（材料加工工程专业论文）具有硬度梯度的刀圈材料的热处理工艺研究.pdfVIP

摘要 摘要 本文结合生产实际，以提高盾构机刀圈零件的使用寿命为目的，针对生产 的刀圈零件在使用过程中出现整体断裂的失效形式，从材料的热处理工艺，热 处理方法等方面进行原因分析，通过对材料热处理工艺的研究，认为过分关注 提高材料的硬度而忽略材料韧性是其失效的主要原因。通过分析材料热处理工 艺，从热处理方法方面进行改进，提出新的热处理方法：在刀圈零件内径出设 置加热装置，在刀圈零件外径出设置冷却装置，通过控制零件径向方向上的温 度，在刀圈零件的内径处至外径部位，建立一个梯度分布的温度场，对工件进 行加热处理，以期实现在同一零件上得到不同硬度分布。文章从材料的热处理， 材料的组织性能分析，并设计制作出用于实验的热处理的工装及设备。 关键词：刀圈零件；热处理；不同硬度 a b s 下r a c t a b s t r a c t i n0 r d e rt oi m p r o v et h es e r v i c el i f eo ft h ek n i f ec i r c l ep a r ti nt h es h i e l d c o n s t r u c t i o nm a c h i n e ，w es t u d i e da n da n a l y z e dt h ef a i l u r ef o r m so ft h ek n i f ec i r c l e p a r t sd u r i n gu s ea n dt 1 1 i n kt h a tt o om u c hf o c u so ni n c r e a s i n gm a t e r i a lh a r d n e s sa n d o v e r l o o kt o u g h n e s si st h em a i nr e a s o no fi t sf a i l u r e b a s e do na n a l y z i n gm a t e r i a la n d i t sh e a tt r e a t m e n tp r o c e s s ，w em a d ei m p r o v e m e n to fh e a tt r e a t m e n tp r o c e s sa n dp u t f o r w a r dt h en e wh e a tt r e a t m e n tm e t h o d i t sp r o c e s si sa sf o l l o w ：ah e a td e v i c ei ss e t o u ti nt h e c i r c l ei n s i d ed i a m e t e ra n dac o o l i n gd e v i c ei ss e to u ti nt h ek n i f ec i r c l e o u t s i d ed i a m e t e ri no r d e rt oe s t a b l i s hag r a d i e n td i s t r i b u t i o no ft e m p e r a t u r ef i e l d u s i n gt h i sh e a tt r e a t m e n tp r o c e s s ，o n ep a r t 谢也ag r a d i e n th a r d n e s sd i s t r i b u t i o nc a n b ep r o d u c e d an e wh e a tt r e a t m e n te q u i p m e n tf o re x p e r i m e n tw a sd e s i g na n d p r o d u c e d t h eh e a tt r e a t m e n tp r o c e s so fm a t e r i a la n dm i c r o s t r u c t u r ea n dp r o p e r t y a n a l y s i sw a s c a r r i e do u t k e yw o r d s ：k n i f ec i r c l ep a r t ；h e a tt r e a t m e n t ；g r a d i e n th a r d n e s s i i 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题背景 随着我国经济的发展人员流动呈现出大幅度增长趋势，现有的交通系统已 不能满足人员流动的需求，急需提升交通设施的承载能力，再加上全国城市化 进程的加速推进，大城市变得日趋繁荣，致使现有的城市基础设旖处于超负荷 运转状态，为解决地面设施所处的困窘，城市地下空间的开发与利用和城际之 间高速铁路的建设成为解决这些难题的必选之路。这些都极大地促进现有的隧 道和地下工程修建技术的发展和应用【1 j 。 