（光学工程专业论文）锻造e级钢钩尾框热处理技术研究.pdf

j e 宝銮迪厶堂亟堂僮j 盆塞虫塞垣至 中文摘要 随着列车牵引吨位的增加和运行速度的提高，铸造钩尾框的断裂故障显著增 加，给铁路运输安全带来了严重隐患，改善钩尾框性能已经成为亟待解决的问题。 锻造钩尾框缺陷少、性能优良，使用寿命明显增大，目前铁路行业正在大规模推 广。 本文研究了锻造e 级钢钩尾框的热处理技术，采用实时测温技术确定了锻造e 级钢钩尾框批量生产的合理的热处理工艺规范，并通过计算机模拟优化方法确定 了e 级钢材料的最佳热处理工艺参数。同时还研究了锻造e 级钢钩尾框的淬火技 术，设计了适用于钩尾框淬火冷却的带有搅拌冷却控制系统的淬火槽。 研究结果表明：采用实时测温技术确定的锻造e 级钢钩尾框热处理工艺规范 科学合理，依据该规范对钩尾框进行调质热处理后，材料组织为均匀的回火索氏 体，组织和性能指标均达到铁道部有关的技术要求：e 级钢材料采用优化的调质热 处理工艺参数进行热处理后，其性能在保持高塑性的同时，强度明显提高8 3 ； 带有搅拌冷却控制系统的淬火槽可以控制工件的冷却速度，提高并稳定工件的热 处理淬火质量。基于锻造e 级钢钩尾框调质热处理进行的热处理技术研究工作为 其它热处理工艺或工件提供了新的研究思路和技术方向。 关键词：钩尾框；实时测温；热处理工艺规范；e 级钢；淬火槽 分类号：t g l 6 2 7 9 j e 塞窒垣厶堂亟主堂位监塞旦s ! 堑疆 a b s t r a c t w i t ht h ei n c r e a s eo f t r a c t i o nl o a da n dr u n n i n gs p e e df o rt r a i n , t h ef r a c t e df a i l u r eo f c a s t i n gc o u p l e ry o k er i s es i g n i f i c a n t l y , w h i c hb r i n g ss e v e r es e c u r ei n c i p i e n tf a u l tt o r a i l a g e ，a n di m p r o v i n gc o u p l e ry o k e sp r o p e r t yh a sb e c o m eo n eu r g e n tp r o b l e mt o r e s o l v e h e a tt r e a t m e n tt e c h n i q u eo ff b r g e dg r a d ees t e e lc o u p l e ry o k eh a sb e e ns t u d i e di n t h i sp a p e r , i nw h i c ht h er e a l t i m et e m p e r a t u r em e a s u r i n gm e t h o di su t i l i z e dt od e t e r m i n e t h er e a s o n a b l eh e a tt r e a t m e n tr e g u l a t i o nf o rm a s sp r o d u c t i o no ff o r g e dg r a d ees t e e l c o u p l e ry o k ca n dh e a tt r e a t m e n tp a r a m e t e r sa r eo p t i m i z e db yu s i n gt h es o f t w a r eb a s e d o i lo p t i m i z a t i o nd e s i g nm e t h o da n dc o m p u t e rs i m u l a t i n gt e s t m e a n w h i l e , q u e n c h i n g t e c h n i q u eo ff o r g e dg r a d ee s t e e lc o u p l e ry o k eh a sb e e ns t u d i e da n dt h eq u e n c h i n gt a n k w i t ht h ea g i t a t e dc o n t r o ls y s t e mu s e di nf o r g e dc o u p l e ry o k e sq u e n c h i n gi sd e s i g n e d