验主要过程及结果分析2231正火实验2232完全退火实验2533重复性实验2834去应力退火实验304结论33参考文献34翻译部分36英文原文36中文翻译55致谢71中国矿业大学2013届本科生毕业设计论文第1页第1章绪论随着科学技术的发展，轧钢生产过程中质量已经不仅仅局限于产品外型和尺寸精确的控制，而是追求对产品内部微观组织和最终性能的更为精确的把握1。冷轧和热轧使同一种金属的组织发生了不同的变化从而金属的性能也发生了很大的差异。冷轧是变形温度低于金属再结晶温度的变形。由于变形温度低、金属内部的组织结构发生很大的变化、晶粒随着变形量的增加沿变形方向被拉长、当变形程度很大时晶粒变为纤维状、使金属性能呈现方向性。热轧是在再结晶温度以上进行的塑性变形。热轧时在金属中同时进行着两个过程一方面由于塑性变形而产生加工硬化，另一方面由于热轧的温度大大高于再结晶温度因此变形所引起的硬化又很快为随之产生的再结晶过程所消除。钢在热轧之后，是不能直接进行冷拔的。因为热轧后的组织很大程度上是不均匀的，而且还伴随着各种缺陷，常见的缺陷有带状组织、魏氏组织、晶粒大小不一等等。由于缺陷的存在，使得材料呈现各向异性，而且塑性严重下降，为冷拔带来不便。因此，热轧后必须进行适宜的热处理来消除带状组织、魏氏组织、混晶等缺陷以恢复材料应有的性能。为此，本论文首先论述了45钢的一些性能及常见的用途，其次讨论了热轧与冷拔的一些工艺过程、方法、优缺点等等，最后通过实验手段探究热轧管冷拔之前需进行的热处理工艺，通过在不同加热温度、保温时间的条件下热处理的试样微观组织的比较，最终明确了最佳工艺。145钢概述45钢作为最重要的钢铁材料之一，由于其综合力学性能较好，广泛用于机械、医疗和生活等各个领域。尤其在机械制造方面，其广泛用于各种重要的结构零件，特别是那些在交变负荷下使用的连杆、螺栓、齿轮和轴类零件等。1145钢的化学成分及临界温度45钢是中碳结构钢，几个临界温度见表11，化学成分见表12。表1145钢的几个临界温度表1245钢化学成分（质量分数）AC3AC1AR3AR1MS780724723682340GB69988CSIMNPSCRNI042050170370508004004025025中国矿业大学2013届本科生毕业设计论文第2页1245钢的性能45钢是常用的中碳调制结构钢，是最重要的合金结构材料之一。该钢冷塑性一般，具有较高的强度和较好的切削加工性，经适当的热处理以后可或得一定的韧性、塑性和耐磨性，材料来源方便2。正火可改善硬度小于160HBS毛坯的切削性能。该钢经调制处理后，其综合力学性能要优于其他中碳结构钢，但此钢淬透性较低，水中淬透临界直径为1217MM，水淬时有开裂倾向。当直径大于80MM时，经调制或正火后，其力学性能相近，对中小型模具零件进行调制处理后可或得较高的强度和韧性，而大型零件则以正火处理为宜3。所以此钢通常在调制或正火状态下使用，经调制成索氏体时，具有高的强度和塑性，且具有一定的韧性。45钢淬火后没有回火之前，硬度大于HRC55最高可达HRC62为合格，实际应用的最高硬度为HRC55高频淬火HRC58。但是45钢不采用渗碳淬火的热处理工艺。如果用45钢渗碳，淬火后芯部会出现硬脆的马氏体，失去渗碳处理的优点。现在采用渗碳工艺的材料，含碳量都不高，到030芯部强度已经可以达到很高，应用上不多见。035以上从来没见过实例，只在教科书里有介绍4。渗碳淬火一般用于表面耐磨、芯部耐冲击的重载零件，渗碳淬火后表面含碳量0812，芯部一般在01025特殊情况下采用035。经热处理后，表面可以获得很高的硬度HRC5862，芯部硬度低，耐冲击。而是采用调质高频表面淬火的工艺，耐磨性较渗碳略差。调质处理后零件具有良好的综合机械性能，广泛应用于各种重要的结构零件，特别是那些在交变负荷下工作的连杆、螺栓、齿轮及轴类等，但表面硬度较低，不耐磨。GB/T6991999标准规定的45钢推荐热处理温度为850正火、840淬火、600回火，达到的性能为屈服强度355MPA，抗拉强度为600MPA，屈服强度为355MPA，伸长率为16，断面收缩率为40，冲击功为39J5。1345钢的热处理45钢机械性能的不同取决于冷却速度的改变而形成的不同的结构组织。