（材料物理与化学专业论文）渗碳合金钢强烈淬火组织与性能研究.pdf

哈尔滨_ f 稗人学硕十学何论文 摘要 强烈淬火工艺与传统工艺相比，具有节能、高效、环保、成本低的优点， 是一种前景广阔的热处理新技术，正受到国际上的广泛重视。本文通过对渗 碳钢1 8 c r 2 n i 4 w a 钢和2 0 c r m n t i 钢进行强烈淬火处理，分析经特殊工艺处 理后的组织与力学性能，结合组织、性能、工艺之间的关系，给出较优的处 理工艺。 实验表明，在文中所选择钢种和试样尺寸条件下，在不同浓度c a c l 2 水 溶液、液氮以及不同浓度c a c l 2 水溶液加液氮条件下强烈淬火，均能出现超 细组织，并使材料具有极高的强度和良好的韧性。 研究结果说明，强烈淬火显微组织主要为板条马氏体加残余奥氏体，在 试样表面存在残余压应力，残余压应力值在7 5 3 1 0 m p a 之间。与常规热处理 工艺相比，强烈淬火工艺使低碳合金钢的抗拉强度、冲击韧性等力学性能提 高了1 0 - 3 0 ，达到了渗碳合金钢性能的要求。分析表明，强烈淬火组织表 面的残余压应力的存在使低碳合金钢具有更高的抗疲劳性能。 关键词：强烈淬火；表面残余压应力；力学性能 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 a b s tr a c t a san e wp r o m i s i n gh e a t - t r e a t m e n tt e c h n o l o g y , i n t e n s i v eq u e n c h i n gp r o c e s s ， f o ri t se n e r g y - s a v i n g ，h i g h e f f i c i e n c y , e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o na n dl o w c o s ti n c o m p a r i s o n 嘶t l lt h ec o n v e n t i o n a lp r o c e s s ，a t t r a c t sw i d ea t t e n t i o ni nt h ew o r l d i n t h i s w o r k ，t h ec e m e ms t e e l 18 c r 2 n i 4 w aa n d2 0 c r m n t iw e r et r e a t e d b y q u e n c h i n gp r o c e s s a f t e rm e a s u r i n gt h em i c r o s t r u c t u r ea n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ， t h eo p t i m u mt r e a t m e n tp r o c e s sw a so b t a i n e db ya n a l y z i n gt h er e l a t i o na m o n gt h e m i c r o s t r u c t u r e ，p r o p e r t i e sa n dp r o c e s s e x p e r i m e n t a lr e s u l t si n d i c a t e dt h es u p e r - f i n eg r a i n sc a nb ed e r i v e df r o mt h e s t e e l ss e l e c t e db yi n t e n s i v e q u e n c h i n gp r o c e s sw i t hc a l c i u mb i c h l o r i d ew i t h d i f f e r e n tc o n c e n t r a t i o n ，l i q u i dn i t r o g e no rc o m b i n i n gt h ec a l c i u mb i c h l o r i d ew i t l l l i q u i dn i t r o g e n ，m o r e o v e r , t h ec e m e n ts t e e l ss h o w e ds u p e r - h i g hi n t e n s i t ya n d e x c e l l e n tt o u g h n e s s t h ei n v e s t i g a t i o ni m p l i e dt h a tt h em i c r o s t r u c t u r eo b t a i n e d b yi n t e n s i v e q u e n c h i n gw e r em a i n l yc o m p o s e db yl a t hm a r t e n s i t ea n dr e s i d u a la u s t e n i t ea n d s