t h er e s e a r c hr e s u l t ss h o wt h a tt h eh e a tt r e a t m e n tr e g u l a t i o nw h i c hh a sb e e n d e t e r m i n e db yt h er e a l - t i m et e m p e r a t u r em e a s u r i n gm e t h o di ss c i e n t i f i ca n dr e a s o n a b l e a f t e rh e a tt r e a t m e n to i lt h eb a s i so f t h i sr e g u l a t i o n ，t h em i e r o s t m e t u r eo f f o r g e dc o u p l e r y o k ei ss y m m e t r i c a lt e m p e r i n gs o r b i t ea n d t 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 m e e tt h en e e do f r a i l w a y t h es t r e n g t ho fg r a d ees t e e lt r e a t e db yo p t i m i z e dp a r a m e t e r s h a sr a i s e db y8 3 a th i g hp l a s t i c i t yl e v e l t h eq u e n c h i n gt a n kw i t ht h ea g i t a t e dc o n t r o l s y s t e mc a n c o n t r o lt h ec o o l i n gs p e e do f w o r k p i e c e s ，i m p r o v ea n ds t a b i l i z et h eq u e n c h i n g q u a l i t yo fw o r k p i e e e s ，r e s e a r c ho i lh e a tt r e a t m e n tt e c h n i q u eo ff o r g e dg r a d ee s t e e l c o u p l e ry o k ep r o v i d en o wi d e a sa n dt e c h n i c a l d i r e c t i o nt oo t h e rh e a tt r e a t m e n t t e c h n o l o g ya n dw o r k p i e c e s k e yw o r d s ：f o r g e dc o u p l e ry o k e ；r e a l - t i m et e m p e r a t u r em e a s u r i n gm e t h o d ；h e a t t r e a t m e n tr e g u l a t i o n ；g r a d ees t e e l ；q u e n c h i n gt a n k c l a s s n o ：t g 】6 2 7 9 致谢 本文的研究工作是在导师韩建民教授的悉心指导下完成的，从论文的选题、 方案的设计直至论文的完成，导师都给予作者极大的支持和鼓励。韩老师严谨、 务实、灵活的工作作风以及严于律己、宽以待人的道德修养使作者受益匪浅，在 此对韩老师两年多来的辛勤培养表示衷心的感谢。 论文的顺利完成离不开副导师李卫京高工的帮助和指导。在笔者的学习、工 作及生活上李老师都给予了无微不至的关怀和帮助，在此表示衷心的谢意。 还要感谢原北方交通大学校长王金华教授在作者论文选题及方案制定过程中 的悉心指导，以及试验实施过程中的鼓励与帮助。 实验室技师陈怀君思维灵敏，动手能力很强，在试验实施阶段给予作者很大 的启发与帮助，在此深表谢意。 在课题研究过程中，还得到李强教授、王文静博士、邹华硕士三位老师的帮 助和指导，以及师兄崔世海博士、杨智勇博士和师弟詹远光、郭光辉、方军、自 利国以及万伟伟、王鸽鸽、余成树等同学的热情帮助，在此一并表示感谢。 另外也感谢父母和家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学 业。 j b 立銮适厶堂亟堂焦论塞l 绪论 1 绪论 钩尾框是铁路车辆车钩缓冲装置中的重要配件。