铁碳系统中最高硬度的获得取决于一种叫做马氏体转变的非扩散性转变；最低硬度的获得取决于珠光体和铁素体的扩散性共析转变6。平衡点附近快速冷却时获得的马氏体或缓慢冷却时获得的铁素体都是从奥氏体转化而来的，因此无论其组织和力学性能都与其热处理工艺有关。热处理工艺的改变对45钢的性能影响决定了对其热处理工艺的研究的重要性。目前45钢主要热处理工艺有正火、调制，其推荐热处理温度为850正火、840淬火、600回火。随着热处理工艺参数的改变，热处理后45钢的组织和性能相应改变。适当温度下正火得到珠光体和铁素体组织，而淬火和回火得到的是马氏体组织。随着它们加热温度、保温时间和冷却速度等的改变，热处理后所得到的组织变要集中在组织粗细和组织类型两个方面，二者的改变是其性能改变的根本原因。显微组织越细，材料的综合性能越好。显微组织类型直接决定其综合力学性能，例如马氏体具有高的强度和硬度、相变塑性和形状记忆效应，而珠光体塑性韧性较好，强度较低等。中国矿业大学2013届本科生毕业设计论文第3页2热轧无缝钢管概述无缝钢管是一种具有中空截面、周边没有接缝的圆形，方形，矩形钢材。无缝钢管是用钢锭或实心管坯经穿孔制成毛管，然后经热轧、冷轧或冷拨制成。无缝钢管具有中空截面，大量用作输送流体的管道，钢管与圆钢等实心钢材相比，在抗弯抗扭强度相同时，重量较轻，是一种经济截面钢材，广泛用于制造结构件和机械零件，如石油钻的钢脚手架等。21我国热轧无缝钢管的情况211我国热轧无缝钢管的发展历史1953年10月27日，鞍钢无缝钢管厂成功轧出我国第一根无缝钢管，从此结束我国不能生产无缝钢管的历史。2004年，全国无缝钢管产量达到908万吨，其中不锈无缝钢管为20万吨，成为世界无缝钢管生产大国。自2003年开始，我国已由净进口国变为净出口国。212我国热轧无缝钢管的工业水平目前我国还不是世界的无缝钢管生产强国，现在国产的优质、低耗、高附加值无缝钢管的品种还很少，不能满足国内市场的需求7。还有无缝钢管的品种、质量、消耗等方面，还难以超过设计水平。与国外先进水平相比，还存在一定的差距，尤其是在质量、使用寿命、价格比等方面，还很难具备竞争力。在机组装备上，也需进一步提升。22热轧钢管221热轧的定义轧制过程是靠旋转的轧辊与轧件之间形成的摩擦力将轧件拖进辊缝之间，并使之受到压缩产生塑性变形的过程。轧制过程除使轧件获得一定形状和尺寸外，还必须具有一定的性能。热轧是相对于冷轧而言的，就是在再结晶温度T再04T熔以上进行的轧制。222无缝钢管热轧的优缺点优点可以破坏钢锭的铸造组织，细化钢材的晶粒，并消除显微组织的缺陷，从而使钢材组织密实，力学性能得到改善。这种改善主要体现在沿轧制方向上，从而使钢材在一定程度上不再是各向同性体；浇注时形成的气泡、裂纹和疏松，也可在高温和压力作用下被焊合。缺点1经过热轧之后，钢材内部的非金属夹杂物（主要是硫化物和氧化物，还有硅酸盐）被压成薄片，出现分层（夹层）现象。分层使钢材沿厚度方向受拉的性能大大恶化，并且有可能在焊缝收缩时出现层间撕裂8。焊缝收缩诱发的局部应变时常达到屈服点应变的数倍，比荷载引起的应变大得多；2不均匀冷却造成的残中国矿业大学2013届本科生毕业设计论文第4页余应力。残余应力是在没有外力作用下内部自相平衡的应力，各种截面的热轧型钢都有这类残余应力，一般型钢截面尺寸越大，残余应力也越大。残余应力虽然是自相平衡的，但对钢构件在外力作用下的性能还是有一定影响。如对变形、稳定性、抗疲劳等方面都可能产生不利的作用。23无缝热轧钢管生产的基本工艺热轧无缝钢管的生产工艺流程包括坯料轧前准备、管坯加热、穿孔、轧制、定减径和钢管冷却、精整等几个基本工序。当今热轧无缝钢管生产的一般主要变形工序有三个穿孔、轧管和定减径。231穿孔将实心的管坯变为空心的毛管；我们可以理解为定型，既将轧件断面定为圆环状；其设备被称为穿孔机。对穿孔工艺的要求是首先要保证穿出的毛管壁厚均匀，椭圆度小，几何尺寸精度高；其次是毛管的内外表面要较光滑，不得有结疤、折叠、裂纹等缺陷；第三是要有相应的穿孔速度和轧制周期，以适应整个机组的生产节奏，使毛管的终轧温度能满足轧管机的要求。232轧管轧管是钢管成型过程中最重要的一个工序环节，将厚壁的毛管变为薄壁（接近成品壁厚）的荒管，我们可以视其为定壁，即根据后续的工序减径量和经验公式确定本工序荒管的壁厚值。