我国为应对金融危机大力建设公共基础设施，城市轨道交通处在重要的发 展时期，但是目前我国地铁、铁路隧道建设技术水平相对较低，隧道掘进机和 刀具依赖进口，严重制约了我国地铁、铁路隧道建设，极需要通过技术创新来 提高我国的技术水平并实现国产化。根据国家有关部门的最新资料，我国已建、 在建或筹建地铁和轻轨等城市轨道交通设旌的城市4 0 余个，国家已经批准了17 个城市的轨道交通规划，这1 7 个城市的规划到2 0 1 5 年要建设轨道交通线路6 5 条，总长度1 8 5 6 公里，总投资达到6 7 5 5 亿元，预计远期投资将超过1 1 万亿元 【2 】 0 为提升盾构机刀具国产化的水平，也为更好地满足我国隧道建设、降低国 家建设成本的需要，生产企业通过自主创新开发出了与国际先进水平相接近的 掘进机刀具，并筹划组建盾构刀具生产线，用来打破盾构刀具依赖进口的境况。 生产企业开发的该种刀具是在对国外先进刀具仿制的基础上加以改进，使其耐 磨性能与国际最优刀具相接近、成本比国外刀具低、购买方便。 刀具在装机试用阶段发现其生产的中心刀圈偶有整体断裂现象，这在一定 程度上严重制约了其产品的推广能力，如若能解决该问题必将为施工单位节省 很多更换刀具的时间，必能为加快我国地铁、铁路隧道建设，提高我国的技术 水平，降低建设成本、实现掘进机刀具国产化等起到重要意义。 第1 章绪论 1 2 国内外盾构刀具研究现状 1 2 1 国外盾构刀具研究现状 地铁和隧道机械化掘进技术在国外已有一百年多年的历史，地铁在发达国 家和地区的大都市也已经获得了广泛的推广应用。在发达国家，盾构、隧道掘 进机及刀具产品与技术已相当成熟。根据的调查，世界上盾构、隧道掘进机及 刀具产品与技术主要由发达国家的美国罗宾斯公司和德国的维尔特公司、海瑞 克公司和c t s 公司、日本三菱、k a w a s a k ih e a v yi n dl t d 、i s h i k a w a j i m ah a r i m a h e a v yi n d 公司和意大利p a l m i e r is p a 公司等十余个大公司所垄断，其中，罗宾 斯公司和维尔特公司的产品又占领了近5 0 的市场。国外生产t b m 盘形滚刀切 割圈，质量最好的是美国罗宾斯公司和德国的维尔特公司，均为专利产品。罗 宾斯公司t b m 切割刀圈选用的材料是一种低合金高强度钢，采用淬火和低温回 火工艺获得回火马氏体组织，来达到高强度、高韧性的目的。而德国的的维尔 特公司选用的材料不同于美国罗宾斯公司，为热作模具钢，这种材料如在6 0 0 以下也得到回火马氏体，并伴有大量的m c 型和m b c 型为主的弥漫分布的细 小碳化物颗粒，由于碳化物颗粒的存在，其二次硬化作用明显，因此，它比罗 宾斯公司用钢有更高的耐磨性和更低的成本。 1 2 2 国内盾构刀具研究现状 我国的盾构、隧道掘进机及刀具产品与技术相对而言比较落后，目前主要 依赖进口，其国产化率极低。但是，由于国内的需求快速增长且发展空间巨大， 因此，近年来不少大学、研究机构和企业纷纷开展盾构、隧道掘进机刀具的研 究试制工作，如石家庄铁道学院、中国第一重型机械集团、燕山大学、武汉江 钻工程钻具有限责任公司、南昌齿轮有限责任公司、广州建隧机械有限公司等， 其中大多数处于仿制研发阶段，产品存在强度低、耐磨性差、使用寿命短的问 题，总体而言技术水平较低，且都未实现大批量化生产。 1 3 盾构刀具的失效 1 3 1 盾构刀具类型 目前使用的刀具一般分为两大类：刮削刀具、滚动刀具。刮削刀具是指只随 刀盘转动而没有自转的破岩刀具，刮削刀具的种类繁多，目前盾构掘进机上常 2o 第1 章绪论 用的刮削刀具类有边刮刀、刮刀、切刀、齿刀、先行刀、仿形刀、刮板等。主 要通过对岩层、土壤的刮削方式前进。滚动刀具是指不仅随刀盘转动，还同时 作自转运动的破岩刀具。目前盾构掘进机滚刀主要是盘形滚刀。 1 3 2 盾构刀具磨损形式 盾构机在隧道施工中，主要通过刀盘刀具对前方土体进行切削，由于盾构 经过的地层多种多样，刀盘刀具的受力十分复杂，刀具的磨损和破坏形式较多， 而且磨损和破坏严重。在实际的施工中不得不花很多时间和精力到刀具的更换 中，所以刀具的耐用度成为制约盾构掘进效率的主要因素。 1 3 2 1 刮削刀具的磨损p 4 j 刮刀刀盘边刮刀通常是连续布置的，其体积也大，布刀重叠系数大，一般是4 8 ， 正面刮刀重叠系数随着半径的减少也变小，一般是1 3 ，切削刀根据地层需要有连 续的，但大多数是不连续的。且都是成对布置，以满足刀盘正反转的需要。使用 中刮刀的损坏有：刮刀磨损、刮刀刀刃崩裂或断裂、刮刀掉齿如图1 1 、1 2 所 示。 图1 1 刮刀磨损图1 2 刮刀断裂 1 3 2 2 滚动刀具的磨损【3 4 】 滚刀因磨耗引起刀刃缺损或脱落时必须进行更换，否则将严重影响施工效 率。滚刀的磨损量受施工法、土质、滑动距离、滚刀形状、滚刀材质、推进速 度、刀盘转速等因素影响 5 1 。 滚刀的破岩效率与滚刀的刃口宽度有关，随着刀圈磨损量的增加，刃口的 宽度增加，当达到一定范围时会影响掘进速度，甚至不能再掘进。滚刀的失效 3 第1 章绪论 形式主要是刀圈磨损，也有轴承、密封早期失效、刀圈断裂现象如图1 3 、图1 4 所示。 