（材料加工工程专业论文）g35型淬火介质对中高碳钢热处理组织与性能的影响.pdf

i n f l u e n c eo fg 35q u e n c h i n gm e d i u mo nt h em i c r o s t r u c t u r ea n d m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fm e d i u m - c a r b o na n d h i e , h - - c a r b o ns t e e l l ux u e m e i b e ( l a n z h o uu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y ) 2 0 0 8 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m m a t e r i a lp r o c e s s i n ge n g i n e e r i n g i nt h e g r a d u a t es c h o o l o f l a n z h o u u n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rm aq i n j u n e ，2 0 1 1 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。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 法律后果由本人承担。 作者签名于穆嘲 吼卅年多月夕日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权兰州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，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文 收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服 务。 作者签名：锣钠 导师签名：j 膨劭 日 日 矽夕 月月 g 参 年年捌加期期 硕士学位论文 摘要一 a b s t r a c t 目录 第1 章绪论 1 1 课题的研究背景及意义 1 2 中高碳钢淬火工艺及常用淬火介质 1 3 新型淬火介质 1 3 1 无机水溶性淬火剂 1 3 2 有机水溶性淬火剂 1 4 淬火介质冷却性能的测试 1 5 淬火介质冷却性能的影响因素 1 5 1 介质的物理化学性能对其冷却能力的影响 1 5 2 外界因素对介质冷却能力的影响 1 6 对淬火介质的要求 1 7 淬火介质的发展方向l l - l s 1 8 本文主要研究内容 第2 章试验过程与方法 2 1 试验技术路线 2 2 淬火介质物理、化学性能测试 2 2 1 介质外观观察 2 2 2 介质密度测定一 2 2 3 介质粘度测定一 2 2 4 介质p h 值测定 2 2 5 介质腐蚀性能测试 2 3 工艺试验 2 3 1 热处理工艺参数的确定 2 3 2 试样组织与性能的测定 第3 章g 3 5 淬火介质物理化学性能测试 3 1 g 3 5 介质外观观察 3 2 g 3 5 介质密度及p h 值测定 3 3 g 3 5 介质粘度测定 3 4 g 3 5 介质腐蚀性测定 3 5 本章小结 j 1 1 2 5 5 8 9 0 0 0 l 2 2 3 3 4 4 4 4 5 5 6 6 7 o o o 1 2 5 一 - _ - - - - - l 1 1 1 1 1 1 1 1 l 1 1 1 1 1 1 1 2 2 2 2 2 2 g 3 5 型淬火介质对中高碳钢热处理组织与性能的影响 皇曼曼量曼曼曼鼍曼曼皇曼皇曼曼皇曼舅曼鼍皇曼蔓曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼量曼曼鼍曼曼曼曼舅曼曼皇皇i i_ , i 皇曼曼曼曼鲁曼皇曼曼鼍 第4 章g 3 5 介质对3 5 c r m o 钢热处理组织与性能的影响 4 1 淬火后试样的金相组织 4 2 g 3 5 介质对3 5 c r m o 钢力学性能的影响 4 2 1 硬度试验 4 2 2 压缩试验 4 2 3 冲击试验 4 2 4 拉伸试验 4 2 5 淬火变形度的测定 4 3 本章小结 第5 章g 3 5 介质对g c r l 5 钢热处理组织与性能的影响 5 1 淬火后试样的金相组织 5 2 g 3 5 介质对g c r l 5 钢力学性能的影响 5 2 1 硬度试验 5 2 2 硬度u 型曲线测定 5 2 3 压缩试验 5 2 4 冲击试验 5 2 5 弯曲试验 5 2 6 淬火变形度的测定 5 2 7 淬火开裂倾向的测定 5 2 8 薄壁轴承圈变形度的测定 5 3 本章小结 结论 参考文献 致谢 附录a 攻读学位期间所发表的学术论文目录 6 6 8 8 9 0 2 3 4 6 6 9 9 0 l 3拍拍勰勰凹如记弱舛粥弘挣扣柏仉钙 硕士学位论文 摘要 淬火介质对钢铁材料的组织和性能以及节约能源、环境保护具有十分重要的 意义。