（材料加工工程专业论文）齿轮钢20crmnti淬透性的研究与预报.pdf

东北大学硕士学位论文 摘要 齿轮钢2 0 c r m n t i 淬透性的研究与预报 摘要 本论文是建立在东北大学和山东莱芜钢铁集团科研项目基础之上的，结合齿 轮钢的理论研究和现场实际生产情况，通过大量的现场数据收集及数据处理，对 化学成分影响齿轮钢淬透性的现象进行了理论分析与研究，并制作预报软件以准 确预报淬透性值，以便有效控制生产，提高产品质量。本论文主要内容包括： 1 通过厂方提供的大量现场数据，利用多元回归的方法研究各种化学成分 对齿轮钢淬透性的影响，从而对化学成分的影响因素有了理性的认识，从中找到 各化学成分对产品淬透性的影响规律，以便在生产中加以控制。 2 利用多元回归的计算方法，同时结合大量的现场数据，建立淬透性计算 与预报的数学模型。建立先进的，合理的，准确的预报模型。是软件建立的重要 基础。现在各种齿轮钢实测淬透性曲线或淬透性带的资料积累目益丰富，通过计 算机对大量实验数据进行多重回归分析，是研究各因素之间存在交互作用的有效 方法。在本论文中，采用淬透性与化学成分多元回归的方法，直接根据化学成分 计算淬透性值。 3 由于多元回归预报淬透性有一定的局限性，汽车齿轮钢淬透性的预报工 作仍需进一步开展，简单的数学模型远不能反映淬透性与其影响因素之间的内在 规律。为了提高预报精度，论文中特别引入了人工神经元网络这一先进的信息处 理方式开发了预报软件，因为它解决问题的方式不同于传统逻辑思维的“算法”， 其“操作”具有形象思维的属性，特别适合解决数学模型难以描述的非结构化问 题和非线性问题等 本研究具有良好在线应用前景。只要建立了实测数据库，获取现场实际生产 数据，幂j 用离线训练获得不断更新的网络权值矩阵，就可以在线应用，以达到提 高汽车齿轮钢产品质量和降低劳动强度的目的。 关键词：齿轮钢淬透性回归分析人工神经元网络 一i i - 东北失学硕士学住论文 a b s t r a c t r e s e a r c ha n dp r e d i c t i o no fh a r d e n a b i l i t y o fg e a rs t e e l2 0 c r m n t i a b s t r a c t t h et h e s i si sb a s e do nn o r t h e a s t e nu n i v e r s i t ya n dl a i w ui r o n & s t e e lc o s c i e n t i f i cr e s e a r c hp r o j e c t b yc o m b i n i n gg e a rs t e e lt h e o r yw i t 1p r a c t i c a lp r o b l e ma n d c o l l e c t i o no fal a r g ea m o u n to fo n - t h e s p o td a t a ，t h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dr e s e a r c ho n c h e m i c a lc o m p o s i t i o ne f f e c to nh a r d e n a b i l i t yi sc a r r i e do u t i no r d e rt oi m p r o v ea c t u a l a p p l i c a t i o nl e v e l ，i ti si ti sn e c e s s a r yt od e v e l o pas o f t w a r ew h i c hc o u l dp r e d i c tt h e h a r d e n a b i l i t y t h em a i nw o r k sa r el i s t e da sf o l l o w i n g ： 1 w i mt h ec o l l e c t i o no fal a r g ea m o u n to f o n - t h e s p o t d a t a , c h e m i c a l c o m p o s i t i o ne f f e c to nh a r d e n a b i l i t yi ss t u d i e dw i m t h er e g r e s s i o na n a l y s i sm e t h o dt o h a v ear a t i o n a lu n d e r s t a n da b o u tt h ec h e m i c a lc o m p o s i t i o ne f f e c tt oi m p r o v ea c t u a l a p p l i c a t i o nl e v e l 2 t h em a t h e m a t c sm o d e li ss e tu pt oc a l c u l a t ea n dp r e d i c tt h eh a r d e n a b i l i t yw i t l l t