对轧管工艺的要求是第一是将厚壁毛管变成薄壁荒管（减壁延伸）时首先要保证荒管具有较高的壁厚均匀度；其次荒管具有良好的内外表面质量。233定减径大圆变小圆，简称定径；相应的设备为定（减）径机。对定减径工艺的要求是首先在一定的总减径率和较小的单机架减径率条件下来达到定径目的，第二可实现使用一种规格管坯生产多种规格成品管的任务，第三还可进一步改善钢管的外表面质量。24轧钢的几种形式轧钢是利用金属的塑性使金属在两个旋转的轧辊之间受到压缩产生塑性变形，从而得到具有一定形状、尺寸和性能的钢材的加工过程。被轧制的金属叫轧件；使轧件实现塑性变形的机械设备叫轧钢机；轧制后的成品叫钢材。根据轧件纵轴线与轧辊轴线的相对位置，轧制可分为横轧、纵轧和斜轧。241横轧如图11，轧辊转动方向相同，轧件的纵向轴线与轧辊的纵向轴线平行或成一定锥角，轧制时轧件随着轧辊作相应的转动。它主要用来轧制生产回转体轧件，如变断面轴坯、齿轮坯等。中国矿业大学2013届本科生毕业设计论文第5页242纵轧轧辊的转动方向相反，轧件的纵向轴线与轧辊的水平轴线在水平面上的投影相互垂直，轧制后的轧件不仅断面减小、形状改变，长度亦有较大的增长。它是轧钢生产中应用最广泛的一种轧制方法，如各种型材和板材的轧制。如图12。243斜轧轧辊转动方向相同，其轴线与轧件纵向轴线在水平面上的投影相互平行，但在垂直面上的投影各与轧件纵轴成一交角，因而轧制时轧件既旋转，又前进，作螺旋运动。它主要用来生产管材和回转体型材。如图13。25轧制过程的三阶段轧制过程可分为三个阶段咬入阶段、稳定轧制阶段和甩出阶段。图11横轧简图1轧辊；2轧件；3支撑辊图12纵轧示意图图13斜轧简图1轧辊；2坯料；3毛管；4顶头；5顶杆中国矿业大学2013届本科生毕业设计论文第6页251咬入阶段咬入阶段是轧件前端与轧辊接触的瞬间起到前端达到变形区的出口断面（轧辊中心连线）称为咬入阶段。如图14所示。在此阶段的某一瞬间有如下特点轧件的前端在变形区有三个自由端（面），仅后面有不参与变形的外端（或称刚端）。变形区内的合力作用点、力矩皆不断的变化。轧件对轧辊的压力P由零值逐渐增加到该轧制条件下的最大值。变形区内各断面的应力状态不断变化。252稳定轧制阶段从轧件前端离开轧辊轴心连线开始，到轧件后端进入变形区入口断面止，这一阶段称为稳定轧制阶段。变形区的大小、轧件与轧辊的接触面积，金属对轧辊的压力，变形区内各处的应力状态等都是均恒的，这就是此阶段的特点。253甩出阶段从轧件后端进入入口断面时起到轧件完全通过辊缝（轧辊轴心连线），称为甩出阶段。这一阶段的特点类似于第一阶段，即轧件的后端在变形区内有三个自由端（面），仅前面有刚端存在。变形区的长度由最大变到最小零。变形区内的合力作用点、力矩皆不断地变化。轧件对轧辊的压力由最大变到零。变形区内断面的应力状态不断地变化。图14轧制时的咬入阶段中国矿业大学2013届本科生毕业设计论文第7页3冷拔钢管生产概述金属在冷状态下加工由来已久，早在八世纪就有通过模子拉拔线材的记载。但是，直到十九世纪中期，棒材仍然只靠热轧来生产9。随着工程和机械制造工业的发展，不仅要求材料具有高的强度，而且要有精破的尺寸公差。热轧棒材表而粗糙，尺寸公差大。满足不了工程和机械制造业发展的要求。而冷加工方法、能避免高温下形成氧化皮，较好地控制尺寸和精度，所以，人们开始广泛研究在冷状态下加工棒材的方法。1859年美国的JONESLAUGHLIN公司发明了冷拔工艺，当时的冷拔是“通过辊子的拉拔”，以后又出现了用模子的拉拔。据记载1870年创建了一种液压式拉拔机。1895年，德国工程和铸造联合公司卖出了第一台圆钢和型钢都可以拉拨的拉拔机，这种拉拔机采用蒸汽传动，以后又被电动传动装置所代替10。二十世纪以来，链式拉拔机开始获得广泛的应用。本世纪五十年代西德苏马公司又首先开创一种连续拉拔机组的新型拉拔设备。综上所述，冷拔技术的发展大致经历着从机械化到自动化再到连续化的三个阶段。冷加工和相应的热处理相结合可使管材获得高的综合机械性能，除了一般圆管以外还可以生产多种异型管和变断面管。31国外冷拔技术动态鉴于冷拔材具有表面光洁度高、尺寸公差小、机械性能高、切削性能好等优点，所以冷拔材的用途日益广泛。