本文对郑州某淬火剂有限公司提供的j e f g 3 5 型( 以下简称g 3 5 ) 淬火介 质，通过系列试验，采用m e f 3 显微镜，万能试验机，扫描电镜等对该介质的物 理和化学性能进行了分析和测试；并针对工业上广泛使用的中碳调质钢3 5 c r m o 和高碳滚动轴承钢g c r l 5 ，采用该淬火介质并与常用的水和油介质进行对比，探 讨了该介质对两种材料的适应性。通过试验，本文得到如下几点基本结论： ( 1 ) 经检测，g 3 5 介质的p h 值为6 7 ，是一种呈弱酸性的淬火介质。长期放 置或淬火后无沉淀、无悬浮物、淬火时不起泡。随介质温度提高，婆梅氏比重为 1 0 的g 3 5 介质粘度从1 3 7 1 9 7 删：n 2 s 下降至0 5 5 6 2 1 m m 2 s ，降幅高达5 9 5 ；与其它 几种常用淬火介质相比，( 3 3 5 介质对工件的腐蚀性较小，g c r l 5 钢试块在g 3 5 介 质中浸泡2 0 h 后表面仍具有较好的金属光泽，没有明显的腐蚀迹象。 ( 2 ) 3 5 c r m o 钢试样在8 4 0 下淬火后的组织不均匀，提高淬火温度后，获 得的组织细小、分布均匀；在8 6 0 c 下淬火后，试样获得较好的力学性能，其冲 击吸收功高达1 6 4 1 0 1 j ，抗拉强度为8 0 5 m p a 。 ( 3 ) 随g 3 5 介质浓度的提高，3 5 c r m o 钢试样获得的马氏体组织粗大，试样 硬度由5 3 3 8 h r c 降低至4 5 配；冲击吸收功由1 6 0 5 7 3 j 降低至1 4 4 2 5 6 j ，但仍远 远高于经水淬后试样的1 1 2 2 1 j ：介质温度提高，试样的硬度、冲击韧性、抗拉强 度均有所降低。 ( 4 ) g c r l 5 钢试样在8 6 0 的高温下淬火后获得的马氏体较8 2 0 和8 4 0 下 淬火后的粗大；8 4 0 下淬火后，试样获得6 4 h r c 的较高硬度、1 5 n n 的淬硬层深度 以及较高的冲击韧性、抗压强度和弯曲强度。 ( 5 ) g 3 5 介质浓度增加至2 5 ( 婆梅氏比重) 时，g c r l 5 钢试样组织中有黑色 块状组织出现；试样的淬硬层深度则随介质浓度从1 0 7 m m 增加至1 5 r a m ，在婆梅 氏比重为1 5 时获得最大值，之后又减小至1 2 8 4 m m ；弯曲强度也随介质浓度增大 有所减小，冲击韧性则逐渐增大，但增幅不大，仅为5 j 左右；介质使用温度提高， 试样硬度降低，淬硬层深度减小，在8 0 时仅为6 4 2 m m ，试样的冲击韧性、弯 曲强度也随介质使用温度升高而降低。经g 3 5 介质淬火后试样的硬度、淬硬层深 度和冲击韧性均介于经水淬和油淬后的试样之间。 ( 6 ) 选用g 3 5 介质淬火时，g c r l 5 钢变形试块开口处的最大变形量为 0 1 0 m m ，介于水淬后试样的0 1 6 m m 和油淬后试样的0 0 6 m m 之间；其裂纹长度最 小值1 6 9 6 8 m m 和最大值3 2 6 5 6 m m 亦介于水淬和油淬试样之间。 关键词：g 3 5 型淬火介质；3 5 c r m o 钢；g c r l 5 钢：淬火；组织；性能 g 3 5 型淬火介质对中高碳钢热处理组织与性能的影响 a b s t r a c t q u e n c h i n gm e d i u mi si m p o r t a n tf o rs t e e l s m i c r o s t r u c t u r ea n dm e c h a n i c a l p r o p e r t i e sa n de n e r g ys a v i n g ，e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n t h i sp a p e ri sb a s e do nt h ew a t e r - s o l u b l eq u e n c h i n gm e d i u mj e f - g 3 5 ( g 3 5 ) ， w h i c hi ss u p p l i e db yaq u e n c h i n gm e d i u mc o m p a n ya tz h e n gz h o uc i t y a d o p t m e f 一3m i c r o s c o p e ，u n i v e r s a lt e s t i n gm a c h i n e a n ds c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p ee t c ， a f t e ras e r i e so ft e s t , a n a l y s e dt h ep h y s i c a la n dc h e m i c a lp r o p e r t i e so fg 3 5m e d i u m i na d d i t i o n , w ea