u r f a c er e s i d u a lc o m p r e s s i v es t r e s sw a sb e t w e e n7 5 - 310 m p a i nc o m p a r i s o nw i t h t h ec o n v e n t i o n a lh e a t t r e a t m e n tp r o c e s s ，t h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fl o w - c a r b o n a l l o ys t e e l ，s u c ha st e n s i l es t r e n g t h ，i m p a c tt o u g h n e s s ，c a nb ei m p r o v e10 - - - 3 0 b y t h ei n t e n s i v eq u e n c h i n gp r o c e s sa n dc a nm e e tt h er e q u i r e m e n to fc a r b u r i z i n ga l l o y s t e e lp r o p e r t i e s a n a l y s i ss h o w e dt h er e s i d u a lc o m p r e s s i v es t r e s so nt h ei n t e n s i v e q u e n c h i n gs u r f a c ew a sr e s p o n s i b l ef o rt h eh i g h e rf a t i g u ep r o p e r t i e sr e s i s t a n c eo f t h el o w c a r b o na l l o ys t e e l k e yw o m s ：i n t e n s i v eq u e n c h i n g ；s u r f a c er e s i d u a lc o m p r e s s i v es t r e s s ；m e c h a n i c a l p r o p e r t i e s i l 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由作 者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用己在文中 指出，并与参考文献相对应。除文中己注明引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已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( 签字) ：伊踟 日期：纠 年3 月辟日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 囵在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后 口 解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者( 签字) ： 钏臣 日期：卅年3 月睁日 导师( 签字) ：彳砖鲁乞 计月佃 哈尔滨t 稃大学硕十学何论文 第1 章绪论 1 1 课题背景与研究意义 随着现代工业尤其是机械及相关行业的发展，热处理基础理论和工艺技 术领域的研究也迅猛发展。材料科学与工程领域的研究进展和当今世界的能 源危机使热处理技术的进步向着复合化、精密化、特殊化方向发展，并表现 出优质、高效、节能及无公害的特点。 金属热处理指的是将工件放在一定的介质中加热、保温和冷却的工艺过 程，通过改变金属及其合金表面或内部的显微组织结构来改善其性能【1 1 。但 传统的热处理过程，只是对硬度或韧性一个性能指标进行展开，而想只通过 单一处理而获得既有表面的高硬度和耐磨性，又有心部的高强度、韧性和塑 性，以符合使用条件下的需要是十分困难的。即使通过选用高级材料，并通 过单一处理也不能使表面和心部的性能兼顾【2 】，因此，解决这一问题只能采 用复合热处理技术。例如，变速箱齿轮在运行过程中经受冲击和磨损，如选 用一般渗碳合金钢，经淬火和回火后有较高塑性和韧性可抗冲击断裂，但渗 碳合金钢淬火回火后齿面硬度较低，容易磨损和疲劳断裂，这种情况下，就 可以采用“渗碳+ 淬火、回火”的复合热处理技术来实现高强度、高韧性的目 标。但这种热处理技术仍然存在着“污染重、耗能多、成本高”等一系列难 以克服的问题，如果采用强烈淬火处理，不但可以解决上述问题，而且能够 获得较高的尺寸精度。即既能极好的改善表面强度、硬度和耐磨性，又能保 持心部具有较高的塑性和韧性，使材料的潜力得到充分的发挥，满足生产技 术要求。 强烈淬火是在金属固态相变点以上加热保温，通过极快速冷却方法对零 件表面进行淬火。1 9 9 2 年，乌克兰科学院工程热物理研究所的h 1 4 k 0 6 c k o 院士研究开发出一种可避免开裂、减少畸变的钢材和钢件强烈淬火技术。