（机械制造及其自动化专业论文）合金钢摩擦热处理后的显微组织及力学性能.pdf

摘要 通过对目前使用的金属表面热处理方法进行调查和研究，提出了摩擦热处理技术 这一更加节能、环保、高效的金属表面热处理方法。 本文研究了摩擦热处理技术的摩擦学、传热学基础理论并建立了摩擦热处理的传 热过程数学模型。根据理论研究与实际条件制定了合金钢试件摩擦热处理试验方案， 并按照试验方案进行了试验。对摩擦热处理得到的试件进行了硬度测定和微观组织形 貌照相，通过以上数据分析了摩擦热处理试件的显微组织和力学性能。运用有限元法 和a n s y s 分析软件对试验过程中的温度场进行了仿真分析。 本文的试验和分析结果显示了合金钢摩擦热处理后的试件基本符合实际使用要 求，摩擦热处理技术具有良好的实际应用前景。 关键词：摩擦热处理合金钢显微组织力学性能有限元法 a b s t r a c t a c c o r d i n gt oi n v e s t i g a t i o na n dr e s e a r c ha b o u tt h ec u r r e n ta c t u a l i t y o fs u r f a c eh e a t t r e a t m e n tp r o c e s s e s ，t h en e w t e c h n i q u e ，n a m e d “f r i c t i o nh e a tt r e a t m e n t ，i sp u t t e df o r w a r d ， w h i c hi sm o r ee n e r g yc o n s e r v a t i v e ，e n v i r o n m e n t a l l yf r i e n d l y ，a n de f f i c i e n tt h a nt r a d i t i o n a l h e a tt r e a t m e n tp r o c e s s e s t i l i st h e s i si st os t u d yt h eb a s i ct h e o r i e so ft h et r i b o l o g ya n dh e a tt r a n s f e ra b o u tt h e f r i c t i o nh e a tt r e a t m e n tt e c h n i q u e t h ep h y s i c a la n dm a t h e m a t i c a lm o d e l sa b o u tf r i c t i o nh e a t t r e a t m e n ta l ee s t a b l i s h e d , b yd e s c r i b i n gt h eh e a tt r a n s f e rp r o c e s so ft h ef r i c t i o nh e a t t r e a t m e n t a c c o r d i n gt ot h et h e o r e t i c a ls t u d ya n dt h ea c t u a lc o n d i t i o n s ，at e s t i n gs c h e m eo f f r i c t i o nh e a tt r e a t m e n ta b o u tt h ea l l o ys t e e li sd e v e l o p e d ，a n dt h et e s to ft h ew o r kp i e c e s w e r ec a r r i e do u tb yf r i c t i o nh e a tt r e a t m e n tm a c h i n ew h i c hw a ss p e c i a l l yd e s i g n e d 刀砖 h a r d n e s s e so ft h ew o r k p i e c e sa f t e rf r i c t i o nh e a tt r e a t m e n tt e s t i n gw e r em e a s u r e db y r o c k w e l lh a r d n e s st e s t e r ，a n dt h ep h o t o so ft h em i c r o s t r u c t u r e so fw o r k p i e c e sw e r et a k e n b ys c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p e n a m e l y s e m n ea n a l y s i sa b o u tt h em e c h a n i c a l p r o p e r t i e sa n dm i c r o s t r u c t u r e s o fw o r k p i e c e sw e r ec a r r i e do u t t h es l o p ed i s t r i b u t i