起初，冷拔材主要用于制造各类轴。随着工业技术的发展，冷拔棒材又广泛应用于工程、机械、汽车、仪表、刃具和量具等领域。随着对冷拔材数量需求的不断扩大，促使各个国家，尤其是工业发达国家冷拔材生产迅猛发展11。例如美国到1978年全国已有57家冷拔棒材生产厂。冷拔材的产量也逐年增加，从7078年的9年中，每年都以62的速度递增。日本1978年冷拔材的产量也已达到136万吨。西德、意大利、英国、瑞典等国的冷拔棒材的产量也逐年增加。目前，工业发达国家的冷拔材的产量一般约占总钢产量的5左右。从生产钢种来看，冷拔初期阶段主要生产碳素棒材，但随着生产技术的发展以及用户的需要，合金钢产量的比例逐年上升。冷拔材的品种也从初期单一圆钢向多品种发展。目前的冷拔技术已可生产圆钢、方钢、扁钢，六角钢以及各异形产品。冷拔异型钢材是一种应用广泛的经济断面钢材，因此，各国对异型钢材的生产都非常重视。例如苏联，在1965年到1975年的十年间，冷拔异型材的平均年增长率达285，日本1978年异型材已占冷拔总产量的37，年产5万吨。英国、西德和意大利也已有相当多的冷拔异型钢材品种纳入国家标准。冷拔材的尺寸范围也非常宽，从小于10MM的规格到114MM的规格都可以生产12。32我国的冷拔技术冷拔生产的现状我国的冷拔生产技术与国外先进国家相比有很大舍距。这种差距主要表现在如下二个方面。321冷拔材产量低、品种少我国冷拔工业起步较晚，50年代全国只有首钢、重特、齐钢、陕钢、广镀等厂有生产中国矿业大学2013届本科生毕业设计论文第8页冷拔棒材的拉拔机。直到70年代以后，一部分钢厂才开始从事冷拔材的些产。冷拔材的产量也相当低。以1988年为例，全国钢产量为5922万吨，而冷拔材只有2267万吨，只占整个钢产量的048，与发达国家相比，相差十几倍。在2267万吨中，碳结钢133万吨，含结构钢145万吨，轴承钢397万吨，高工钢2249吨，不锈钢3720吨。从这些数据可以看出，我国的冷拔材不仅产量低，而且合金钢棒材的比例也相当低。另外，冷拔产品品种单一，产质量也差。目前我国冷拔材品种主要是圆钢、方钢和扁钢等，而对需求量越来越大的各种异型材还不能生产。某些规格异型材虽然可以生产，但生产量低，成本高，质量也不稳定。322工艺水平落后国外冷拉钢生产从60年代起实现了“高速化、连续化”。而我国目前还没有一条现代化的棒一棒连续生产线。连拉机组从1983年才开始仿制。冷拔钢生产停留在单机操作阶段，一直沿用间隙式生产工艺，中间道次多，酸洗、退火工序多，生产率低。33冷拔钢管冷拔是材料的一种加工工艺，对于金属材料冷拔指的是为了达到一定形状和一定的力学性能，将经热加工后的管材在再结晶温度以下进行再加工拉拔在外力作用下，迫使金属坯料通过模孔，以获得相应尺寸制品的塑性加工方法在冷拔管成型过程中，变形区内金属的流动十分复杂，其金属流动规律影响拉拔模具的使用寿命、拔管能源的消耗、拉拔过程的稳定以及产品的尺寸精度等。冷拔是继热轧、挤压或焊接之后对管材进行二次加工以生产精密、薄壁和高机械性能产品的主要方法13。冷拔原理图如15所示。冷拔包括空拔和芯拔，这种成型方式具有工艺设备简单，成型效果好的优点，在军工、机械和石油等领域都得到了广泛的应用。冷拔管是钢管的一种，即其按生产工艺的不同分类的一种，区别于热轧管。在毛管坯或原始管扩径的过程中通过多道次的冷拔加工而成，通常在05100T的单链式或双链式冷拔机上进行。冷拔管分为一般钢管、低中压锅炉钢管、高压锅炉钢管、合金钢管、不锈钢管、石油裂化管、机械加工管、厚壁管。除此外还包括碳素薄壁钢管、合金薄壁钢管、不锈钢薄壁钢管、异形钢管。用冷拔的方法可以生产外径为02242MM、壁厚001524MM的钢管和外径为765MM的有色金属管14。精度以及表面质量均明显优于热轧管，但受工艺制约，其口径以及长度均受到一定限制。34冷拔技术的优缺点优点成型速度快、产量高，且不损伤涂层，可以做成多种多样的截面形式，以适应使用条件的需要；冷轧可以使钢材产生很大的塑性变形，从而提高了钢材的屈服点。缺点1虽然成型过程中没有经过热态塑性压缩，但截面内仍然存在残余应力，对钢材整体和局部屈曲的特性必然产生影响；2冷拔型钢样式一般为开口截面，使得截面的自由扭转刚度较低。