常 规淬火通常用油、水或聚合物溶液冷却，而强烈淬火法则用水或低浓度盐水。 强烈淬火的特点是冷速极快，而不必担心钢件的过度畸变和开裂【3 1 。常规淬 l 哈尔滨t 稃人学硕十学位论文 火冷却到淬火剂温度时，钢件表层形成拉应力或低应力状态，而强烈淬火则 在冷却中途，工件心部尚处于热态时便停止冷却，使其表层形成压应力，消 除淬火开裂现象，减小淬火变形，降低疲劳裂纹萌生和扩展以及应力腐蚀开 裂的可能性，延长构件的使用寿命，取代或减少材料热处理过程中的渗碳、 喷丸、喷砂过程【训。 强烈淬火在美国获准以i n t e n s i q u e n c h 服务商标注册了i qt e c h n o l o g i e s i n c ，a k r o n ，o h i o 公司。近几年中，进行了数百次强烈淬火( i q ) 技术的可行性试 验。这些试验是在美国能源部( d o e ) 的资助下，由爱迪生材料技术中一i 二, ( e d i s o n m a t e r i a lt e c h n o l o g y c e n t e r , 简称e m t e c ，d a y t o n ，o h i o ) 组织，数家私人企业参 加。a f c 2 h o l c r o f t ，w i x o m ，m i c h 公司于2 0 0 2 年设计建造了4 2 e m 3 容积的i q 淬火漕。此套设备安装在e u c l i dh e a tt r e a t i n gc o ，c l e v e l a n d 。2 0 0 4 年，樊东 黎对m 2 高速钢( w 6 m 0 5 c r 4 v 1 ) 和g c r l 5 钢进行了多次强烈淬火实验，指出： 强烈淬火对钢制品的使用寿命有明显的正面影响，尺寸为 _ 7 5 m m 。此钢既可进行表面渗 碳、碳氮共渗、渗氮的化学热处理，又可以在其他热处理后使用【8 j 。 1 8 c r 2 n i 4 w a 钢锻后空冷或堆冷时，其组织基本上为粒状贝氏体( 条状 铁素体b f + 定向分布的m a 岛) 和粒状组织( 块状铁素体+ 随机分布的m a 岛) 。1 8 c r 2 n i 4 w a 钢的组织遗传倾向较大，其晶粒一旦粗化，就难以通过一 次正火来彻底消除【l 2 。 1 8 c r 2 n i 4 w a 钢含有较多的合金元素，工艺性能较差，在轧制、锻造后， 其表面氧化皮不易脱落，只有经过较长时间酸洗方可清除干净。一般认为切 削加工性和磨削性较差。可以焊接，但焊后需要退火呼j 。 1 8 c r 2 n i 4 w a 钢的一般热处理工艺为：渗碳+ 高温回火+ 淬火+ 低温回火。 渗碳温度为9 3 0 。c ，渗碳时间约为7 2 h ，根据渗层厚度而定：高温回火温度为 6 7 0 ；淬火温度8 5 0 ，油冷；低温回火温度为2 0 0 * ( 2 1 3 】。 1 3 42 0 c r m n t i 钢热处理工艺 2 0 c r m n t i 钢的含碳量大约为0 2 ，该钢合金元素总含量小于5 ，属低 哈尔滨t 程大学硕+ 学位论文 合金渗碳钢。2 0 c r m n t i 钢的比重为7 8 6 x 1 0 3 k g m 3 。该钢淬透性高，具有优 良的综合力学性能【引。 2 0 c r m n t i 钢的连续转变相图见图1 3 ，淬透性曲线见图1 4 。 a：3；i j ac 1 - _ 一f 气 一 一砷 一 一 一一7 j 抖 三 l 问 p 融p ， 、 1 一n 、 - 、- 吣； 、 。- k a r j ： j一一 ， 蠢 l a 斗b b - d ： ms 2 5 7 41 ： o 5l 图1 32 0 c r m n t i 钢等温转变相斟l l 】 1 2 哈尔滨t 群人学硕十学何论文 、 、j - l 、 、 - _ - 、l- 、 o3 691 21 51 82 12 42 73 0 至水冷端罡巨离m m 图1 42 0 c r m n t i 钢淬透性曲线图【1 2 l 2 0 c r m n t i 钢属低碳合金钢，平衡状态下冷却，其室温组织应为亚共析铁 素体和珠光体，铁素体以小块状均匀分布为好，若以网状分布，其力学性能 将明显变坏，不仅硬度低、强度低、而且塑性也低。因此在正常热处理后的 钢件组织中，一般不允许有网状先共析相出现。2 0 c r m n t i 主要用做渗碳钢， 也可用做调质。淬火低温回火后具有良好的综合机械性能和良好的低温冲击 韧性。渗碳或碳氮共渗处理后，具有良好的耐磨性能和抗弯强度，也具有较 高的抗多次冲击能力。钢的晶粒长大倾向小，热处理工艺简单，但高温回火 时有回火脆性倾向。2 0 c r m n t i 钢热n - r _ 和冷加工性能较好，正火后硬度为 h b l 6 3 1 8 7 时，相对切削性能为7 5 ，并可获得光洁的表面。抗氧化性较 2 0 m n v b 、2 0 s i m n v b 等钢好。这种钢一般用在制造截面在3 0 m m 以下，承 载高速、中等载荷或重载荷以及冲击和摩擦的重要零件，如齿轮、齿轮轴、 齿圈、十字轴等。它是机械制造业使用最广，用量最大的钢种之一【8 】。 2 0 c r m n t i 齿轮热处理工艺为渗碳一淬火一回火。