（载运工具运用工程专业论文）弹簧钢脱碳研究.pdf

中文摘要 摘要：弹簧表面存在脱碳层，其存在严重影响弹簧的各项性能，特别是疲劳性能， 致使弹簧失效加剧，目前对脱碳层的研究主要通过实验进行定性分析，理论研究 较少，特别是对脱碳层深度的数值计算，尚不能对热处理后脱碳层深度进行预测。 本文主要对脱碳层深度数值计算模型、弹簧表面状况工艺改进和脱碳层无损检测 方法进行了研究。 依据原子扩散理论和菲克定律，通过碳原子在固体中扩散的机理分析，总结 碳原子在固体中扩散的宏观规律和微观机制，借助非稳态半无限长物体的扩散的 模型，以此为基础推导出脱碳层深度数值计算模型，采用实验和理论结合的方法 对弹簧钢6 0 s i 2 m n a 脱碳层深度计算结果进行验证，实验结果表明在加热温度8 0 0 1 0 5 0 之间，加热时问9 0 m i n 内，实际结果和理论结果偏差小于1 0 。 根据弹簧钢热处理工艺要求，研究现有弹簧钢热处理工艺，改进热处理加工 工艺，提出一次加热采用中频感应加热工艺，二次加热采用防氧化、脱碳热处理 工艺的改进方案，并用脱碳层计算模型进行预测计算，证明改进方案可行。理论 预测直径3 6 2 i m n ，6 0 s i 2 m n a 弹簧钢在改进工艺后脱碳层降到0 0 5 m m 满足符合 铁标要求。将改进方案推广到其他型号弹簧钢，在保证性能符合要求的情况下， 结果表明脱碳层深度平均下降5 0 。 依据物质守恒定律和金属组织体积变化规律，对脱碳层深度和弹簧钢件热处 理前后尺寸变化关系进行了研究，利用所得关系提出一种对弹簧钢脱碳层深度进 行无损检测的方法，并从微观组织变化角度进行了理论研究和通过弹簧钢试样热 处理实验进行实验验证。结果表明，圆柱形弹簧钢脱碳层由o 1 m m 增加到0 4 m m ， 其直径增加了0 0 5 4 5 m m 。 关键词：脱碳：脱碳层；弹簧钢；扩散；热处理 分类号：t g l 4 2 4 1 a bs t r a c t a b s t r a c t ：g e n e r a l l y , t h e r ei sd e c a r b u r i z e dl a y e ro nt h es u r f a c eo fs p r i n gs t e e l ， d e c a r b u r i z e dl a y e rh a sas t r o n gi m p a c to ns p r i n gs t e e l sm a t e r i a lp r o p e r t i e s ，e s p e c i a l l y f a t i g u es t r e n g t ha n df a t i g u el i m i t t h ec u r r e n tr e s e a r c ho nd e c a r b u r i z a t i o ni sm a i n l y a b o u tq u a l i t a t i v ea n a l y s i st h r o u g he x p e r i m e n t ，b u tl a c ko ft h e o r e t i c a lr e s e a r c h ， e s p e c i a l l yn u m e r i c a lc o m p u t a t i o no fd e c a r b u r i z a t i o nd e p t h ，h o w e v e r , d e c a r b u r i z a t i o n d e p t hc a n tb ep r e d i c t e d t h i sp a p e rh a sm a i n l ys t u d i e dn u m e r i c a lc o m p u t a t i o no f d e c a r b u r i z a t i o nd e p t h ，p r o c e s s i m p r o v e m e n t t or e d u c ed e c a r b u r i z a t i o n d e p t h ， n o n - d e s t r u c t i v et e s t i n gm e t h o d sf o rd e c a r b u r i z a t i o nd e p t h b a s e do nt h ed i f f u s i o nt h e o r ya n df i c k sl a w , w ea n a l y z e dt h ep r i n c i p l eo fa t o m i c d i f f u s i o ni nt h es o l i d ，s u m m a r i z e di t sm a c r o m e c h a n i s ma n dm i c r o m e c h a n i s m ， e s t a b l i s h e dan o n s t e a d y s t a t es e m i - i n f i n i t em o d