（材料学专业论文）钢铁工件控制淬火工艺研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 本文以4 5 钢为研究对象，在实际淬火冷却条件下，采用冷却曲线法，研究了 淬火冷却过程一般规律。对水溶性聚合物n h b 淬火介质进行了冷却曲线的测定， 为n h b 使用者提供了参考依据。本文提出了可控淬火工艺设计的思想和措施， 探索通过调整聚合物淬火介质的浓度、温度和搅拌速度来控制其冷却性能的规律， 以及不同淬火条件对淬火效果，截面硬度分布的影响，从而达到对特定淬火条件 下淬硬层深度的预测和控制。 文中用“硬度曲线法”测定了不同尺寸4 5 钢圆柱体试样在不同淬火条件下截 面的硬度分布和淬硬层深度。利用淬火硬度分布计算机辅助预测的基本原理对淬 硬层深度进行控制。 基于传热学和相变学的基本原理，本文建立了典型圆柱体试验的数学模型， 并利用有限元分析软件a n s y s 对其淬火过程进行了模拟，计算了圆柱体淬火时的 瞬态温度场。 最后，本文在淬火冷却设备系统的设计方面，在提高冷却效果方面进行了探 讨，同时提出了一些粗浅的改进或重新设计思想和技术建议。 关键词：淬硬层，硬度曲线法，淬火介质，有限元，计算机模拟，温度场 江苏大学硕士学位论文 a b s t r c t t h ep a p e rc h o o s e s4 5s t e e lc y l i n d e rp a r t sa st h es u b j e c to fr e s e a r c h t h ec o m m o n l a w so f q u e n c h i n gp r o c e s su n d e rd i f f e r e n tp r a c t i c a lq u e n c h i n gc o n d i t i o n sa r es t u d i e db y u s i n gc o o l i n gc u r v em e t h o d t h em a i nc h a r a c t e r i s t i c so ft h ep o l y m e rq u e n c h a n tn h - b a r ed e s c r i b e d ，a n dt h ec o o l i n gm e c h a n i s mi sa n a l y z e d c o o l i n gc u r v e so fs p e c i m e na r e f i g u r e do u ta c c o r d i n gt od i f f e r e n tq u e n c h i n gp r o c e s s e s h a r d e n e dc a s ed e p t h sf o r4 5s t e e lp a r t sq u e n c h e di nn h bs o l u t i o no fd i f f e r e n t c o n c e n 拄m i o nh a v eb e e nm e a s u r e db y ”h a r d n e s sc u r v em e t h o d ”；t h e r e f o r ei ts u p p l i e st h e n h bq u e n c h a n tu s e r sw i t ht h et h e o r e t i c a lb a s i s t h ec o n t r o l l a b l eq u e n c h i n gt h e o r ya n d m e a s u r ef o rw a t e r - b a s eq u e n c h a n ti sd e v e l o p e d s o m ee x p e r i m e n t sa r ec o n d u c t e db y a d j u s t i n gt h ec o n c e n t r a t i o n ，t e m p e r a t u r ea n da g i t a t i o no f n h - bq u e n c h a n tt oc o n t r o lt h e q u e n c h i n gq u a u v y m i c r o s t r u c t u r ea n dh a r d n e s sd i s t r i b u t i o no nc r o s s s e c t i o no ft h e q u e n c h e dp a r t sa r ei n v e s t i g a t e d a n dt h ee f f e c t so fd i f f e r e n tc o n d i t i o n so nq u e n c h i n g q u a l i t ya n dh a r d n e s sd i s t r i b u t i o na r ed i s c u s s e d t h eo n l yp u r p o s ei st oc o n t r o