固体渗碳过程中无法控 制碳势，容易形成粗大的块状碳化物。渗碳后缓冷过程中容易形成网状碳化 物，这类碳化物破坏了基体组织的连续性，引起脆性：使零件承受冲击及弯 曲疲劳的性能降低，在周期性接触应力作户f l - f g j 形成疲劳麻点和表面剥落， 使磨裂倾向增大。为避免出现这类缺陷，应进行高温加热扩散或提高淬火温 度，延长保温时间。工艺中8 6 0 。c 以下出炉随箱冷却，使表面高碳层可能向 1 3 哈尔滨t 稃大学硕十学位论文 内层扩散，以减少热应力，减少变形，同时也为了在a c m 以下快冷，以避免 析出网状碳化物。渗碳后进行高温回火，降低硬度，便于加工。淬火、回火 工艺如图1 5 所示【1 4 】。 图1 5 淬火网火工艺曲线 对要求高心部强度的工件，淬火加热温度应取8 6 0 ，因为淬火加热温 度高于渗碳层a c m 很多，碳化物完全溶于奥氏体，奥氏体晶粒粗化，淬火后 残余奥氏体增多，表面硬度降低。如果只要求表面硬度而心部强度要求不高 时，最好在稍高于a c i 温度加热，使碳化物不能全部溶于奥氏体中，而作为 新的结晶质点起到细化晶粒，减少残余奥氏体的作用，表面硬度提高【l 4 1 。 目前，2 0 c r m n t i 钢的渗碳工艺有了新的发展。快速压力渗碳工艺研究表 明，提高渗碳炉内的压力，可提高气氛中的碳势，增大工件表面对活性碳原 子的物理吸附速度，同时也可提高内扩散速度，从而提高此工艺的渗碳速度， 缩短渗碳时间，提高生产效率。在满足工件要求渗层厚度0 8 1 2 m m 及其它 技术要求的情况下，得到了比较合理的快速压力渗碳工艺。渗碳处理的主要 工艺步骤为，升温排气、9 2 0 。c 强渗和扩散、降温、8 3 0 。c 时进行淬油。在可 以保证渗碳技术要求和质量的情况下，与一般的渗碳工艺相比，快速压力渗 碳工艺具有渗碳速度快，渗碳周期短的特点，并且具有工艺简单、生产效率 高等优点。快速压力渗碳工艺的不足之处是产生的碳黑较多，对渗碳设备寿 命有一定的影响，应注意控制渗碳剂的用量。由于渗碳炉内的控制压力不是 太高，提高压力对设备的使用寿命影响不大l l 引。 1 4 哈尔滨+ 1 ：稗人学硕十学侍论文 1 4 钢的强烈淬火强化原理及工艺 传统的淬火方法是淬火冷却越强烈，所得到的淬火组织就越理想，但工 件的畸变和开裂倾向越大。常规淬火冷却到淬火剂温度时，钢件表层形成拉 应力状态。强烈淬火则是冷速极快【l6 1 ，在冷却中途，工件心部尚处于热态时 便停止冷却，使其表面形成压应力。这样，就避免了钢件的过渡畸变和开裂。 1 4 1 强烈淬火原理 钢件淬火时其目的就是获得马氏体，因此，其冷却速度必须大于临界冷 却速度。但在马氏体转变区提高冷速会使开裂的几率趋向最大，然后又逐渐 减小到零。这就说明，残余拉应力随冷速的增加逐步达到极大值，然后迅速 降低，直到转变为压应力，此时形成淬火裂纹的几率就非常d , t t l 7 1 羽。强烈 淬火时淬火裂纹的消除可归因于在试样表面形成了很高的压应力。钢件淬火 时在马氏体温度区域冷却速度对淬火裂纹形成概率的影响见图1 6 。 摹 褂 窭 g 镁 碘 碟 冷却速度( i s ) 图1 6 马氏体温度区域冷却速度对淬火裂纹形成概率的影响【9 l 在强烈淬火过程中，由相变塑性引起的残余应力和奥氏体马氏体转变的 比容变化导致的残余应力的增加。在强烈冷却时，工件表面立即冷到槽液温 度，心部温度几乎没有变化。温度梯度的增加使初始马氏体转变造成的拉应 力增加，而马氏体转变开始温度m s 的提高会引起相变塑性导致的表层膨胀， l s 哈尔滨。i ：稃大学硕十学位论文 表面拉应力会明显减小，并转化为压应力，表面压应力数值和生成的表面马 氏体量成正比。这种表面压应力决定着心部是否会在压缩条件下发生马氏体 转变，或在进一步冷却时会使表面拉应力发生逆转。如果马氏体转变使心部 体积膨胀足够大，并且表层马氏体很硬很脆，就会使表层由于应力逆转而破 裂。因此，钢件表层应出现压应力和心部的马氏体转变应尽可能晚发生。根 据以上原理分析，得到结论，当表层形成最大压应力时，强烈淬火过程应停 止，随后在m s 温度保持等温冷却。这样就会延迟心部的冷却，使其马氏体 转变变慢，在表层形成高的压应力。当表面硬化层达到一个优化厚度，并在 表层达到最大应力值时，就完成强烈淬火的全部过程【3 2 。3 4 1 。从而，使工件开 裂减小到最低程度。 1 4 2 强烈淬火具体方法 强烈淬火过程中组织和应力变化关系如图1 7 所示： 。pp 图1 7 强烈淬火过程中组织和应力关烈1 0 1 弹簧环处表示工件表面，弹簧的伸长或缩短表示表面出现拉应力或压应 力。 图1 7 ( a ) 表示还没有开始冷却的试样；图1 2 ( b ) 表示试样刚放入冷 却介质中，由于温度梯度的存在，使表面收缩产生拉应力，这时试样还没有 1 6 哈尔滨i ：稃人学硕十学位论文 发生相变；图1 7 ( c ) 表示试样表面发生了相变，由奥氏体转变为马氏体， 体积膨胀，表面产生压应力；图1 7 ( d ) 表示由于温度下降，试样心部收缩， 但未发生马氏体转变，试样表面压应力有所增大：图1 7 ( e ) 表示心部开始 发生马氏体转变，体积有所膨胀【】，表面压应力有所减小，但仍为压应力； 图1 2 ( f ) 表示固态相变结束，试样表面为马氏体，心部为混合组织，表面 为压应力。 