e lo fd i f f u s i o n ，d e d u c e dt h en u m e r i c a l c o m p u t a t i o no fd e c a r b u r i z a t i o nd e p t h ，u s e de m p i r i c a la p p r o a c ht op r o v ei tw i t hs p r i n g s t e e l6 0 s i 2 m n a t h er e s u l t ss h o wt h a tb e t w e e n8 0 0d e g r e e st o10 5 0d e g r e e s ，i n9 0 m i n u t e s ，t h e o r e t i c a lr e s u l t sw i t he x p e r i m e n t a ld a t ai sl e s st h a n10 d e v i a t i o n a c c o r d i n gt or e q u i r e m e n to fs p r i n gs t e e lh e a tt r e a t m e n tt e c h n o l o g y , w er e s e a r c h e d a n di m p r o v e dt h ec u r r e n ts p r i n gs t e e lh e a tt r e a t m e n tp r o c e s s ，p u tf o r w a r dm e d i u m f r e q u e n c yi n d u c t i o nh e a t i n gt e c h n i c sa n da n t i o x i d a t i o n ，d e c a r b u r i z a t i o nh e a tt r e a t m e n t t e c h n i c s ，a n dt h ei m p r o v e ds c h e m ew a sp r o v e df e a s i b l e t h er e s u l t ss h o wt h a ta f t e r p r o c e s si m p r o v e m e n tt h ep e r f o r m a n c em e tt h er e q u i r e m e n t s ，d e c a r b u r i z a t i o nh a s5 0 p e r c e n td e c l i n ei nd e p t h s t a n do nl a wo fc o n s e r v a t i o no fm a s sa n dl a wo fc r y s t a lo r g a n i z a t i o n a lc h a n g e ，w e h a v ed o n et h er e s e a r c ho ft h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ed e c a r b u r i z e dd e p t ha n ds i z eo f s p r i n gs t e e lb e f o r ea n da f t e rh e a tt r e a t m e n t p r o p o s e dan o n - d e s t r u c t i v em e t h o do n m e a s u r et h ed e c a r b u r i z e dd e p t hb yt h i sr e l a t i o n s h i p ，w h i c hw a sa l s op r o v e db yt h e o r y a n de x p e r i m e n t s t h er e s u l t ss h o wt h a ta st h ed e c a r b u r i z e dd e p t hc h a n g e sf r o mo 1m m t o0 4 r a m ，t h ed i a m e t e ro fs p r i n gs t e e li n c r e a s e sb yo 0 5 4 5 m m k e y w o r d s ：d e c a r b u r i z a t i o n ；d e c a r b u r i z e dl a y e r ；s p r i n gs t e e l ；d i f f u s i o n ；h e a t t r e a t m e n t c l a s s n o ：t g l 4 2 4 1 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查i ) i 矛i 借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：i i 、复诲 签字日期：抛7 年6 月f 7l q 导师签名：他包堪 l l i i - 字i i i i i ：肋7 年月7 夕日 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签隙爻氇签字日期：加。