图1 3 刀圈磨损图1 4 刀圈断裂 刀圈的耐磨性是问题的关键，在地层条件和掘进参数一定的条件下，刀圈 的耐磨性和刀圈的材料、制造工艺和金相组织有关，在材料确定的条件下，直 观反映刀圈耐磨性的指标就是硬度了。 1 3 3 盾构刀具磨损机理分析 刀具磨损是指刀具在与岩土体接触的过程中，刀具材料的损失。对于刀具 在切削岩土体时产生磨损的原因，j o h n s o n 和f o w e l l 6 提出主要有四种磨损机理， 即振动引起的破坏、热疲劳引起的刀具裂纹、刀具表面材料的微剥落和脆性破 坏、磨耗，认为磨耗是刀具磨损最主要的因素。也即是说，在盾构刀具切削岩 土体的过程中，造成刀具磨损的主要原因是刀具和岩土体之间的接触和摩擦。 按照金属材料表面破坏机理特征，磨损可以分为粘着磨损、磨料磨损、表面磨 损和点蚀磨损等【硼。盾构刀具的磨损形式主要为磨料磨损和点蚀磨损。 1 3 3 1 磨料磨损 磨料磨损是岩土体硬质固体颗粒对刀具表面的一种侵蚀过程。盾构在向前 推进时，刀盘旋转时刀具正对地层的部分与地层之间将产生很大的摩擦力，磨 料磨损是刀具正对地层部分的主要磨损形式【9 j 。这种磨损的发生有两种形式： ( 1 ) 二体磨料磨损。坚硬的矿物颗粒运动方向与刀具表面接近平行时，磨 料与刀具表面接触的应力较低，固体表面发生擦伤或微小的犁沟痕迹。 4 第1 章绪论 ( 2 ) 三体磨料磨损。坚硬的矿物颗粒或者脱落的刀具金属颗粒夹在刀具表 面和岩土体之间摩擦时，会在刀具表面产生较高的接触应力，这种较高的压应 力使得金属表面发生塑性变形或疲劳，也造成金属颗粒的脱落。 岩土体的硬度虽然低于刀具的硬度，但其结构中经常含有的一些硬度极高 的微小的硬质点，能在刀具表面刻画出沟纹。硬质点主要为氧化物s i 0 2 和其他 一些硬质颗粒。磨料磨损在各种切削速度下都存在，但对于低速切削的盾构刀 具，磨料磨损为刀具磨损的主要原因。 1 3 3 2 点蚀磨损 这种磨损是盾构刀具较典型的磨损方式，主要是表面疲劳磨损为主。刀具 表面通常形成细小的点坑或蚀斑。处于剪应力区内的刀具金属材料在产生疲劳 时所引起的。因疲劳而破坏的刀具被切削槽口的崩刃，它在引起疲劳的应力作 用下，刀具金属表面先产生裂纹，然后在应力的作用下裂纹扩展、张开、闭合 并逐渐发展穿过截面，使得开口突然开裂或崩裂。 刀具从磨损到损坏的过程一般可分为三个阶段【1 0 1 1 1 ，如图1 5 所示。 酣阐c m l n ( h ) 图1 5 刀具磨损典型曲线 第一阶段为初期磨损阶段。刀具制成后，前刀面和后刀面是凹凸不平的， 如果用放大镜来观察，可以发现其表面上有很多很尖而小的“凸峰”。当受到切削 摩擦和切削冲击时，这些“凸峰”就会很快地磨平，这一阶段是很短的，为初期磨 损阶段。 第二阶段为正常磨损阶段。刀具经过初期磨损后，后刀面形成一条磨损带， 使接触面增大，压强减少，因而磨损量随着时间的增长缓慢而均匀地增大，随 着切削时间的增加，刀具表面的磨损会加剧。 第三阶段为急剧磨损阶段。在刀具正常磨损阶段的后期，刀具表面磨损量 5 第1 章绪论 逐步增加，刀具急剧磨损，刀刃完全磨损不能继续使用，甚至导致崩刀。 1 4 本文主要研究内容及目标 1 4 1 课题研究的主要内容 在不降低刀圈耐磨性能的前提条件下，尽量提高零件的塑性，从而降低零 件出现整体断裂的概率。本文研究了刀圈材料在不同热处理工艺下的性能，并 有针对性的探究开发适合刀圈零件热处理的专用工装及设备。 本课题主要完成的内容有： ( 1 ) 分析来自生产实际中的刀圈零件的失效形式。 ( 2 ) 研究不同热处理工艺下的材料的硬度及组织性能 ( 3 ) 改装热处理设备，根据制定的热处理工艺要求，探索在直条状零件轴 向方向上加热温度呈梯度分布的热处理工艺方法。 ( 4 ) 探究开发适合环形零件的热处理工装及设备。 1 4 2 课题研究的主要目标 本课题研究的目标有： ( 1 ) 找出合适的热处理工艺方法以降低刀圈断裂失效出现的概率。 ( 2 ) 自制、改装热处理设备，通过热处理工艺的调整首先在在直条型零件 上探索如何实现在零件轴向方向上使其硬度呈梯度分布的热处理方案。 ( 3 ) 最终目标是如何在刀圈零件上通过一定的热处理手段使得刀圈的外圈 工作部位的硬度不降低，而内圈的硬度有所下降，增加内圈材料的塑性，阻碍 刀圈工作部位处由于冲击出现的裂纹向刀圈零件内径部位扩展，从而降低刀圈 零件出现整体断裂的概率。 6 第2 章刀圈零件的失效分析 第2 章刀圈零件的失效分析 2 1 刀圈零件的结构及特点 生产实际中的刀圈零件其结构尺寸如图2 1 所示，刀圈零件形状为环形结 构：内孔处直径为2 8 5 m m ，外圆处直径为4 3 2 m m ，厚度7 6 m m 的环形零件，其工 作部位为距离外外圆处为2 0 3 0 m m 处。 图2 1 刀圈零件 2 1 1 技术要求 刀圈零件材料材质为：5 g r 5 m o s i v l ，热处理硬度达到h r c 5 6 6 0 2 2 中心刀圈零件失效原因 企业生产的中心刀圈硬度为h r c5 6 6 0 ，与国外先进刀具相比，在硬度上 不比国外的刀具差，具有很好的耐磨性能，但在实际使用中发现中心刀圈零件， 除了正常的疲劳磨损外，偶尔还有的刀圈零件出现整体断裂现象。