根据工件在强烈淬火过程中的不同冷却方式可将强烈淬火方法分为三种 【3 5 】： 1 强烈淬火方法i 是一个含有两个步骤的冷却过程，主要适用于中高合 金钢零件。 第一个步骤是使钢件从奥氏体化温度缓慢冷却到马氏体相变开始的温度 m s 。在此过程中，工件横截面方向上的温度梯度很不明显，所以可以认为在 第二个步骤开始时工件整体处于同一温度，即m s 。 第二个步骤是使工件在马氏体相变温度区域内进行强烈冷却。向工件表 面喷射水流或者其他淬火介质，以提供很快的冷却速度，从而使工件表面产 生沿切线方向的较高残余压应力。 表面的压应力修复了先前缓慢冷却步骤所导致的工件微小畸变，也使材 料获得了额外的强化效果，或称“超强化”作用。 但强烈淬火方法i 有如下的缺点： ( 1 ) 在缓慢冷却过程中要使用淬火油或高浓度的水溶性聚合物类介质， 而这些淬火介质常常被认为缺乏硬化能力。 ( 2 ) 快速冷却需要在一个独立的冷却室内进行，额外的装置会增加整个 淬火工艺的费用。 2 强烈淬火方法i i 含有三个步骤：以沸腾冷却方式在工件表面的快速冷 却、在空气中缓冷、在淬火槽中进行对流冷却。 为了防止工件开裂和畸变，需尽量缩短不稳定的蒸汽膜冷却的持续时间， 所以在此方法中使用盐水或其他盐溶液作为介质。 1 7 哈尔滨丁挥大学硕十学位论文 盐水溶液中含有大量的负离子，而经过加热的工件( 在奥氏体温度附近) 通常是带正电的，当带f 电的工件浸入淬火槽时负离子马上被吸引过来。盐 离子和淬火介质的物理流动破坏了蒸汽薄膜，所以利用盐水溶液可以削减蒸 汽膜冷却的时间。 为了防止表面的开裂，当表层近5 0 的组织转变为马氏体时，即表层仍 然是塑性时，需要停止快冷，然后将工件从淬火介质中取出。这里介质的沸 点应该对应于c c t 或”盯曲线上马氏体转变量为5 0 时的温度。 第二步是从介质中取出工件，放在空气中冷却，从工件心部释放出的热 量使表层马氏体进行自回火，最后整个工件在横截面方向上具有相同的温度， 工件在第一步形成的较高压应力在这一步处理后有一定的减弱。由于有这一 步自回火过程，具有马氏体组织形态的工件表面进一步避免了在最后冷却过 程中发生的开裂现象。 在第三步中，零件重新被放进强烈淬火槽中使其进行对流冷却，以完成 所要求的表层及心部的相变过程。 强烈淬火方法i i 的缺点是盐水溶液的沸点不是总对应于合金的马氏体转 变终了温度。 3 强烈淬火方法1 1 1 只有一个冷却方式对流冷却。工件表面的冷却速 度足够快，避免了蒸汽膜冷却和沸腾冷却的发生，对流成为唯一的传热方式。 所以“直接对流冷却是强烈淬火方法i i i 的一个显著特征。 强烈淬火方法i i i 可使表面的淬火层达到最佳的深度，使给定的合金材料 表面产生最高的“超强化”现象。在工件整个表面的强烈冷却过程是持续且 均匀的，最后依据工件的几何形状使得残余压应力达到最合适的量，但这些 应力会因为工件心部的进一步冷却而减弱，所以，当表面压应力达到最佳时 也应及时停止强烈冷却过程。 强烈淬火方法i i i 有如下的缺点： 第一，无法保证整个工件表面都有快速且均匀的水流，特别是对那些具 有复杂外形的工件。 1 8 哈尔滨。1 ：释人学硕十学位论文 ， 第二，此方法在处理厚度小于6 3 5 m m 的工件时有较大困难，因为对于 这么薄的工件控制合适的温度梯度使其表面为1 0 0 的马氏体组织而心部却 为奥氏体组织的难度很大。 第三，此方法不易一次处理整批的工件，这是因为一次处理整批工件时 不易提供理论所需的高速且均匀的水流。 1 4 3 强烈淬火介质 淬火介质在很大程度上影响着淬火件的质量，对淬火工艺的实施有着很 重要的影响。 l 、淬火介质的分类及特性 实际生产中使用的淬火介质种类繁多，一般可分为液体( 水、无机物水溶 液、有机聚合物水溶液、淬火油、熔融金属、熔盐、熔碱等) 、气体( 空气、 压缩空气、液化气等) 、固体( 流态床、金属板等) 三大类。其中，水、无机物 水溶液、有机聚合物水溶液、各种淬火油等，在淬火时要发生物态变化，而 气体、熔融金属、熔盐、熔碱、金属板等，在淬火时一般不发生物态变化【2 2 1 。 通常对淬火介质特性的要求是应满足钢的奥氏体冷却转变曲线对冷却速 度的要求，避免工件变形和开裂；淬火后工件表面应保持清洁，即使有粘附 物也易于清洗，不腐蚀工件；在使用过程中性能稳定，不分解、不变质、不 老化、易于控制；工件浸入时不产生大量烟雾和有害气体，以保持良好的劳 动条件；便于配制、运输和储存，使用安全：原材料易得，成本低廉口引。 淬火介质应当具有足够的冷却能力，保证工件表面淬硬并获得一定的淬 硬层深度，要尽量减少热应力和组织应力对工件的有害作用。常用淬火介质 在不同冷却阶段应具有不同的冷却能力，特别在等温转变图鼻尖处，该处是 过冷奥氏体最不稳定区域，工件的冷却速度必须大于i 临界冷却速度，防止在 淬火过程中发生珠光体和贝氏体转变，在低温区( 3 0 0 4 5 0 c ) 应当以缓慢 的冷速防止因巨大的热应力和组织应力而引起变形和开裂【4 7 1 。 淬火介质的冷却能力，主要取决于该介质的组成及其物理化学性能。