在受弯时容易出现扭转，受压时容易出现弯扭屈曲，抗扭性能较差；3冷拔成型钢壁厚较小，在板件衔接的转角处又没有加厚，承受局部性的集中国矿业大学2013届本科生毕业设计论文第9页中荷载的能力弱。图15冷拔基本原理示意图35冷拔钢管的基本方式空拔拉拔时管坯内部不放芯头，通过模孔后外径减小，壁厚一般会略有变化。长芯棒拉拔将管坯自由地套在表面抛光的芯杆上，使芯杆与管坯一起拉过模孔，以实现减径减壁，芯杆的长度应略不大于管坯的长度，在拉拔一道次后，需要用脱管法或滚轧使之扩径的方法取出芯杆。固定短芯头拉拔拉拔时将带有芯头的芯杆固定，管坯通过模孔实现减径减壁。游动芯头拉拔在拉拔过程中，芯头靠本身所特有的外形建立起来的力平衡被稳定在模孔中。与固定短芯头拉拔相比，游动芯头拉拔难度大，工艺条件和技术要求高，配模有一定限制，故不可完全取代固定短芯头拉拔。扩径拉拔管坯通过扩径后，直径增大，壁厚和长度减小。这种方法主要是在设备能力受到限制而不能生产大直径的管材时采用。近十年来，在研究许多新的拉拔方法的同时，展开了高速拉拔的研究，成功的制造了许多高速连续拉拔机、多线链式拉拔机和圆盘拉拔机。高速拉拔机的拉拔速度达到了80MM/S；圆盘拉拔机可生产4050以下的管材，最大圆盘直径为3M，拉拔速度可达25MM/S，最大管长为6000MM15。36冷拔钢管关键工序控制冷拔钢管的加工工艺流程，如图16示热轧坯料坯料检查坯料下料车头加工酸洗磷化冷拔加工退火处理酸洗磷化冷拔加工成品据切成品校直检测入库图16冷拔管加工工艺流程中国矿业大学2013届本科生毕业设计论文第10页在该工艺流程图中冷拔钢管关键工序有3个I毛坯选材；预处理过程中酸洗液和磷化液的使用；拉拔过程中模具使用。361毛坯选材选择毛坯料的着重点毛坯的表面质量，即锈蚀情况、氧化程度、表面是否凸凹不平等都会影响冷拔后的质量，可造成麻点、麻面、凸凹、划沟等现象；毛坯的内在质量，如有夹渣、裂纹等，拔制后可造成裂缝、拔断皱褶等；毛料的形位公差如壁厚偏差、直线度、同轴度、圆柱度等过差都会影响冷拔后钢管的质量；加工余量的选择，加工余量不宜太大，否则需经多道次的拉拔仍无法实现最终尺寸，却使管材发生加工硬化、应力增大、塑性降低，从而降低了材料的机械性能。362预处理工艺这一环节的关键在于酸洗液和磷化液的配比及使用1酸洗液的配比（表31）及使用表13酸洗液的配比原料种类所占百分比工业盐酸L8L9六次甲基四胺缓蚀剂08L洗衣粉气泡剂04水H2O798酸洗时间约30MIN，酸洗过程中要经常翻动，以确保酸洗均匀。如果酸洗时间过长或酸液浓度过高，会对钢管酸蚀过度而产生麻点、凸凹，反之则达不到酸洗的效果，无法去除钢管表面的氧化皮、油污。2磷化液的配比（表32）及使用表32磷化液配比使用时按磷化剂60G1000KG水勾兑，经L520MIN加热到6580，使之与钢管发生如下化学反应ZNH2PO42FEZNHP04FEHPO4H23ZNHPO4ZN3PO4H3PO4最后形成以ZN3PO4为主的具有一定强度和良好塑性、吸附性的磷酸盐薄膜。该薄膜可使皂化液在皂化时形成坚固耐磨的润滑层，使拔制过程的摩擦系数稳定，提高了冷拔钢管的表面质量。如果磷化液配比不当，或加热时间和温度不当就会影响磷酸盐薄膜的形成，从而降低了拉拔过程的减磨、抗磨性，使拉拔阻力增大，拉拔过程难以实现，严重时可使原料种类原料密度ZNO11G/LHNO3620G/H3PO438G/L中国矿业大学2013届本科生毕业设计论文第11页钢管断裂16。363拔制过程中模具使用模具设计时，要根据毛坯材质、壁厚、表面状况的不同，设计每道次的压缩余量和每道次所用模具的尺寸与管材的间隙，尤其要重点考虑拔制过程中模具与钢管的相对装夹位置。图1为拔制变形示意图。从图16中可以看到，在拔制变形过程中，钢管内壁首先脱离内模I区，然后，钢管外表面脱离外模区。钢管在塑性变形过程中伴有弹性变形，钢管拔制后的实际直径与外模定径带直径之差称为外径扩大量，内模定径带直径与钢管拔制后的直径之差称为内径缩小量。从模具装夹位置对外径扩大量和内径缩小量的影响曲线图可以看出外径扩大量随内模位置前移而增大，内径缩小量随内模位置前移而减小；内模在某一固定位置时，外径扩大量和内径缩小量差异较大，即内径缩小量比外径扩大量大，同时，拉拔后钢管的外径和内径尺寸还受内、外模尺寸公差的影响。