i m e da tw i d e l yu s e dm e d i u m - c a r b o ns t e e l3 5 c r m oa n dh i g h - c a r b o n a n t i f r i c t i o nb e a r i n gs t e e lg c r l5i ni n d u s t r y , a d o p tt h i s q u e n c h i n gm e d i u m , t h e n c o m p a r e d 谢t 1 1f r e q u e n t l y - u s e dq u e n c h i n gm e d i u mw a t e ra n do i l ，d i s c u s s e dg 3 5 m e d i u m sa d a p t a b i l i t yo nt h e s et w ok i n d so f m a t e r i a l a r e rt h et e s t , s o m eb a s i cc o n c l u s i o n so b t a i n e di nt h i sp a p e ra sf o l l o w s ： ( 1 ) g 3 5m e d i u m sp hi s6 7 ，a s s u m e st h el o w - a c i d a f t e rl o n g - t e r mp l a c e m e n t o rq u e n c h i n g ，i th a sn os u s p e n s i o na n dn od e p o s i t s ，o t h e r w i s e ，t h e r ei sn ob l i s t e r i n g i n q u e n c h i n g w i t ht h eg 3 5m e d i u mt e m p e r a t u r ei n c r e a s e d , i t sv i s c o s i t yi s d e c r e a s e df r o m1 3 7 1 9 7m m t o0 5 5 6 2 1 m m 2 s ，f e l la sm u c ha s5 9 5 c o m p a r e d w i t ho t h e r sf r e q u e n t l y - u s e dm e d i u m , g 3 5q u e n c h i n gm e d i u mh a sl e s sc o r r o s i v et o s t e e l s a f t e r2 0 ht e s t , t h eg c r l5s a m p l es t i l lh a sg o o dm e t a lg l o s s i n e s so ni t ss u r f a c e ， t h e r ei sn o to b v i o u sc o r r o s i o n ( 2 ) q u e n c h e da t8 4 0 。c ，3 5 c r m os t e e l s m i c r o s t r u c t u r ei su n e v e n , i n c r e a s i n gt h e q u e n c h i n gt e m p e r a t u r e ，w ec a no b t a i n t h eb e t t e r s t r u c t u r e q u e n c h e da t 8 6 0 ，s a m p le sc a no b t a i nt h eb e t t e rm e c h a n i c a lp r o p e r t y , i t si m p a c ta b s o r b i n ge n e r g y a sh i g ha s1 6 4 1 0 1 j ，s t r e n g t ho f e x t e n s i o ni s8 0 5 m p a ( 3 ) w i t ht h eg 3 5m e d i u m sc o n c e n t r a t i o ni n c r e a s i n g ，35 c r m os t e e ls a m p l e s m a r t e n s i t eb e c o m e sc o u r s i n g ，a n di t sh a r d n e s sd e c r e a s e df r o m5 3 3 8 h r ct o4 5 h r c ，i m p a c ta b s o r b i n ge n e r g ya l s od e c r e a s e d f r o m1 6 0 5 7 3 jt o1 4 4 2 5 6 j ，b u ts t i l l e x c e e dt h es a m p l e sw h i c hi sq u e n c h e di nw a t e r t h em e d i u