la n d p r e d i c tt h eh a r d e n e dc a s ed e p t hb ya d j u s t i n gq u e n c h i n gc o n d i t i o n s b a s e do nt h ep r i n c i p l eo fh e mt r a n s f e ra n dp h a s et r a n s f o r m a t i o n , t h em o d e lo fs t e e l p a r th a sb e e nb u i l t t h et h r e ed i m e n s i o n a ln o n - l i n e a rf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i so ft h e t r a n s i e n tt e m p e r a t u r ef i e l dd u r i n gq u e n c h i n go f4 5s t e e lp a r t si ss i m u l a t e db yu s i n go f a n s y ss o f t w a r e a tl a s t ，t h es y s t e md e s i g no fq u e n c h i n gf a c i l f f i e si sd i s c u s s e da n ds o m er o u g h i m p r o v e m e n ts u g g e s t i o n sa n dn e wd e s i g ni d e a sa r eb r o u g h tf o r w a r d k e yw o r d s ：h a r d e n e dc a s ed e p t h , h a r d n e s s - c u r v em e t h o d ，q u e n c h a n t , f i n i t e e l e m e n tm e t h o d ，c o m p u t e rs i m u l a t i o n ，t e m p e r a t u r ef i e l d i i 学位论文版权使用授权书 - ；9 7 5 18 7 本学位论文圣# 老完全了瘿学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校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， 允许论文被查阕和借阕。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容筑部分内容编入有关数据摩避行捡索，可以采爝影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在年鳃密后适用本授权书。 不傈密 学位论文俘者签名：触 凇舞# 月吒指? 黪箩年月鹾， 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以夕k ，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。 学位论文作者签名：粥已 臣翥：) 卯；年易月扩日 江苏大学硕士学位论文 1 1 前言 第一章绪论 热处理质量直接影响各种机械、运输、工具等产品的性能、使用寿命和使用 安全等。金属材料的热处理中，除少数几种表面改性处理外，都要经过冷却。冷 却问题涉及许多未知因素以及这些因素的相互作用与有效控制，被国内外热处理 界认为是一个“黑洞”，因此，冷却技术在材料热处理中是一个相当关键的问题。 冷却问题将影响金属材料热处理后的组织、性能，同时会影响零件的变形与 开裂，也就是说，冷却问题直接涉及热处理质量的控制。因此人们一直在研究、 开发和应用冷却介质、冷却技术以及冷却设备来改进淬火技术，从而提高淬火质 量。理想的冷却介质和冷却技术一直是人们追求的目标。近十年来，这些基础和 应用结合型的研究方兴未艾。遗憾的是对于淬火过程的控制涉及很少。长期以来 多数冷却过程只是根据经验预先选择淬火介质和淬火条件( 温度、搅拌等) 间接 控制工件的冷却状态。随着测试手段的不断完善及计算机模拟技术的迅速发展， 控制冷却己成为冷却技术研究的重点。对于控制冷却和冷却过程的模拟，由于缺 少淬火介质动态下的冷却特性数据，制约了控制冷却技术在工程上的应用。 控制冷却技术是指通过对淬火条件的淬火冷却条件( 如介质流速、介质温度 等) 的研究，控制其中的相关因素而得到所要求的组织及性能的技术。随着计算 机技术的发展，以及控制冷却技术与计算机技术的紧密结合，淬火冷却过程正向 可控方向发展。可控冷却是指控制零件冷却过程中的淬火强度的技术。近年来， 这一领域取得了令人瞩目的进展：设计制造能连续改变冷却能力的淬火槽，实 现可控冷却；通过高压气流实现可控冷却；通过多相介质流态或喷冷实现 可控冷却。通过对工件实际淬火冷却过程直接控制，比通过测试淬火介质冷却曲 线来间接控制更准确可靠；不改变淬火介质，通过量化控制来调整介质的冷却特 性，从而满足不同的冷却条件。 “美国热处理工业2 0 2 0 远景发展目标”报告中对淬火冷却领域的发展提出【1 ： 热处理过程的环境冲击减少至零，淬火介质应是成本低廉、环境良好、不易燃的： 淬火设备应是完全自控的，封闭回路的标准化系统；热处理件的畸变和质量的分 江苏大学硕士学位论文 散度为零，其性能可以预测。在同时发表的“r & d ”计划中提出了达到此目标的关 键工作包括：发展淬火冷却过程的模拟技术；推进冷却机理的研究，实现 最低冷速条件下获得最佳性能和最小畸变的目标；在工装夹具和淬火槽的设计 和方法方面进行专门研究；开发可靠的气体流量传感器和在线冷却强度测量仪 器；使用替代油和盐类的淬火剂，减少有毒废弃物的排放；推进优化水剂 淬火工艺的各项工作，包括喷淬、喷雾，甚至沸水等的应用，不断减少淬火介质 潜在的环境污染。 淬火工艺的发展趋势大体包括以下四个方面 2 1 ： 淬火冷却的基础理论研究。淬火冷却是一个非常复杂的过程，钢的奥氏体 连续冷却转变机理，新型淬火介质的冷却原理，水溶性淬火介质的浓度、液温和 搅拌程度对淬火强度的影响，淬火介质冷却特性对工件淬火质量的影响，淬火强 度与淬火工件硬度分布的相互关系，淬火工件的最佳内应力及其控制方法，淬火 介质冷却能力的测定和评价，淬火介质的污染过程及其维护，淬火过程的计算机 模拟和数学模型的建立等方面的研究要加强。 已有淬火介质性能的改进和提高。水和油等常用淬火介质已越来越不能满 足热处理生产的要求，为此要对原有的淬火介质进行改进。例如在水中加入无机 盐和有机聚合物，可以不同程度地降低工件淬火时的低温冷却速度，能防止工件 淬裂和变形，或获得更高的淬火硬度和更深的淬硬层。对于淬火油在保留其原来 优点的基础上，提高其冷却速度和改善其某些特性后，仍然是很有前途的淬火介 质。如开发添加有催冷剂、抗氧化剂、光亮剂等的高效多用淬火油，可以获得更 强的冷却能力和更合理的冷却速度分布和更长的使用寿命，或者更能保持工件表 面的光亮性，更能减少工件的变形和开裂，从而实现一油多用。此外，改进淬火 设备，用物理方法( 搅拌、喷淋、超声等) 来强化冷却，都可以提高淬火油的冷 却速度，满足淬火工艺的要求。 研究开发和应用新型淬火介质。无机物水溶液淬火剂和有机聚合物淬火剂 是我国淬火介质的发展重点，特别是要加强有机聚合物淬火剂的研究，并扩大其 应用。随着研究工作的深入，有机聚合物淬火剂的适用性、稳定性和经济性进一 步提高，应用也越来越广泛。我们要密切注视和分析研究国外的发展动态，跟踪 国外新型有机聚合物淬火剂的研究和应用成果，研制生产出立足于国内、符合于 江苏大学硕士学位论丈 国情，冷却速度介于水和油之间，并可根据需要调整冷却速度的新型有机聚合物 淬火介质。大力推广应用新型淬火介质，加强生产现场的使用管理与维护，则是 用好新型淬火介质的前提。上述这些应成为我国今后新型淬火介质的研究方向和 工作重点。 新的淬火冷却方法的研究。为了使工件实现理想的冷却，获得最佳的淬火 效果，除根据实际情况选用新型淬火介质外，还需不断改进现有的淬火方法，并 采用新的淬火方法，如高压气冷淬火法、强烈淬火法、水一空气混合剂冷却法、沸 腾水淬火法、热油淬火法、深冷处理法等。 目前国内重点在以下几方面开展工作：从环保的角度出发，大力提倡使用 可替代油和盐类的新型淬火介质，减少淬火介质对环境的污染；发展淬火冷却 过程的模拟技术，建立包括换热系数在内的基础数据库，重点解决一些关键件的 畸变和开裂的技术难题，逐步向控制冷却方向发展；在工装夹具和淬火装置的 设计方面进行专门研究，积极推广控时浸淬技术、喷射淬火技术和强烈淬火技术； 推广介质的性能测定和在线监测仪器的应用。 1 2 淬火冷却工艺的可控性 通过加热、保温和冷却的方法使金属和合金内部组织结构发生变化，以获得 工件使用性能所要求的组织结构，这种技术属于物理冶金学的范畴，热处理中的 淬火工艺就是利用其原理把钢加热到临界温度以上( 相变温度) ，保温一定时间， 使之奥氏体化后，然后在水或油等冷却介质中快速冷却，从而获得马氏体组织的 技术吼 零件热处理的工艺目标主要是保证特定材料制成的机械零件的内在质量特 性，即保证零件获得所需的组织状态，从而具有规定的强度、韧性等机械性能。 而零件获得的这种内在性能往往不能在工序前准确设计和工序后准确评价，只能 通过零部件的实验室台架试验和整机的现场作业考核验证，才能判定其是否满足 使用要求。迄今正在施行的各种热处理工艺规范，实际上是长期经验积累的基础 上形成的。因此很多人将热处理这一古老的，正在发展中的工艺仍然看成是一种 暗箱技术甚至魔术 4 】。 然而工件的淬火主要由加热( 包括保温) 和冷却两个环节组成。淬火的效果、 江苏大学硕士学位论文 工件的质量取决于这两个环节进行得是否恰当。如何实现对这两个环节的有效控 制是对淬火效果进行控制和预测的关键。由于加热控制工艺对淬火效果影响较小， 本文主要研究冷却工艺与淬火质量关系。 在淬火过程中，为避免奥氏体在a l 点以下较高温度时发生分解，冷却速度必 须大于临界冷却速度v k 。临界冷却速度可以近似根据c 曲线估计出来，如图1 1 所示，临界冷却速度的大小与c 曲线有密切关系，因此，凡影响c 一曲线的形状和 位置的因素，都将改变v k 值。