通过技术手 段分析，造成失效的原因主要是由于盾构刀具服役的挖掘过程工况比较复杂， 当刀圈受到较大冲击载荷作用时，在刀圈零件内部的微裂纹沿着晶界处形成穿 晶断裂。出现这种整体断裂失效的主要原因是因为追求零件具有高的耐磨性能， 而忽略了材料的塑性。在热处理过程中为提升刀圈材料的耐磨性能，通过控制 材料的热处理工艺使得刀圈零件具有很高的硬度，由于材料的硬度与塑性之间 是成反比例关系的，高的硬度必然使得材料的韧性降低，使得刀圈材料对材料 内部微裂纹扩张的阻碍作用降低，进而出现了在刀具工作过程中出现刀圈沿着 7 第2 章刀圈零件的失效分析 零件的径向方向整体脆断。 针对此种失效形式，在不降低刀圈零件的耐磨性的基础上提出了这样的热 处理工艺想法：在不降低刀圈零件工作部位硬度的前提下，通过合适的热处理 方法降低刀圈零件内径部位处的硬度，提高内径部位处的塑性，这样当刀圈零 件磨损部位的微观裂纹向零件内径部位处扩展时，较高的材料塑性可以有效的 起到阻挡裂纹的扩展的作用，从而有效地降低零件发生整体断裂的概率。这种 热处理工艺方法由于没有改变刀圈零件工作部位处的硬度，从而可以保证刀圈 零件具有较好的耐磨性。 8 第3 章刀圈零件材料的热处理 第3 章刀圈零件材料的热处理 根据设想的方案，通过对刀圈材料的热处理，摸索出新型的适合刀圈零件 的热处理工艺及方法。通过对热处理学的学习我们知道，淬火温度、淬火保温 时间，回火温度及回火保温时间是影响材料组织的主要因数，本章通过对刀圈 零件材料的系统热处理，在保证刀圈材料硬度的前提下，探索出材料在何种热 处理工艺下的塑性比较好，为刀圈零件的整体热处理方案的实施做理论基础。 3 1 热处理实验方案制定 4 g r 5 m o s i v l 钢为过共析钢，其中各合金元素的作用如下【1 2 。1 3 j ： 铬：铬在钢中可形成铬的碳化物，能提高钢的高温强度和耐磨性，使c 曲 线右移，提高钢的淬透性和回火稳定性，但铬含量的提高有利于增加材料的热 强度，但对韧性不利。 钼：钼也是碳化物形成元素，可提高钢的高温硬度和淬透性。此外，钼可 以阻碍奥氏体晶粒的长大，从而使晶粒得到细化，减小回火脆性。 钒：钒比铬和钼更容易形成碳化物，极少溶入铁的固溶体中。钒的碳化物 使钢具有良好的热硬性，并可细化晶粒，提高钢的耐磨性。 硅：硅是对铁素体进行置换固溶强化非常有效的元素，仅次于磷，但同时 在一定程度上降低钢的韧度和塑性。 锰：锰可以改变钢在凝固时所形成的氧化物的性质和形状。同时它与s 有 较大的亲合力，可以避免在晶界上形成低熔点的硫化物f e s ，而以具有一定塑性 的m n s 存在，从而消除硫的有害影响，改善钢的热加工性能。m n 具有固溶强 化作用，从而提高铁素体和奥氏体的强度和硬度。 通常使用的热处理工艺为锻后8 3 0 8 9 0 。c 保温3 小时，然后炉冷之7 3 0 7 5 0 保温3 小时，而后炉冷至5 0 0 。c 出炉空冷至室温，可得到的组织为细小珠光体 和少量均匀分布的碳化物 1 4 - 2 0 】，其淬火工艺为6 8 0 。c 和8 2 0 。c 两段预热，而后加 热至淬火温度1 0 0 0 11 0 0 。c ，淬火保温时间按单边0 5 m m m i n 计算，淬火后组织 为细针状马氏体组织，硬度可达h r c5 7 6 0 ，淬火后应立即回火，回火温度一般 选择5 3 0 6 0 0 。c ，保温2 3 小时，一般进行连续两次回火，且每次回火一定要保 9 第3 章刀圈零件材料的热处理 证材料冷却至室温【2 1 - 2 3 。 该课题中刀圈零件材料主要的热处理工序有以下3 步： ( 1 ) 预先热处理工序。主要包括等温球化退火。 ( 2 ) 淬火工序。淬火是模具钢最为重要的热处理工序。淬火温度、保温时 间和冷却方式是淬火工序的主要工艺参数。为了获得足够的淬火硬度、良好的 综合性能与内部组织，防止淬火变形和开裂，必须选择最佳的淬火温度、保温 时间和冷却方式。 ( 3 ) 回火工序。回火是将淬火钢在a c 点温度下，进行再加热使碳化物析 出，消除淬火晶格畸变，增加韧性，分解残余奥氏体，使组织进入稳定状态的 热处理方法。因此，回火一般做为最终热处理工序。在回火过程中，随着温度 的升高，组织的变化经历了四个阶段。第一阶段是2 0 0 及以下称为低温回火， 在次阶段淬火马氏体分解成低碳马氏体和碳化物，并消除内应力。第二阶段 在2 0 0 3 0 0 ，残余奥氏体分解成马氏体。第三阶段在3 0 0 以上进行，把马氏 体和碳化物转变成铁素体加渗碳体，随着温度的增高发生连续软化过程，渗 碳体呈片状析出时表现出低温脆化现象。第四阶段是含有c r 、w 、m o 、v 和 t i 等碳化物生成元素的合金钢，在约5 0 0 以上的置换型扩散自由进行的温度下 伴随有稳定碳化物析出和长大的变化。这些碳化物微粒析出时使晶格畸变，或 因为位错被钉住，钢出现二次硬化。 为获得良好的组织及优异的韧性须对淬火温度的选择，回火温度的选择及 回火次数的选择等进行研究。 3 1 1 试样的准备及热处理方案 本文使用的材料为市场购买的直径为1 6 r a m 的4 g r 5 m o s i v l 钢的材料，其 学成分为：4 3 c ，9 2 s i ，0 0 1 8 s ，0 0 2 2 p ，0 3 7 m n ，5 3 g r ，1 2 m o ，1 0 2 v ， f e 余量。