h ec o l l e c t i o no fal a r g ea m o u n to fo n - t h e s p o td a t aa n dt h e r e g r e s s i o na n a l y s i s m e t h o d i ti sb a s i ct os e tu par a t i o n a la n de x a c tp r e d i c t i o nm o d e l t h er e g r e s s i o n a n a l y s i sm e t h o di sp r a c t i c a li nh a r d e n a b i l i t yp r e d i c t i o n 3 s i m p l e m a t h e m a t c sm o d e lc a l ln o tr e f l e c tt h er o l e e x a c t l y g e a r s t e e l h a r d e n a b i l i t yp r e d i c t i o nh a st ob ec a r r i e do u tf b r t h e rb e c a u s et h er e g r e s s i o na n a l y s i si s k i n do fl i m i t e d t h ea r t i f i c i a ln e t w o r ki sc a r r i e do u tt om a k eas o f t w a r eb e c a u s ei tc a n s o l v en o n - s t r u c t u r ea n dn o n - l i n e a r i t yp r o b l e m ，t h i ss o f t w a r ei sa b l et oi n p u ta n ds a v e d a t at ou p d a t et h ed a t ai nt h eb a s i cd a t af i l e ，b e s i d e st of o r e c a s tt h eh a r d e n a b i l i t ya n d t h ec h e m i c a lc o n s t i t u t i o no fg e a rs t e e lq u a n t i f i c a t i o n a l l y t h es o f t w a r ef o r e c a s tt h e m w i t ht h eu s eo fam u c ha d v a n c e dt h e o r yw h i c hc a l la r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k s ，s ot h e s o f t w a r eh a v eh i g hr e l a t i v e l yp r e c i s i o n ，g o o dt h ec a p a c i t yo fn o n l i n e a rm a p p i n ga n d g e n e r a l i z a t i o n ，e x c e l l e n tf a u l t - t o l e r a n tc a p a c i t y , a n di sa b l et oh a n d l ei n f o r m a t i o n c o n c u r r e n t l y i na d d i t i o n ，t h es o f t w a r ei sd e v e l o p e db yv i s u a lb a s i c ，t h es o f t w a r e i n t e r f a c ei sf r i e n d l ya n dt h er e q u i r e m e n to f t e c h n i c i a n sc o m p e e rs k i l li sn o th i g h 1 1 1 东北大学硕士学位论文a b s t r a c t k e yw o r d s ：g e a rs t e e l ，h a r d e n a b i l i t y , r e g r e s s i o na n a l y s i s ，a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k s i v 东北大学硕士学位论文 声明 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取 得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。 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 确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：撇 日 期：加弓。