车钩缓冲装置位于机车或车 辆两端，是用于实现相互连挂、传递牵引力或压缩力及缓和纵向冲击的部件，由 车钩、钩尾框、缓冲器和其他配件组成【l 】( 图1 1 a ) 。车钩缓冲装置安装在底架两 端的牵引梁内( 图1 1 b ) 。机车或车辆承受冲击时车钩受压并推动钩尾框和前从板 向后移动，冲击力经缓冲器传至后从板，此时后从板为后从板座所阻挡不能移动。 列车牵引时车钩受拉，通过钩尾销带动钩尾框和后从板向前移动，牵引力经缓冲 器传至前从板，此时前从板为前从板座所阻挡不能移动。在这两种情况下，缓冲 器都会受到压缩，起吸收能量、缓和纵向冲击的作用，并把冲击力或牵引力传给 牵引梁。从力的传递过程可知，钩尾框在牵引时传递拉力，制动时钩尾框仅对从 板和缓冲器起定位和导向作用而不直接传递压缩力。由此可见，钩尾框的主要作 用是承受纵向拉力以及过驼峰和坡道、弯道或空重车钩高不同由车体产生对钩缓 的附加载荷，尤其在重车起步及制动缓解工况下，钩尾框将承受巨大的拉伸力。 列车运行过程中钩尾框的裂损将会引起车体分离等严重事故，造成巨大的经济损 失甚至人员伤亡。为了保证钩尾枢有足够的抗拉强度和疲劳极限而满足其在恶劣 工况下的可靠应用，目前铁路行业使用c 、e 级铸钢或锻钢作为生产钩尾框的原材 料。 1 一车钩；2 一钩尾框；3 一钩尾销；4 一前从板； 5 一缓冲器；6 一后从板 ( a ) 结构组件 1 - - c o u p l e r ；2 - - c o u p l e ry o k e ；3 - - c o u p l e r y o k ek e y 4 - - f r o n tb o a r d ；5 - - b u m p e r ；6 - - b a c kb o a r d ( a ) c o m p o n e n t s i 立童遒厶堂亟竺焦! 金塞l 绪i 金 1 一车钩缓存装置；2 一冲击座；3 一牵引粱；4 一前从板座； 5 钩尾框托板；6 一后从板座 ( b ) 安装形态 1 - - c o u p l e r b u f f e r i n gd e v i c e ：2 - - i m p i n g e m e n ts e a t ：3 一p u nb e a m ； 4 - - f r o n tb o a r ds e a t ；5 - - c o u p l e ry o k cp a l l e t ；6 - - b a c kb o a r ds e a t c o ) m o u n t i n gf o r m 图1 - 1 车钩缓存装置 f i g 1 1c o u p l e rb u f f e r i n gd f f v i c c 随着列车牵引吨位的增加和运行速度的提高，车辆在运行中由纵向冲击及交 变载荷引起的振动显著增大，车辆配件磨损严重，特别是钩尾框的断裂故障呈上 升趋势，给铁路运输安全带来了严重隐患f 2 j 川( 表1 1 ) 。而目前铁路行业大都采用 传统的铸造钩尾框，由于气孔、砂眼、裂纹等铸造缺陷的存在导致其裂纹萌生， 缩短了使用寿命，已经不能满足高速铁路应用的需要。锻造钩尾框因缺陷少、性 能优良，使用寿命明显增大，目前铁路行业正在大规模推广，如图1 - 2 所示。 钩尾框由铸钢改为锻钢后，热处理质量成为影响其获得优良性能的重要因素。 目前钩尾框的热处理均采用淬火加高温回火的调质热处理工艺。调质热处理可以 有效改善钩尾框基体组织，提高机械性能，并保证其性能的稳定性，但同时锻造 钩尾框的热处理也存在一些问题。目前我国大多数铁道车辆零部件生产企业尚不 具备良好的淬火热处理技术，如淬火槽容量核算、淬火槽温度调节和控制技术、 搅拌冷却技术、实时测温技术等均与国外存在较大的差异，所制定的热处理工艺 规范尚缺乏科学的依据等。特别是热处理工艺参数不尽合理、淬火冷却效果欠佳 等问题对材料的性能造成不良的影响。总之，由于制定热处理工艺规范大多依赖 于经验和简单的组织性能测试，导致现有工艺规范的科学性和合理性欠佳，已不 能有效地用于生产，满足大批量生产的需要。 为了解决目前锻造钩尾框热处理存在的这些问题，本文受我国目前唯一的进 行大批量锻造钩尾框生产企业的资助，开展制定其热处理工艺规范、热处理工艺 参数优化和淬火技术等研究工作，期望本文的工作能对我国锻造钩尾框调质热处 理技术的改进作出贡献，并对其它产品的调质热处理技术进步提供一般的指导意 2 鏖銮煎厶堂亟主竺缱论塞! 绪i 金 义。 