由于内、外模尺寸精度的差异，即使模具装夹位置相同，外径扩大量和内径缩小量差异也是较大的，甚至出现外径减小，内径增大的现象。因此，生产高精度冷拔钢管，不仅要求模具精度高，而且要确定合适的模具位置，否则难以生产出尺寸精度合格的冷拔钢管。图16拔制变形示意图37冷拔钢管常见缺陷及消除方法经过上述几个关键工序的分析及对生产实践的总结，发现在冷拔加工过程中常见的缺陷有裂缝、竹节、抖纹、椭圆等。371裂缝冷拔钢管表面出现纵向裂缝，这是一种无法挽救的缺陷，产生原因大多是由于毛坯料原材料残存裂缝、裂纹及夹杂物。拉拔时由于压缩率过大或变形不均也可产生应力裂纹。因此，为防止拉拔后钢管出现裂缝，要严把毛坯料检验关，不用不合格原料，还要控制拔制道次的减壁量和连拔次数。中国矿业大学2013届本科生毕业设计论文第12页372竹节沿冷拔钢管纵向呈周期性粗细不均现象，形状类似竹节，产生原因主要是钢管表面涂层不均造成拉拔时润滑不良，摩擦系数发生变化。在生产中，摩擦系数的变化主要与钢管的预处理磷化液、皂化液有关，磷化液配比不当或操作时间温度不合适，均难以在钢管表面形成具有一定强度和良好塑性、吸附性能好的磷化膜，皂化时难以形成满足要求的坚固耐磨的润滑层，造成拉拔困难，形成竹节状态。373抖纹在拔制过程中，钢管和模具系统发生抖动，在钢管表面出现明暗交替的波浪形环痕而纵向壁厚波动，损坏模具并发出很大的声响。产生抖动的原因在于内模拉杆系统是一个弹性振动系统，当内模在变形区处于稳定位置时，作用在内模上的总摩擦力与拉杆弹性拉伸的反力相平衡。若在拔制过程中摩擦系数频繁变化，则平衡状态不断改变，拉杆的弹性变形量和内模位置随之不断改变，结果引起内模拉杆系统的强迫振动而产生抖动。内模拉杆过细过长，内模位置过前过后以及变形量过大，或液压系统出现问题等均可能发生抖纹缺陷。为防止抖纹产生，应提高预处理液的质量，正确调整模具的位置，避免使用过细过长的内模拉杆，控制拔制速度使之不大于60M/MIN。374椭圆钢管的横截面呈椭圆。造成这种现象的原因是在拔制的过程中使用了模孔椭圆的模具。所以，要定期对模具进行检验，避免使用不合格模具。4选题意义和研究内容经过热轧后的钢材，其显微组织往往极不均匀，常常伴有带状组织、魏氏组织、混晶组织等缺陷，这些缺陷使得轧材的力学性能整体下降。例如，带状组织使材料呈现明显的各向异性；魏氏组织使得材料在最终热处理时变形倾向增大、韧脆转变温度升高等；混晶组织大大降低了材料性能的均匀性，增大了材料的开裂倾向。这都为后面进行的工序增大难度，导致后面的工序变得困难。因此必须通过适宜的热处理工艺消除这些不良的缺陷，细化晶粒，以增加钢材的塑性。在实验室条件下，通过对正火、完全退火或者先正火再完全退火工艺对45钢热轧后的试样进行热处理，通过分析比较，确定最佳的热处理工艺。研究内容如下1）不同加热温度、保温时间条件下，正火对45钢热轧管组织性能的影响；2）不同加热温度、保温时间条件下，正火后再完全退火与直接退火对45钢热轧管组织性能的影响；3通过以上内容，最终为45钢热轧管寻找最佳的热处理工艺，以便达到最佳的组织性能。中国矿业大学2013届本科生毕业设计论文第13页第2章实验目的及原理1实验目的冷拔管在冷拔之前要进行相应的热处理，以降低强度和硬度、细化晶粒、提高冷拔时的塑性，而实际冷拔管的原始坯料是热轧管，其中的显微组织很不均匀，通常是进行一次退火热处理消除，但实际热轧后的组织常伴有带状组织、魏氏组织、晶粒大小不均匀等等缺陷，往往是一次退火不能消除的。本次试验的目的是通过研究找到最佳的热处理工艺。具体为45钢坯料试样直接不同温度退火与先正火再不同温度退火后得到的显微组织、性能相比较。通过分析不同加热温度、保温时间处理的试样之间组织的差别，从而确定最佳的热处理工艺。2实验原理将金属材料放在一定的介质内加热、保温、冷却，一般不改变工件的形状和整体的化学成分，而是通过改变工件内部的显微组织，或改变工件表面的化学成分，从而获得所需性能。而合理选择加热温度、保温时间、冷却介质及冷却方式是热处理内的重点，是决定性能的关键。