- 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、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 复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权东北大学可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 如作者和导师同意网上交流，请在下方签名：否则视为不同意。 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： 东北大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 研究背景 1 绪论 随着中国加入w t o ，中国将成为全球制造业中心，汽车工业作为我国的支 柱产业，面临一个新的高速发展的机遇。据有关部门预测，2 0 0 5 年我国轿车需求 量为1 3 0 万辆，载货汽车1 2 0 万辆，客车6 0 万辆，总需求量为3 1 0 万辆。另外， 近几年农用车年增长率为5 l o ，2 0 0 0 年为3 0 0 万辆左右。而齿轮是汽车、 农用机械及机械制造业的主要传动部件。于是，随着我国汽车工业的稳步发展， 国内外对齿轮钢的需求量日益增加，齿轮钢的市场非常好，同时用户对齿轮钢质 量的要求越来越严格，高技术含量和高附加值的齿轮钢成为特钢企业优先开发和 生产的品种。随着新装备的引入与生产工艺的发展，齿轮钢的质星有了较大的提 高，年产量超过5 0 万吨。齿轮钢的总体发展方向可以描述为高性能、低成本、 易加工、长寿命和多品种化i l j 。 我国齿轮材料按齿轮的应用分为车辆齿轮用钢和工业齿轮用钢两大类，前者 约占8 0 。车辆齿轮主要是为汽车、摩托车、农用运输车、农机、工程机械配套 的齿轮，以汽车齿轮为主。车辆齿轮中：汽车齿轮占6 0 、摩托车3 5 、农用运 输车1 5 、农机1 2 、工程机械9 5 。使用主要钢种有：2 0 c r m n t i ( h ) 、2 0 c r m o h 、 1 6 2 8 c r m n 5 、8 6 2 0 h 、z f 6 、z f 7 等。工业齿轮是为工业企业用各种成套机械 装备配套的齿轮装置( 如减速机) ，约占齿轮总量的2 0 。主要钢种有：4 5 、3 5 4 2 c r m o 、g c r l 5 、2 0 c r m n t i ( h ) 、4 0 c r n i m o a 、8 6 2 0 h 、1 9 c r n i 5 等，2 0 c r m n t i ( h ) 使用量较小，约占工业齿轮量的1 0 2 1 。 齿轮钢主要应用于汽车、工程机械及机械制造业的传动部件。在传递动力和 改变速度的运行过程中，相互啮合的齿面之间既有滚动又有滑动。同时齿根部还 将受到脉动和交变弯曲应力的作用，因此高质量的齿轮钢不但要有良好的强韧 性、耐磨性，能很好地承受冲击、弯曲和接触应力，而且还要求变形小、精度高 和噪声低口j 。但是，我国齿轮钢的淬透性带的宽度过大，使齿轮的变形无规律， 寿命降低，多年来，我国的齿轮钢生产一直停留在初级阶段，生产工艺落后，产 品质量不高，品种极其缺乏【4 】。为改变这种落后状况，应该有计划地开发和组织 生产，逐步向齿轮钢的国产化和系列化发展。 东北大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 1 齿轮钢的钢种种类 齿轮钢品种繁多，世界各国都根据使用性能要求和本国的资源条件，建立各 自的齿轮用钢系列。如德国采用m n - c r 系列钢( 1 6 m n c r 5 、2 0 m n c r 5 、2 5 m n c r 5 、 2 7 m n c r 5 ) ；日本应用c r 系钢( s c r 4 1 5 h 、s c r 4 2 0 h ) 和c r - m o 系钢( s c m 4 1 5 h 、 s c m 4 2 0 h ) ：美国采用c r - n i m o 系钢( s a e 8 6 1 5 、8 6 2 0 ) ；法国采用c r - n i 系钢 ( 1 9 c n 5 ) 和c r - m o 系钢( 2 0 c d 4 、2 7 c d 4 、3 0 c d 4 ) ；在我国现执行的g b t 3 0 7 7 1 9 9 9 合金结构钢技术条件中有部分钢种用于齿轮用钢，其中以2 0 c r m n t i 、4 0 ( 2 0 ) c r 和2 0 c r m o 为主导品种，2 0 c r m n t i 用量最大，属于主体钢种p j 。2 0 c r m n t i 是目 前国内齿轮钢用量最大的一种，该钢种使用量约占齿轮钢总量的6 0 以上。近年 来，2 0 c r m n t i 使用量呈上升状态。虽然一些新型齿轮钢不断出现，但是由于 2 0 c r m n t i 钢的热处理稳定性好一些，该钢的主要元素c r 、m n 为我国富有元素， 价格低廉、晶粒长大倾向小，加上近4 0 年来的习惯势力，各生产厂对其生产工 艺比较熟悉，而合适的代用钢种尚未真正确立，所以2 0 c r m n t i 齿轮钢在我国齿 轮行业中的仍占有主导地位，具有较强的市场开发潜力。