o no f t e m p e r a t u r eo fs a m p l e s ，w h e ni tw a sr u b b e db yt h ec o u n t e rp a r t , w a ss i m u l a t e db yu s i n g t h ea n s y s t h er e s u l to ft h et e s t i n ga n da n a l y s i ss h o wt h a t ，t h ew o r k p i e c em e e t st h ea c t u a l r e q u i r e m e n t sa f t e rf r i c t i o nh e a tt r e a t m e n t 乃ef r i c t i o nh e a tt r e a t m e n tt e c h n i q u eh a sg o o d p r o s p e c t si np r a c t i c a la p p l i c a t i o n s k e yw o r d s ：f r i c t i o nh e a tt r e a t m e n ta l l o ys t e e l s m i e r o s t r u c t u r e s m e c h a n i c a l p r o p e r t i e sf i n i t ee l e m e n tm e t h o d 长春理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文，合金钢摩擦热处理后的显微组织及力 学性能是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经 注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意 识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：垤逛羔坦年鱼月笪日 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、博士学位论文版权使 用规定”，同意长春理工大学保留并向中国科学信息研究所、中国优秀博硕士学位论 文全文数据库和c n k i 系列数据库及其它国家有关部门或机构送交学位论文的复印件 和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权长春理工大学可以将本学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和 汇编学位论文。 作者签名：宝超量业瞳月箜日 导师签名：薹圭童哆业吐月丛日 第一章绪论 1 1 热处理工艺发展现状 金属热处理就是将固态状态下的金属加热到指定的温度，并使之在此温度保持一 段时间，随后以不同的方式使之冷却，通过对加热温度、加热速度、保温时间、冷却 条件四个要素的合理调配，促使其产生相应的相变，形成对应的微观组织形貌，从而 使工件获得所需要的使用性能的一种热加工方法。在提高使用寿命和保证工业产品的 质量的要求下，绝大部分重要的工件都需要进行热处理，例如，在机床行业中有 6 0 7 0 的零部件需要对其进行热处理加工，农用机械和汽车行业中有7 0 8 0 的零 部件需要进行热处理加工，而对模具制造业而言，所有部件都要进行热处理加工。在 现实生产中，只要热处理工艺适合，能使金属零部件的使用寿命几倍、甚至十几倍地 增加，落实“搞好热处理，零件一顶几 的目标，收到事半功倍的效果。因此，作为 冶金机械工业中的一项重要基础技术的热处理技术将在金属零件加工和模具制造工业 中起到至关重要的作用，对于充分发挥金属材料的性能潜力，节能环保，增长产品的 使用寿命，提升产品的性价比，提高社会和经济效益都具有十分重要的意义【l 】。本章 将介绍一些热处理的主要方法和摩擦焊及磨削淬硬的基本情况，进而说明摩擦热处理 技术的可行性及与其它热处理方法相比的优点。 1 1 1 热处理的主要方法 一、退火 操作方法：将钢件加热到a e 3 + 3 0 - - 5 0 或a c l + 3 0 - - - 5 0 或a c l 以下的温度( 可 以查阅有关资料) 后，一般随炉温缓慢冷却。 目的：1 降低硬度，提高塑性，改善切削加工与压力加工性能；2 细化晶粒，改善 力学性能，为下一步工序做准备；3 消除冷、热加工所产生的内应力。 应用要点：1 适用于合金结构钢、碳素工具钢、合金工具钢、高速钢的锻件、焊 接件以及供应状态不合格的原材料；2 般在毛坯状态进行退火。 二、正火 操作方法：将钢件加热到a c 3 或a c m 以上3 0 5 0 c ，保温后以稍大于退火的冷 却速度冷却。 目的：1 降低硬度，提高塑性，改善切削加工与压力加工性能；2 细化晶粒，改善 力学性能，为下一步工序做准备；3 消除冷、热加工所产生的内应力。 应用要点：正火通常作为锻件、焊接件以及渗碳零件的预先热处理工序。对于性 能要求不高的低碳的和中碳的碳素结构钢及低合金钢件，也可作为最后热处理。