7 年6 月f7r 致谢 本论文的工作是在我的导师张励忠副教授的悉心指导下完成的，张励忠教授 严谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢两年 来张老师对我的关心和指导。 张励忠副教授悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都 给予了我很大的关心和帮助，在此向张老师表示衷心的谢意。 张励忠副教授对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见，在此表示 衷心的感谢。 邢书明教授、鲍培伟老师对我的科研工作和论文都提出了许多宝贵意见，在 此表示衷心感谢。 在实验室工作及撰写论文期问，李楠师兄、张密蓝师姐、陈跃提出了宝贵意 见，宾仕博师弟对我论文中的实验研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我 的感激之情。 另外也感谢家人、朋友，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学 、i k 。 1 1 课题的来源 1 绪论 长春轨道客车股份有限公司在生产中发现，c w - 2 0 0 转向架轴箱弹簧表面存在 脱碳层，其存在严重影响弹簧的各项性能，特别是疲劳性能，从而使弹簧失效加 剧。通过抽样检验目前该类弹簧在现有生产工艺下表面存在严重的氧化脱碳，经 过一次加热弹簧钢脱碳层深度已基本达到了铁标规定的数值指标，二次加热到淬 火温度8 4 0 左右，弹簧氧化脱碳层深度基本是1 0 0 超标。为改善弹簧钢表面脱 碳状况开展了本课题的研究。 1 2 弹簧钢脱碳研究的背景 随着铁路向高速、重载方向发展，机车车辆零部件承受的载荷越来越大，运 动频率也越来越高，这就要求零部件的内在质量和综合性能相应提高。传统的工 艺在重要零件制造中己将显得难以满足要求，各国都在积极研制新的材料，开发 新的工艺，以提高机车车辆制造技术水平和市场竞争力，与此同时，人们对生存 环境的忧患一是不断增强，如何降低能耗和减少环境污染，便成为一个紧迫的问 题摆在人们面前。因此车辆制造业也迎来了前所未有的挑战和机遇，许多零件需 要更新换代。而弹簧作为车辆减震的重要零件，优化其加工工艺，研制新的材料， 减少其脱碳层的产生便具有重要的意义，可以肯定，该研究将加速可靠性，轻量 化，环保化和节能性的步伐。 1 ) 提高车辆行驶的可靠性 由于弹簧钢在热处理过程中有脱碳氧化倾向，研究表明某些重要运动零件， 如果零件表面硬度在规定值的下限，其表面往往隐藏着一定的脱碳层，这将影响 零件的使用寿命。而且由弹簧钢制成的弹簧件在热处理后不经过进一步加工就直 接使用，这类零件的表层在热处理过程中不可避免地会脱碳软化，钢铁的表面脱 碳将严重损害其疲劳性能，可降低疲劳极限5 0 。另外表层不同部位淬火时膨胀 系数不同产生应力，致使弹簧表面的脱碳层与部分脱碳层之间的过度区产生微裂 纹，弹簧失效加剧，严重威胁到车辆行驶的安全性。 弹簧在周期性弯曲和扭转等交变应力下工作，工作条件恶劣。在使用过程中， 弹簧截面上的应力是沿径向从中心至表面逐渐增加的，表面所受的载荷最大，故 强度要求最高。但弹簧表面出现脱碳层时，造成表面的强度下降，容易产生裂纹 并导致失效。理论分析和生产试验都证明弹簧表面产生脱碳之后，弹簧的各项性 能都会受到影响，其中疲劳强度明显下降，而且随着表面脱碳层深度的增加，弹 簧的弹性减退逐渐增加，从而影响其使用寿命。氧化、脱碳在热处理中较常见， 对经过热处理的工件，通常只规定检测其硬度，当硬度达到合格标准就算合格； 但对于某些重要运动零件来说，则要求对脱碳层进行检验，脱碳层严重影响零件 的使用寿命。在实际生产中，就曾出现过某机件因脱碳层过深而导致提前报废的 情测l 】( 其规定寿命 1 3 5 0 0 次，而失效件寿命只达3 0 6 5 - 3 3 7 6 次) ，具体情况参 考表1 1 。 表1 1 脱碳深度与疲劳寿命的对应关系 t a b 1 1r e l a t i o n s h i pb e t w e e nd e c a r b u r i z e dd e p t ha n df a t i g u el i f e 此外对某种汽车在规定工作时间内所有弹簧破损原因进行了统计，发现表面 脱碳引起的破损占3 0 ，因此，钢材表面脱碳问题不容忽视。 2 ) 加速车辆的轻量化 机车车辆的轻量化是铁路运输高速化和节能带来的必然趋势。而我国交直机 车传统结构车体的单位长度质量一般在1 o o 1 6 7 t m 之间，和国外机车单位长度质 量有一定差距，可见我国机车车辆减重的任务还很大。我国设计的s s 8 型电力机 车比原s s 5 型机车的承载结构质量减少了2 3 ，取得了良好的效果。除了通过改 进设计实现轻量化，提高材料的综合性能也是轻量化的重要途径。 