而本论文所研究的正是 2 0 c r m n t j 齿轮钢。 1 1 2 齿轮钢生产工艺 莱钢齿轮钢生产历史已有3 0 多年，原先一直采用模铸方式生产，以 2 0 c r m n t i 为主，少量生产c r - n i m o 系列、c r m o 系列齿轮钢品种，产品规格为 0 1 2 中1 3 0 r a m 热轧圆钢。 近年来，为了与激烈的市场竞争形势相适应，莱钢进行了力度较大的转一电 炉品种结构和工艺结构优化调整。与此同时，2 0 0 2 年1 月1 臼起，整个特钢系 统全面实旌“提高核心竞争力工程”，核心内容之一就是利用一至两年的时间争 取齿轮钢产销量进入全国先进行列。随着“提高核心竞争力工程”的深入展开， 特钢厂进行了一系列技术改造，现有的装备条件和工艺条件与以往相比，均有了 很大程度的改进。其中炼钢工序( 一炼区和二炼区) 和轧材工序( 大型、中型和 小型三条轧钢生产线) 都分别进行了适应性改造，2 0 0 2 年8 月份莱钢特殊钢厂 2 # 大方坯合金钢连铸机建成投产后，标志着特钢厂由模铸改为全连铸生产，从而 东北大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 1 齿轮钢的钢种种类 齿轮钢品种繁多，世界各国都根据使用性能要求和本国的资源条件，建立各 自的齿轮用钢系列。如德国采用m n c r 系列钢( 1 6 m n c r 5 、2 0 m n c r 5 、2 5 m n c r 5 、 2 7 m n c r 5 ) ；日本应用c r 系钢( s c r 4 1 5 h 、s c r 4 2 0 h ) 和c r - m o 系钢( s c m 4 1 5 h 、 s c m a 2 0 h ) ：美国采用c r - n i m o 系钢( s a e 8 6 1 5 、8 6 2 0 ) ；法国采用c r - n i 系钢 ( 1 9 c n 5 ) 和c r - m o 系钢( 2 0 c d 4 、2 7 c d 4 、3 0 c d 4 ) ；在我国现执行的c r b t 3 0 7 7 1 9 9 9 合金结构钢技术条件中有部分钢种用于齿轮用钢，其中以2 0 c r m n t i 、4 0 ( 2 0 ) c r 和2 0 c r m o 为主导品种2 0 c r m n t i 用量最大，属于主体钢种”j 。2 0 c r m n t i 是目 前国内齿轮钢用量最大的一种，该钢种使用量约占齿轮铜总量的6 0 以上。近年 来2 0 c r m n t i 使用量呈上升状态。虽然一些新型齿轮钢不断出现，但是由于 2 0 c r m n t i 钢的热处理稳定性好一些，该钢的主要元素c r 、m n 为我国富有元素， 价格低廉、晶粒长大倾向小，加上近4 0 年来的习惯势力，各生产厂对其生产工 艺比较熟悉而合适的代用钢种尚未真正确立，所以2 0 c r m r f f i 齿轮钢在我国齿 轮行业中的仍占有主导地位，具有较强的市场开发潜力。而本论文所研究的正是 2 0 c r m n t i 齿轮钢。 1 1 2 齿轮钢生产工艺 莱钢齿轮钢生产历史已有3 0 多年，原先一直采用模铸方式生产，以 2 0 c r m n t i 为主，少量生产c r - n i m o 系列、c r - m o 系列齿轮钢品种，产品规格为 0 1 2 中1 3 0 m m 热轧圆钢。 近年来，为了与激烈的市场竞争形势相适应，莱钢进行了力度较大的转一电 炉品种结构和工艺结构优化调整。与此同时，2 0 0 2 年1 月1 臼起，整个特钢系 统全面实施“提高核心竞争力工程”，核心内容之一就是利用一至两年的时间争 取齿轮钢产销量进入全国先进行列。随着“提高核心竞争力工程”的深入展开， 特钢厂进行了一系列技术改造，现有的装备条件和工艺条件与以往相比，均有了 很大程度的改进。其中炼钢工序( 一炼区和二炼区) 和轧材工序( 大型、中型和 小型三条轧钢生产线) 都分别进行了适应性改造，2 0 0 2 年8 月份莱钢特殊钢厂 2 # 大方坯合金钢连铸机建成投产后，标志着特钢厂由模铸改为全连铸生产，从而 2 # 大方坯合金钢连铸机建成投产后，标志着特钢厂由模铸改为全连铸生产，从而 东北大学硕士学位论文 1 缗论 实现了齿轮钢的e a f l f c c 短流程生产。这样就形成了齿轮钢两条基本生产工 艺路线，二者分别为： 5 0 吨u h p 电炉l f 精炼炉一2 # 矩形坯连铸( 3 0 0 2 6 0 、2 2 0 1 8 0 ) 一连轧半 连轧成材( 中1 2 o1 3 0 m m ) 一精整一检验入库 2 0 吨电炉一l f 精炼炉一1 # 小方坯连铸( 1 5 0 1 5 0 ) 一连轧半连轧成材( o 5 0 m m 以下) 一精整一检验入库 通过对电炉短流程工艺不断深入研究，莱钢成功开发了连铸2 0 c r m n t i h ， 现已具备了批量生产能力。产品质量与模铸时期相比，钢中洁净度高，表面质量 好，成材率高，能耗低，经济效益显著。目前，该产品长期供应给山东省内青岛、 招远齿轮厂、省汽车供销公司以及一些农机、摩托车齿轮生产厂家，省外有北京 齿轮厂等多家用户。 