对于 一般中、高合金钢，空泠可导致完全或局部淬火，因此不能作为最后热处理工序。 三、淬火 操作方法：将钢件加热到相变温度a t 3 或a c l 以上，保温一段时间，然后在水、 硝盐、油、或空气中快速冷却。 目的：淬火一般是为了得到高硬度的马氏体组织，有时对某些高合金钢( 如不锈 钢、耐磨钢) 淬火时，则是为了得到单一均匀的奥氏体组织，以提高耐磨性和耐蚀性。 应用要点：1 一般用于含碳量大于o 3 的碳钢和合金钢；2 淬火能充分发挥钢的 强度和耐磨性潜力，但同时会造成很大的内应力，降低钢的塑性和冲击韧度，故要进 行回火以得到较好的综合力学性能。 四、回火 操作方法：将淬火后的钢件重新加热到a c l 以下某一温度，经保温后，于空气或 油、热水、水中冷却。 目的：1 降低或消除淬火后的内应力，减少工件的变形和开裂；2 调整硬度，提高 塑性和韧性，获得工作所要求的力学性能；3 稳定工件尺寸。 应用要点：1 保持钢在淬火后的高硬度和耐磨性时用低温回火；在保持一定韧度 的条件下提高钢的弹性和屈服强度时用中温回火；以保持高的冲击韧度和塑性为主， 又有足够的强度时用高温回火；2 一般钢尽量避免在2 3 0 , - - - , 2 8 0 。c 、不锈钢在4 0 0 - - - 4 5 0 之间回火，因为这时会产生一次回火脆性。 五、调质 操作方法：淬火后高温回火称调质，即将钢件加热到比淬火时高1 0 , - , - , 2 0 。c 的温度， 保温后进行淬火，然后在4 0 0 7 2 0 的温度下进行回火。 目的：1 改善切削加工性能，提高加工表面光洁程度；2 。减小淬火时的变形和开裂； 3 获得良好的综合力学性能。 应用要点：1 适用于淬透性较高的合金结构钢、合金工具钢和高速钢；2 不仅可 以作为各种较为重要结构的最后热处理，而且还可以作为某些紧密零件，如丝杠等的 预先热处理，以减小变形。 六、时效 操作方法：将钢件加热到8 0 - 2 0 0 ，保温5 - 2 0 小时或更长时间，然后随炉取 出在空气中冷却。 目的：1 稳定钢件淬火后的组织，减小存放或使用期间的变形；2 减轻淬火以及 磨削加工后的内应力，稳定形状和尺寸。 应用要点：1 适用于经淬火后的各钢种；2 常用于要求形状不再发生变化的紧密 工件，如紧密丝杠、测量工具、床身机箱等。 七、冷处理 操作方法：将淬火后的钢件，在低温介质( 如干冰、液氮) 中冷却到- 6 0 - 8 0 或更低，温度均匀一致后取出均温到室温。 目的：1 使淬火钢件内的残余奥氏体全部或大部转换为马氏体，从而提高钢件的 2 硬度、强度、耐磨性和疲劳极限；2 稳定钢的组织，以稳定钢件的形状和尺寸。 应用要点：1 钢件淬火后应立即进行冷处理，然后再经低温回火，以消除低温冷 却时的内应力；2 冷处理主要适用于合金钢制的紧密刀具、量具和紧密零件。 八、火焰加热表面淬火 操作方法：用氧一乙炔混合气体燃烧的火焰，喷射到钢件表面上，快速加热，当 达到淬火温度后立即喷水冷却。 目的：提高钢件表面硬度、耐磨性及疲劳强度，心部仍保持韧性状态。 应用要点：1 多用于中碳钢制件，一般淬透层深度为2 , - 6 m m ；2 适用于单件 或小批量生产的大型工件和需要局部淬火的工件。 九、感应加热表面淬火 操作方法：将钢件放入感应器中，使钢件表层产生感应电流，在极短的时间内加 热到淬火温度，然后喷水冷却。 目的：提高钢件表面硬度、耐磨性及疲劳强度，心部保持韧性状态。 应用要点：1 多用于中碳钢和中堂合金结构钢制件；2 由于肌肤效应，高频感 应淬火淬透层一般为1 2 m m ，中频淬火一般为3 - - 5 m m ，高频淬火一般大于l o m m 十、渗碳 操作方法：将钢件放入渗碳介质中，加热至9 0 0 , - - , 9 5 0 。c 并保温，使钢件便面获得 一定浓度和深度的渗碳层。 目的：提高钢件表面硬度、耐磨性及疲劳强度，心部仍然保持韧性状态。 应用要点：1 用于含碳量为o 1 5 - - 0 2 5 的低碳钢和低合金钢制件，一般渗碳 层深度为o 5 2 5 眦；2 渗碳后必须进行淬火，使表面得到马氏体，才能实现渗碳 的目的。 十一、氮化 操作方法：利用在5 0 0 6 0 0 时氨气分解出来的活性氮原子，使钢件表面被氮饱 和，形成氮化层。 目的：提高钢件表面的硬度、耐磨性、疲劳强度以及抗蚀能力。 应用要点：多用于含有铝、铬、钼等合金元素的中碳合金结构钢，以及碳钢和铸 铁，一般氮化层深度为0 0 2 5 - 0 8 m m 十二、碳氮共渗 操作方法：向钢件表面同时渗碳和渗氮。 目的：提高钢件表面的硬度、耐磨性、疲劳强度以及抗蚀能力。 应用要点：1 多用于低碳钢、低合金结构钢以及工具钢制件，一般氮化层深0 0 2 - - 3 m m ；2 氮化后还要淬火和低温回火。 1 1 2 应用现状及发展前景 近几年，伴随着国内外热处理技术的快速发展和电子计算机在热处理中的应用， 出现了一批热处理新技术，如离子热处理、新型化学热处理、高能率热处理及真空热 处理等等，而且越来越多的高效、节能的设备和工艺也在不断地被开发出来。多年以 来，随着国内热处理技术的的不断发展，国内的热处理厂商已达到1 万多家，拥有超 过1 0 万台的热处理加工设备，每年有将近7 0 0 万吨金属件被热处理，每年可创造利润 超过5 0 亿元。