21钢在加热时的组织转变45钢的室温组织是由铁素体和珠光体两个相组成，只有在奥氏体状态才能通过不同的冷却方式，获得所需要的性能，热处理时须将钢加热到一定程度，使其组织全部或部分转换为奥氏体。加热获得奥氏体组织的过程，称为奥氏体化。根据FEFE3C相图，亚共析钢的室温组织为珠光体和铁素体，其奥氏体化的温度应在A1线以上，因此，奥氏体的形成必须经过原来晶格（铁素体和渗碳体）的改组和铁、碳原子的扩散来实现17。从室温组织奥氏体的转变，也遵行形核与长大这一相变的基本规律，奥氏体形成的过程也应包括四个阶段，即奥氏体形核、奥氏体长大、残余碳化物溶解、奥氏体均匀化。211奥氏体形核钢在加热到A1时，奥氏体晶核优先在铁素体与渗碳体的相界面上形成，这是因为相界面的原子是以铁素体与渗碳体两种结构的过渡结构排列的，原子偏离平衡位置处于畸变状态，具有较高能量，再则，与晶体内部比较，晶界处碳的分布是不均匀的，这些都为形成奥氏体晶核在成分，结构和能量上提供了有利条件。212奥氏体晶核长大奥氏体形核后的长大，是新相奥氏体的相国介面向着铁素体和渗碳体这两处方向同时推移的过程，通过原子扩散，铁素体结构先逐渐改组为氏体结构，随后通过渗碳体的连续不断分解和铁原子扩散而使奥氏体晶核不断长大。中国矿业大学2013届本科生毕业设计论文第14页213残余碳化物溶解由于渗碳体的晶体结构和含碳量与奥氏体差别很大，所以渗碳体向奥氏体的溶解必然落后于铁素体的转变，在铁素体全部转变消失之后，仍有部分渗碳体尚未溶解。因而还需要一段时间继续向奥氏体溶解。直到全部渗碳体消失为止。214奥氏体均匀化奥氏体转变刚结束，其成分是不均匀的，在原来铁素体处含碳量较高，只有继续延长保温时间，通过碳原子扩散才能得到均匀成分的奥氏体组织，以便在冷却后得到良好的组织和性能。22钢的冷却转变概述钢的加热转变是为了获得均匀、细小的奥氏体晶粒。对于室温下使用的零部件来说，钢的性能取决于奥氏体冷却转变后的组织，因而钢从奥氏体状态的冷却过程是热处理的关键工序。钢在铸造、锻造、焊接以后，也要经历由高温到室温的冷却过程，虽然不是热处理工序，但实质也是奥氏体冷却转变过程，正确控制这些过程有助于减少或防止热加工缺陷。钢加热所获得的奥氏体在临界温度以上是稳定的，不会发生转变。奥氏体冷却至临界温度以下，在热力学上将处于不稳定状态，要发生转变。这种在临界温度以下暂时存在的不稳定的奥氏体，一般称为过冷奥氏体。过冷奥氏体在不同的冷却条件下，将转变成珠光体、贝氏体、马氏体或它们的混合组织，从而导致钢材最终性能的多样性。实际生产中将奥氏体冷却至室温通常有两种冷却方式，如图21所示等温冷却，将奥氏体状态的钢迅速冷却到临界点以下某一温度保温，让过冷奥氏体进行等温转变，然后再冷却下来；连续冷却，钢从奥氏体状态连续冷却到室温，使过冷奥氏体在连续降温的过程中发生转变。图21奥氏体不同冷却方式示意图中国矿业大学2013届本科生毕业设计论文第15页23正火与退火工艺将金属及其合金加热、保温、冷却，使其组织结构达到或接近平衡状态的热处理工艺称为退火或正火。退火一般是在炉内缓冷，正火一般是空冷，主要用于各类铸、锻、焊工件的毛坯或半成品以消除冶金及热加工过程中产生的缺陷，并未以后的机械加工及热处理准备良好的组织状态。因此，通常把退火及正火称为预先热处理。正火可以细化组织，适当提高强度，也可作为某些钢的最终热处理工艺。231正火工艺正火是把零件加热到临界温度以上3050，保温一段时间，然后在空气中冷却以获得细珠光体组织的工艺。其目的是在于使晶粒细化和碳化物分布均匀化，正火工艺的要点是加热温度足够高，一般要求得到均匀的单相奥氏体组织，工件透烧均温后再在空气中自然冷却。过共析钢正火后可消除网状渗碳体，低碳钢正火后将显著改善钢的切削加工性所有的钢铁材料通过正火均可使铸、锻件过热晶粒细化和消除内应力。由于正火后组织比较细，所以比退火状态具有更好的综合机械性能，并且工艺过程简单。对某些含碳量在0407的钢件可在正火状态下使用。对含碳量小于04的中低碳钢。往往用正火代替完全退火18。对于铸件，正火可以改善铸件中的粗大晶粒，使之细化，并消除由于截面尺寸不同在结晶过程中产生的显微组织不均匀性。中、高碳钢及中高碳合金钢工件，为了降低正火后的硬度和消除内应力以得到良好的机械加工性能，还需要在正火后进行附加的回火（550600）19。