2 0 0 3 年初，公司领导决定加大齿轮钢开发力度，确立了齿轮钢全国产销量 第一的目标，同时注意开发高质量、高性能齿轮用钢，将产品打入中国一汽集团， 加强与一汽集团的协作关系，并以此加快带动山东特殊钢精品基地建设步伐。 2 0 0 3 年2 月，莱钢与一汽集团签定供货技术协议。经过精心的生产组织和产品 质量攻关，目前已成功开发出完全符合协议要求的齿轮钢，产品质量达到国内领 先水平，经过一汽试用效果良好，2 0 0 3 年年底莱钢将与一汽签定正式供货合同， 莱钢成为一汽齿轮用钢正式供货商之一。 莱钢齿轮钢产品成功打入一汽集团，无疑提高了企业知名度，增强了产品市 场竞争力，为莱钢扩大齿轮钢生产规模以及高附加值、高档次齿轮钢的研发提供 了良好的契机。莱钢齿轮钢目前产销量居全国首位。 1 1 3 衡量齿轮钢质量水平的主要指标 衡量一种齿轮钢质量水平的主要指标有： 末端淬透性要求。我国已采用末端淬透性能代替以往的机械性能检验是评 价齿轮钢质量的进步。末端淬透性的稳定与否对齿轮热处理后变形量的大小影响 很大。齿轮钢的最重要的特性是特定的淬透性及窄的淬透性带宽。淬透性不仅决 定了齿轮的强度和热处理变形，而且对材料的切削性或冷锻性都有很大的影响， 因此它是一个极为重要的性能。莱钢2 0 c r m n t i h 齿轮钢虽然产品质量优良，但 仍然存在淬透性带较宽的问题。而淬透性和窄淬透性带宽的控制，主要取决于化 学成分的精确控制和化学成分的均匀性。在本论文中主要就是研究化学成分对齿 东北大学硕士学位论文 1 绪论 轮钢2 0 c r m n t i 淬透性的影响。 纯洁度要求。钢的纯洁度要高，主要指氧化物、夹杂含量的降低以及除硫 外其它有害元素的降低。 晶粒度要求。细小均匀的奥氏体晶粒度对于稳定钢材的末端淬透性、减少 齿轮热处理的变形量，提高渗碳钢的脆断拉力具有重要意义。晶粒度至少5 级， 日本特别强调渗碳齿轮钢的晶粒度不粗于6 级，在本论文中所研究的齿轮钢 2 0 c 讹l t i 的晶粒度均为8 级。 加工性和易切性要求。齿轮用钢是热加工用钢( 热顶锻) ，故对棒材的表面 质量要求很高【”。 在本论文中主要研究如何在实际生产中精确控制齿轮钢的淬透性，以便有效 控制生产。如上所述，淬透性和窄淬透性带宽的控制，主要取决于化学成分的精 确控制和化学成分的均匀性。所以，所谓控制淬透性即是在炼钢时精确地控制钢 的化学成分。而在现代生产中，由于炉外精炼技术的开发，使得冶炼特殊钢时化 学成分的精确控制得到了显著进步。在钢水冶炼时，通过钢包精炼技术和真空脱 气系统，可进行成分微调，同时还可将以氧为主的气体成分或者硫和磷等杂质元 素含量控制到最低水平。所以，本论文的部分工作内容就是研究对于齿轮钢 2 0 c r m n t i 来说化学成分与淬透性的关系，也就是各种化学成分是对其淬透性的 影响规律，以便在生产中加以控制。 1 2 论文研究内容 1 2 1 研究目的 在实际生产中只有精确控制齿轮钢的淬透性，才能有效控制生产，而为了有 效地控制钢的淬透性，应大力推广“淬透性的计算、预报及成分微调工艺”，这 是因为传统的压缩内控化学成分的精工操作不仅要求有过硬的操作本领，而且难 以处理废钢中残余元素对淬透性的影响。特别是在生产现场当某个元素或几个元 素超过内控值时，无法确定其他元素的正确含量来进行调整。 为了在生产前就可以定量预报钢材，以便有效控制生产，因此，需要开发定 量预报齿轮淬透性的软件。例如，对于所使用的材料来讲，如果暂时没有淬透性 曲线，或没有关于该钢种的淬透性资料，则可将钢的化学成分及奥氏体状态( 晶 粒大小) 输入计算机，通过计算机软件预测其淬透性的高低，便可大致获得这种 东北大学硕士学位论文 1 绪论 钢的淬透性数据，而使其尽快地投入使用；对于设计和研制新型钢种来说，有了 这样的软件就能在新钢种没有冶炼时，事先了解其淬透性的大致范围，来决定这 种钢是否有冶炼的必要，有必要且能达到使用要求的就可将其冶炼出来，再实际 测定其淬透性( 采用末端淬火试验) ，以得到准确的淬透性数据，否则就没有必 要冶炼出这种钢，而放弃这种成分的钢的设计和研制工作，从而减少许多不必要 的工作，节省大量的时间，提高工作效率。 预测技术的重点是如何根据已有的大量淬透性资料和生产实测数据，形成 一个实际可行的预测系统，以得出准确的预测结果。于是，本论文在研究化学成 分对淬透性影响的同时，还利用多元回归的数学方法和人工神经网络建立化学成 分与淬透性之间的数学模型，从而开发研制定量预报齿轮钢淬透性的软件，以便 在实际生产中发挥作用。 1 2 2 研究现状 在6 0 年代末，对汽车齿轮钢淬透性的预报问题，文献提到j u s t 曾采用多元 回归分析方法导出线性方程，直接根据化学成分计算端淬曲线上某位置的硬度 7 1 。9 0 年代，大冶特殊钢厂的余柏海1 8 提出采用非线性方程计算端淬曲线。由于 各特殊钢厂的冶炼原料、冶炼工艺和热处理条件均有所不同，因此，上述两种计 算方法都有其局限性。而且余柏海做出的程序只能在d o s 环境下运行，计算机技 能要求较高，不利于普遍推广。余庆波【9 j 等以国内某特殊钢厂生产的汽车齿轮钢 为例，经过大量的淬透性检验得知，用传统方法得到的预测值与实测值有一定的 差距。因此，汽车齿轮钢淬透性的预报工作仍需进一步开展，简单的数学模型远 不能反映淬透性与其影响因素之间的内在规律。 