目前在某些热处理工艺研究和基础理论研究方面，我国的研究水平与发 达工业国家差距很小，但对将理论转化为实际生产能力方面却有着明显的差距，在热 处理工艺和热处理过程中存在的设备落后、能耗大、生产效率低、氧化脱碳严重、成 本高、产品质量差、污染严重等问题还没有得到根本的改观。为了能让国内的热处理 工艺水平更快的提高，我们应对国外热处理技术发展的现状和趋势有全面了解和掌握， 不断加强热处理的基础理论研究，大力发展多参数热处理和复合热处理工艺，采用新 的加热源和新的加热方式，采用新的淬火介质和改进淬火工艺。用高科技、新技术优 化以前的热处理技术，同时要对热处理新技术、新工艺、新材料、新设备进行大力开 发，大力发展节能、细致化、低耗、高效、无污染、专业化的热处理技术【l 】。 1 2 摩擦热处理相关技术介绍 近些年来，随着摩擦焊在航空技术、海洋开发、核工业等高科技领域及机械加工、 电子、能源开发、汽车工业等生产部门得到大量应用，摩擦焊接技术因其优质、高效、 节能、无污染等特色而被大家广泛的应用于各个生产部门【2 】。将表面热处理技术与磨 削加工技术融合成一个过程就形成了磨削淬硬工艺，建立了一个具有广阔应用前景的 领域，在不久的将来，在生产领域得到不断应用的磨削淬硬技术必将会产生良好的经 济效益和社会效益。由于摩擦焊技术和磨削淬硬加工工艺的快速发展，在其领域内也 取得了一定的研究成果。 1 2 1 摩擦焊技术简介 摩擦焊是一种将两端金属固相加热后相挤压的现代焊接工艺，其基本工艺过程就 是利用两个作高速相对运动的焊件相互摩擦所产生的热使两个焊件的接触面达到塑性 状态，通过在一端施加顶锻力而使两者连成一体的工艺方法。这是一个焊件间相互作 用的复杂过程，其中包含着热传导、力、金属材料等各学科知识。摩擦焊焊接质量高、 焊件尺寸精度高；生产效率高，便于实现自动化；能耗低，节能效果显著；摩擦焊技术有 “四无”的特点：即无焊条、无焊丝、无焊药、无保护气体；不仅普通碳钢、合金钢和 有色金属等可以用摩擦焊来焊接，摩擦焊也可以将两种能相差较大的异种材料焊接在 一起，如将塑料与陶瓷、合金等不同材料实现固连，还可以焊接两种材质完全不同的 金属材料，诸如将铸铁和钢焊在一起，具有广泛的适应性。从能量的施加方式可以将 摩擦焊分为连续驱动摩擦焊( d i r e c t d r i v ef r i c t i o nw e l d i n g ) 和惯性摩擦焊 ( i n e r t i a - f r i c t i o nw e l d i n g ) ，其工作参数分别如图1 1 ( a ) 、( b ) 所示。按摩擦焊的摩擦 运动形式可以将其分为旋转式和轨道式两大类。圆形截面的焊件多应用旋转式摩擦焊 进行焊接，各种非圆截面的焊件主要用轨道式摩擦焊来进行焊接。随着摩擦焊接技术 的应用越来越普遍，会有越来越多的摩擦焊工艺方法出现。 4 薄接嚣鲐蹿麓嘲 辩揍赣囊 图1 1 ( a ) 惯性摩擦焊参数示意图( b ) 连续驱动摩擦焊参数示意图 1 2 2 摩擦焊研究发展现状 随着相关学科、新技术的不断发展，摩擦焊技术的发展也日新月异，己由最初的 几种演变成十多种( 见图1 2 ) ，工作分工也越来越细，应用领域极其广泛。所能加工的 图1 2 摩擦焊分类图 工件的形状也由圆截面延伸到非圆截面和板材等，由最初的只能焊接金属材料发展成 可以对各种复合材料、难熔材料、粉末合金、功能材科等众多新型材料及异种材料进 行焊接加工。下面将着重对几种新的摩擦焊工艺进行介绍、说明。 一、第三体摩擦焊 热塑性塑料基复合材料一热固性塑料、金属粉末冶金或陶瓷、陶瓷一陶瓷等材 料是对于普通焊接相较难焊接的材料组合，而利用第三体摩擦焊接连接可以解决这类 问题。第三体摩擦焊可以在焊接过程中形成高强度接头，也就是说，在轴向压力和扭 矩的作用下熔点较低的连接物质在两个焊件之间的间隙中被两焊件摩擦所产生的热 量加热到塑性变形的l 临界点。在摩擦运动的过程中会产生自动清理效果，因而不用再 添加多余的保护气体和焊剂。在冷却荆作用下第三体材料熔化后迅速冷却从而把两 个工件固连形成可靠接头，两侧工件一般不发生形变。并且，由于有不熔化的第三体 材料，也避免了髓着普通焊接的一些常见问题的出现。 二、线形摩擦焊旋转式摩擦焊接一般用于圆形截面的焊件的焊接，而线形摩擦 焊可以用于对各种截面的金属或塑料材料的焊接，如方形、多边形等等。线形摩擦焊 上作时，将一个j ：仲固定在工作台上另一1 ：件随驱动机构在其上做往复运动，在压 力作用下使工件在相互运动的过程中接触平面产生大量的热并具有一定的清理效果。 工件表面随着温度升高而技生塑性变形，最后在运动结束后施加顶锻力。其原理如图 13 所示。 囝13 线性摩擦悍接原理 图】4 搅动摩擦焊接原理图15 嵌 摩擦焊接原理 三、搅动摩擦焊搅动靡擦焊机构的核心部件是一个作高速旋转的台肩道具，刀 具通常用硬质合金材料制作，根据焊件的不同而制成不同的形状，其纵深长度比焊缝 深度稍短。工作前，首先将待焊工件紧固在底板 ：，台肩道具的轴线对准焊缝。开始 工作后，道具以一定的圆周速度运动并源人到焊缝中，同时沿焊缝方向运动。在摩擦 过程中焊件的部分面达到塑性状态，另一方面，由于刀头的转动同时也有碾压、搅 动等方式的力作用在焊件t 随着刀兵的运动而形成焊缝，其原理如图14 所示。 