m st e m p e r a t u r er a i s e d , s a m p l e s h a r d n e s s ，i m p a c ta b s o r b i n ge n e r g ya n dt e n s i l es t r e n g t hi sd e c r e a s e d ( 4 ) g c r l5s t e e ls a m p l eo b t a i n e db i gm a r t e n s i t ea t8 6 0 ，t h a nq u e n c h e da t 8 2 0 ca n d8 4 0 c ；w h e nt h es a m p l ew a sq u e n c h e da t8 4 0 c ，i tc a no b t a i n e dh i g h h a r d n e s s6 4 h r c ，d e p t ho fh a r d e n e dl a y e ri s15 m m ，h i g hi m p a c tt o u g h n e s s ， c o m p r e s s i o ns t r e n g t ha n df l e x u r a ls t r e n g t h 硕士学位论文 ( 5 ) w h e nt h eg 3 5 sc o n c e n t r a t i o ni n c r e a s e dt o2 5 ，b l a c kb u l kw i l la p p e a ri nt h e s a m p l e sm i e r o s t r u c t u r e d e p t ho f h a r d e n e dl a y e ri si n c r e a s e df r o m l 0 7 m m t o1 5 m m ， t h e nd e c r e a s e dt o1 2 8 4 m m f l e x u r a l s t r e n g t h i sd e c r e a s ew i t ht h eg 3 5 s c o n c e n t r a t i o n i n c r e a s e ，b u ti m p a c t t o u g h n e s si si n c r e a s e ，a m p l i f i c a t i o ni s 5 j i n c r e a s e dt h eg 3 5 su s i n gt e m p e r a t u r e ，t h eh a r d n e s si sl o w e r ，h a r d e n e dl a y e ri s m i n i s h e dt o6 4 2 m ma t8 0 。c ，t h ei m p a c tt o u g h n e s sa n df l e x u r a ls t r e n 羽d ai sa l s o d e c r e a s e t h es a m p l eo fg c r l 5s t e e l ，i tw a sq u e n c h e di ng 3 5m e d i u m , i f sh a r d n e s s 、 f l e x u r a ls t r e n g t h ，c o m p r e s s i o ns t r e n g t ha n di m p a c tt o u g h n e s sa r el i eb e t w e e nw a t e r a n d o i l ( 6 ) a d o p t i n gg 3 5w a t e rs o l u t i o na sq u e n c h i n gm e d i u m , m a x i m u md e f o r m a t i o n o fo p e n i n gi so 1o m mo nt h et e s tb l o c kd e f o r m a t i o no fg c r l5s t e e l ，l y i n gb e t w e e n w a t e ra n do i l s a m p l e s i t sm i n i n l u l nc r a c kl e n g t h16 9 6 8 m ma n di t sm a x i i l u l n 3 2 6 5 6 m ma l s ol y i n gb e t w e e nw a t e ra n do i lq u e n c h e ds a m p l e s k e yw o r d s ：g 3 5 q u e n c h i n gm e d i u m ；35 c r m os t e e l ；g c r l5 s t e e l ；q u e n c h i n g ； m i c r o s t r u c t u r e ；p r o p e r t i e s 硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题的研究背景及意义 淬火是热处理工艺过程中最重要的一种工艺，所谓淬火是把钢加热到临界点 以上，保温一定时间，然后急冷，从而得到马氏体组织的工艺过程【l 】。