按要求将材料切割成高2 0 毫米金相试样，长5 5 毫米冲击试样毛坯。 等温球化退火等温球化退火的热处理工艺为：随炉加热至8 5 0 保温3 h 而 后炉冷至7 2 0 保温3 h ，待炉冷至5 0 0 以下出炉空冷。 淬火工艺根据零件硬度要求本文确定的淬火温度为1 0 3 0 、1 0 6 0 和11 0 0 3 个温度，根据试样尺寸( 直径为1 6 毫米) 在达到淬火温度前分别在6 8 0 和8 2 0 保温半小时，淬火保温时间设定为1 6 m i n 实验在1 6 0 0 硅钼棒炉中加 热，用焦炭粉保护。淬火冷却方式为油冷。 10 第3 章刀圈零件材料的热处理 回火工艺回火温度设定为：2 0 0 、4 0 0 、5 0 0 、5 3 0 、6 0 0 、6 5 0 。 回火保温时间为2 h 回火次数设定为一次回火和二次回火，回火均在箱式电阻炉 内进行。 硬度测试各种热处理状态下的试样在金相预磨机上抛磨后，在h r s s 1 5 0 0 型数显洛氏、表面洛氏硬度计上测量试样的洛氏硬度值，载荷选择为1 4 7 1 n ，保 压时间1 0 秒。 显微组织分析对各种热处理状态下的试样经机械抛光后，用4 硝酸酒精 溶液腐蚀，在z e i s sa x i os c o p ea 1 型显微镜下进行金相显微观察分析。 冲击韧性测试对选用的热处理状态下的一组试样，加工成标准v 型缺口试 样后在j b s 5 0 0 型机械摆锤式试验机上进行冲击试验。 3 2 热处理实验结果及分析 3 2 1 力学性能分析 3 2 1 1 硬度测定 4 g r 5 m o s i v l 钢经等温球化退火后，用线切割机床将试样拦腰截成2 段，在 试样表面和内部随机测定5 个点的硬度，其硬度测定结果如表3 1 所示 表3 1 等温球化退火硬度h r c 从表中分析可知，4 g r 5 m o s i v l 钢经等温球化退火后在试样表面内硬度比较 均匀，从一定程度上说明经等温球化退火后试样的组织是比较均匀的。 图3 1 为4 g r 5 m o s i v l 钢在不同淬火温度下的硬度变化情况。从图中可看出， 随着淬火温度的升高，材料的淬火后的硬度升高，且1 1 0 0 时的硬度比1 0 3 0 时的硬度提高1 l ，根据刀圈零件硬度要求为h r c 5 6 6 0 ，决定选择1 0 6 0 和 1 1 0 0 两组淬火的试样分别做不同回火温度下的回火实验。 第3 章刀圈零件材料的热处理 u 出 士 越 髫 噬 建 淬火温度。c 图3 1 不同淬火温度下的硬度 图3 2 为4 g r 5 m o s i v l 钢在1 0 6 0 。c 淬火，经两次不同回火温度处理后测得 的硬度。 o 2 要 赵 酪 妪 恕 回火温度。c 图3 21 0 6 0 两次不同回火温度处理后硬度 由图可知随着回火温度的不同，材料硬度表现出的具体变化规律不同， 1 2 第3 章刀圈零件材料的热处理 4 g r 5 m o s i v l 钢在2 0 0 和4 0 0 。c 回火时回火后的硬度降低不多，到5 0 0 回火 时硬度又开始升高，在5 3 0 。c 回火时硬度达到最大，而后随温度升高硬度降低。 6 5 0 回火硬度比2 0 0 回火硬度降低了5 个单位h r c ，比5 3 0 回火硬度降低 了近7 个单位h r c 。 根据1 0 6 0 淬火后不同回火温度测得的硬度，设计1 1 0 0 淬火后刀圈材料 的回火温度分别为2 0 0 、4 0 0 、5 0 0 、5 3 0 和6 0 0 。 图3 3 为1 1 0 0 淬火后不同回火温度和不同回火次数下下测得试样硬度。从 中可以看出经5 3 0 回火后的硬度与经2 0 0 。c 回火的材料硬度增加不是很明显。 从图中可知在同等回火温度下随着回火次数的增加，试样的硬度有所下降，但 下降的幅度不大，基本上和一次回火时的硬度相差不大。根据其它人的研究成 果可知二次回火可使得材料的性能更加稳定，所以一般情况下对4 g r 5 m o s i v l 钢一般至少选择两次次回火【2 引。 o 2 z 赵 蝥 岖 翅 回火温度。c 图3 31 1 0 0 淬火后回火次数不同时硬度测定 3 2 1 2 冲击韧性测定 2 6 - 2 8 根据上述测定的4 g r 5 m o s i v l 钢在不同的淬火回火温度下测定的硬度分析， 根据中心刀圈零件硬度的要求，决定选择1 1 0 0 淬火后的材料加工成标准v 型 缺口试样进行冲击实验。探索了下以下四种不同热处理工艺下的材料抗冲击的 第3 章刀圈零件材料的热处理 性能，分别是2 0 0 回火两次、5 3 0 回火两次、2 0 0 回火一次+ 5 3 0 。c 回火一次、 5 3 0 回火一次+ 2 0 0 回火一次工艺下的材料做冲击性能测试。 试样按国家标准g b t18 6 5 8 2 0 0 2 摆锤式冲击试验机检验用夏比v 型缺 口标准试样 ，先将热处理后的材料用快走丝线切割机床切割成1 0 2 x1 0 2 x 5 5 m m 的坯料，然后在平面磨床上将其磨至1 0 1 0x5 5 m m 的冲击试样，最后在 线切割机床上用最慢速度切割v 型缺口。 