悬架弹簧轻量化的最有效方法是提高弹簧的设计许用应力，但是为了实现这 种高应力下的轻量化，材料的高强度化是不可少的。在传统的s i m n 弹簧钢的基 础上通过降低c 并添加n i 、c r 、m o 和v 等合金元素，开发出强度和韧性都很高 的钢种，设计许用应力可达1 2 7 0 m p a ，这种弹簧钢的应用可实现4 0 的轻量化。 在传统的c r o v 系弹簧钢中添加n b 可提高钢的抗延迟断裂性能，结合改进的奥氏 体轧制成型，可使钢的拉伸强度达到1 8 0 0 m p a 的水平。提高弹簧疲劳强度的有效 途径是对弹簧进行喷丸和氮化处理。弹簧的喷丸，除了传统的应力喷丸之外又发 展了双级喷丸，喷丸和氮化也可以复合使用。而上述过程都涉及到碳在弹簧钢中 2 的存在形式的研究。 3 ) 环保化和节能性 钢铁工业是支撑我国国民经济发展最重要的基础产业之一。2 0 0 6 年，我国的 钢、铁、材产量均突破了4 亿吨，又一次实现了历史性突破，据国家统计局统计， 2 0 0 6 年全国粗钢产量4 1 9 亿吨，同比增长1 8 4 8 ，钢材由净进口转为净出口，钢 铁企业国际竞争力明显增强；产品结构明显改善，节能降耗取得了新进展，钢铁 固定资产投资得到控制，全行业实现利税创造历史纪录。然而，目前我国钢铁工 业发展还面临着许多亟待解决的问题：铁矿石对外依存度增加；煤、电、水、运 力等资源瓶颈的约束同益严重；行业集中度不升反降；行业平均能耗与发达国家 相比仍有较大差距。面对“十一五”期间单位g d p 的能耗要下降2 0 ，单位g d p 的污染物排放量要下降1 0 的发展目标，发展循环经济已成为我国钢铁工业的必 由之路。钢铁材料在国民经济命脉中占据着很重要的位置，而弹簧钢作为特殊钢 种在钢铁工业应用中占据着重要地位，随着铁路发展，热卷弹簧用量剧增。合理 优化工艺，改善弹簧表面脱碳状态，提高出品率，减少电、水、煤炭等能源的消 耗，促进集约型生产。 4 ) 提供理论依据 钢材脱碳现象是一个复杂的物理过程，脱碳速度、脱碳深度与弹簧的脱碳程 度、钢种特性、加热温度、加热时问、炉内加热气氛和其他加工工艺制度等因素 有关。其中一些重要问题并未解决，而研究脱碳程度和各因素j 日j 的定量的关系， 可以为改进工艺提供可靠的理论依据。 建立脱碳过程数学模型，从微观角度对脱碳现象进行研究，从比较新颖的角 度解释脱碳的过程，比以往的定性实验更具有说服力。以往并没有相关文献对弹 簧脱碳过程进行研究并建立详细的数学模型，而该模型的建立可以为钢铁材料氧 化脱碳的研究提供一种新的研究方法并提供参考依据。 1 3 国内外研究现状 1 3 1国内外弹簧钢标准脱碳的规定 国内外对弹簧钢的脱碳问题十分重视。生产试验证明钢材表面脱碳0 1 m m 就 会使其疲劳强度明显下降，并且随着钢材表面脱碳层深度的增加，疲劳寿命不断 下降。这是由于钢材淬火后，表面脱碳层达不到所要求的硬度和强度，在交变应 力的作用下容易产生裂纹，使弹簧过早地疲劳失效。另外表层不同部位淬火时膨 胀系数不同，产生应力，致使全脱碳层与部分脱碳层之间过渡区产生微裂纹，这 些可见的或不可见的裂纹在应力作用下迅速发展，引起弹簧的失效断裂。因此， 应限制弹簧钢材的总脱碳层，特别是铁素体脱碳。所以，各国对弹簧钢脱碳都有 所规定。 1 ) 美国【2 】【3 l ：a s t m 弹簧钢标准中，对油淬火阀门弹簧钢丝有要求，而且规 定具体严格，其他用途的钢丝和热轧弹簧钢棒根据美国西屋电气公司标准小于 0 0 0 6 + 1 d ，d 为直径。 2 ) 同本5 l ：对油淬火阀门弹簧钢丝明确规定进行脱碳层的测定，钢丝表面 不允许有铁素体的脱碳层，总脱碳层深度不得超过钢丝直径的1 5 ( 最大值为 0 0 5 m m ) ，而对弹簧钢钢材和油回火和静钢丝只要求“没有对实际使用有害的脱碳” 或“钢丝上不许有严重的脱碳现象”。 3 ) 前苏酬6 】：f o c t l 4 9 5 9 规定经车削、磨光、表面特殊精整的圆棒钢材不得 有脱碳层。钢棒2 ，2 a ，2 1 3 ，3 ，3 6 ，3 r 单面的脱碳层深度不应超过表1 2 所列的 标准。 表1 2 脱碳层规定f o c t l 4 9 5 9 t a b 1 2d e c a r b u r i z a t i o nl a y e rs t a n d a r d sr o c t l 4 9 5 9 轧材直径或厚度，m m 允许一般脱碳层深度 除硅合金钢所有的钢各类硅合金钢 4 ) 国内标准【7 】【8 】：g b t 1 2 2 2 2 0 0 7 规定，钢材总的脱碳层( 全脱碳+ 部分脱碳) 深度每边不大于表1 3 的规定( 扁钢脱碳层在宽面检查) ，表面以剥皮、磨光状态 交货的钢材没表面不应有脱碳层；t b t 1 0 2 5 2 0 0 0 规定不得超过0 5 d 。 表1 - 3 表面每边总脱碳层深度 t a b 1 3l a y e ro ne a c hs i d eo ft h et o t a ld e p t ho fd e c a r b u r i z a t i o n 对比各国对弹簧钢的脱碳标准要求。可知，美国标准最严格，日本、苏联、 4 中国略次之，同时所有标准对阀门弹簧标准都有规定不得有全脱碳层。 