淬火处理 可很大的改善金属材料的各项性能，如强度、硬度、韧性、耐腐蚀、抗疲劳性等， 充分发挥金属材料的潜力，满足各种产品对金属材料的要求【5 】。 工件在淬火过程中，如果处理不当，往往会发生金相组织或机械性能达不到 要求，甚至出现变形、开裂、软点等缺陷。热处理质量的好坏决定于钢材的化学 成分、原始状态、工件的形状尺寸和加热工艺规范等因素。另外，还与所选用的 淬火冷却介质及冷却方法有密切的关系，所以在淬火过程中应合理的选择和使用 淬火介质，就成为保证热处理质量的关键问题 3 - 4 1 。 人类历史上很早就有关于淬火介质的记载。公元前9 至8 世纪希腊诗人h o m e r 写的著名诗篇o d y s s e y 中就有关于用水作为淬火介质对斧头进行淬火的描述；我 国早在公元前4 至3 世纪就已经掌握了淬火技术；公元6 世纪就有关于用动物油作 为淬火介质进行兵器淬火的记载【5 叫。 然而，对淬火介质进行比较系统的科学研究还是近半个世纪的事，特别是近 5 0 年代以来，随着金属材料和热处理工艺技术的发展以及石油化学工业的发展， 各工业发达国家相继研究和发展了各种类型的一系列新型淬火介质，以适应金属 材料和机械制造工业发展的需要，并且对各种淬火介质的冷却特性以及淬火介质 本身的物理、化学性能以及评价冷却能力的装置和方法等方面进行了比较系统的 研究，并取得了许多新的成就，像关于淬火油的冷却特性测试方法等已形成了标 准，而有关水溶性淬火介质的标准正在趋于完善【9 】。 按物态来分，淬火介质有气体、液体和固体三种【l 】。其中应用最多的是液体 介质，液体介质中又以水、油两类为主要的淬火介质。按淬火时介质所发生的变 化来分，主要有发生物态变化的介质和不发生物态变化的介质5 1 。 工件在发生物态变化的介质如水、油中冷却，物态变化可分为三个冷却阶段： 蒸汽膜阶段、沸腾阶段和对流阶段【l 】。当炽热的工件与淬火介质接触的瞬间，工 件周围液体的温度达到沸点后开始气化，形成一层过热的蒸汽膜将工件表面与淬 火介质隔开。由于蒸汽的导热性较差，工件的冷却主要靠辐射和蒸汽导热来实现， 此时工件冷却缓慢，直到工件表面提供的热量不足以维持形成蒸汽所需要的能量 时，蒸汽膜破裂，开始进入沸腾阶段【5 - 9 。在沸腾阶段，淬火介质与工件直接接 g 3 5 犁淬火介质对中高碳钢热处理组织与性能的影响 触，迅速生成很多蒸汽泡，气泡上升将热量大量带走，原来气泡占据的位置被新 的液体所补充，不断产生强烈的沸腾，大量的气化潜热，使介质的冷却速度达到 最快的阶段，此时工件温度迅速降低，直至工件表面温度接近淬火介质的沸点时， 不再产生蒸汽泡，沸腾冷却阶段宣告结束，工件的冷却进入对流阶段。对流冷却 阶段由介质本身的温度差产生自然对流而带走工件的热量，淬火介质与工件的温 度差较小，冷却速度比较缓和，这一阶段的冷却能力主要受介质本身性质的影响， 如热容、粘度、热导性等【5 叫。 对于盐浴、碱浴这类不发生物态变化的淬火介质，其沸点一般都比较高，已 加热的工件进入这类介质中，通常情况介质不发生气化和沸腾现象，冷却过程比 较简单，工件的热量主要以对流和传导的方式被带走垆j 。 传统热处理过程中，通常采用的淬火介质为水、油、盐类等。水的低温阶 段冷却速度较快，容易造成淬火畸变扭曲，甚至造成开裂使工件报废，同时， 淬火过程水汽化而产生的气泡极易致使工件表面冷却不均而出现软点【l 孓划；而 油的冷却速度较慢，虽然对减小工件变形和开裂很有利，但过低的冷却速度致 使淬透性较差或尺寸较大的工件淬不硬、淬不透，并且油容易老化、对周围环 境的污染较大、淬火过程中容易发生火灾，这就限制了淬火油的广泛使用；随 着机械产品对其力学性能要求的不断提升，新开发的盐类等水溶性淬火介质等 虽能很好的改善水的冷却特性，但是仍然无法满足生产要求。在当前的热处理 生产中，作为淬火介质，约5 0 用水和盐、碱水溶液，约4 0 用油，约5 用 硝盐浴，约3 用聚合物溶液，约1 用高压惰性气体、约1 用刚玉粉流态床 等嗍。因此，开发理想的淬火介质，即在冷却过程中，应在高温阶段保持较高 的冷速，在低温阶段具有缓慢的冷却速度，也就是在过冷奥氏体分解最快的温 度范围内( 相当于c c t 曲线鼻尖处) ，缩短介质的蒸汽膜阶段，使介质较早进 入沸腾阶段，具有较强的冷却能力，而在接近马氏体点时具有缓和的冷却能力， 这样既可保持较高的淬火冷却速度，又不致形成太大的淬火应力【2 4 】，就成为一 项新的课题而被广泛研究 3 3 1 。 1 2 中高碳钢淬火工艺及常用淬火介质 钢的种类很多，按含碳量的不同，可以分为低碳钢、中碳钢和高碳钢。中 碳钢是碳含量介于0 2 5 - , 0 6 0 之间的碳素钢，热加工及切削性能良好，焊接 性能较差。强度、硬度比低碳钢高，而塑性和韧性低于低碳钢。可不经热处理， 直接使用热轧材、冷拉材，亦可经热处理后使用。淬火、回火后的中碳钢具有 良好的综合力学性能。能够达到的最高硬度约为h r c 5 5 ( r m 5 3 8 ) ，o b 为6 0 0 - 1 1 0 0 m p a 。