冲击试验在j b s 5 0 0 型机械摆锤式试验机上进行，结果如图3 4 所示。 里 逍 器 帽 是 图3 4 不同回火温度下的冲击韧性 a ：1 1 0 0 淬火2 0 0 回火2 次 b ：1 1 0 0 淬火5 3 0 回火2 次 c ：1 1 0 0 淬火2 0 0 回火1 次+ 5 3 0 回火1 次 d ：1 1 0 0 淬火5 3 0 回火1 次+ 2 0 0 回火1 次 从图中不同回火工艺下的冲击韧性分析可知，2 0 0 回火2 次的冲击韧性最 高，5 3 0 回火2 次的硬度次之，经2 0 0 回火1 次+ 5 3 0 回火1 次和5 3 0 回 火1 次+ 2 0 0 回火1 次的试样的冲击韧性最低，从冲击实验中可以反映出，增 加淬火后回火次数可以使得材料的韧性提高，且在低温回火得到的材料韧性要 比高温回火下的韧性高。 1 4 第3 章刀圈零件材料的热处理 3 2 2 显微组织分析【2 9 。1 l 图3 5 为4 g r 5 m o s i v l 钢经等温球化退火后的金相组织。 图3 5 等温球化退火放大1 0 0 0 x 金相组织( o m ) 从金相显微照片上可以看到，经等温球化退火后的试样组织为块状铁素体+ 粒状珠光体+ 弥散分布的碳化物和少量的残余奥氏体组织，球化退火后的组织硬 很低约为h r c l 2 1 3 。从图中可以看出该退火组织中基本上没有呈网状连续分布 的珠光体组织和渗碳体组织，此种组织应可以认为是淬火热处理前比较理想的 基体组织。 图3 6 为4 g r 5 m o s i v l 钢经不同淬火温度后的金相组织。 图3 6 不同淬火温度下的金相组织5 0 0 x ( o m ) ( a ) 1 0 3 0 。c 保温1 6 m i n( b ) 1 0 6 0 。c 保温1 6 m i n( c ) l1 0 0 。c 保温1 6 m i n 1 5 第3 章刀圈零件材料的热处理 从图中分析n - l 失n4 g r 5 m o s i v l 钢1 0 3 0 。c 淬火组织和1 0 6 0 。c 淬火组织【1 4 。2 0 】 为：针状马氏体和板条状马氏体组织+ 残余奥氏体+ 弥散分布的碳化物，而1 1 0 0 淬火组织为为针状状马氏体组织+ 大量铁素体组织和部分奥氏体组织以及针 状下贝氏体组织试样硬度明显增加。高的淬火温度使孪晶马氏体的组织减少， 位错型马氏体增加，未溶的粗大颗粒碳化物减少。 图3 71 0 6 0 。c 淬火后不同回火温度下的组织1 0 0 0 x ( o m ) ( a ) 1 0 6 0 * c 淬火后2 0 0 c 保温2 h ( b ) 1 0 6 0 c 淬火后4 0 0 。c 保温2 h ( c ) 1 0 6 0 c 淬火后5 0 0 c 保温2 h ( d ) 1 0 6 0 。c 淬火后5 3 0 c 保温2 h ( e ) 1 0 6 0 * c 淬火后5 5 0 c 保温2 h ( f ) 1 0 6 0 c 淬火后6 0 0 。c 保温2 h 图3 7 为4 g r 5 m o s i v l 钢经不同淬火温度后的金相组织，从图中可以看到随 1 6 第3 章刀圈零件材料的热处理 着回火温度的升高回火马氏体组织的含量逐渐减少，贝氏体组织增多奥氏体分 解，铁素体和碳化物聚集长大，并且在晶界出有碳化物富集，这种方式的析出 使得材料的的硬度由于碳化物的长大而增强，但是晶界出析出的碳化物又使得 材料的韧性降低，使得材抵抗冲击的性能降低。在回火温度为2 0 0 到5 0 0 期 间，试样的组织主要为回火马氏体在5 5 0 。c 开始组织有回火马氏体向回火托氏体 转变。 图3 8 为试样经11 0 0 。c 淬火后分别经2 0 0 、4 0 0 、5 3 0 和6 0 0 回火得 到的金相组织。 图3 811 0 0 淬火后不同回火温度下的组织1 0 0 0 x ( o m ) ( a ) l1 0 0 。c 淬火后2 0 0 c 保温2 h( b ) l1 0 0 。c 淬火后4 0 0 c 保温2 h ( c ) l1 0 0 。c 淬火后5 3 0 c 保温2 h ( d ) l1 0 0 c 淬火后6 0 0 c 保温2 h 从图中可以看出，经l1 0 0 淬火后试样的残余奥氏体晶粒比较粗大，经不 同的回火温度后，残留奥氏体和基体组织发生转变，在2 0 0 。c 回火时生成适量的 下贝氏体组织分割原奥氏体晶粒，晶粒显著细化，随回火温度的升高，铁素体 基体充分再结晶、长大，碳化物充分析出、聚集、长大。 1 7 第3 章刀圈零件材料的热处理 3 3 本章小结 本章通过对4 g r 5 m o s i v l 钢不同温度下淬火和回火的力学性能与显微组织 分析，的出以下几个结论： ( 1 ) 刀圈材料4 g r 5 m o s i v l 钢经11 0 0 。c 淬火硬度比1 0 3 0 。c 淬火的硬度高 1 1 ，可达到h r c 5 9 左右。 ( 2 ) 刀圈材料4 g r 5 m o s i v l 钢在1 1 0 0 。c 淬火后经不同的回火温度试样硬度 先降低，在5 0 0 。