表1 - 1 提速前后段修统计的裂损件 t a b l e1 - 1r h e g m ab e f o r ea n da f t e ri n c r e a s i n gs p e e d ( a ) 铸造钩尾框断口c o ) 锻造钩尾框全貌 ( a ) f r a c t u r eo f c a s t i n gc o u p l e ry o k e ：( b ) p a t t e r no f f o r g e dc o u p l e ry o k e 图1 - 2 铸、锻造钩尾框形貌 f i g 1 - 2p a t t e r n so f t h ec a s t i n ga n df o r g e dc o u p l e ry o k e 1 1 锻造钩尾框热处理技术概述 1 1 1 热处理工艺规范的制定方法及测温技术 热处理工艺规范嘲就是工件在热处理过程中应遵循的统一的技术准则、方法和 基本要求，是工程技术人员在热处理过程中应遵守的企业级生产标准。热处理工 艺规范主要包括工艺参数、设备操作等一系列影响热处理生产质量的要求。调质 热处理是生产调质钢的重要技术手段，其工艺规范的合理性对保证工件获得优良 性能起着决定性的作用。目前大多数研究单位和企业制定热处理工艺规范的方法 是：先根据材料的工艺要求和实际的生产条件，利用经验草拟一个工艺规范，然 后进行生产试验并对热处理后材料的组织和性能进行检测，以检测结果为判据修 改和完善初始制定的工艺规范。不断重复这个过程，直到工艺规范最终满足生产 要求。这种传统的方法缺乏科学性，所制定的热处理工艺规范往往难以确保批量 3 j e 夏銮遭厶堂亟望僮垃塞! 缝j 金 生产时的热处理效果。它的不足主要体现在两个方面： 1 盲目性大，适应性差。这种方法的原理是根据热处理效果来不断修正工艺 规范。随着实际生产要求和生产条件的改变( 如工件装炉量的改变、加热炉的更 换或者淬火介质参数的变化等) ，技术人员需经过数次生产试验，摸索和总结才能 得到较合理的工艺规范，用于实际生产。因此，这种盲目性大和适应性差的问题 将导致企业造成大量的人力、物力和财力浪费。 2 不能保证批量生产的热处理效果。一方面，在加热过程中，炉内的温度分 布是不均匀的，不同的工件具有不同的加热速度和加热温度；另一方面，在冷却 过程中，工件入水后不同位置处的工件以及同一工件的不同位置的冷却条件也不 尽相同。因此，热处理条件的不一致导致了批量生产工件性能的不一致。而检验 热处理效果，制定热处理工艺规范时，不可能对所有的工件都做性能试验。技术 人员没有充分的依据来确保所有热处理工件的性能都在要求的误差范围内，从而 不能保证批量生产中稳定的热处理效果。 究其原因，这种制定工艺规范的方法的特点是依据经验、从局部出发，根据 试验结果来调整热处理工艺规范，缺乏足够的科学性。因此，要解决目前存在的 这些问题，必须根据热处理工艺的特点，探讨科学地制定热处理工艺规范的方法。 温度是影响工件热处理效果的最主要的因素，热处理过程中温度的细小变化 对热处理材料的内部结构以及其力学性能有显著的影响，因此对热处理过程的加 热温度和出炉、冷却过程的温度变化的准确检测和监控也就成了制定合理热处理 工艺规范的关键环节。目前，国内外热处理温度测量方式有接触式和非接触式两 大类1 5 , 6 ； 1 接触式测温法即将传感器置于与物体相同的热平衡状态中，使传感器与物 体保持同一温度。例如基于介质受热膨胀原理的水银温度计、压力式温度计和双 金属温度计测温等；还有利用物体电气参数随温度变化的特性来检测温度的热电 阻、热敏电阻、电子式温度传感器和热电偶测温等。接触式测温仪表比较简单、 可靠，测量精度较高；但因测温元件与被测介质需要进行充分的热交换，需要一 定的时间才能达到热平衡，所以存在测温的延迟现象，同时受耐高温材料的限制， 不能应用于很高的温度测量。 2 非接触式测温是通过热辐射原理来测量温度的，测温元件不需与被测介质 接触。这种测温方法可利用物体的表面热辐射强度与温度的关系来检测温度，有 全辐射法、部分辐射法、单一波长辐射功率的亮度法及比较两个波长辐射功率的 比色法等。例如全辐射温度计、光学高温计、红外光电高温计测温法等。非接触 式仪表测温的范围广，不受测温上限的限制，也不会破坏被测物体的温度场，反 应速度一般也比较快；但受到物体的发射率、测量距离、烟尘和水气等外界因素 4 j e 塞銮迪盔堂亟圭堂僮监塞! 绪论 的影响，其测量误差较大。 这两种测温方法都被普遍应用于国内企业的热处理测温过程中。但无论对于 哪一种测温方式，大多数企业的热处理测温都存在共同的问题：温度传感器始终 固定在加热设各或其它静止的热处理设备上，而不是固定在工件上并随工件运动。 这种情况导致了采集到的温度数据并不能代表工件的真实温度，并且很难准 确测量工件出炉、淬火冷却等过程的温度变化情况。 