影响c 曲线的因素很多，但以奥氏体的化学成分 对它的影响最大。加入钢中的合金元素( 除钴外) ，若加热时溶入奥氏体中，则会 推迟过冷奥氏体的分解，也就是c 曲线右移，从而降低钢的临界冷却速度。又如， 单液淬火( 图1 1 中的a ) 由于冷却剧烈，往往造成工件内应力过大，甚至变形开 裂。因此在生产上，常根据工件的材质、形状尺寸和性能要求，采用高温预冷、 双液( 图1 1 中b ) 、奥氏体等温( 即贝氏体等温，图1 1 中c ) 、马氏体等温( 图 1 1 中d ) 和分级( 图1 1 中e ) 等淬火方法，以使冷却尽量缓和一些，这样既能保 证获得高硬度的马氏体( 或贝氏体) 组织而又减少了变形开裂的危险。显然，它 们的冷却时间和分级、等温温度均需要根据c 一曲线与工件的材质、形状尺寸及性 能要求等来确定。 9 o矗 函 l o 谴i o 。i = i 一1 啪 图1 1c 曲线和淬火冷却操作示意图 由c 曲线可知，工件淬火时为获得预期的马氏体组织。并不需要在其整个冷 江苏大学硕士学位论文 却过程中都快速冷却，而在c 曲线的“鼻尖”附近( 即奥氏体最不稳定区，一般 为6 5 0 , - - 4 0 0 c 的范围) 需要快速冷却。在6 5 0 以上的高温区和4 0 0 。c 以下的低温 区不需要快速冷却，尤其是在3 0 0 2 0 0 以下的马氏体转变区更应尽可能地缓慢冷 却，以减少由于急冷而产生的热应力和由于马氏体转变而产生的组织应力。因此 淬火的理想冷却曲线应如图1 2 所示 5 】。 图1 2 理想淬火冷却曲线 实际生产中，高温区的缓慢冷却往往是借助于”预冷”来达到，即将加热至奥氏 体状态的工件先在空气中“预冷”适当的时间，而后再放入淬火介质中快速冷却， 其冷却速度取决于淬火介质的性质。而低温区的缓慢冷却则往往是通过双液淬火、 分级淬火和等温淬火来实现。以上这些实质上都是控制冷却技术的初级阶段。 1 2 1 淬火介质 淬火介质通常有两种分类方法【6 】：按介质的物质形态来分：有液体介质( 水、 无机物水溶液、有机聚合物水溶液、乳化液、雾化液、淬火油、熔融热浴等) 、气 体介质( 静止状态、喷射状态、液化状态等) 、固体介质( 流态粒子、冷却金属板 等) 三大类。按淬火时介质是否发生物态变化分为：有发生物态变化的介质和 不发生物态变化的介质。 近年来，水溶性聚合物类淬火介质的研究和应用发展迅速。由于冷却能力在 江苏大学硕士学位论文 水与油之间的可调节性、在淬火件表面形成一层改善传热均匀性的可逆的聚合物 膜和符合环保要求等优点，水溶性聚合物淬火介质正在被普遍认识和接受，并在 合金钢的调质、表面喷淬等方面得到了应用。这类淬火介质是将有机聚合物溶解 于水中，并根据需要调整溶液的浓度和温度，配制成冷却性能满足要求的水溶液， 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。目前几种新型 的水溶性有机聚合物淬火介质有聚乙烯醇合成淬火剂、聚醚( 聚二醇) 水溶液、 聚醚一乙二醇水溶液、聚丙稀酸盐水溶液、羟乙基纤维素水溶液等。 影响淬火介质冷却能力的因素很多，可分为介质本身物理性质( 如导热系数、 粘度等) 的影响和使用介质时外界条件的影响两个方面口j 。通常可以通过添加剂来 改善介质的物理性质，使冷却过程发生变化，改变冷却能力和冷却特性。不同的 添加剂可以提高或降低蒸汽膜的稳定性。 剂、催冷剂、光亮剂、防锈剂、防腐剂、 1 2 2 控制冷却技术及特殊冷却方法 现在的添加剂种类已有很多种，如防裂 抗氧剂、消泡剂等。 控时浸淬技术( i t q s ) s w h a n 等人提出了控时浸淬系统i t q s ( i m m e r s i o n t i m e q u e n c h i n gs y s t e m ) ”。该系统的核心是通过控制搅拌的速度和方向来实现在淬火开始阶段增大淬火强 度以获得高硬度，当工件温度达到m s 点区域时，降低淬火强度以减小工件的畸变 和开裂倾向。该系统成功的关键是精确地确定初始冷却阶段( a ) 的冷却时间， 其方法是通过计算或试验测量得出获得一定淬硬层所要求的h 因子( 相当于淬火 强度) ，然后再查表确定a r i 所需要的时间。i t q s 与传统的实时淬火方法的差别 在于，前者改变搅拌速度时间次序是由理论计算，并经试验验证，然后用计算机 控制使其在生产实践中重现；而后者则采用反复试验的方法，其成功与否是由操 作者决定，重现性较差。 对于采用水溶性聚合物淬火介质的控时浸淬系统还应确定出淬火件的总浸淬 时间，以避免因过冷而产生开裂。由于控时浸淬系统的采用，扩大了水溶性聚合 物淬火介质的应用范围，也使得中碳合金钢采用水溶性聚合物淬火介质淬火易于 产生开裂的问题得以解决。目前，控时浸淬系统在国外已得到了较广泛的应用， 取得了明显的效果，该技术在国内也开始采用，可以说控时浸淬系统是今后浸液 淬火设备发展的主导方向。 6 江苏大学硕士学位论文 强烈淬火技术( i q ) 8 1 强烈淬火技术是由乌克兰的k o b a s k o 博士发现和提出的，并在独联体国家得 到应用，近年该技术在美国得到了重视和应用。强烈淬火技术是采用高速搅拌或 高压喷淬使得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闻题的产生。