所以在中等强度水平的各种用途中，中碳钢得到最广泛的应用，除 2 硕士学位论文 作为建筑材料外，还大量用于制造各种机械零件。 3 5 c r m o 钢含碳量为0 3 2 - 0 4 0 ，是一种中碳合金结构钢，因含0 8 1 1 0 c r 和o 1 5 - - 0 2 5 m o ，被认为是具有较高的淬透性和良好的强韧性的钢 种，有很高的静力强度、冲击韧性及较高的疲劳极限，淬透性较4 0 c r 高，高温 下有高的蠕变强度与持久强度，长期工作温度可达5 0 0 ；可以代替部分铬镍 钢做截面较大和受高负荷的零件，如轴、主轴、齿轮、紧固零件等，其价格又 比c r - n i 钢等低廉，故在机械制造行业的应用非常广趔3 8 1 。 3 5 c r m o 钢一般需进行调质处理，加热至8 6 0 a ：1 0 ，油冷后再在5 6 0 下 进行回火，此时的冷却剂为水或者油，其最终热处理后的组织为回火索氏体， 其组织具有以下特点：在铁素体基体上均匀分布着粒状碳化物，碳化物的弥 散强化作用、合金元素的固溶强化作用，使调质钢具有较高的屈服强度和疲劳 强度。组织均匀，能减小裂纹在局部薄弱区域形成的可能性，使钢具有良好 的塑性和韧性。由淬火马氏体转变而来的铁素体，晶粒细小，钢的韧脆转变 温度低1 4 1 1 。 高碳钢在经适当热处理或冷拔硬化后，具有高的强度和硬度、高的弹性极 限和疲劳极限( 尤其是缺口疲劳极限) ，切削性能尚可，但焊接性能和冷塑性变 形能力差。由于含碳量高，水淬时容易产生裂纹，所以多采用双液淬火( 水淬+ 油冷) ，小截面零件多采用油淬。这类钢一般在淬火后经中温回火或正火或在表 面淬火状态下使用，主要用于制造弹簧和耐磨零件。 高碳钢的硬度、强度主要取决于钢中固溶的碳量，并随固溶碳量的增加而 提高。固溶碳量超过o 6 时，淬火后硬度不再增加，只是过剩的碳化物数量增 多，钢的耐磨性略有增加，而塑性、韧性和弹性有所降低。为此，常根据使用 条件和对钢的强度、韧性匹配来选用不同的钢号。 g c r l 5 钢属于高碳铬轴承钢，是最常用的轴承钢种。目前我国生产的轴承 产品无论是材料的质量和钢种的数量还是热处理工艺及装备，尚存在一定的差 距。我国轴承钢的氧含量虽然已接近国外先进水平，但夹杂物和碳化物尺寸及 分布的均匀性、成分均匀性与国外相比还有很大的差距，如大尺寸的夹杂物和 碳化物较多、基本成分不均匀形成黑白区等，造成轴承零件质量先天不足，严 重影响了轴承的寿命、可靠性及一致性。此外，滚动接触面上大尺寸夹杂物的 存在还严重降低表面精度，增加轴承的噪声。国产轴承在性价比、高精度、低 噪声、长寿命及高可靠性等方面与与国外先进国家的质量水平存在较大的差距 5 3 1 o 轴承钢主要用于制造轴承套圈( 内套、外套) 和滚动体( 滚珠、滚柱、滚针) 。 在合金钢领域中，轴承钢是检验项目最多、质量要求最高、生产难度及用量最 大的钢种之一。从三个方面衡量轴承钢质量的高低：一是纯净度，即钢中夹杂 3 g 3 5 型淬火介质对中高碳钢热处理组织与性能的影响 物的含量；二是碳化物不均匀性：三是钢材的表面质量，包括尺寸精度，表面 裂纹。 一一一 g c r l 5 钢淬火、回火工艺参数的选择对轴承的使用性能和疲劳寿命有很大 影响。g c r l 5 轴承钢的淬火温度为8 3 0 8 6 0 ，所用淬火介质为油，淬火后可 获得细小均匀的奥氏体晶粒度( 5 8 级) ，固溶体中的碳含量一般在0 5 0 6 ( 质量) 隐晶马氏体基体上分布着细小均匀分布的粒状碳化物，其含量为7 8 ( 体积) ，并含有少量残余奥氏体。这样的组织在性能上可得到最高硬度、弯 曲强度和韧度。 中高碳钢常用的淬火介质为水和油。水是应用最早、最广泛、最经济的淬火 介质，它价廉易得、无毒、不燃烧、物理化学性能稳定，热容量较大，在室温时 为钢的8 倍。水的沸点较低，其汽化热随温度升高而降低，如在1 0 0 时汽化热是 5 3 9 k c a l k g ，1 4 0 时为5 1 2k c a l k g ，到3 7 4 时水的汽化热趋近于零。水温从4 0 ( 2 升高n s o 时，银球在6 0 0 。c 下的冷速可降低到水温是4 0 1 2 时的1 8 左右。总的来 说在高中温区纯水的冷却能力并不强，但在3 0 0 附近其冷却能力又很大，而该 温度正是大多数钢的马氏体相变范围，因此纯水的冷却特性恰恰与我们要求的理 想淬火介质的冷却特性相反。在过冷奥氏体不稳定区冷却能力不强，而在低温时 又冷速很高，即工件能淬硬，其热应力与组织应力也很高，这正是纯水极少使用 的原因。水的这种冷却特性可以通过严格控制水温( 采用循环水) 和摆动工件加 以适当改进。工件的摆动，水的快速流动均可以加速蒸汽膜的破坏，从而提高其 在高温区的冷速。但低温区的缺点只有采取在3 0 0 左右提前出水再空冷或淬如 油中加以克服。由于水在常温下的冷却能力是较强的，所以它被广泛用于碳素钢 和淬透性较差的低合金钢的淬火。 为了改善水的冷却特性，最广泛采用的方法是在水中加入约1 0 的氯化钠。 在水中加入盐以后使其冷速最大的温度( 特性温度) 移向高温，提高了冷却能力， 这是由于在工件淬火时盐的晶体在水中析出时附在工件表面，引发小的爆破机械 地破坏了蒸汽膜，使沸腾期提前到来的缘故。