针对以上热处理测温和制定热处理工艺规范的状况和存在的问题，本文提出 了以下测温和制定热处理工艺规范的方法：采用基于接触式测温原理的实时测温 技术，连续测量加热和冷却过程中一次装炉量中不同位置的工件和工件上不同部 位的温度数值，对所测得的温度数据进行处理和分析，得出工件在加热和冷却中 的实际温度分布和变化情况，以此为基础来确定热处理过程中的工件装炉数量的 合理性、加热温度和保温时间、入水温度和时间、在水中的停留时间等各项工艺 参数，从而制定出科学合理的热处理工艺规范。实时测温技术是计算机技术在热 处理领域的一个典型的应用，其中包括三个模块：测温元件、测温元件的联接技 术和数据采集系统。测温元件采用美国生产的k 型镍铬镍硅热电偶，它由耐高温 纤维材料制成，可承受1 0 0 0 以上的高温，克服了传统接触式温度传感器因材料 限制不能应用于高温测量的不足。数据采集系统基于热处理过程温度监控的特点 及要求，采用组态设计编程的思想，通过力控组态软件来设计温度监控界面和实 时数据库系统 7 , 8 k 1 ，硬件组成如图1 3 。该系统以计算机为中央控制中心，信号采 集与输出均采用分散式远程f o 模块( 它主要完成上层软件与现场控制站之间数据 信号的转换和缓存) ，并通过隔离的r s 2 3 2 r s 4 8 5 转换模块实现计算机与工控网 络的通讯。采用该结构及模块使控制网络及布线大为简化，增强了系统的可靠性， 并且具有良好的扩展性。 n熟 路电 总 热热偶 线 控 处电数转 制 理偶据 换计 过温 采 模 算 程 度 集 块 机 信模 号块 图1 3 系统硬件组成框图 f i g 1 3t h e 曲i l l es e h e n m t i c so f s y s t e mh a i d w a r c 5 j t 瘟銮道太堂巫土堂焦论塞! 绪 i 金 比起传统的温度监测方法，实时测温技术存在以下优势： 1 测量的温度具有真实性。传统的测温方法热电偶是固定在炉内的关键点， 测出的温度只是加热时炉膛内有代表性位置的温度，不代表工件实际的温度，并 且此方法不能测量工件淬火冷却过程中的温度；而实时测温是把热电偶安放在工 件上，可以安放在一次装炉量的不同位置的工件上和同一工件的不同位置，理论 上说可以安放无数个点。这种测温方法的最大特点是可以测量工件加热和冷却两 个过程的实际温度，测试的温度数值是工件上的实际温度，可为制定合理的热处 理工艺规范提供科学的依据。 2 连续测量温度、信息量大。传统的测温方法只能测试炉内温度，不能测试 出炉和冷却过程中工件的温度，因此只测试了整个热处理过程中的一部分温度， 不能提供足够的温度信息；而实时测温利用计算机技术，能连续测量加热和冷却 过程中不同热电偶连接点的温度值，并绘制出温度变化曲线，测量数据均自动存 储在数据库中。测量工件出炉和淬火冷却时的温度变化对制定热处理工艺规范具 有重要意义。 利用实时测温技术来制定热处理工艺规范的方法可以很好地解决传统方法存 在的问题。把实时测温技术运用在生产中，通过分析工件在热处理过程中的温度 变化情况并结合性能检验结果，一方面，技术人员可以非常有针对性地调整热处 理工艺规范来适应各种生产条件的变化，大大减少了生产试验的次数，提高了生 产效率；另一方面，工程技术人员可以具体判断工件的温度变化是否在一个合理 的范围内( 如l i 每界转变的温度或时间的变化关键点是否合理) ，从而对批量生产时 的热处理温度变化做出准确合理的判断，以此来调整工艺规范。 国外采用实时测温技术制定热处理工艺规范技术己得到一定的应用，而国内 尚未见到相关的报道。本文把实时测温技术应用到对锻造钩尾框的热处理中，通 过测量加热和冷却过程中炉内不同位置和钩尾框不同部位处的温度，通过分析温 度变化规律并结合试样的组织和力学性能结果，来确定锻造钩尾框批量生产的合 理的热处理工艺规范。 1 1 2 热处理参数的优化设计 除了淬火冷却速度以外，调质热处理过程中影响热处理质量的参数主要有淬 火加热温度和时间、回火加热温度和时间四个参数。相同材料，不同温度以及不 同的保温时间下所得的组织结构都有一定的区别，从而也将影响材料的性能。如 果加热不当，将发生组织转变达不到要求，还会出现氧化、脱碳、过热、过烧等 缺陷，将会降低热处理质量和工件的使用寿命，甚至造成使用中的重大事故。因 6 j e 塞銮遵厶鲎亟堂僮盗塞! 绪论 此，合理制定加热、保温参数，严格控制加热温度和时问，获得要求的组织，防 止可能产生的各种加热缺陷，是非常重要的。以往技术人员确定热处理参数的方 法是：利用正交试验，线性规划等方法，通过选取不同的参数值进行试验。