四、嵌入摩擦焊嵌入摩擦焊就是使相对较硬的材料嵌人到相对较软的材料内。 嵌入摩擦焊工作时，两焊件与普通摩擦焊一样相对运动并产生的大量的摩擦热，随着 温度的上升，相对较软材料的局部逐步产生塑性变形，将较硬材料嵌入到高温较软材 料预先设计好的的凹槽中，在拘束肩的约束下较硬材料的顶端被高温较软材料紧紧包 裹住。当运动结束、工件快速冷却后，便可形成可靠接缝，同时两边由相互嵌套构成 机构连接，其原理如图1 5 所示1 2 】。 1 2 3 磨削淬硬技术介绍 磨削淬硬技术就是利用砂轮磨削工件时产生的热代替其它热源对金属件表面进行 淬火强化处理，使磨削加工过程与表面强化过程合为一个工序。磨削淬硬是磨削加工 与表面淬火的混合工艺，其主要工艺过程如下：首先利用粗磨产生的大量磨削热取代 传统的表面淬火热源所产生的热量，使其作用在在工件表面上以达到工表层强化的目 的，然后再对工件进行精磨加工来获的所需要的精度与表面质量。从而省去了感应加 热等其它表面淬火工艺方法，进而简化了生产工艺流程【3 j 。 1 2 4 磨削淬硬研究现状 多年来，众多研究磨削热的科学工作者所做的研究工作，大多都是将磨削热当做 一种消极的因素来研究。近十年来，一些研究者试图将磨削热变成一种积极的因素去 主动有效地控制它，利用磨削热对工件的表面进行热处理，初步形成了磨削淬硬表面 强化技术，试图将机械加工中的消极因素转变成积极因素。磨削强化技术是利用磨削 热替代高、中频感应淬火对钢件表层进行强化处理，将磨削加工与表面强化合为一 体。磨削淬火技术是由德国科学家b r o c k h o f f t 和eb r i n k s m e i e r 在1 9 9 4 年最先提出 设想，其具体过程是利用磨削加工过程中所产生的磨削热对工件表面进行表面淬火 处理，对加工精度要求较高的工件再进行进一步的精加工，以达到工件所需要的加工 水平，进而同时解决了磨削加工中存在的表面淬火难以在生产流程中集成和热损伤等 问题，实现了磨削加工与表面淬火相融合的新的表面热处理工艺。澳大利亚的z h a n g l c 和z a r u d ii 于2 0 0 0 年申请了有关表面淬火和磨削加工集成工艺的专利。2 年后， 他们对调制态a i s l 4 1 4 0 钢试件件进行了首次磨削强化试验，并根据试件试验后的微 观显微组织形貌的分析结果，得到了与常规淬火相比，磨削强化后的组织外表层具有 少量胞状多边形为错结构和一定的超精细板条马氏体。而对试件的磨损与疲劳性能测 试结果表明，与常规淬火件相比，超精细化晶粒、高硬度及多边形为错的结构增强了 试件组织的热一化学稳定性，进而对工件的疲劳寿命和磨损率都有显著的提高，初步 验证了磨削淬火工艺的现实意义和应用前景。在国内，有的学者将磨削淬火后的工件 硬化表面划分为完全硬化区及过渡区，分析得到马氏体和珠光体是过渡区的主要组 成成分，而残余奥氏体、板条状马氏体和微量碳化物构成了完全硬化区。 磨削淬硬工艺的研究一直在进行，国内外学者做了大量工作并取得了相当的成 果，但依然存在的一些技术问题，使得其在生产实际中的广泛应用受到限制。 一、理论研究比较薄弱 7 作为一个过程复杂的技术，摩擦淬硬主要受淬火技术和磨削技术两种技术的影 响。工件的淬火质量主要受冷却速度和加热温度的影响。而冷却速度更是起着关键性 的作用。空气自然冷却是目前磨削淬火技术研究中最经常使用的冷却方式，经过磨削 淬火技术加工后的工件的质量和材料的使用寿命必将受到很大的影响，故对磨削淬硬 中冷却方式的研究急待加强。磨削力是磨削过程中的一个非常重要指标，对能量的相 互转化过程起着相当重要的作用，是加工过程中形变、组织变化、温度变化的决定性 因素。故对磨削加工中影响磨削效果的各种因素的基础理论研究尚需加强。 二、工艺稳定性相对较差 在工业生产中，一项技术的工艺的稳定性对整个技术的使用成败起着决定性的作 用。相对于国内外学者投入大量精力在磨削淬火技术中最大淬硬层深度的再现性方面 的研究而言，磨削淬硬技术中对沿磨削方向淬硬层深度的一致性研究就显得较为薄弱 了。在以往的研究试验中发现，磨削淬硬层深度是沿磨削方向呈比较大的改变。由于 各种参数因素交叉影响磨削淬硬的过程，所以在整个磨削淬硬的过程中，工件的热量 是一个不断变化的值，显而易见，这也造成了淬硬层深度沿磨削方向梯度分布的不一 致。对沿磨削方向淬硬层深度变化的控制将是磨削淬火技术研究的又一个十分重要的 课题。 三、应用范围较窄 到目前为止，为了得到理想的淬硬层深度和磨削淬硬效果，多在研究试验中使用 部分中碳钢或合金钢，主要原因是由于它们具有较好的淬透性，磨削方式多采取切入 式砂轮磨削长方体试平面的方式，也没有明确界定磨削淬火技术对材料的适用范围； 另外，磨削淬火研究中对生产实际中应用较广一些零件的形状及材料的涉及较少。研 究试验局限性太强，与实际应用的结合不够紧密【4 】。 1 3 摩擦热处理方法的提出 一 本研究致力于把摩擦生热原理应用于工件表面硬化热处理工艺中，摩擦生热是机 械加工中一种非常重要的能量转化，它在大部分时间里扮演的是消极因素的角色。通 过摩擦生热的方法使工件表面温度快速提升，以达到表面淬火的目的，这样可以把机 械加工中的消极因素转化成积极因素。 1 3 1 摩擦理论 摩擦：两个相互接触的表面有相对运动的趋势或已经相互运动的时候，有阻碍其 发生相互运动趋势或相互运动的情况被称称为摩擦。