为了提高预报精度，论文中特别引入了人工神经元网络这一先进的信息处 理方式开发了预报软件。人工神经元网络的研究为上述问题提供了良好的途径， 它解决问题的方式不同于传统逻辑思维的“算法”，其“操作”具有形象思维的 属性，特别适合解决数学模型难以描述的非结构化问题和非线性问题等。神经网 络具有良好的映射逼近能力、良好的可靠性、和容错性，而且具有自学习、自适 应、归纳等智能性功能。理论已经证明，任意连续函数都可以由多层神经网络以 任意程度逼近。 人工神经元网络的结构和它的计算方法是在模拟人类大脑的结构和思维方 式的基础上建立起来的。人工神经元网络结构和工作机理基本上是以人脑的组织 东北大学硕士学位论文 1 绪论 结构( 大脑神经元网络) 和活动规律为背景的，它反映了人脑的某些基本特征， 但并不是要对人脑部分的真实再现，可以说它是某种抽象、简化或模仿。目的在 于模拟大脑神经网络的原理来构成一种人造的“大脑”，或者说将目前的电脑变 成“大脑”。在信息的分布式存储、数据的并行处理以及利用外来的信息进行自 学习的能力等方面都同人脑很相似。所以，它在智能控制、信息处理、模式识别 等领域已经起着重要的作用并有着广阔的应用前景【i 。 1 2 3 论文内容 本论文的主要目的是系统开展齿轮钢化学成分与淬透性的研究，开发出相应 的软件能进行淬透性计算、预报及成分微调工艺。具体如下： 1 搜集大量各品种齿轮钢化学成分与淬透性的现有产品的技术数据，为研究 化学成分与淬透性的关系及软件的编制提供大量的试验数据，以便提高软件性能 预报的准确性和普遍性。研究各品种齿轮钢化学成分与淬透性的关系，从中找到 各化学成分对其淬透性的影响规律，以便在生产中加以控制。 2 建立先进的、合理的、准确的预报模型，是软件建立的重要基础。采用 多元回归的数学方法建立化学成分与淬透性之间的数学模型，从而开发研制定量 预报齿轮钢淬透性的软件。采用v b 6 0 提供界面友好、操作方便的软件，在软 件运行期间，可随时能够通过调整化学成分的多少来计算出淬透性，进而指导工 业生产，开发高质量多品种的齿轮钢。 3 目前，国内各特殊钢厂普遍采用淬透性与化学成分多元线性回归的方法。 尽管该方法具有一定的可行性，但由于线性回归不能真实反映淬透性与影响因素 间的内在联系，故论文中采用人工神经元网络制作预报软件，达到通过软件预报 淬透性的目的。 东北大学硕士学位论文 2 齿轮钢淬透性的研究 2 1 钢的淬火 2 齿轮钢淬透性的研究 将钢加热至临界点a t 3 或a c l 以上一定温度，保温以后以大于临界冷却速度 的速度冷却得到马氏体( 或下贝氏体) 的热处理工艺叫做淬火。淬火的主要目的 是使奥氏体化后的工件获得尽量多的马氏体并配以不同温度回火获得各种需要 的性能。例如淬火加低温回火可以提高工具、轴承、渗碳零件或其它高强度耐磨 件的硬度和耐磨性；结构钢通过淬火加高温回火可以得到强韧结合的优良综合机 械性能；弹簧钢通过淬火加中温回火可以显著提高钢的弹性极限。 对淬火工艺而言，为实现淬火首先必须将钢加热到临界点( a c 3 或a c ，) 以 上获得奥氏体组织，其后的冷却速度必须大于临界淬火速度( v 。) ，以得到全部 马氏体( 含残余奥氏体) 组织。为此，必须选择适当的淬火温度和冷却速度。由 于不同钢件过冷奥氏体稳定性不同，钢淬火获得马氏体的能力各异。实际淬火时， 工件截面各部分冷却速度不同，只有冷却速度大于临界淬火速度的部位才能得到 马氏体，而工件心部则可能得到珠光体、贝氏体等非马氏体组织。 2 2 钢的淬透性 对钢进行淬火希望获得马氏体组织，但一定尺寸和化学成分的钢件在某种介 质中淬火能否得到全部马氏体则取决于钢的淬透性。淬透性是钢的重要工艺性 能，也是选材和制定热处理工艺的重要依据之一。 钢的淬透性是指奥氏体化后的钢在淬火时获得马氏体的能力，其大小用钢在 一定条件下淬火获得的淬透层的深度表示【6 】。一定尺寸的工件在某介质中淬火， 其淬透层的深度与工件截面各点的冷却速度有关。如果工件截面中心的冷却速度 高于钢的临界淬火速度，工件就会淬透。然而工件淬火时表面冷却速度最大，心 部冷却速度最小，由表面至心部冷却速度逐渐降低。只有冷却速度大于临界淬火 速度的工件外层部分才能得到马氏体，这就是工件的淬透层。而冷却速度小于临 界淬火速度的心部只能获得非马氏体组织，这就是工件的未淬透区。 东北走学硕士学位论文 2 齿轮钢淬透性的研究 2 3 淬透性的测定方法 国际规定：测定淬透性的方法有l 脑界淬火直径法( g b 2 2 7 - - 6 3 ) 和末端淬火 试验法( g b 2 2 5 - - 6 3 ) 【6 】。用这两种方法表示钢的淬透性必须保证在相同试样尺 寸和相同淬火介质条件下进行比较，以消除试样截面尺寸和介质冷却能力对淬透 层深度的影响。本软件所使用的数据属于用第二种方法测得的。 ( 1 ) 临界淬火直径法：生产上常用临界淬火直径d 。来衡量钢的淬透性，它 是钢在某种淬火介质中能够完全淬透( 心部马氏体的体积分数为5 0 或9 0 、 9 5 ) 的最大直径。通常采用不同直径的圆棒试样在某介质中淬火后，沿试样截 面测量硬度的分布，找出其中心部位刚好达到半马氏体( 或9 0 、9 5 马氏体) 区硬度的试样直径，即为钢在该淬火介质中淬火时的临界淬火直径( d 。) 。