在 1 9 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 实际生产中，要注意淬火介质冷却特性对淬火工件质量的影响，并根据工件 含碳量多少、淬透性高低、有效厚度和形状复杂程度等因素，来选择合适的 淬火介质。 2 、冷却能力介于水和油之间的c a c l 2 水溶液介绍 c a c l 2 水溶液( 常用密度为1 4 0 9 c m 3 - 1 4 1 9 c m 3 的饱和水溶液) 由于盐粒 爆破作用和本身具有一定粘度，使其兼有水、油的冷却性能，使钢件的淬透 深度和淬硬性得到提高并且变形也较小。 c a c l 2 水溶液的冷却特性及适用范围4 7 l ： ( 1 ) 在6 0 0 左右冷却能力最大，在3 0 0 左右冷却能力最低。 ( 2 ) 常用于碳钢和低合金结构钢的淬火，该液可代替水油双介质淬火，减 少变形开裂。 冷却特性主要是受到一般无机盐水溶液特点和钙剂水溶液所特有的高粘 度性质的双重影响。在淬火冷却的整个过程中，过冷奥氏体的最不稳定区( 曲 线的鼻尖) 无机盐的特点起了主导作用，也就是在冷却初期形成气膜后，在 水分蒸发的同时将出现许多细小的微粒，当它们与高温金属表面接触时，顿 时产生剧烈的爆炸而冲破气膜，顷刻间零件表面就可以不断地与低温溶液直 接接触，冷却速度达到最大值口9 1 。在高温阶段，c a c l 2 水溶液的冷速比水和 其它盐水都大，这时粘度对冷速的影响很小。在马氏体转变的对流冷却阶段， 盐粒的爆破作用不复存在，粘度成为影响冷速的主要因素，所以这时的冷速 很小。 c a c l 2 水溶液在高温区及中温区都有较高的冷速，故有高的热应力；在低 温区冷速低，故组织应力小，而热应力和组织应力是反向的：热应力是表面 残留压应力、心部残留拉应力，组织应力是表面残留拉应力、心部残留压应 力3 们。因而表面呈现出高的压应力，为较好的表面残余应力状态。 c a c l 2 水溶液的比重不同，冷却速度也不刚3 0 1 。在一定的温度下，随着 溶液比重增加其导热率将减小，因此，c a c l 2 水溶液的冷速随比重的增加而降 低。 哈尔滨t 稃大学硕十学何论文 为了更好地使用c a c l 2 水溶液，须按c a c l 2 水溶液的操作要点操作。c a c l 2 水溶液的操作要点如下所示【4 7 】： ( 1 ) 使用温度为3 0 6 5 。 ( 2 ) 淬后立即清洗，否则生锈。 ( 3 ) 新配置溶液，静置几天后再用。 ( 4 ) 配置新液时，去除槽底未溶解氯化钙。 ( 5 ) 淬火槽加盖，长期不用或气温过低应加强搅拌，保温防结晶。 1 4 4 强烈淬火技术的优点和意义 强烈淬火技术是采用高速搅拌或高压喷淬使试件在马氏体转变区域进行 快速而均匀的冷却，在试件整个表面形成一个均匀的具有较高压应力的硬壳， 避免了常规淬火在马氏体转变区域进行快速冷却产生畸变过大和开裂问题的 发生 1 8 - 1 9 】。强烈淬火技术的优点如下： ( 1 ) 消除淬火开裂现象。 ( 2 ) 减小了淬火畸变以及相关的维修费用。 ( 3 ) 残余压应力有效地降低了疲劳裂纹的产生，延长了工件的使用寿命 1 1 5 - 1 6 1 ，与油淬的零件相比提高3 4 倍。 ( 4 ) 提高了整体机械性能( 屈服强度、抗拉强度、抗磨损性能、硬化深度 等) 【。 ( 5 ) 取消或缩短了工件制备中的渗碳过程。 ( 6 ) 取消或缩短了一些重要零件的喷丸、喷砂过程。 ( 7 ) 用低成本的碳钢或低合金钢替代合金钢或高合金钢，有效减少了合金 钢中合金使用量。 ( 8 ) 使具备同样性能的工件可以有更小的尺寸或更轻的重量。 ( 9 ) 使用无污染的水或水溶性介质替代油。 ( 1 0 ) 1 - 艺非常稳定，易于实现自动化生产【4 】。 淬火技术的关键就是减少工件的畸变和开裂倾向。传统淬火要想获得理 2 l 哈尔滨t 稃大学硕十掌何论文 想的淬火组织，其工件畸变和开裂的倾向比较大，而强烈淬火技术是通过在 淬火冷却过程中控制工件表层和心部的冷却速度和冷却温度，以控制其组织 转变的时间和数量，使工件获得所需要的组织和应力分布状态，既可避免工 件淬裂和发生过大的畸变，又提高了工件的力学性能和使用寿命。 强烈淬火是一种打破常规的技术，具有附加强化或称超强化作用，强烈 淬火技术的核心是在工件表层获得高的压应力。强烈淬火方法的优点是在表 层形成压应力，降低产生裂纹的几率，提高硬度和强度【2 0 】，表层形成1 0 0 马氏体组织，会使给定钢种得到最大的淬硬层【2 1 。2 2 1 ，故可用碳钢代替较贵重 的合金钢，强烈淬火可促使钢获得综合的力学性能和产生最小的工件畸变， 有助于延长机器零件和工具的服役寿命。 在已有的热处理实践中，如果想在钢件表层形成压应力就必须采用周期 很长、能源消耗大、对环境污染严重的渗碳工艺或增加喷丸工序。然而，由 于强烈淬火技术的出现，在某种情况下强烈淬火技术可以取代渗碳或取消喷 丸。强烈淬火技术用水代替油或聚合物溶液可显著降低生产成本，从而减少 淬火剂对环境的影响1 2 0 1 。 强烈淬火方法可以获得高的表面压应力，具有最佳层深的高强度、耐磨 损的淬硬层及相对软些但有合适强度的心部的最佳组合，这样的性能对于 需要高强度和抗静载、动载或循环载荷的零件都是很理想的。