阻止相对运动或相对运动趋势的 力称为摩擦力。 就两个固体而言，两物体相对运动时的接触表面的相互作用对它们之间的摩擦起 决定性作用，其内部状态如何并不影响摩擦效果，这样的摩擦被称为外摩擦。而在液 体或气体中，它们内部各部分之间有相对运动产生的摩擦，这种被称为内摩擦。为边 界润滑状态下的摩擦是吸附膜或其它表面膜之间的摩擦，也属于外摩擦。 8 外摩擦和内摩擦的共同特征是：它们都是物体将自身或自身的一部分的运动或运 动趋势传导给与它们相接触的另一物体或自身的另一部分的过程，并努力使被传递者 的速度与源物体趋于一致，这就是在摩擦过程中有能量的转换发生的原因。 1 3 2 实现方法的技术手段 现代机械加工手段日趋多样化，各种机床及更先进的加工中心多种多样，经过多 方考察与权衡我们最终决定采用长春数控机床有限公司生产的c 4 d q 型连续驱动摩 擦焊机作为试验机床，其相关参数及实验条件将在后面的篇章中列出。 1 3 3 相对于当前热处理工艺的优势 该研究与之前的淬火硬化技术相比有以下优点： 一、节能：采用摩擦热处理唯一的能量消耗是驱动摩擦热处理材料旋转所消耗 的电能，整个处理过程不需要传统高频感应加热淬火所必须的大变压器、大电流。 二、经济性：摩擦热处理设备不但设备简单、体积小，适合中小型工厂采用，而 且由于不需要大型的供电设备以及专用感应线圈，设备成本降低了3 0 。 三、安全性及环保：由于摩擦热处理不像高频感应加热淬火存在电磁波幅射，焊 接过程更绿色环保、焊接环境更安全。 四、加工效率高：正如摩擦焊接一样，摩擦热处理加热速度快，可以极大地提高 生产效率。 所以此项研究对人民生产生活都具有积极的意义。 1 4 论文开展的研究工作 论文主要从摩擦热的相关理论入手，推导出摩擦热处理的传热过程的数学模型， 并以此确定摩擦热处理实验过程中的相关影响因素，从而确定实验设备、实验材料以 及实验方案；在上述工作完成后，即进行实验，得到实验后的试样，对试样进行力学 性能测试和显微组织测试，最终对得到的数据进行分析。同时。还将运用a n s y s l l 0 软件对整个摩擦热处理实验的传热过程进行仿真模拟，对所采用的实验参数进行验证， 以上就是本论文需要完成的工作。 9 第二章摩擦热处理方法的理论研究 摩擦热处理技术的基础理论主要涉及两方面的内容：金属摩擦学与金属传热学。 本章将主要介绍为摩擦热处理技术所做的基础理论研究。 2 1 摩擦学基础理论研究 摩擦：两个相互接触的表面有相对运动的趋势或已经相互运动的时候，有阻碍其 发生相互运动趋势或相互运动的情况被称称为摩擦。阻止相对运动或相对运动趋势的 力称为摩擦力。 就两个固体而言，两物体相对运动时的接触表面的相互作用对它们之间的摩擦起 决定性作用，其内部状态如何并不影响摩擦效果，这样的摩擦被称为外摩擦。而在液 体或气体中，它们内部各部分之间有相对运动产生的摩擦，称为内摩擦。为边界润滑 状态下的摩擦是吸附膜或其它表面膜之间的摩擦，也属于外摩擦。 外摩擦和内摩擦的共同特征是：它们都是物体将自身或自身的一部分的运动或运 动趋势传导给与它们相接触的另一物体或自身的另一部分的过程，并努力使被传递者 的速度与源物体趋于一致，这就是在摩擦过程中有能量的转换发生的原因。 外摩擦与内摩擦的不同点主要在其内部运动状况的差异上。内摩擦时物体内部的 相邻介质之间的速度变化梯度是连续的，而发生在外摩擦的接触面上的速度变化是突 变的。而且，就内摩擦而言，相对滑动速度与摩擦力的变化成正比例；当外摩擦发生 时，滑动速度与摩擦力的关系是随工作条件的变化而变化的，在撤去滑动速度后，静 摩擦力仍就存在。 恩格斯在自然辨证法一书中指出：“摩擦可以看作是一个跟着一个和一个靠着 一个地发生的一连串小的碰撞；碰撞可以看作集中于一个地方或一个瞬间的摩擦 。所 以摩擦像碰撞一样伴随使速度趋于一致的能量转换。这就是摩擦在动力学方面的特性。 然而摩擦的实质是机械运动转化为分子运动、机械能转化为热能，并遵守能量守 恒定律。恩格斯说：“现在我们知道，摩擦与碰撞乃是动能转换为分子能热能的两种 形式。因此，每当发生摩擦时，动能的消失，并不是作为动力学意义下的位能，而是 作为分子运动，即一定形态的热而重新出现 。 摩擦的基本特性 一般认为达芬奇是第一个提出摩擦基本概念的。之后，法国科学家a m o n t o n s 进 行实验并建立了摩擦定律。随后，库仑在进步实验的基础上，发展了a m o n t o n s 的 工作。由这些初期研究得出了四个经典摩擦定律如下。 定律一摩擦力与载荷成正比。 它的数学表达式为： l o f = f w 式中，f 是摩擦力；f 为摩擦系数；w 为正压力。 上式通常被称为库仑定律，可认为它是摩擦系数的定义。除了在重载荷下实际接 触面积接近表观面积以外，第一定律是正确的。 定律二摩擦系数与表观接触面积无关。 第二定律一般仅对具有屈服极限的材料( 如金属) 是满足的，而不适用于弹性及 黏弹性材料。 定律三静摩擦系数大于动摩擦系数。 这一定律不适用于黏弹性材料，尽管关于黏弹性材料究竟是否具有静摩擦系数还 没有定论。 定律四摩擦系数与滑动速度无关。 严格地说，第四定律不适用于任何材料，虽然对金属来说基本符合这一规律，而 对黏弹性显著的弹性体来说，摩擦系数则明显与滑动速度有关。 