表1 4 国内外弹簧钢表面脱碳允许值 t a b 1 - 4a l l o wt h ev a l u eo fs u r f a c ed e c a r b u r i z a t i o ns p r i n gs t e e l 标准编号 允许的脱碳层深度( d 直径) r o c t l 0 1 0 7 1 8 l j i sg 3 5 6 5 8 8 a s t ma 2 3 2 9 0 g b tl2 2 2 2 0 0 7 t b 厂tl0 2 5 2 0 0 0 不许出现全脱碳层，表面不完全脱碳层深度1 0 d 不得有铁素体脱碳层，部分脱碳层深度1 5 d 不得有全脱碳层，d 4 8 8 m m 时，部分脱碳层深度0 0 2 5 m m ，直 径 4 8 8 m m 时，脱碳层o 0 3 8 m m 不得有铁素体脱碳层 不得超过0 5 d 1 3 2 国内外脱碳相关研究现状 为改善钢的表面脱碳，对脱碳层进行控制，国内外进行了广泛的研究，这些 研究主要集中在碳原子的扩散研究即机理研究，脱碳层成因研究、新材料的研制、 新工艺的研究、新设备的研究等。 1 ) 碳扩散机理研究 脱碳的本质是碳原子的扩散。碳素钢表层碳原子受热振动，其逸出功上升， 增大了碳原子脱离金属晶格的束缚的趋势，同时碳原子与氧原子的亲和力大于碳 原子和铁原子的亲和力，从而出现了碳原子的扩散现象。 目前，国内外对炼钢过程中碳在液体中的扩散现象进行了较多研究，碳在固 体中的扩散现象，主要集中在对渗碳过程的分析，渗碳过程和脱碳过程是两个相 对的过程，渗碳过程的结论能为脱碳过程提供参考。国外学者d 胁彤f e ，9 1 ，对扩 散层数学模型进行了研究，给出建模方法和计算过程，但是没有对一些重要参数 的选定进行探讨；国内的一些学者对碳脱碳过程也做了一些研究，陈卫、刘勇等【l o 】 提出了一种用于计算碳的脱碳系数和传递函数的有效方法，并且通过实验进行了 验证：朱应波【l l 】从脱碳的机理出发，建立了简单的脱碳扩散数学模型，并证实能 运用在特定温度和材料的脱碳计算中；何庆龙、林继成【1 2 】针对菲克定律并结合扩 散的热力学理论提出了扩散的热力学定律在碳的扩散研究方面有一定的可行性； 段j 下祥、余际星掣1 3 】运用菲克第一定律，对碳素钢在高温有氧环境中脱碳动力学 问题进行探讨，给出了钢材表层碳含量与温度、时间的物理关系。关于该方面的 研究并不多，但现有的研究表明，脱碳是基于碳在固体中的扩散现象，研究的出 发点都是运用菲克扩散定律，但是一些具体参数的获得并没有详细可靠的依据， 因此该方面的研究并不够完善。 5 2 ) 脱碳层成因研究 在脱碳层成因研究方面，国外研究较早，加热时间过长，加热温度过高，加 热气氛氧化性过高都是脱碳层的成因，此外日本学者大谷_ - n t l 4 】通过实验证明钢 的冷却过程的相变也产生脱碳；2 0 世纪5 0 年代中国的弹簧产业开始发展，此后开 始有学者开展该方面的研究，赵中英【i5 】从金相角度对高线生产的弹簧钢盘卷的表 面脱碳进行了分析，找出相关的影响因素，并针对实际情况提出了相应的改进方 法，提出加热温度过高，加热时间过长都是产生脱碳的原因，但是没有对如何控 制进行研究；马育副1 6 】的研究从设备特点、工艺因素等方面对6 5 m n 冷轧带钢脱 碳层超标问题产生的原因进行了分析，并采用控制材料成分、加热气氛、改进轧 制工艺等措施去解决问题；在热加工对脱碳层的影响方面刘春兰，刘建伟【1 7 】进行 了研究，他们用国产钢种代替6 0 0 m w ，3 0 0 m w 汽轮机进口弹簧材料，提出材料成 分的改进可以有效改善表面脱碳状况。该方面的国内外都进行了比较全面的研究， 但多属于定性试验研究，不够深入。 3 ) 新工艺的研究 许多研究表明，新加热方式工艺的运用能改善钢表面的脱碳，国内外学者进 行了研究也取得了一定成果。李文郁【l8 】对弹簧钢的轧制过程进行了研究，提出了 该过程中可以采用低温快速加热工艺来达到减少脱碳层的目的。徐德祥、尹钟大【1 9 1 通过实验证明了感应加热方式能有效减少脱碳层，感应加热回火，由于加热速度 快，使析出的碳，化物细小弥散，减小应力集中，从而改善塑性。减小晶界碳化 物的析出量和使细小碳化物均匀分布，可使韧性提高，降低加热时间，减少了脱 碳层深度。德国克虏伯所属的一家工厂采用感应加热卷制弹簧【2 0 】，设在里芝的生 产线每天可生产1 4 0 0 0 根弹簧。国内贵阳车辆厂几条弹簧生产线全部采用感应加 热卷簧。齐齐哈尔车辆厂新建的一条感应加热卷簧的弹簧生产线也于2 0 0 2 年投产。 由于感应加热速度快，加热时间很短，弹簧表面几乎不脱碳，但是脱碳与否还与 生产的弹簧种类有关。新的加热方式还包括真空热处理，王洪发、赵庭杰【2 1 】对高 速钢进行了真空热处理实验，实验结果表明真空热处理的方式对减少脱碳层深度 十分有效。陈勇、王海龙【2 2 】运用真空热处理方式对c r l 2 钢进行了热处理结果表明 与传统的热处理方法相比，经真空热处理的c r l 2 钢表面光亮、无脱碳、增碳等不 良现象，基本上无变形，由于钢种的特殊必须确保该类钢不脱碳，但是由于真空 热处理费用高，生产条件苛刻对于目前弹簧的生产并不适用，不过真空热处理仍 是未来发展的趋势。 