目前，在美国、 英国、加拿大等国家，强烈淬火技术在汽车半轴、链轮、轴承圈、紧固件、 销轴和模具上得到了应用【4 j 。 1 5 热处理技术发展趋势 热处理是- l - j 传统的制造技术，具有悠久的历史：在人类进入重环保、 重节能、社会高度信息化的2 1 世纪，时代赋予热处理技术更多的发展内涵。 由于受到制造业的高度重视，近代热处理技术发展迅速。其主要发展方向可 以概括为八个方面，作者称做为“八个少无”，即少无污染、少无畸变、少无 ( 质量) 分散、少无浪费( 能源) 、少无氧化、少无脱碳、少无废品、少无人工【2 引。 哈尔滨t 程人学硕十学何论文 1 5 1开发高效节能的热处理工艺 可以采取的措施主要有：严格控制铸锻成形工艺改善显微组织，减少或 取消某些预备热处理；充分利用铸、锻工序后的余热进行处理：采用表面或 局部热处理取代整体热处理；加速化学热处理过程：提高渗碳温度、直生式 气氛、金属表面活化催渗技术、离子轰击( 离子渗c 、n ) 、化学催渗技术( 稀 土催渗法) ；合理规定表面有效硬化层深度：用碳氮共渗代替渗碳，用铁素体 状态下的化学热处理代替奥氏体状态下的化学热处理；亚共析钢的两相区加 热淬火：在罩式退火炉中采用h 2 代替氨分解气氛，改善热传递过程，提高生 产率；缩短结构钢的加热保温时间；轴承钢、工具钢、高速钢采用高温短时 快速退火：优化热处理工艺过程，以实现优质、高效、清洁和精确热处理。 随着经济的发展，我们要依靠科技进步、自主创新，不断研究热处理的 新工艺、新设备，研究开发各种节能、高效、环保型的热处理设备。如利用 高频和超高频脉冲及激光热处理设备，电子束处理，离子轰击化学热处理及 计算机的应用等都为提高我国热处理水平开拓了广阔的技术创新空间。现代 制造业中，热处理必须走社会化、专业化道路。要运用材料科学工程，更换 传统材料，采用新钢种材料。要采用高新工艺技术，不断研发新型设备。特 别要转变观念，不断增强环保与节能意识，通过节能降耗减排，实现零污染， 取得与环境友好的效果和低成本的良性循环，实现和谐发展【2 4 】。 1 5 2 研究计算机模拟技术 作为数字化、智能化热处理技术核心的计算机模拟技术是将不同学科的 知识转化为实用技术的有力工具，也是在热处理新技术、新装备的研究中获 取新知识的强有力工具。在发展知识密集型热处理技术中具有不可替代的作 用和很大的发展潜力。然而，热处理计算机模拟技术的研究与应用需要有大 量的高难度的基础研究和大量的基础数据的积累才有可能逐步趋向成熟。美 国把具有重大意义和巨大潜力而又需要有大量投入和深入研究才能走向成熟 的计算机模拟技术作为热处理技术发展的关键和核心环节。据了解，除了美 哈尔滨一l ：稃大学硕十学何论文 国之外，日本和西欧也很重视热加工( 包括热处理) 的数学建模和计算机模拟 的研究，投入都很大，进展很快，值得我们重视。因此加强热处理计算机模 拟技术的研究和应用理应是我国热处理发展的关键【2 3 1 。 1 5 3 实现自动化生产 热处理的人工操作是一种恶劣环境下的繁重体力劳动。目前一些发达国 家已感到招收热处理操作工的困难。人工操作还会造成因人而异的产品质量 波动。当然，过多使用人工也会增加生产成本。因此，在可以组织批量生产 前提下尽快实现自动化生产和无人作业已不是对未来热处理的憧憬，在一些 发达国家的现代化企业已可以目睹这一制造技术的奇迹。但我们必须端正一 个认识，无人作业决不意味着无人监控。当然，实现这一“奢望”，也必须有 充足的技术、管理和人才素质上的保证。诸如能源电力连续正常的供应、高 可靠无故障的设备、健全的定期维修制度、可靠的控制系统、事故的及时报 警，运转过程的远程控制、故障的自动诊断和排除等条件缺一不可。在任何 一个环节上的失误都会造成严重甚至灾难性后果。无人作业生产线只能是一 个国家到一定的发达程度，一个企业发展到相当先进水平的自然产物【3 1 1 。 1 6 主要研究内容 本论文的研究内容主要为：通过对18 c r 2 n i 4 w a 钢和2 0 c r m l l t i 钢进行 强烈淬火实验，并进行了强烈淬火组织分析、表面残余应力分析、显微硬度 分析、冲击韧性分析、拉伸性能分析等，确定1 8 c r 2 n i 4 w a 钢和2 0 c r m n t i 钢最优的强烈淬火工艺( 强烈淬火加热温度、保温时间、强烈淬火介质、淬 火时间等工艺参数) ，在保持原有渗碳工艺所能达到的各种性能的前提下，进 一步提高钢的力学性能。 哈尔滨t 稗大学硕十学位论文 第2 章强烈淬火实验及表征方法 2 1 实验材料及试样加工 本文采用的材料为1 8 c r 2 n i 4 w a 钢和2 0 c r m n t i 钢，材料的状态为正火 态。 1 8 c r 2 n i 4 w a 钢是中合金渗碳钢，主要成分见表2 1 。 表2 11 8 c r 2 n i 4 w a 钢的化学成分 元素cc rn iwm ns is p 含量 ( ) 0 1 81 5 84 1 71 0 5o 4 80 2 4 0 0 3 o 0 3 2 0 c r m n t i 钢是低合金渗碳钢，主要成分见表2 2 。 