虽然根据最近的研究发现大多数经典摩擦定律并不完全正确，但是经典摩擦定律 在一定程度上反映了滑动摩擦机理，因此在解决许多工程实际问题中依然广泛使用。 深入研究表明，滑动摩擦还具有以下主要特征。 一、静止接触时间的影响 静摩擦力是使摩擦副有运动趋势或开始运动所需的切向力，动摩擦力是保持物体 间相对运动能够持续发生所需要的切向力。当法向力作用在两个相互运动的物体接触 面，两物体的粗糙峰彼此嵌入，同时伴随着高接触应力和塑性形变的产生，使两物体 之间的实际接触面积显著增加。如果延长静止时的接触时间，上述过程的程度就会逐 步加强，最终导致静摩擦系数的不断增大。 二、跃动现象 有关跃动现象比较满意的解释有二：一是跃动是摩擦力随滑动速度的增加而减少 造成的；另一是跃动是摩擦力随接触时间延长而增加的结果的结果。实际上这两种影 响都是产生跃动现象的原因。在高速滑动条件下，前者作用为主；而；滑动速度较低 时，后者是决定性的因素。 三、预位移问题 在预加外力是静止的物体开始滑动的过程中，当切向力小于静摩擦力的极限值时， 物体产生一极小的预位移而达到新的静止位置。预位移的大小随切向力而增大，物体 开始做稳定滑动时的最大预位移称为极限位移。对应极限位移的切向力就是最大静摩 擦力。 宏观摩擦理论 摩擦是两个接触表面相互作用引起的滑动阻力和能量损耗。摩擦现象涉及的因素 很多，因而提出了各种不同的摩擦理论，主要的宏观摩擦理论有以下几种：机械啮合 理论；分子作用理论；黏着摩擦理论；犁沟效应；变形能摩擦理论；摩擦二项式定律。 微观摩擦理论 在原子级平坦的晶体界面摩擦实验中，摩擦并未完全消失，有时还相当可观。这 说明除了塑性变形、粗糙峰啮合和黏着等宏观的摩擦机理外，还存在着更为基本的能 耗散过程而导致摩擦的产生，因此，从微观上进行摩擦能量耗散过程的研究对探索摩 擦起源和摩擦控制具有重要的意义。 摩擦过程是非线性的且远离平衡态的热力学过程。从本质上看，摩擦是在外力的 作用下，发生相对运动或具有相对运动趋势的物体，受到与其相接触的物质或介质的 阻力作用，在其界面上产生的一种能量转换现象。当两个表面作相对运动时，引起运 动改变的力就做功，因此在接触的表面上有能量损耗。人们知道，摩擦所做的功有 8 5 9 5 转化为热能，另外部分转化为表面能、声能和光能等。微观摩擦理论主要有 以下几种：“鹅卵石 模型；振子模型( 独立振子模型、复合振子模型、f k 模型) ； 声子摩擦模型l 5 1 。 2 1 1 摩擦的分类 摩擦的分类方法很多，因研究和考察方法的依据不同，其分类方法也就不同。常 见的分类方法有下列几种。 一、按摩擦副的运动形式分类： 1 滑动摩擦；2 滚动摩擦 二、按摩擦副的运动状态分类： 1 静摩擦；2 动摩擦 三、按摩擦是否发生在同一物体分类： 1 内摩擦； 2 外摩擦 四、按摩擦副的润滑状态分类： 1 干摩擦；2 流体摩擦；3 边界摩擦 混合摩擦：两接触表面同时存在着流体摩擦、边界摩擦和干摩擦的混合状态时的 摩擦。混合摩擦一般是以半干摩擦和半流体摩擦的形式出现：1 半干摩擦；2 半 流体摩擦。 2 1 2 影响摩擦的相关因素 一、滑动摩擦中的影响因素 摩擦系数反应了整个摩擦系统的综合特征，是整个摩擦系统中各种因素综合作用 的结果，因此对摩擦系数的影响因素及其变化规律的研究，是一项具有广泛现实意义 的工作。在摩擦过程中，影响摩擦系的因素主要包括：摩擦副的刚度和弹性、温度状 况、静止接触时间、滑动速度、法向载荷的大小和加载速度、环境介质的化学作用， 以及摩擦表面接触几何特性和表面层物理性质等。在实际生产中由于工况条件的变化 很大，因此这就使得预先确定摩擦系数准确的数据和全面估计各种因素的影响变得十 分困难。 二、载荷影响 1 2 在一个摩擦过程中，载荷决定了物体接触面积和变形的大小来。由普通机加方式 加工的工件表面，摩擦接触点总是发生在粗糙表面的一部分波峰上。随着加载的增加， 粗糙面上各接触点尺寸将增大，接触点数目将相应增加，顺序是先接触点尺寸增大， 然后是接触点数目的增加。实验数据显示，作用于光滑接触面上的应力值大概是材料 硬度值的二分之一，而作用于粗糙接触表面的应力值可多达材料硬度值的两至三倍， 从而导致摩擦接触表面产生塑性变形。 综上所述，在摩擦接触表面是塑性接触时，摩擦系数并不受载荷大小的影响。通 常状况下，金属材料的摩擦表面处于弹塑性接触状态，所以载荷与实际接触面积有一 定关系。一般呈非线性变化，载荷的降低会导致摩擦系数的增加。 由于摩擦表面处于弹塑性接触状态，这样摩擦系数也将随加载速度而改变。当载 荷很小时，加载速度的影响更为显著。表2 1 说明了摩擦系数随加速度的变化而变化。 对于钢与铸铁组成的摩擦副，摩擦系数随加载速度不同将在0 1 7 0 2 3 之间变化。 表2 - 1加速度对摩擦系数的影响( 青铜一钢) 三、温度与滑动速度的影响 当摩擦接触表面层的性质不发生变化时，滑动速度对摩擦系数的影响微乎其微。 但是在一般摩擦条件下，摩擦接触表面层会因为滑动速度而引起变形、发热或化学变 化等，进而使摩擦系数发生明显地变化。 温度状况是滑动速度对摩擦力影响主要前提条件。由滑动速度引起的摩擦接触表 面温度变化和热量变化，不仅改变了摩擦接触表面层的性质，还改变了摩擦接触表面 的磨损条件和相互作用，因此摩擦系数也会产生较大变化。