图1 3 所示是 6 r n m 低合金钢圆柱试样 的试验数据，钟形曲线清晰地阐明了马氏体相变范围内冷速对裂纹形成总的影响。 薹，s 蕞 蕊5 。 群 o 2 呻 4 0 0鲫啪 抟却速率s 图1 3 冷速对裂纹形成概率的影响( 试样中心在3 0 0 c 的冷速曲线) 9 1 喷淬在第三届淬火冷却和控制畸变国际会议上，许多学者认为喷淬是替 代浸液淬火和提高生产效率的理想工艺。喷淬一般采用水或水溶性聚合物作为介 质，可以根据要求对冷却强度进行调整，是一项具有发展潜力的技术。 变烈度淬火技术通过对工件在淬火槽中的滑道内外提供不同介质流速的 办法，使淬火件在m s 点以上获得较快的冷却速度，在m s 点以下的冷却速度降低。 该办法对解决某些材料标准件的水淬开裂，油淬力学性能达不到要求的问题有明 显效果。 膨胀流淬火法该方法是被处理的工件在经过连续式炉完成加热工艺过程 后，热工件的淬火冷却过程不是下落到淬火介质中，而是将淬火介质提升到热工 件高度实现淬火冷却。该方法消除了淬火件在转移或下落过程中产生的冲击力， 达到了减小畸变的目的。目前，国外轴承制造企业已开始采用该方法进行轴承圈 江苏大学硕士学位论丈 的淬火。 1 2 3 淬火冷却操作方式 淬火冷却时，当其他因素( 加热温度、保温时间、淬火方法和淬火介质) 正 确选择并确定后，工件浸入介质的方式对淬火效果起着很大作用。如果浸入方式 不当，则增加淬火应力，造成硬度不均，甚至变形开裂。因此，必须选择正确的 浸入方式。浸入方式的最根本原则首先是淬入时应保证工件得到最均匀的冷却， 其次是应该以最小阻力方向淬入，此外还应考虑到工件的重心稳定。图1 4 中， p o l y a k o v 给出了具有复杂外形零件的浸入建议【i 。 c r a c k s 传 n o tl o r m e d c r a c k s 障 t o c n w , e l l4 凸薷 审咤a p s e 图1 4 竖直的箭头表明圆柱件浸入淬火介质的方向 p s c 表明应力集中的外圆 由。四 书尊；亘 曲耳羽船必 _iif- 江苏大学硕士学位论文 1 2 4 可控淬火工艺设计思想 淬火工艺是热处理工艺中的关键工序，它最终决定了零件内在质量和变形程 度。淬火技术包括淬火装置、淬火介质和淬火工艺规范等诸多方面，而其中淬火 介质冷却性能的测定和有效控制，则是保证淬火工艺目标的关键环节。淬火的实 质就是通过适度调整和控制淬火介质的流速、温度以调整和控制淬火工件的温度 场、显微组织场和应力( 应变) 场，使得工件获得所需要的组织、性能和较小的 残余应力及残余应变 1 i 】。 工件的淬火效果是个系统问题，涉及的因素十分复杂。热处理工作者面临着 时效性，资金限制，质量及成本等方面的竞争。因此在保证质量和成本的前提下 处理小批量工件，在不增加检验工序情况下比较准确地预测热处理质量就显得很 有意义，目前不断发展的计算机技术使其成为可能。然而现有的计算机程序预测 的硬度分布，与实际淬火结果对照差别很大，与实际值也有较大出入。同相变拟 和处理一样，这种偏差主要来源于缺乏准确的淬火条件数值。 c e b a t e s 和g e t o t t e n 等人在试验和生产条件下采用淬火因子分析预 测硬度的方法对a i s l 4 1 3 0 、4 1 4 0 和1 0 4 5 钢淬火硬度进行了估测。h m t e n s i 教授与其同事合作探讨了预测钢件淬火硬化性能的可能性与局限性；他们认为只 有准确地预测钢件在连续冷却过程中形成的显微组织，才能准确地预测其淬火后 的最终硬度分布。 可控淬火工艺设计，就是对淬火过程中所有影响淬火质量的因素进行全面控 制，研究如何利用淬火冷却过程的一般规律来实现钢铁工件淬火硬度、组织和应 力分布的预测和控制。具体的说，就是探索常用材料在不同淬火条件下的淬火规 律，通过不同物理性能的淬火介质( 例如水溶性聚合物淬火介质、快速淬火油等) 和创造一定工作条件( 例如控制淬火介质的液温、浓度等) ，来改变淬火介质的冷 却能力，满足淬火后的热处理质量。 1 3 淬火冷却技术研究进展 淬火冷却技术是指钢在奥氏体化后，按预定的方式快速冷却，以获得预期的 组织和性能的技术。它包括淬火工艺及其优化、淬火介质及其性能评定、新型淬 火装置设计、冷却过程及其参数控制、冷却过程模拟及性能预报、淬火畸变、开 江苏大学硕士学位论文 裂及残余应力控制等。 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限制，而使其研究和控制水平始终滞后于热处理的加热过 程。近十年，随着测量技术、计算水平、先进制造技术、重视程度以及解决工程 问题迫切性的提高，在新型淬火介质、淬火介质评价、淬火冷却过程机理研究、 过程模拟和控制冷却、冷却设备等领域取得了显著的进展。 目前，水溶性聚合物类淬火介质应用于合金结构钢的淬火冷却还有待于解决 结构复杂件的淬火开裂问题和精密件的畸变控制等问题。此外，介质的浓度控制 及性能稳定性问题，带出液的回收、废液的降解排放问题，以及性能价格比的优 化选择问题，一直是人们关心的焦点。