新工艺研究还包括热处理保护涂料的研究，其应用提升了热处理工艺的技术 水平，改善了工艺，降低了消耗，增加了效益。国内外科技工作者对热处理保护 涂料从不同角度进行了研究。王崇庆，王恩泽，余大兵【2 3 】运用涂料保护原理配制 6 涂料，比较分析了它们的保护效果、各组分的作用及加入量的影响，得出以s i 0 2 ， a 1 2 0 3 等原料为耐火粉料和以水玻璃为粘结剂制作涂料形成的涂层在9 0 0 以下对 钢铁材料热处理有较好的保护作用。李虹燕，自力静等【2 4 】以s i 0 2 ，a 1 2 0 3 ，c r 2 0 3 为基料，以硅酸钾水溶液为粘结剂配制的涂料，在温度小于11 0 0 条件下，对4 5 和4 0 c r 钢具有优良的防氧化效果，并指出在目前的涂层保护下，钢铁材料的表面 氧化是不可完全避免的，但轻微氧化时生成少量的氧化物是有好处的，它会和涂 层中的原料生成复杂的氧化物，从而可以提高涂层的润湿性，也进一步提高涂料 的防氧化效果。石子源、王旭东【2 5 】成功研制出一种以废旧玻璃为主要原料的高温 防氧化、脱碳涂料。实验结果表明，该涂料工艺性能优良、高温下不丌裂、能均 匀分布在工件的表面上淬火后涂层能从工件上剥离。在8 0 0 。1 2 0 0 范围内可有救 地防止工件氧化、脱碳，而且成本低，制备技术简单。 4 ) 新的加工设备的研制 由于弹簧钢的脱碳主要发生在加热处理过程中，因此控制加热炉中的温度变 化十分重要。以前的研究工作大多集中于弹簧升温过程的数学模型及炉温的优化 设定控制，近年来，智能控制技术出现在有关加热炉温控研究的文献中。加热炉 是具有强耦合、纯滞后、大惯性及慢时变等特点的非线性系统，建模较困难，较 实用的是通过分析加热炉内的热交换机理建立实时控制模型【2 6 1 。7 3 m o t h y av e s i o e k i 采用动态热传导分析的方法【2 。7 1 ，将整个加热炉内区域细分为一系列节点，通过分 析钢坯各节点的热交换机理的方法对钢坯温度进行控制。采用分布参数理论与热 交换机理分析相结合的手段也是常用的建模方法，比较典型的是hep i k e 和s ， c i t r o n 应用参数分布理论所建立的数学模型2 引，并通过近似集中参数模型研究加 热炉的静态、动态优化。g k l a u s t e r e r ，w h r a y 与日rm a r t e n s 应用分布参数理论 实现了对钢坯温度分布的估计，所用的估计钢坯温度分布的数学模型也是建立在 换热机理基础上的【2 9 】。此外，d a r r y l gc a r p e n t e r 等人提出了“生产率控制”的概 念【3 0 1 ，认为通过钢坯的物性参数将炉内各加热区的加热温度与生产率联系起来， 在此基础上对加热炉实行分段温度控制，实际上也是一种参数分布系统。 国内在这方面起步较晚，7 0 年代末，随着工业计算机的逐渐普及和自动控制 技术在钢铁企业的应用日趋广泛，加热炉温度控制理论的研究开始同渐深入，成 为自动控制技术工业应用研究的重要领域。由于对加热钢坯的温度测量比较困难， 因此采用计算机计算炉内钢坯的温度分布与温升过程。用于计算的模型过去一般 采用多元回归方法，如武钢的热连轧加热炉所采用的模型 3 1 】【3 2 】。多元回归模型的 准确性较差，回归系数较多且大多没有直接的物理意义，而且用于实时控制也比 较困难，因此国内对钢坯升温模型的研究大多集中于从钢坯与炉内环境换热的物 理机制入手，寻找钢坯升温的热力学模型。在这方面杨永耀和周晓听的工作颇具 7 代表性【33 1 ，他们把炉内的钢坯考虑为一股被加热的物料流，并按几何位置分解为 系列相互关联的子系统，不仅得出了炉内钢坯加热的全系统模型，而且给出了 单独钢坯的跟踪热模型，为实时计算机控制奠定了理论基础。王中杰和杜佳璐等 人用离散状态空间模型的方法对钢坯的升温过程进行了研究【3 4 】【35 1 ，其基本思路与 上述相似。 1 4 本研究的目标、意义和内容 1 4 1本研究的目标、意义 通过以上分析可知，碳在固体中扩散过程，脱碳现象的研究还不系统，不能 用于实际生产。因此，根据国内外该方面研究发展趋势，本论文的研究目标确定 为：研究脱碳过程中，碳在固体中扩散的规律，参数，并建立弹簧钢在加热过程 的脱碳层深度计算模型，提出有效的工艺方案。这一研究取得成果后，能改善弹 簧的表面脱碳状况，提高其疲劳寿命，同时将能够掌握碳在固体中扩散的基本规 律，并为热处理过程工艺参数的优化设计提供理论依据。 1 4 2 本研究的内容 实验证明，弹簧脱碳层的产生主要发生在热处理阶段，要减少脱碳层深度， 必须对弹簧热处理工艺进行改进，然而目前基本采取实验的方法来最后得到工艺 参数，对于工艺参数的选取并没有可靠的理论分析和具体的模型支持。 本课题的重点就是先通过建立弹簧钢脱碳过程的有效数学分析模型，再通过 模型对弹簧钢热处理工艺进行分析，得到有效参数，最后对热处理工艺进行改进， 并提出有效方案。通过采用显微组织法和硬度法对弹簧进行脱碳检验分析，对脱 碳过程进行建模分析，研究整个弹簧生产过程中产生脱碳的因素及脱碳的机理， 从而实现对整个生产过程中弹簧件脱碳层深度的控制。 