表2 22 0 c r m n t i 钢的化学成分 元素 cs im nc rt ips 含量 ( ) o 1 9o 2 9o 8 51 20 0 8 0 0 4 0 0 0 4 0 本实验中用到的主要设备有：线切割机、x m t 6 1 8 茂福式箱式电阻炉、 抛光机、o l y m p u s 3 1 1 光学金相显微镜、x 射线衍射仪、扫描电子显微镜、 冲击试验机、拉伸试验机、显微硬度计等。 本实验所用材料的原始尺寸为0 1 4 0 m m x 3 9 0 m m 。 本实验中用到的试样分为：小圆柱试样、拉伸试样、冲击试样、疲劳试 样等。 1 、小圆柱试样的尺寸为o l o m m x l o m m ，在线切割机上加工成形。 2 、拉伸试样采用g b t 2 2 8 2 0 0 2 国家标准金属材料室温拉伸试验试样的 尺寸，如图2 1 所示。 哈尔滨l j 种大学硕十学何论文 d od 图2 1 拉伸试样示意图 本实验中d o = 7 m m ，l o = 5 d o ，l c = l o + d 2 ，6 = l c + 4 d o ，d = i 5 d o 3 6 1 。 拉伸试样先在线切割机上加工成圆柱，再在车床上加工成形。 3 、冲击试样在线切割机上加工成形，采用g b t 2 2 9 - 19 9 4 国家标准夏比 u 形缺口冲击试样的尺寸，如图2 2 所示。 5 5 士f 埔 浏。i ，f 卜 一jio i li 彳i 1 0 主9 1 1 q 桫 f i 绷 t o 2 7 s 致3 1 鼻旺四斟萎 l 砖 移 。 矿乃， 冀 lq 形 ，l 西价，月 - 、 叫| 1 1 邶i 心，。 一， 图2 2 夏比u 形缺口冲击试样示意图 2 2 工艺参数确定 淬火加热温度可以根据相变临界点温度加3 0 - 5 0 。c 的原则确定， 1 8 c r 2 n i 4 w a 钢淬火加热温度定为8 4 0 c ，2 0 c r m n t i 钢淬火加热温度定为8 6 0 。淬火加热保温时间根据公式 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 t = a k d( 2 1 ) 确定，其中保温时间系数0 l 取1 2 ，工件装炉方式修工f 系数k 取1 3 ，试样直 径d = 1 0 m m ，故淬火加热保温时间t 为1 5 分钟。 试样经过淬火加热和保温后，用不同的冷却方式分别进行强烈淬火冷却 过程。强烈淬火介质有：比重为1 2 2 9 c m 3 的c a c l 2 水溶液、液氮。控制试样 在不同的强烈淬火介质中的停留时间( 即淬火冷却时间) ，得到不同的强烈淬 火试样。 1 8 c r 2 n i 4 w a 钢的相变临界点见表2 3 。 表2 31 8 c r 2 n i 4 w a 钢的相变临界点 临界点a c la c 3m sm f 温度( ) 7 0 08 1 03 1 02 5 0 2 0 c r m n t i 钢的相变临界点见表2 4 。 表2 42 0 c r m n t i 钢的相变临界点 临界点a c la c 3m sm f 温度( ) 7 4 58 3 03 7 4 2 5 0 2 3 力学性能测试 力学性能测试方面主要进行了硬度测量、残余应力测试及冲击拉伸等实 验。 2 3 1 维氏硬度测量 将强烈淬火处理后的圆柱( 0 1 0 m m x l o m m ) 试样经线切割机从中间切开， 将接近圆柱心部的那个面打磨、抛光，使用h v s 1 0 0 0 型数显显微硬度计， 采用锥面夹角为1 3 6 。的正方形锥体压头，加载1 0 0 0 9 力，加载时间l o s 。在 放大4 0 0 倍条件下，测出压痕对角线长度，从而得到显微硬度值。 2 7 哈尔滨j 程大学硕十学何论文 2 3 2 拉伸性能测试 拉伸试验是在缓慢加载条件下进行的。在材料屈服前，应使应力增加的 速率约为1 0 m p a s 。材料屈服后，为了提高试验效率，可适当加快加载速率， 但横梁位移速率不应超过o 5 l o m i n t 2 5 1 。 由于1 8 c r 2 n i 4 w a 钢在强烈淬火处理后的强度很高，要将拉伸试样拉断 需要试验机提供很大的拉力，所以在本实验中将拉伸试样做成c l o = 7 m m 的试 样。 拉伸实验是在i n s t r o n 8 8 0 1 试验机上进行的。拉伸试样经过淬火加热、 保温、强烈淬火冷却等阶段处理后，在拉伸试验机上进行拉伸实验，将试样 拉断，得到1 8 c r 2 n i 4 w a 钢在相应工艺处理后的抗拉强度、屈服强度、延伸 率、断面收缩率等力学性能指标。 2 3 3 冲击性能测试 缺口形状、试样尺寸和材料的性质等因素都会影响断口附近残余塑性变 形的体积【3 7 1 ，因此冲击试验必须在规定的标准下进行。本实验采用 g b t 2 2 9 19 9 4 标准进行试样制备，在r p k 4 5 0 智能示波冲击试验机上进行冲 击实验。r p k 4 5 0 智能示波冲击试验机的主要参数见表2 5 。 冲击试样经过淬火加热、保温、强烈淬火冷却等阶段处理后，在冲击试 验机上进行冲击实验，将试样冲断，得到1 8 c r 2 n i 4 w a 钢在相应工艺处理后 的冲击韧性。 表2 5r p k 4 5 0 智能示波冲击试验机的主