但是，随着人们对水溶性聚合物淬火介认 识的加深、冷却过程工艺控制水平的提高以及控时浸淬技术的推广应用，水溶性 聚合物淬火介质将有广阔的应用前景。 在冷却技术的研究方面，国内一些大学、研究院所和企业一直进行着不懈的 努力，取得了许多成果。上海交通大学在冷却过程的模拟方面成绩显著，并建立 了热处理远程服务中心，借助因特网与用户建立起不受地域限制的联系。北京机 电研究所、郑州机械研究所和第一汽车集团热处理厂共同承担完成了“变成分梯 度工件淬火畸变预测、控制冷却研究”课题。清华大学在大锻件淬火冷却的数值 模拟方面也进行了大量的工作。南京航空航天大学热处理淬火冷却技术研究室开 发了c h 一2 0 2 j 、c h 2 0 2 m 、p q a 、n q 等聚合物系列淬火介质。这些工作对于推动 冷却技术的发展都起到了积极的作用。 1 3 1 淬火冷却过程的一般规律 工件在发生物态变化的淬火介质中的冷却过程，最早由p i l l i n g 提出并做了说 明，通常可分为三个冷却阶段，如图1 5 所示【1 “，即蒸汽膜阶段a b ( 膜沸腾阶段) 、 沸腾阶段b c ( 核沸腾阶段) 和对流阶段c d 。 江苏大学硕士学位论文 越 膳 r b 。|【 弋 时问 a ) a ) 冷却过程曲线 倒 赴 八 j ， c o 兰 蔷度 b ) b ) 冷却速度曲线 图1 5 冷却过程三阶段示意图 炽热工件与淬火介质接触的瞬间，工件周围介质迅速气化，且介质气化速率 大于蒸汽逸出和冷凝速率，在工件表面形成一层蒸汽膜。由于蒸汽膜的导热性差， 工件的冷却主要通过热辐射和蒸汽导热来实现，此时工件冷却缓慢。直到工件表 面所提供的热量不足以维持形成蒸汽膜所需要的热量时，蒸汽膜即破裂，使工件 和介质直接接触而引起激烈沸腾，不断逸出气泡，开始转入沸腾阶段，由于需要 大量的汽化潜热，使介质的冷却速度达到最快，此时工件温度迅速降低，直至工 件表面温度降至淬火介质的沸点时，沸腾阶段结束，进入对流冷却阶段，此时工 件的冷却速度主要取决于其表面与介质的温差、介质的粘度、比热，导热率及其 流动程度等因素。 蒸汽膜阶段向沸腾阶段转变的温度( 转折点b ) 称为淬火介质的特性温度，特 性温度随淬火介质的种类不同而不同，一般在4 5 0 7 0 0 。c 。特性温度越高，开始沸 腾的温度也越高；而淬火介质的沸点越低，沸腾的终了温度也越低。当淬火介质 的特性温度和沸点之间的温度差越大时，淬火介质的冷却能力也就越强烈。沸腾 阶段的冷却特性受淬火介质的汽化热和沸点高低的影响。沸腾终了温度过低，将 使钢在马氏体转变温度范围的冷却速度过快，产生淬火变形、开裂的倾向增大。 1 3 2 影响淬火冷却过程的因素 钢在淬火后的性能取决于淬火后的微观组织，而淬火微观组织又取决于钢的 成分，零件尺寸和淬火冷却速度。冷却速度是由淬火介质种类及淬火条件如液温、 搅拌速度、浓度以及表面重润湿特性等所决定的。要想获得对冷却过程的理想控 江苏大学硕士学位论文 制，淬火介质的选择是一个重要的变量，但并不是唯一考虑的变量，搅拌和液温 也表现出显著的影响，水溶性聚合物浓度的影响尤为显著。 温度：不同温度下的淬火介质，其冷却能力也不同，温度对其影响比较明 显。但温度影响的规律，因介质而异，如水及一些水溶液介质，通常是随温度的 升高，冷却能力急速下降。而淬火油温度的变化对冷却能力的影响则较小，对粘 度较大的淬火油，当温度由室温升至8 0 1 0 0 。c 时，由于油的流动性得到改善，其 冷却能力反而有所提高。 浓度：聚合物的浓度影响淬火时附着在工件表面的聚合物膜的厚度，随着 浓度增加，淬火介质最大冷却速度和对流状态下的冷却速度降低。 搅拌与循环：对淬火介质进行不同程度的搅拌，或以不同流速进行循环， 都会给冷却能力带来很大影响。自由的或“重力驱动”的对流热传导( 无搅拌) 与强制的对流热传导相比较，强制对流对冷却的影响最大，强制对流常伴随着叶 轮、泵、振荡器等部件的运动或其他过程。强烈的搅拌降低了蒸汽膜的稳定性， 也缩短了膜沸腾与再润湿的时间，同时增大了三个冷却阶段的热传导率。搅拌使 工件各部位在冷却行为、热传导系数、工件表面流体的流动方向对热传导的敏感 等方面的区别变得很小，从而改善了淬火过程的均匀性。选择好的搅拌器和设计 合理的分配导流板，对淬火冷却均匀性起着非常重要的作用。如以静止水的冷却 强度为1 时，进行强烈搅拌后，则提高为2 倍以上；喷射冷却时则为4 倍。而油 在强烈搅拌时为静止冷却时的2 2 5 倍【j 3 】。搅动和循环都是加强工件和淬火液体 接触面之间的相对运动，液体以不同的速度进行循环，都随着流速的加大，冷却 速度相应增高。搅拌与循环不仅对介质的冷却速度有很大提高，而且也明显提高 工件表面冷却的均匀性和硬度值，并可以消除软点和减少变形和开裂的倾向。 在冷却过程中对淬火介质的搅拌速度并非越快越好，而是在一定速度下才能 达到较理想的冷却效果。在钢件淬火初始阶段应提高搅拌强度，以防止过冷奥氏 体的分解，而在m s 温度区应降低搅拌强度，周期式和连续式淬火设备均可实现搅 拌强度的连续可调，这种技术的关键就是要准确掌握由高强度搅拌( 淬火初始阶 段) 向低强度搅拌的转换时间。 压力：在淬火冷却时，介质的压力对冷却能力也有较大的影响。液态和气 态的介质，如以不同压力( 大于正常压力9 8 千帕) 通过工件表面，其带走工件热 江苏大学硕士学位论文 量的速度远比常压下要快得多。