而正火后的性能取决于钢的成分和工件的截面尺寸。232退火工艺将金属缓慢加热到一定温度，保持足够时间，然后以缓慢的速度冷却。目的是降低硬度，改善切削加工性；消除残余应力，稳定尺寸，减少变形与裂纹倾向；细化晶粒，调整组织，消除组织缺陷。退火的功用在于恢复因冷加工而降低的性质，增加柔软性、延性和韧性，并释放内部残留应力、以及产生特定的显微结构。退火过程中，多以原子或晶格空位的移动释放内部残留应力，透过这些原子重组的过程来消除金属或陶瓷中的差排，然而这项改变也让金属中的差排更容易移动，增加了它们的延性。根据退火的目的及组织转变特点，退火可分为去应力退火、再结晶退火、球化退火、不完全退火、完全退火、球化退火、扩散退火等等。如图22所示。本次实验对45钢热轧坯料试样采用的是完全退火，完全退火是将亚共析钢加热至AC3以上2030，保温足够时间奥氏体化后，随炉缓慢冷却，从而得到接近平衡的组织的一种热处理工艺。所谓“完全”是指退火时钢的内部组织全部进行了重结晶。通过完全退火来细化晶粒，均匀组织，消除内应力，降低硬度，便于切削加工，并为加工后零件的淬火作好组织准备。完全退火只适用于亚共析钢，不宜用于过共析钢，过共析钢缓冷后会析出网状二次渗碳体，使钢的强度、塑性和韧性大大降低。233去应力退火将钢件加热到A1线以下某个温度，保温一定的时间，保温一定时间后冷却，使工件中国矿业大学2013届本科生毕业设计论文第16页发生回复，从而消除残余内应力的工艺称为去应力退火。去应力退火加热温度低，在退火过程中午组织转变，主要使用与毛坯件及经过切削加工点的零件，目的是消除毛坯和零件中的残余应力，稳定工件尺寸及形状，减少零件在切削加工和使用过程中的变形和裂纹倾向。对于碳钢及低合金钢，加热温度一般为550650，没毫米厚度的保温时间为35MIN。图22退火分类示意图24带状组织金属材料中两种组织组分呈条带状沿热变形方向大致平行交替排列的组织。出现在热轧低碳结构钢显微组织中，沿轧制方向平行排列、成层状分布、形同条带的铁素体晶粒与珠光体晶粒20。图23为亚共析钢热轧后的带状组织。中国矿业大学2013届本科生毕业设计论文第17页图23亚共析钢热轧后空冷带状组织241带状组织的形成机理金属材料在冶炼浇注后绝大部分要经过压力加工方可成为型材。但是，加工后的材料容易得到沿着变形方向珠光体和铁素体呈带状分布的组织，即形成带状组织。研究表明形成带状组织的机理有两种由成分偏析引起的带状组织钢中除C以外的合金元素和杂质元素的带状偏析，是形成带状组织的原因21。理论研究认为，磷（P）等元素提高铁素体开始析出的温度，锰（MN）、铬（CR）、镍（NI）等元素降低铁素体开始析出的温度。由于P、MN、CR、NI等元素在冶炼后沿轧制方向的带状偏析，铁素体和珠光体在后续相变时形成带状，产生带状组织。例如，若P元素成带状偏析，则在偏析区内铁素体的开始析出温度升高、铁素体首先在高P区成核长大。于此同时，C元素被排挤到大部分处于奥氏体状态的偏析区外侧的低P区，在此区富聚而转变成珠光体组织。结果，高P区转变成带状铁素体、低P区转变为带状珠光体。同理，MN、CR、NI等元素降低铁素体开始析出温度，其偏析区外侧的铁素体首先形核长大。C元素被排挤到铁素体析出温度比较低的、大部分尚处于奥氏体状态的偏析区内，在该区内富聚并转变为带状珠光体22。且成分偏析越严重，形成的带状组织也越严重。由于磷偏析而引起的带状组织需要通过高温扩散退火及随后的正火来改善，但是有时也很难完全消除23。由热加工温度不当引起的带状组织热加工停锻温度于二相区时（AR1和AR3之间），铁素体沿着金属流动方向从奥氏体中呈带状析出，尚未分解的奥氏体被割成带状，当冷却到AR1时，带状奥氏体转化为带状珠光体，这种组织可以通过正火或退火的方法加以消除。242带状组织的危害由于带状组织相邻带的显微组织不同，他们的性能也不相同，在外力作用下性能低的带易暴露出来，而且强弱带之间会产生应力集中，因而造成总体力学性能降低，具有明显的各向异性24。带状组织造成了钢的各向异性，降低了力学性能、切削性能、塑性成形性能和淬透性，淬火后易形成混晶组织和非马氏体组织，使零件淬火变形倾向增大，强韧性降低。研究表明带状组织使低碳钢零件在垂直于轧制方向（及垂直于带状组织方向）的伸