同时由于盐或碱水溶液吸收气体能 力远低于水，因此使工件表面冷却均匀，不易产生因气体在工件表面吸附造成的 软点，变形也较纯水小。但盐水的温度同样对冷却能力有重大影响，当水温大于 6 0 。c 时，其冷却能力大大下降，所以一般淬火时使盐水温度保持在2 0 _ _ 4 0 之内。 苛性钠水溶液的浓度对其冷却能力也有影响，随着苛性钠浓度增加，冷速达到最 大，继续提高含量其冷却能力又趋于下降，同时特性温度也趋于向高温移动。加 入过量盐、碱等化合物反而使淬火介质的冷却能力下降，这与提高介质的沸点， 降低流动性，增加了气泡的表面张力等因素有关。 最早采用的淬火油是动、植物油，其冷却能力虽较水要弱，但仍有足够的 冷却能力，且油温升高时对淬火能力影响不大，因此较为理想。由于它来源困 4 硕士学位论文 皇罾曼皇鼍曼曼曼曼皇h i 一_ h i i i i h i 一一_ i 一 一一i i 皇曼皇曼皇曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼量曼皇曼鼍曼皇曼曼曼量曼皇曼曼曼曼曼量量曼曼曼曼曼曼 难、价格高、产量有限，故在工业上多采用矿物油。 。普通矿物油依粘度、闪点不同其冷却能力也有区别，使用温度也不同。由 于其冷却速度较缓慢，特别在“鼻尖”温度区域冷速较低，对截面较大的碳钢及 低合金钢不易淬硬，而且油淬后表面易玷污，不够光洁，所以使用上有一定的 局限性。主要应用在形状复杂的中小型合金钢工件淬火。 大多数油是以合成液，如a - 烯烃为基的有机物。近年来研制出以植物油为 基和从石油中提炼的聚酯为基的淬火油。石油的成分常常会随着不同油田或同 一油井不同时间开采而产生很大变化。油的成分会显著影响其性能指标，如： 粘度温度特性、热稳定、油污的形成和湿润特性。 油在长期使用过程中，碳黑及残渣使粘度上升，造成冷却能力下降，这种 现象称为淬火油的“老化”。油在淬火过程中不断发生氧化、聚合、热分解、汽 化等过程，导致油变质。此外，油内水分增加，也是促进老化变质的原因。 普通油和快速油的冷却速度还会受到污染物的影响。热处理车间中最常见 的污染物之一是水。一般水会增加普通淬火油的冷速，而降低快速淬火油的冷 速。由于水不溶解于增速添加剂，因此，添加剂会从溶液中分离出来，除了影 响冷却速度以外，还会导致油垢增多，造成硬度不均匀和产生软点。当水的含 量超过约0 0 5 ，就会形成泡沫，严重时产生爆炸和酿成火灾。 1 3 新型淬火介质 淬火冷却技术作为热处理工艺过程的重要组成部分，自始至终伴随着热处理 技术的发展而不断进步。但是，由于冷却过程的复杂性和瞬间完成的特点，加之 测量仪器和研究手段的局限，而使其研究水平和控制水平滞后于热处理的加热过 程。近些年来，随着测量技术、计算水平、忠实程度以及对淬火质量的要求不断 提高，在淬火冷却过程机制研究，过程模拟、控制冷却、新型淬火方法、新型淬 火介质、淬火介质评价以及冷却技术标准制订等领域取得了显著的进展。 多年来，我国在淬火介质的研究和应用方面做了大量的工作，取得了一定 的成绩，基本上满足了热处理生产的需要，但与国外的先进水平相比差距很大。 同时，由于热处理行业中长期存在着“重冷轻热”( 即重视工件的加热技术，而 轻视淬火冷却技术) 的倾向，且淬火冷却的生产实践又滞后于冷却转变的理论 研究，致使淬火冷却技术落后于热处理技术领域的发展，是热处理行业中的一 个薄弱环节。因此，积极研究开发和推广新型淬火介质已成为改变我国热处理 生产落后面貌，提高机械产品质量的当务之急，在热处理生产中可以收到事半 功倍的效果。在我国长期使用的淬火介质有水及无机水溶液、机械油等几种。 1 3 1 无机水溶性淬火剂 无机水溶液淬火介质的形成是向水中加入适量的某些无机盐、碱或其混合 5 g 3 5 型淬火介质对中高碳钢热处理组织与性能的影响 物，形成各种不同的无机水溶液，由于无机物的加入，在淬火过程中促使蒸汽 膜迅速破裂，提高了工件在高温区的冷却速度【5 】i 使工件淬火后获得较高的硬 度，减少淬火开裂和变形，且无毒无污染工件易清洗，使用管理方便。目前我 国已研制成了一些新品种的无机水溶液淬火剂，并在热处理生产中获得了一定 程度的应用，例如氯化锌，氯化钙水溶液淬火剂，具有良好的淬硬淬透冷却能 力，工件淬火开裂小，变形小，且无毒无害，可用于4 5 钢，t 1 0 ，4 0 c r ，g c r l 5 等钢材的淬火，是值得推广的新型无机水溶液淬火剂。 常用的无机水溶液淬火剂有氯化钠水溶液，氢氧化钠水溶液，氯化钙水溶 液，氯化镁水溶液，过饱和硝盐水溶液，碳酸钠水溶液，水玻璃水溶液等。 氯化钠水溶液俗称盐水，水中加入氯化钠能降低蒸汽膜的稳定性，可以促 使沸腾冷却阶段的提前到来，使介质的特性温度升高，从而提高其冷却能力。 当水中含氯化钠5 时，炽热工件淬入以后，由于氯化钠的存在，工件表面的蒸 汽膜迅速爆破，很快进入沸腾冷却阶段，冷却速度加快，冷却液比较均匀，可 避免软点的产生。随着氯化钠含量的增加，其水溶液的冷却能力也逐步提高， 当达到1 5 时，出现最大值，如继续增加氯化钠的含量，冷却能力又趋于降低。 根据这一变化趋势，生产中也有采用饱和或过饱和的氯化钠水溶液，进行碳素 钢和低合金钢的淬火。