而对于在很宽的温度范围 内机械性质保持不变的材料( 例如石墨) ，摩擦系数几乎不受滑动速度影响。 为了全面描述摩擦过程中表面温度的状况，通常采用表面瞬时温度、表面平均温 度、体积平均温度、温度梯度、热量分布函数等参数来进行研究。综上所述，摩擦热 对摩擦性能的影响表现在两方面：一是发生润滑状态转变，如从油膜润滑转变为边界 润滑甚至干摩擦；另一是引起摩擦过程表面层组织的转化，即摩擦表面与周围介质的 作用改变，如表面原子或分子间的扩散、吸附或解附、表层结构变化和相变等。 四、表面膜的影响 摩擦中表面膜的形成主要是由摩擦接触表面温升和变形造成的。材料表层上的原 子经常处于不稳定状态，容易在其它介质的作用下形成表面膜。在生产实际中，通常 人为地在摩擦接触表面生成表面膜，这样就会改善生产、降低摩擦造成的危害，如在 实际中经常使用的磷化物、硫化物、氯化物或者铅、铟、镉等软金属的表面膜。 表面膜的减摩作用与润滑膜相似，它使摩擦副之间的原子结合力或离子结合力被 较弱的范德华力所代替，因而降低了表面分子力作用。另外表面膜的机械强度低于基 体材料，滑动时剪切阻力较小。 表面膜破坏后摩擦系数将大幅增大。破坏的原因可能是载荷引起的机械损坏，它 取决于表面膜的硬度和与基体的连接强度。当形成比较坚硬的表面膜时，往往因脆性 高而使连接强度很低。减摩效果好的镉膜与基体的连接强度较弱，容易从表面擦掉。 金属与石墨摩擦所产生的石墨膜能获得较稳定的摩擦系数。 2 1 3 特殊工况的摩擦 现代工业设备和高速交通工具中的许多工件是在在低温、真空、高速、高温等特 殊条件下进行运转，它们由于工作条件与普通工况有很大的差异，所以摩擦特性也与 一般工况下的摩擦特性有恒大的不同。在摩擦热处理的过程中会涉及到得高速摩擦和 高温摩擦在这里做简单的介绍。 一、高速摩擦， 当摩擦表面的相对运动速度超过5 0 m s ，有的达到了6 0 0 m s 以上时，摩擦接触表 面便会产生大量的摩擦热，但又由于相对运动速度高、持续接触时间短，大量的摩擦 热会在瞬间产生而来不及向四周传递。因此摩擦热集中在表面很薄的区间，使表面温 度高，温度梯度大而容易发生胶合。有的高速摩擦接触表面的温度会高达工件的熔点， 这时经常会在摩擦接触区产生一层熔化的物质层。熔化的物质液会起到润滑剂的作用， 因而形成液体润滑膜，使摩擦系数随着速度的增加而降低。 二、高温摩擦 高温摩擦多出现在各种发动机、原子反应堆和宇航设备中。用作高温工作的摩擦 材料多为难熔的金属化合物或陶瓷，如钢、钛、钨金属化合物和碳化硅陶瓷等。研究 表明，高温摩擦时，各种材料的摩擦系数随温度的变化趋势相同，即随着温度的升高， 摩擦系数先缓慢减小，然后迅速增大。在这个过程中摩擦系数会在一定温度范围内出 现一个最小值。对于一般的高温摩擦材料，最小的摩擦系数会出现在6 0 0 7 0 0 。c 之间 【5 】 o 2 2 传热学基础理论及摩擦热处理传热过程数学公式的推导 热量在不同物质之间的传递是日常生活和生产实践中比较常见的现象，科学工作 者把各种不同热传递现象进行总结归类，得到了一些常用性的定理，其中最主要的包 括：有温度梯度的地方就会出现热传递现象，温度较高物体的能量总是自动地向与它 有接触的温度较低的物体传递。因为在自然生活和生产技术领域中物体之间或物体内 部之间的温差是广泛存在的，所以热传递是人们生产生活领域中常见的现象。 1 4 2 2 1 基础理论 热传递的传热方式主要有三种：热传导、热辐射和热对流。 一、热传导 当没有相对位移发生在物体的各部分之间时，单纯通过原子、自由电子及分子等 粒子所迸行的热运动来把热能在物体内部之间相互传递称为热传导。傅里叶定律能够 比较准确地反映热传导的规律，这已经通过试验的验证。 二、热辐射 不同物体之间将能量以电磁波的形式传递的方式被称为辐射。各种物体物体都会 发出辐射能，其中以热能形式辐射能量的方式被称为热辐射。绝对温度越高的物体， 单位时间内放射出的辐射能量越多。 三、热对流 流体各部分之间发生相对运动，温度不同的流体相互融合所引起的能量传递方式 被称为热对流，热对流的传热方式只能发生在流体中。由于引起流体运动的诱因不同， 可以将对流换热分为自然对流和强制对流两种1 6 1 。 物体之间的传热过程可以由导热微分方程描述，导热微分方程是一个整体描述模 型，要得到某一个特定导热问题的的解( 热流或温度场) ，需要给出特定问题的单值条 件。说明参与传热过程物体的形状和大小的几何条件，对于各向性质不同的材料，还 要给定导热系数主轴的矢量方向；说明各种相关物性量的值的物理条件，主要包括随 温度变化的函数关系；说明传热过程在时间上的特点的时间条件，非稳态传热过程， 需要给定各个区域初始温度的值；描述在各个区域边界上传热过程进行变化的边界条 件。通常在导热微分方程的简化和坐标系中选择物理条件和几何条件，而边界条件和 时间条件则需要单独的数学表达式对其进行描述。 导热时通常分为三类边界条件，这三类边界条件用数学描述如下： 第一类边界条件：u ( o ，垆斗1 ( t ) ，u ( 1 ，t ) = ( t ) 表示测出端点的温度或浓度。 第二类边界条件：g x ( o ，t ) - - - v t ( t ) ，( 1 ，t ) - - -