为了实现上述目标，需要展开如下研究工作： 1 ) 碳在固体中的扩散现象的研究 在固体物质中，扩散是原子迁移的唯一方式。固态物质中的扩散与温度有很 强的依赖关系，温度越高，原子扩散越快。从宏观出发，明确脱碳的机理，包括 化学成份变化，性能变化等内容：在微观方面，结合菲克扩散定律，解释碳在固 体中扩散中碳原子跳动和扩散距离，碳原子跳动和扩散系数，碳扩散的微观机制， 扩散激活能等关键问题。 2 ) 脱碳过程的有效数学模型 根据相变，扩散等基本理论，结合微观原子理论，同时考虑加热温度，加热 时间，加热方式等因素影响，建立弹簧钢在加热状态下至结束，脱碳层深度的计 算模型，确定初始条件和边界条件，并研究这一问题的求解方法。 3 ) 影响脱碳层深度的因素 脱碳层深度受到，加热时i n j ，加热温度，加热方式和其他众多因素的影响。 而上述参数和脱碳层深度之问存在一定联系，通过实验，找出各因素于脱碳层深 度之间的联系，并结合前阶段提出的模型进行完善，修正。 4 ) 工艺方案工艺改进 根据所得到数学模型，根据实际生产技术要求，提出相应的工艺改进方案， 对所得到产品进行检验，并与未改进工艺方案前表面脱碳状况进行比较，证明该 研究的应用效果和应用可行性。 5 ) 脱碳层深度的无损检测方法 目前钢在热处理后脱碳层深度的检测方法，主要有金相法、硬度法和化学法 三种。这三种方法的共同问题是，检验是破坏性的，无法实现1 0 0 检测，也无法 实现现场检测研究，一种快速无损检测的方法有助于加速本研究的进度。 9 2 脱碳中碳扩散规律的研究 脱碳的本质是碳原子的扩散【3 6 】。碳素钢表层碳原子受热振动，其逸出功上升， 增大了碳原子脱离金属晶格的束缚的趋势，同时碳原子与氧原子的亲和力大于碳 原子和铁原子的亲和力，从而出现了碳原子的扩散现象。目前对碳在固体中的扩 散研究不够深入，因此在应用上有一定的局限性。本章主要对碳在固体中扩散的 宏观规律、微观规律和影响扩散的因素进行深入分析。 2 1 扩散定律和宏观规律 2 1 1 扩散第一定律 在纯金属中，原子的跳动是随机的，不能形成宏观的扩散流；在合金中，虽 然单个原子的跳动也是随机的，但是在存在浓度梯度的情况下，就会产生宏观的 扩散流。弹簧钢在加热处理的过程中，金属表面的碳浓度高于空气中的碳浓度， 原子不断从高浓度向低浓度方向扩散，形成扩散趋势。 菲克( 彳r c 后) 于1 9 5 5 年参考导热方程，通过实验确立了扩散物质量与其浓 度梯度之间的宏观规律，即单位时间内通过垂直于扩散方向的单位截面积的物质 量( 扩散通量) 与该物质在该面积处的浓度梯度成正比，数学表达式为 t ，= - d ( o c 缸) ( 2 1 ) 上式为菲克第一定律或扩散第一定律【3 1 7 1 ，式中，为扩散通量，表示扩散物质 通过单位截面的流量，单位为m o l m 2 s ；x 为扩散组元的体积浓度，单位为m o l m 3 ； d 为原子的扩散系数，单位为m 2 s 。负号表示扩散由高浓度向低浓度方向进行。 菲克第一定律是由大量试验事实总结出来的，一般只有在稳态扩散的情况下 才能直接应用它测量扩散系数。因此，菲克第一扩散定律只能为本课题的研究提 供参考。 2 1 2 扩散第二定律 稳态扩散的情况很少，有些扩散虽然不是稳态扩散，只要原子浓度随时间变 化缓慢，就可以按稳态扩散处理，实际上大部分扩散属于非稳态扩散，这时系统 中的浓度不仅与扩散距离有关，也与时间有关。对于这种非稳态扩散可以通过扩 l o 散第一定律和物质平衡原理两个方面加以解决。 小 白l l ， 一土一一 a c i l 以+ 缈 c 图2 - 1 原子通过微元体的情况 f i g 2 1a t o mt h r o u g ht h ei n f i n i t e s i m a lb o d y 如图2 1 所示扩散系统，扩散物质沿j 方向通过截面面积为a 、长度为血的 微元体( x 处) 和流出的微元体( x + a x 处) 的扩散通量分别为五和以+ 缸，则在缸 时间内的微元体中积累的扩散物质量为 a m = ( j ，a 一以+ 缸彳) f 旦一互二厶坐 5 x a 5 2缸 当缸- 0 ，卜，0 时，则 8 c a ta x 将扩散第一方程代入，得 百o c = 丢( 唾)a苏、缸7 扩散系数一般是浓度的函数， 为常数，故式( 2 3 ) 可简化为 一o c ：d _ 0 2 c a苏2 当它随浓度变化不大或者浓度很低时，可以视 ( 2 4 ) 式( 2 2 ) 、式( 2 3 ) 和式( 2 4 ) 是描述一维扩散的菲克第二定律。 对于碳在固体中的扩散，应该属于三维系统中的扩散，根据具体问题采取不 同的坐标系，在直角坐标系下的扩散第二定律可由式( 2 3 ) 拓展得到 百o c = 昙( 皿面o c ) + d , a c ) + 西0 【4i o c ) ( 2 - 5 ) 扩散同为同向同性时候，如立方晶体，有d x = d y = d z ，若扩散系数与浓度无关， 则转变为 、， 2 3 ，、l 2k 筹= 。