这样既可获得较高硬度，又可减小变形。这是由于水溶 液浓度的增加，随着粘度提高，可降低对流阶段的冷却速度，有利于减小内应 力。通常采用的氯化钠水溶液，浓度为5 一- 1 5 ，使用温度为2 0 - - - 5 0 该种 介质具有较强的冷却能力，比水要高出一倍以上。但是，工件在氯化钠溶液中 淬火后易生锈，需立即进行清洗。该介质的冷却速度也受使用温度的影响，随 着液温的升高，冷却速度逐步降低。 水中加入氢氧化钠形成的水溶液也和其他盐类溶液一样，其质点可以破坏 蒸汽膜的稳定性，提高特性温度，改变沸点的温度，从而改变冷却性能。随着 水溶液中氢氧化钠含量的增加，冷却速度不断提高。当含量达到3 0 以后冷却 速度又趋于下降。这时，水溶液的粘度增加到一定程度，起降低冷速作用。当 氢氧化钠含量由1 增加到4 0 时，2 0 c 下的粘度相应的由1 1 0 6 。3 p a s 提高到 2 7 7 0 弓p a s ，可见提高一倍以上。 浓度较高的氢氧化钠水溶液在3 0 0 2 0 0 低温区的冷却能力比水低；在 6 5 0 5 5 0 高温区的冷却能力比水要高得多。可采用浓度为3 5 5 0 的氢氧化 钠水溶液进行碳钢及碳素工具钢工件的淬火，也可用于形状复杂的低合金钢工 件的淬火。这些方法均能获得比较满意的淬火效果。 在氢氧化钠水溶液中淬火后的工件表面光洁，但该溶液具有较强的腐蚀作 用，对皮肤有刺激作用，挥发的气体对呼吸器官也有较强的刺激性。 j e f g 3 5 型淬火介质是由郑州大一淬火剂有限公司研制生产的一种新型水 6 3 氍嚣嚣慧，黔篓躲油柏 7 g 3 5 型淬火介质对中高碳钢热处理组织与性能的影响 1 - 3 2 有机水溶性淬火剂 近年来，新型淬火介质最引人注目的进展是有机聚合物淬火剂的研究和应 用。这类淬火介质是由有机聚合物、抗腐蚀剂和其它添加剂组成的高浓度溶液， 溶解于水中，不可燃，易清洁、安全。使用时根据需要调整溶液中聚合物的浓度、 淬火槽的温度及搅拌强度，得到具有不同冷却速度、能对多种材料和工件进行淬 火的一系列淬火介质【1 0 1 。它在高温阶段冷却速度接近于水，在低温阶段冷却速度 接近于油，并以其无毒、无烟、无臭、无腐蚀、不燃烧、抗老化、使用安全可 靠、且冷却性能好、冷却速度可调、适用范围广、工件淬硬均匀、可明显减少淬 火变形和开裂倾向等性能特点一直受到业界的高度关注和热情期盼，甚至预期 将来可以取代水、油等传统淬火介质【8 】。我国f 1 6 0 年代以来，也研制和发展了一 些新型的水溶性淬火介质，例如聚乙烯醇( p v a ) 合成淬火剂、聚醚( 聚二醇) 水溶液、聚醚一乙二醇水溶液、聚丙烯酸盐水溶液、羟乙基纤维素水溶液等。 大多数有机聚合物淬火介质具有逆溶性，室温下聚合物在水中完全溶解，当 溶液温度升高到一定值后，其在水中的溶解度就会降低【1 1 1 。淬火过程中，有机高 分子聚合物淬火介质也要经历蒸汽膜阶段、沸腾阶段和对流阶段。当炽热的工件 浸入液体，金属附近的液体很快超过其逆熔点温度，聚合物从水溶液中析出，并 吸附在金属表面而形成一层厚度均匀的富水聚合物隔膜，能降低介质单位时间里 的吸热能力，使工件冷却速度下斛1 2 1 ，大大减弱或免除了在膜沸腾阶段水蒸汽囊 破裂时对工件所造成的冲击作用，从而有利于减少和防止变形，尤其是薄板件变 形【1 5 】。介质浓度越大、粘度越大，工件表面包覆的聚合物越厚，工件和介质之 间的传热就越慢，介质冷却速度越慢。在淬火冷却的沸腾阶段，聚合物隔离膜仍 然存在，泡状沸腾只发生在隔离膜外，不与金属直接接触。泡状沸腾发生在隔膜 的表面，不与金属直接接触，使淬火工件表面冷却均匀，组织转变能均匀而缓慢 地进行，有效的降低了淬火时的组织应力和热应力，使淬火变形和开裂的危险性 减小，同时保证了淬火工件的硬度均匀及良好的综合力学性能 2 2 1 。工件冷却后粘 附在工件表面上的聚合物又慢慢回溶到淬火液中。 有机聚合物淬火剂的冷却速度受浓度、使用温度和搅拌程度三个基本参数的 影响。 一般说来，浓度越高，冷却速度越慢；使用温度越高，冷却速度越慢；搅拌 程度越激烈，冷却速度越快，不同种类的有机聚合物淬火剂具有显著不同的冷却 特性和稳定性。 水溶性聚合物淬火介质有聚乙烯醇( p v a ) 、聚烷撑二醇( p a g ) 、聚乙烯 吡咯烷酮( p v p ) 、聚丙烯酰胺( p a m ) 、聚乙烯恶唑啉( p e o x ) 、聚异丁烯顺丁 烯二酸钠( p m l ) 等，目前世界上使用最稳定、应用面最广的是具有逆溶性的水 溶性淬火介质为p a g 类有机聚合物淬火剂，另外还有无逆溶性的聚丙烯酸盐 ( a c r ) 类淬火剂和聚氧化吡咯烷酮( p v p ) 类淬火剂，以及美国d o w 化学公司生 8 硕士学位论文 产的u c o na 、u c o nh t 、u c o ne 等淬火剂。其中u c o ne 配制的水基淬火剂 性能更接近油，可作为代油的淬火介质。 一 。 近年来在我国也开展了大量试验研究工作，已有多种有机聚合物淬火剂研制 成功，如今禹8 2 2 0 、8 2 5 0 、a q 2 5 1 、a q 3 6 4 、2 8 1 a 等p a g 类淬火介质均以投入使 用，尤其