研究发现，在真空热处理炉中采用高压的氮气， 并强烈循环，其冷却能力比用9 8 千帕气压的氮气进行冷却，提高3 倍以上。可用 来代替真空淬火油，对大型高合金钢工模具的冷却，例如日本大同钢公司，采用 压力为7 0 0 千帕的高压氮气，进行 4 0 1 0 0 m m s k h 5 1 钢( 相当于w 6 m 0 5 c r 4 v 2 钢) 的淬火冷却，心部温度由1 2 0 0 。c 降至5 0 0 ，冷却时间只需3 5 秒；而当氮气 压力降至1 0 0 千帕时，同一工件的心部温度由1 2 0 0 c 降至5 0 0 。c 时，冷却时间则 需1 1 2 秒，由此可看出压力对淬火介质冷却能力的影响是较大的。 1 3 3 淬火冷却过程的控制“” 热处理生产领域各个控制环节中，冷却过程的控制水平是最低的，它已成为 制约热处理过程实现智能化生产的瓶颈。随着解决了热处理加热过程的温度和气 氛的精确控制问题，人们的注意力逐步投向了对冷却过程的控制上来。经过多年 的努力我国热处理行业淬火冷却设备的水平已有了较大改观，在某些行业，如车 辆齿轮和标准件制造行业，已基本丢弃了传统的在静态介质下的淬火，通过采用 密封箱式多用炉、连续炉、网带炉和配备专用带搅拌和控温功能淬火槽的方式使 产品质量有了明显的提高。 淬火冷却速率是由淬火介质种类及淬火介质的浓度、温度、搅拌速率以及表 面传热特性等所决定的。控制冷却速率和冷却的均匀性对于淬火工艺优化有重要 意义。淬火冷却过程控制作为一项技术，应包括：淬火介质性能的测试技术； 正确选择淬火介质；淬火介质使用中性能的监控、维护和保养；冷却工 艺参数的控制；淬火系统的设计或改进；工件淬火性能的预测。 1 3 4 淬火冷却过程的计算机模拟 淬火冷却过程的计算机模拟就是通过计算机将淬火过程的一般规律用数学方 法加以描述，真实地再现工件的淬火冷却过程，从而实现对实际淬火冷却的控制， 并最终准确预测淬火效果。 本世纪7 0 年代，日本、英国、前苏联就开始了热处理数值模拟的研究。国外 对这方面的研究起步较早，成果较多。近年来国内在此方面的研究方兴未艾。胡 明娟等在界面条件突变的淬火过程中非线性三维温度场和组织转变的计算机模拟 中实现了双液淬火等淬火过程的模拟【”】。张立文等用有限元法对大锻件淬火过程 江苏大学硕士学位论文 的瞬态温度场进行了计算研究 1 6 j 。潘健生等用有限元法对工件淬火冷却时瞬态温 度场与相变计算机模拟进行了研究 】，但未考虑淬火冷却过程中的系列影响因 素。淬火冷却过程的模拟，属于高度非线性瞬态问题，许多问题有待深入研究。 1 4 现有淬火冷却设备和发展趋势”射 过去热处理行业的研究方向多集中在热处理加热设备上。近几年来对淬火冷 却介质的研究开发也取得了可喜的成绩，但是对淬火冷却设备方面的研究报道却 较少，这在很大程度上制约了淬火冷却设备的改造与更新，从而影响淬火产品质 量的提高。而淬火槽的结构设计对于工件的淬火质量影响是非常大的。 目前国内淬火槽大致有两种类型 1 9 】，一种是位于自动生产线中的连续式淬火 槽，工件经过传送机构送入各种加热炉中处理，随后被传送到淬火槽中，完成淬 火过程。这类淬火槽大多有控温( 加热、冷却) 、搅拌功能，如网带炉、推杆式气 体渗碳炉、密封箱式炉等的淬火油槽。另一种主要是针对目前量大面广的周期式 热处理炉用的周期式淬火槽。这些淬火槽性能单一，有的工厂仅用一个简单的槽 体，有的在槽内装有蛇形冷却管、加热器、升降台等设施，甚至有的工厂为了搅 拌淬火油而向槽中通压缩空气严重影响了工件的淬火质量。很少有根据工件冷却 性能要求设计的淬火槽，导致工件淬火质量差而不稳定。 新型淬火槽的作用除实现钢的淬火冷却，达到所要求的组织和性能；还应该 避免工件在冷却过程中开裂和减少变形。一般对于淬火冷却设备的基本要求是： 能容纳足够的淬火介质，以满足吸收高温工件的热量的需要；能控制冷却 介质的温度、流量和压力等参数，以充分发挥淬火介质的功能：能造成淬火介 质与淬火工件之间的强烈运动，以加快热交换过程；设置淬火件浸液、输送及 完成淬火工业过程的机械装置，实现操作机械化；提高淬火过程的可控程度， 如控制淬火冷却各阶段的冷却能力，实现淬火工业过程的计算机控制；设置介 质冷却循环系统，以维持介质温度和运动；防止火灾、保护环境和安全生产。 1 5 本课题研究意义和主要内容 1 5 1 课题研究意义 金属材料热处理冷却过程是一个极其复杂的过程，涉及了金属学和物理冶金 1 4 江苏大学硕士学位论文 学、传热学、弹塑性力学等学科内容。浸液淬火冷却是目前生产领域应用最为 广泛的方法，同时也是存在问题最多、研究难度最大的领域之一，已成为目前热 处理领域研究的热点之一。 生产实践表明，淬火过程是热处理工艺中返修率最高和废品率最高的工序， 是热处理质量控制中最难掌握的环节，它涉及到试件的温度场、显微组织场、应 力( 应变) 场和介质的流场等，实际测量和理论分析难度都很大。因此，淬火过 程的深入研究对工程实际有重大的指导意义。 当前热处理生产的质量控制处理依靠生产过程的自动化( 消除人为因素的影 响) 、工艺参数的严格在线控制和工艺效果的计算机模拟来实现，还力求实现过程 控制的自适应化和智能化。