c 时硬度开始增加，在5 3 0 。c 时达到最大值，而后随着温度的升 高硬度迅速降低。在2 0 0 。c 和5 3 0 。c 的温度下回火2 小时，硬度相差不大。 ( 3 ) 刀圈材料4 g r 5 m o s i v l 钢淬火后经一次回火和两次回火；在相同的回火 温度下，回火次数的增加只稍微使材料的硬度有些降低但降低不明显，但两次 回火有助于稳定材料的组织与性能，因而一般应做两次回火。 ( 4 ) 刀圈材料4 g r 5 m o s i v l 钢经1 1 0 0 。c 淬火、2 0 0 。c 两次回火时材料的韧性 比5 3 0 。c 回火时的韧性高3 0 及以上，5 3 0 。c 回火时由于碳化物的析出和长大， 使得材料的韧性有所降低。 1 8 第4 章环形零件的热处理 第4 章环形零件的热处理 经过对实际使用中的刀圈零件出现的整体断裂的失效形式进行分析，找出 刀圈零件出现整体断裂的主要原因是：企业为了提高刀圈零件的耐磨性能，通 过合适的热处理工艺提高刀圈材料的硬度，从而使得材料的韧性降低。由于盾 构机的工作环境比较复杂，刀圈零件在工作中承受的载荷往往是多变的，当刀 圈零件受到较大的冲击载荷时，在刀圈零件中产生的微裂纹会沿着裂纹尖端急 速向两端扩展，当裂纹扩展到刀圈零件内、外表面时就出现整体断裂失效。 众所周知，金属材料的硬度与韧性是成反比例的，为了降低中心刀圈零件 出现整体断裂的概率，必须得提高刀圈零件的韧性。根据刀圈零件的结构形状 在不降低刀圈零件工作部位的硬度的前提下，要想降低刀圈零件出现整体断裂 失效的概率，可以通过降低刀圈零件非工作部位材料的硬度，以提高非工作部 位材料的韧性，提高非工作部位材料抵抗裂纹扩张的能力，从而在一定程度上 能降低刀圈零件出现整体断裂失效的概率，即在。这样当零件内部的裂纹向内 径部位处扩展时，由于内径处的材料硬度稍微低些但材料的韧性相对好些，从 而降低零件整体出现断裂失效的概率。 生产中的中心刀圈零件的热处理形式为整体淬火和两次整体回火，这样得 到的中心刀圈零件上所有地方的硬度都是一致的。为了能够实现沿刀圈零件径 向方向上从内到外材料硬度呈由低到高梯度分布的目的，必须要设计出一种合 理的热处理工艺，使得在刀圈零件的回火热处理工程中在刀圈零件的工作部位 和非工作部位的温度存在较大的差别，即靠近刀圈内径出的硬度低，靠近刀圈 外径出的硬度高，这样既不影响刀圈的耐磨性，又使得刀圈整体断裂的概率减 小。 在具体的实验过程中，通过改装热处理工装和设备，控制环形零件在回火 工艺过程中沿零件径向方向上各个不同的部位的温度，以期实现零件不同部位 组织、硬度的差异。为了实现这种目的，首先在直条状工件上摸索回火温度的 控制方法，而后将得到的理论用于设计针对环形零件的回火温度控制中。 1 9 第4 章环形零件的热处理 4 1 探索对直条状零件的回火温度控制方法 本次实验用的材料为市场上购买的直径为1 6 r a m 普通a 3 钢，实验开始前将 其截成5 0 0 r a m 长，并在试件上开设直径为2 m m 深为4 m m 的d , - 孑l ，小孔内埋设 热电偶，用于检测热处理过程中每段温度的变化，试样的准备过程如图4 1 所示， 在试件上从左到右依次埋设5 号热电偶、4 号热电偶、3 号热电偶、2 号热电偶、 l 号热电偶共5 个热电偶用于检测不同部位的温度。 实验用的设备为改做的普通井式实验电炉，实验设备如图4 2 所示。试样从 井式电阻炉的上口部位放入至实验炉中，1 号埋设热电偶的位置基本与井式电阻 炉的热电偶位置在同一高度位置。 图4 1 试样上埋设热电偶位置图 图4 2 自制井式电阻实验炉 实验过程中数据记录如表4 1 所示，通过对上表数据分析，对于直条状零 件在一端放置加热装置，其余部位暴露在空气中，可以实现温度在沿轴向方向 上呈梯度分布。在加热端温度控制在6 0 0 。( 2 的温度中，热流在试件内部沿着试件 轴向方向流动，由于试件暴露在空气中的部分比较多，热流通过试件表面扩散 出去，使得在试件不同位置检测到的温度由加热端向非加热一端递减。由于受 2 0 第4 章环形零件的热处理 实验条件的限制，没有做关于试件长径比对热量在其内部传递的实验，但可以 肯定的是只要直条状零件的长径比足够大那么温度在其轴向方向一定可以呈梯 度分布。 表4 1 不同热电偶放置位置监控的实时温度( 单位) 注：0 号位置热电偶为电阻炉的控温热电偶 4 2 探索对环形零件的回火温度控制方法 通过第三章中对刀圈零件材料热处理得知，要想使得材料的硬度降到洛氏 硬度h r c 5 0 及以下，那么对刀圈零件的回火热处理的回火温度必须要控制在6 0 0 及以上。根据实验目的，要想得到沿环形零件的径向方向上，零件由内向外 硬度呈由低到高的梯度分布目的，必须在环形刀圈零件的径向方向的不同部位 上控制其温度呈梯度分布。根据零件外径处硬度高、内径部位硬度低得要求， 结合第三章中对刀圈材料的热处理，要想把内径处的硬度控制在h r c 5 0 及以下， 需控制刀圈零件回火过程中刀圈零件内径处的温度至少在6 0 0 及以上，达到降 低内径部位硬度的目的，而外径部位的温度尽可能控制在2 0 0 及以下，保证刀 圈零件工作部位的硬度不降低。 