c 窘+ 雾+ 等， 或者标记为 o c ：d v 2 c a t 2 1 3 扩散定律的解 ( 2 6 ) ( 2 7 ) 对非稳念的扩散，可以先求出扩散定律的通解，再根据问题的初始条件和边 界条件，求出问题的特解。因此，碳在固体中的扩散可以展开如下讨论。误差函 数解适合于无限长或半无限长物体的扩散。无限长的意义是相对于原子扩散长度 而言，只要扩散物体的长度比扩散区长得多，就可以认为物体是无限长的。弹簧 钢的表面脱碳可以归结为此类问题。 无限长扩散偶的扩散 将两根溶质原子浓度分别为c l 和c 2 、横截面积为和浓度均匀的金属棒沿着长 度方向焊接在一起，形成无限长扩散偶，然后将扩散偶加热到一定温度保温，考 察浓度沿长度方向随时间的变化，如图2 2 。 c = c 2 c 2 c lc = c l u 世 蔗 距呙x 图2 - 2 无限长扩散偶中的溶质原子分布 f i g 2 - 2d i s t r i b u t i o no fs o l u t ea t o m si ni n f i n i t ed i f f u s i o nc o u p l e 将焊接面作为坐标原点，扩散沿工轴方向，列出扩散的初始条件和边界条件 分别为 t = 0 0 寸，x o ，c = c l t 0 时，x = - o o ，c = c 2 ；x = + o o ，c = q 为得到满足上述条件的扩散第二方程的解c ( x ，0 ，采用变量代换法，令 = x 2 x - d t ，并将其代入方程( 2 4 ) ，将浓度由二元函数转变成为卢的单变量 函数，从而将方程( 2 4 ) 转变为常微分方程 o cd cd f l8d c 一= 一一：= 一一_ a t 矗8d t 2 ta p a 2 c d 2 c ，筇、2 1d 2 c 苏2 d 2 、缸7 4 d td 2 将以上两式代入( 2 4 ) ，得 等脚嚣= o ( 2 8 ) 方程的通解为 c = 4 f e x p ( 一2 ) a l p + 4 6 式中，a l 和a 2 是积分常数。上述积分不能得到准确解， 在定义一个p 的误差函数 e r f ( 5 ) = 一2i e x p ( 一2 ) d 7 z 6 当一时，e x p ( 一2 ) d p = 半 结合上述边界条件得到 c l = 半4 + 4 g = 一半4 + 4 则有 铲华，4 ：毕 7 【v 尢 代入( 2 9 ) ，则 c = 半+ 盟2 川三2 l d t ) 2 。、 。 ( 2 9 ) 只能用数值解法。现 ( 2 1 0 ) 式( 2 1 1 ) 为无限长扩散偶中的溶质浓度扩散距离和时间的变化关系，此外对 该误差函数中的一些其他问题有如下研究 1 ) c ( x ，n 曲线的特点 根据式( 2 1 1 ) 可以确定扩散开始以后焊接处的浓度g c ：啦 2 表明界面浓度为扩散偶原始浓度的平均值，该值在扩散过程中直保持不变。 若扩散偶右边的金属棒的原始浓度为0 ，则式( 2 1 1 ) 可以简化为 c = 争可( 盍) 而焊接面的浓度e = c 2 2 。 在任意时刻，浓度曲线相对于x = 0 ，e = ( c l + c 2 ) 2 为中心对称。随着时间的 延长，浓度曲线逐渐变得平缓，当t 专0 0 时，扩散偶各点浓度均达到均匀浓度 ( c l + c 2 ) 2 。 2 ) 扩散抛物线规律 由式( 2 一1 1 ) 和( 2 1 2 ) 看出，如果要求距离焊接面为x 处的浓度达到c ，则 需要的扩散时间由式( 2 1 3 ) 计算 x ：k 瓦( 2 1 3 ) 仁肌眈矿意 ( 2 - 1 4 ) 式中，k 是与晶体结构有关的常数。该式表明，原子扩散距离和时间是抛物线 关系，许多扩散现象都满足这种关系，包括碳在固体中的扩散。 半无限长物体的扩散 化学热处理是工业生产中常见的热处理工艺，它是将零件置于化学活性介质 中，在一定温度下，通过活性原子又零件表面向内部扩散，从而改变零件表层的 组织、结构和性能。钢的渗碳是典型的化学热处理工艺，渗碳时，活性碳原子附 在零件表面上，然后向金属内部扩散；然而脱碳正是渗碳的逆反过程。 将碳浓度为c o 的低碳钢放入含有渗碳介质的渗碳炉中在一定的温度下渗碳， 渗碳开始后零件的表面很快达到这个温度下奥氏体的饱和浓度c 。，随后表面碳浓 度保持不变。随时间的延长，碳原子不断地由表面向内部扩散，渗碳层中的碳浓 度曲线不断地向内部延伸，深度不断增加。碳浓度分布曲线与扩散距离及时间的 关系可以根据( 2 1 4 ) 求出。将坐标原点x = 0 放在表面上，石轴的正方向由表面垂 直向内，即碳原子的扩散方向。此时边界条件为 t = o 时，x 0 ，c = c n t o 时，x = 0 ，c = e ；石= + o o ，c = c o 上述条件代入( 2 1 4 ) ，确定比例常数a 和b ，可求出碳的分布函数 rv c2 g + e c o i1 一p 矿夏蒜i ( 2 - 1 5 ) 金属和钢铁材料在高温下表面脱碳也是半无限长扩散的例子，与渗碳过程相 比其边界条件不同。 2 2 扩散微观机制和理论 1 4 扩散第一定律、扩散第二定律及其在各种条件下的解，反映了原子扩散的宏 观规律，这些规律为解决许多与扩散相关实际问题奠定了基础。在扩散定律中， 扩散系数是衡量原子扩散能力的重要参