热处理技术的先进程度是保证机械制造技术先进与否 和保证产品质量的最关键的因素。传统的热处理技术不能对生产的结果进行精确 的定量的预测。热处理工艺的制订在很大程度上依赖于现场工程技术人员的经验， 难免带有不同程度的盲目性，影响到热处理质量的精确控制。经验型的热处理技 术将成为企业信息流自动化的瓶颈。 传统的热处理是一种经验型的技术，迫切需要将处理改造为基于知识的热处 理技术，其主要特点是能够准确预测零件热处理后组织场、性能场和残余应力场， 以及材料的成分、冶金质量、工件的形状和尺寸，其他的加工工序对热处理结果 的影响。钢与淬火介质的换热过程和影响因素十分复杂，现有的模型和计算方法 和测试技术都远远不足以描述淬火冷却过程的复杂性。 1 5 2 主要研究内容 本文试图通过量化控制来改变淬火介质冷却特性，实现可控淬火工艺的新观 念，并以n h b 水溶性聚合物淬火介质进行了较为系统的测试研究，将聚合物淬 火介质的三要素作为三个控制参数，较好地实现了可控冷却淬火，从而对淬火硬 度分布进行控制，并通过计算机数值模拟淬火过程来对淬火硬度分布进行预测。 量化淬火的基本思路是通过对单一淬火介质进行量化控制，调整其冷却特性，实 现淬火过程的可控冷却。为了简化该问题的复杂性，和实现对工件淬火过程的直 接控制以及调整淬火介质冷却特性的目的，本文主要针对4 5 钢圆柱体试样的实际 淬火过程进行试验。 同时用a n s y s 软件对4 5 钢圆柱体试样淬冷过程温度场进行了数值模拟，考 1s 江苏大学硕士学位论文 虑了换热系数和相变潜热的非线性影响。提出了可控淬火工艺设计的思想和措旌， 提高零件淬火的工艺质量，并提出现有主要淬火冷却系统相应的改进或重新设计 思想和技术建议。探索了淬火过程的一般规律，对于淬火效果( 硬度分布等) 的 控制和预测具有重要意义。 主要研究内容包括：研究常用淬火冷却介质的冷却性能，探索调整其冷却 能力的方法；优质碳素结构钢和合金结构钢在常规淬火条件下的淬透性( 以4 5 钢为主要试验材料) ；考察不同直径不同材料在改变冷却条件时的淬透性情况， 选用的淬火介质有水，2 0 # 机油以及n h b 聚合物水溶液：考察施加不同措施 改变淬火强度后试件材料的响应；提出典型圆柱体工件淬硬层深度可调的冷却 工艺概念和实施方法；用a n s y s 有限元分析软件对典型圆柱体试件瞬态温度 场进行数值模拟；提出现有淬火冷却系统相应的改进或重新设计思想。 江苏大学硕士学位论文 第二章淬硬层深度的可控试验 淬火是希望得到具有较高硬度表层或一定硬化层深度的工件，从而满足零件 表面耐磨及受力后有较高疲劳强度的要求。影响零件淬硬层深度的因素有钢的化 学成分、零件尺寸、淬火温度和冷却介质等，通过调整这些因素可以获得不同的 淬硬层深度，本章主要研究与淬火介质相关的因素对淬硬层深度影响的一般规律。 机器零件制造中最常用的是4 5 钢和4 0 c r ，它们大多需要经过热处理，并且都 有一定的精度要求。本章选择不同直径的4 5 钢圆柱体试样，通过控制其淬火条件 ( 包括淬火介质温度、浓度以及搅拌程度等) 来进行淬火试验，观察金相组织， 并绘出淬火后试件截面的硬度分布图，总结了如何通过改变淬火条件来对淬火结 果( 组织与硬度) 进行预测与控制。试验的淬火介质有水，2 0 # 机油以及n h b 聚 合物水溶液。 2 1 钢的淬透性 钢的淬透性及淬透性曲线在合理选用钢材、预测淬火组织性能和制定热处理 工艺等方面都有重要价值。应用淬透性基本原理可以可靠地预测钢件的硬度和显 微组织。有关钢淬透性的基本原理接受了时间的考验，然而尚缺少某些影响淬透 性的各冶金变量之间相互作用的较为定量的数据。近年来用电子计算机对大量淬 透性数据进行回归分析的尝试相当成功 2 0 l 。 钢的淬透性不仅表示钢通过冷却获得马氏体的能力，而且还包括淬透性同钢 件尺寸、冷却条件和化学成分之间的定量关系，以及将其应用于钢种设计和替代、 零件设计和选材、冶炼质量的控制、热处理工艺的编制等方面的一整套技术。钢 的淬透性是决定淬硬层深度的最关键也是最活跃的因素。 淬透性技术不但为控制和提高产品质量所必需，而且同不断提高生产率和经 济效益直接相关，因而越来越受重视。我国对淬透性的基础技术研究和基本数据 的积累都比较薄弱，而关于淬透性技术的生产应用则更是处于初级阶段。可以说， 淬透性技术的开发和应用已成为我国当前钢材生产和机械设计与制造工艺领域中 的一个薄弱环节。 江苏大学硕士学位论文 2 1 1 淬透性测定的硬度曲线法 钢的淬透性通常用标准试样在定的条件下淬火能够淬硬的深度或能够全部 淬透的最大直径来表示。金相法测定有效硬化层深度是从零件表面测至5 0 马氏 体组织处。即从表面淬火区组织马氏体加少量残余奥氏体，到过渡区组织马氏体 加其他组织中的马氏体5 0 处。这种方法只能定性的确定出淬硬层的区域，而不 能准确地反映出淬火后零件有效硬化层深度。 顶端淬火试验法是1 9 3 8 年w e j o m i n y 和a l b o e g h i d 建议采用的。端淬试验 ( g b 2 2 5 8 8 ) 是目前世界上应用最为广泛的淬透性试验方法。印度学者m u r t h y 提 出了“淬透性试验的新方案”，称为n o r i 方案【2 ”，同时指出了端淬试验的不足： j o