2 1 2 2 4 7 9 h 侉 笛 勰 凹 勰 力 勰 4 4 9 b倦巧”卯巧眩黔趴 2 4 砺 佗 黔 m m m m m m ) 3 7 9 7 8 0 8 4 3 5 2笼孔m加绉勰如驺鲳 b 甜 m 粥 勉 埘懈泓 渤 雠 乏 毗 b 的 m 拼汤 似 州 跚 淄 懈 鳓枷 0 5 m b加药如弱朽如钌印 第4 章环形零件的热处理 为了实现环形零件在内径和外径部位得到不同的硬度，设计了这样的方案： 在环形零件内径部位设置一加热源，要求加热源的温度可控性好，在外径部位 出设置冷却装置，要求冷却装置要有好的冷却效果，保证对外径部位的冷却效 果。 4 2 1 加热源的选择与设计 通常我们使用的加热装置有电阻丝加热，感应加热等，感应加热具有加热 速度快，加热温度高但透热层浅，主要用于零件的表面淬火强化。由于感应加 热方式达不到大深度长时间的加热保温，而刀圈零件材料的回火保温时间长达 2 h ，因而感应加热不适合做环形刀圈零件的的回火热处理。电阻丝加热主要依靠 电阻丝的电阻将电能转化为热能，通过辐射换热将放置在热场内的零件加热。 本课题中由于加热源是放置于环形刀圈零件的内径部位处，对于内径比较小的 零件，要想将热源的温度长时间保持在6 0 0 。c 以上是比较困难的。根据实验目的 本次课题实验使用的材料直径为5 0 m m 的钢材，因而根据实际情况，我们设计 了一电加热系统装置如图4 3 所示示意图。 压缩空 气入口 电源 接线 发热 装置 | 炉膛 | 0 3 |l 舔 囫震 。7 。 图4 3 加热系统示意图 加热系统工作原理：将交流焊机的正负极接在由不锈钢钢管做成的加热圈 上，使加热圈发热，而后加热圈与通入的压缩空气发生热交换将气体温度提升， 在环形零件固定位置处，高温气体与不锈钢管再次产生热交换将环形零件的内 2 2 第4 章环形零件的热处理 径处温度提高至需要温度，为了减少零件厚度方向之外的热量对零件的扩散， 在环形零件两表面加装陶瓷隔热圈，尽可能的使热量通过环形零件的内径处向 外径部位扩散。在外径处冷却水的作用下行成强制热对流，达到在环形零件的 径向方向上形成自内向外依次降低的温度梯度的目的。通过控制冷却水水温和 压缩空气的流量保证零件内径处的温度处于6 0 0 及以上，零件外径处的温度处 于2 0 0 c 左右。根据提出的加热方案制作了相应的设备部件并组装起来。 如图4 4 所示自制电加热装置的加热圈该加热装置由不绣钢管绕制而成， 为了防止圈与圈之间管壁粘结和短路在加热管上套有陶瓷管。为了控制加热圈 的温度在加热圈的中部焊有热电偶用来控制加热设备的温度，将加热圈装入隔 热性能好的密闭炉膛内。将加热电源夹在钢管两端，通过对钢管发热产生热源， 管内同压缩气体将加热圈部位的热量带 图4 4 自制加热圈 如图4 5 所示为自制加热炉，用来安装加热圈而设计的加热装置实物，其结 构有钢板焊接而成，在钢板内侧与加热圈之间用保温棉与保温砖砌成一圆形炉 膛。 第4 章环形零件的热处理 图4 5 自制加热炉 图4 6 为加热电源实物图，加热电源为一交流电焊机，将电焊机的两极接在 加热圈的两端，通过电焊机短接的方式将加热圈加热。根据实验需要的温度， 通过调节电焊机的输出电流来产生足够高的温度，根据检测该加热装置可以使 加热圈的温度升至l 1 0 0 * c 以上，为了减少不锈钢管在高温下的氧化，应尽可能 的降低加热圈的加热温度，一般情况下控制加热圈的温度在1 0 5 0 及以下。 图4 6 交流焊接电机 为了使环形零件加热处的温度均匀可控，在对压缩空气的控制上使用了减 压阀和流量控制阀，当加热装置的处于一定温度时，通过调节压缩空气的压力 和流量使环形零件处的温度保持在稳定状态。 2 4 第4 章环形零件的热处理 图4 7 为冷却装置实物图，冷却装置有直径1 0 m m 的紫铜管绕制而成，通过 一个2 5 0 w 的小水泵供水，在水路中设置一流量调节阀，并用一热电偶检测出水 口处的水温，通过改变水流流量大小进而控制加设有冷却部位处的零件表面温 度。 图4 7 冷却装置 实验用的材料为市场上购买的直径为5 0 m m 的4 g r 5 m o s i v l 钢，按照图4 8 所示形状和尺寸按1 ：1 5 比例做成环形试样。根据对刀圈零件材料的热处结论， 对要进行刀圈零件模拟实验的试样，按要求进行1 1 0 0 淬火加2 0 0 整体回火2 次。 图4 8 环形零件试样尺寸 2 5 第4 章环形零件的热处理 4 2 2 加热过程参数确定 为保证零件回火热处理过程中的温度始终稳定在6 5 0 。c ，将加热系统安装完 毕后，经现场对交流焊机电流设定，压缩空气压力和流量设定，经测定在不同 参数下各温度点的温度，最终确定如下最优参数：焊机电流选择为3 7 8 a ，压缩 空气压力为0 4 m p a ，流量按表盘指示旋过半圈，在次参数下炉膛内加热圈的温度 为恒定为1 0 5 0 ，此时对应的零件内径部位的温度保持在6 5 0 5 之间。将 零件试样安装到位，把冷却装置安装到位进行实验，对零件进行2 h 回火热处理。 4 3 环形零件热处理结果分析 热处理后的试样用线切割切出宽为1 0 m m 的条装试样，在试样的厚度方向 上从内径处之外径处，每间隔2 m m 用洛氏硬度计测定各位置的