显然， 在给定淬火条件下，临界淬火直径越大，说明完全淬透的试棒的直径越大，因而 钢的淬透性越好。但是用临界淬火直径比较钢的淬透性必须采用相同的冷却介 质。因为在其它条件一定时，d 。值随介质冷却能力而变，介质冷却能力越高， d 。值越大。例如d 。油 d 零件 的钢。如给定工件所用材料及淬火后的硬度要求，则应选择适当淬火介质满足上 述要求。 ( 2 ) 末端淬火法：图2 1 为末端淬火法测定钢的淬透性的示意图。采用中 2 5 1 0 0 m m 的标准试样，试验时将试样加热至规定温度后，迅速放入试验装置 ( 图2 1 a ) 中喷水冷却。显然，试样喷水末端冷却速度最大，随着距末端距离的 增加，冷却速度逐渐减小。其组织和硬度也发生相应的变化。试样末端至喷水口 的距离为1 2 ，5 m m 。喷水口的内径为1 2 5 m m ，水温为2 0 3 0 c ，水柱自由高度 调整为6 5 5 m m 。这些规定保证了不同钢种获得统一的冷却条件。试样冷却后 沿其轴线方向相对两侧面各磨去0 2 o 5 m m ，然后从试样末端起每隔1 5 m m 测 量一次硬度，即可得到硬度与至末端距离的关系曲线( 图2 1 b ) ，这就是钢的淬 透性曲线。显然，淬透性高的钢，硬度下降趋势较为平坦( 图2 1 b 4 0 c r 钢) ， 而淬透性低的钢，硬度呈急剧下降的趋势( 图2 1 b 4 5 钢) 。 东北大学项士学位论文 2 齿轮钢淬透性的研究 中3 0 1 1 ir l 幽豳 中2 5 j l 6 。 量 4 0 蓥 o 、 、 - - ：k 一 一 、 0 3691 21 5 至淬火端距离，m m a )b ) 图2 1 末端淬火法示意图 a ) 淬火磐青h ) 淬诱件腩线 f i g 2 1 s k e t c hm a po f t i ph a r d e n i n gm e t h o d a ) q u e n c he q u i p m e n tb ) t i ph a r d e n i n gc u r v e 由于不同炉次的情况不完全一样以及钢的化学成分允许在一个范围内波动， 所以对予给定钢种来说，不同炉次的试样或同一炉次不同试样所测得的淬透性曲 线，通常是各不相同的。即不同试样同一测量点的硬度值通常在一个范围内波动， 从丽形成一淬透性带。在实际生产中要求淬透性带越窄越好，窄淬透性带的齿轮 钢热处理后变形量小，齿轮修磨量小、咬合精度高，淬透性带宽度愈窄，离散度 愈小，愈有利于齿轮的加工及提高其皎合精度。从7 0 年代开始，我国汽车工业就 提出了将汽车齿轮钢淬透带j 9 点的带宽压窄到6 s f i r c 。进入8 0 年代，我国汽 车工业大量引进国外车型，齿轮铜的生产要求完全按国外企业标准供货，淬透性 要求全带( 多点) 控制，带宽4 7 h r c 。 根据钢的淬透性篷线，通常用j ! 孥表示钢的淬透性。例如，j 4 _ ；0 0 黼 d o 淬透带上距离末端6 m m 处的硬度为h r c 4 0 。其中h r c 为硬度的一种表示方法， 称之为洛氏硬度。洛氏硬度是用顶角为1 2 0 。的金刚石圆锥或直径为o1 5 8 8 m m 东北大学硕士学位论天 2 齿轮钢淬透性的研究 的钢球，在一定负荷下压入被检材料的表面，然后根据压痕深度定出硬度值。洛 氏硬度以h r 表示，它有好几种标尺，如a 、b 、c 、d 、f 、g ，最常用的是a 、 b 、c 三种，以h r a 、h r b 、h b c 表示。h r a 用于检验薄壁、硬质合金及表面 热处理等工件；h r b 用于检验退火或正火状态下的钢、铁及有色金属等工件； a 1 ， n 晶粒尺寸6 级 汐、 i _ 黜p 7 级yvj 晶掌! 尺寸8gt 、。 c 、 产 y ， ?。、夕 ，? f | c 图2 2 不同含碳量纯f e - c 合金的奥氏体晶粒尺寸同淬透性的关系 f i g 2 2r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ea u s t e n i t i eg r a i ns i z ea n dh a r d e n a b i l i t y 和晶粒度。于是人们很早就将由化学成分算出的某种系数同钢的淬透性指标联系 起来。格罗斯曼分析了大量的试验资料认为各个元素的作用应该是相乘的，并且 根据这一原则提出了计算钢的理想临界直径的相乘系数法。其中乘数因子表示合 金元素对淬透性的影响，也即称为淬透性系数。 合金元素对淬透性的影响同钢中的含碳量有密切关系1 1 4 - 3 1 】。不同研究者的数 据，往往只能用于一定含碳量范围。齿轮钢2 0 c r m n t i 属于低碳钢，下面主要介 绍各元素对2 0 c r m n t i 淬透性的影响。 下面分别讨论各主要合金元素的影响及其同共存元素的交互作用。 锰、硅、镍、硫、磷等的影响 锰的淬透性系数，如图2 - 3 所示，2 0 c r m n t i 的含锰量为o 8 1 1 ，可以看 出锰的淬透性系数为4 0 左右，影响非常显著。 关于锰同镍、铬和铝在淬透性上的交互作用，一些资料表明锰作为弱碳化物 形成元素在含有钒、铌、钛等强碳化物形成元素的钢中，可以促进难溶碳化物的 溶解，从而提高钢的淬透性f 1 2 j 。硫、磷，这一对元素对淬透性的作用是相反的【h 】。 卯 m 街 “ 邡 地 m 加 舶 m 所 舶 乳 9 8 8 7 7 6 6 5 5 4 4 东北走学硕士学位论文 2 齿轮钢淬透性的研究 1 3 o 糕9 0 谣 捌 煅 她5 0 1 0 01 2 o 3 - o 蚓2 3锰的淬透性系数 f i g 2 3h a r d e n a b i l i t yc o e f f i c i e n to f m n 因此，在评估一般中碳结构钢的淬透性时，一般都认为硫、磷的影响相互抵消而 不予考虑【i ”。但是在上面回归分析的结果表明硫对j 1 5 的影响是不可忽视的。硫 降低淬透性，是由于形成分解温度很高的m n s 而降低了锰提高淬透性的作用所 致，所以，实际上也是元素之间相互作用的结果。 1 夕 3 形 ， 夕 彪 多 一 少 ， 钐r 00 20 40 60 81 01 21 41 6 1 82 0 s i 图2 4 硅的淬透性系数 f i g 2 4h a r d e n a b i l i t yc o e f f i c i e n to f s i l l 嘶n e r h a f n e r 与t o l e m a a 2 _ 一m a g 3 b o y d 与f i e l d 4 t m 舡与l a m o n t 5 _ k r o m e r ，s i e g e t 与b r o o k s 6 4 2 0 8 6 4 2 0 2 2 2 2 1 1 1 l l 豁倏学鼙 枯 东北大学硕士学位论文 2 齿轮钢淬透性的研究 硅是钢中圃溶予铁中的常存元素硅的淬透性系数如图2 4 所示。研究表明， 硅主要提高碳钢过冷奥氏体在中温区的稳定性，而对6 5 0 7 0 0 的高温区影响 很小，甚至降低其稳定性，且对淬透性的影响不大。 镍同硅一样，主要以固溶的形式存在于钢中。镍的淬透性系数如图2 5 所示。 同硅的情况一样，镍单独加入碳钢中时，明显提高过冷奥氏体的稳定性，使整个 c 曲线向右移动。但是，镍和铬、锰、钼等同时加入钢中时，提高淬透性的作用 最为显著。图2 5 即表述了镍同这些元素的交互作用对钢的淬透性的影响，由于 2 0 c r m n t i 含镍量 0 3 ，镍的淬透性系数 o 5 ，因此镍的影响很小。 4 0 籁 3 0 幅 划 蝌 灶2 0 1 0 | 1 夕， 。一 3 72 么 哆，么 _ p 一多 4 ： 么 ；二， d 01 02 0王0 n i 图2 5 镍的淬透性系数 f i g 2 5h a r d e n a b i l i t yc o e f f i c i e n to f n i 卜吨r a 缸与l a m o n t 2 k m m e r ，s e i g e l 与b r o o k s 3 _ b 0 y d 与f i e l d 4 _ k r o m e r ，h a f n e r 与t o l e m a n 铬、钼、钨、钒、钛、铌等的影响 这是一组中、强碳化物形成元素这些元素同时推迟珠光体转变和贝氏体转 变，但是前者比后者的作用更显著。格罗斯曼指出，这一组元素的碳化物在通常 淬火温度下往往不易溶解，从而成为未溶碳化物残留钢中。如前所述，残留碳化 物的存在将降低钢的淬透性。只有这些元素含量较低，如含铬o 3 ，含钼0 2 ，含钒o 0 4 和含钛0 0 2 以下时，它们在淬火加热中才能完全溶解1 3 l 。所 以，这些元素提高淬透性的作用除了同元素含量有关外，还决定于碳化物的溶解 程度。而碳化物的溶解程度则又受控于淬火加热温度和时间，还同钢的成分和淬 火前的组织状态有关。而所有这些因素的复杂性就是有关这些元素的淬透性数据 比较分散的重要原因之一。当这些元素含量较大时，采用淬透性系数法的精确度 东北大学硕士学位论文 2 齿轮钢淬透性的研究 也就有限。这也是本软件采用的现场数据在具有相同化学成分的情况下具有不同 的淬透性的原因。 铬的淬透性系数如图2 6 所示，由于2 0 c r m n t i 的含铬量为1 1 3 内，铬 的淬透性系数为2 5 左右，且当舆氏体化温度不同时，由于合金碳化物的溶解程 度不同，会导致钢的淬透性的差别。 钒、钛、铌等合金元素都是强碳化物形成元素，一般来说，当它们溶入固溶 体中时，能显著提高钢的淬透性。但是在通常淬火温度下，当含碳量较多时，它 们含量的一部分溶于奥氏体中，另一部分以未溶碳化物的形式存在，并因而减少 奥氏体中含碳量、细化晶粒和起到形核作用而降低钢的淬透性。两者的相对大小 决定于元素在固溶体和碳化物之间的分配比例，分配比例决定于奥氏体化温度， 鞴 垛 掣 蜊 世 5 0 4 o 3 ，0 1 o ： 4 i j 么彩 3 膨j夕 c r 图2 6 铬的淬透性系数 f i g2 6h a r d e n a b i l i t yc o e f f i c i e n to f c r 1 k r a m e r ，h a f n e r 与t o l e m a n 2 k r 鲫e r ，s i e g e l 与b r o o k s ( 最大值) 3 k ra l i l e r ， s i e g e l 与b r o o k s ( 平均值) 4 _ g r o s s m a n n5