然后 根据性能检测结果从中选取较优参数。但这种方法存在诸多问题【l o 】： 1 所得结果是设计变量的某个取值点，不能适应实际生产要求。将这样的结 果应用于生产控制时，需人为地规定热处理参数的取值范围或控制公差带，因为 生产中只能把温度和时间等参数控制在某一范围内而不是某一个点。热处理参数 的变化必将引起性能指标的变化，因此对优化取值点人为地规定其变化范围，在 实际应用中难以取得最优的效果。 2 正交试验、线性规划等方法在处理多元设计变量和带有函数约束条件的优 化设计问题时，求解过程相当复杂，甚至无法求解。 因此，这种传统的确定热处理参数的方法已经不能满足生产需要，亟待改进。 近年来随着计算机技术的不断发展，优化设计方法取得了巨大的发展 1 1 , 1 2 , 1 3 1 。优化 设计( o p t i m a ld e s i g n ) 是从6 0 年代初期开始发展起来的一门新的学科，它是最优 化技术和计算机技术在设计领域应用的结果。优化设计为工程设计提供了一种重 要的科学设计方法，在解决复杂设计问题时，它能从众多的设计方案中找到尽可 能完善的或最适宜的设计方案。工程设计上的“最优值”( o p t i m u m ) 或“最佳值” 系指在满足多种设计目标和约束条件下所获得的在设计变量范围内的最优值。它 反映了人们的意图和目的，这不同于数学中的极值或最大值和最小值。但在很多 情况下，也可以用最大值或最小值来代表最优值。最优值的概念是相对的，随着 科学技术的发展以及设计条件的变动，最优化的标准也将发生变化。也就是说， 优化设计反映了人们对客观世界认识的深化，它要求人们根据事物的客观规律， 在一定的物质基础和技术条件下充分发挥人的主观能动性，得出最优的设计方案。 最优化技术是优化设计全过程中各种方法、技术的总称。它主要包含两部分内容： 优化设计问题的建模技术和优化设计问题的求解技术。如何将一个实际的设计问 题抽象成一个优化设计问题，并建立起符合实际设计要求的优化设计数学模型， 这就是建模技术中要解决的问题。建立实际问题的优化数学模型，不仅需要熟悉、 掌握优化设计方法的基本理论、设计问题抽象和数学模型处理的基本技能，更重 要的是要具有该设计领域的丰富设计经验。此外，在进行优化设计求解过程中， 要不断地分析实际问题与数学模型之间存在的差距，不断地修正优化设计数学模 型。只有这样，才可能建立起正确的数学模型，求解得到的最优解才有实际意义。 优化设计将从传统的优化设计向广义优化设计过渡。广义优化设计在基本理 论上应是常规优化设计理论、计算机科学、控制理论、人工智能、信息科学等多 学科的综合产物；在求解问题的类型上有数值型和非数值型问题，设计变量也可 7 a e 基銮遵鑫堂亟堂擅i 金塞l 绪j 金 以有多种类型；在方法上应是多种算法互补共存；在实现上应是将多个方法、多 个工具、多个软件系统无缝集成在一起形成具有统的、使用方便的、功能齐全 的最优化设计集成环境。 与传统优化设计相比，应用计算机进行优化设计具有如下三个特点： 1 设计的思想是最优化设计，需要建立一个正确反映设计问题的数学模型； 2 设计的方法是优化方法，一个方案参数的调整是计算机沿着使方案更好的 方向自动进行的，从而选出最优方案； 3 设计的手段是计算机，由于计算机的运算速度快，分析和计算一个方案只 需几秒以至于分之一秒，因而可以从大量方案中选出“最优方案”。 本文采用计算机模拟试验优化方法优化热处理工艺参数【1 1 ，1 4 1 ，该方法可在优化 过程中考虑到工艺参数的变化对性能指标的影响，通过计算机模拟开炉试验，选 出具有一定变化范围的设计变量取值。由于在优化计算中考虑了设计变量的变化 对设计指标的影响，使得理论计算结果更加接近实际情况，因而可将优化结果直 接作为生产控制参数指导生产过程。而且，该方法对多元设计变量和带有函数约 束条件的优化设计问题，优化计算简单易行。 计算机模拟试验热处理优化方法最终需要编写优化软件来实现。目前的优化 设计应用软件都存在一定的局限性。例如：优化设计软件应把各种优化设计模型、 各种优化方法及一些其他辅助功能集成为一个有机的整体，以便用户使用。但现 有许多通用的优化设计应用软件和专业联系并不是十分紧密，可视性、可操作性 不是很好。当用户迸行实际优化设计时，不仅必须创建自己复杂的数学模型，而 且要编制一些程序，然后调用软件中的某一优化子程序。这就要求用户除了必须 熟悉编程环境外，还要对程序库本身有一定的了解，这使设计人员的工作量加大， 阻碍了优化设计的推广和应用。有些专用的优化软件虽然与专业设计联系十分紧 密，但优化模型的针对性太强，优化设计模型与优化方法都比较单一。而面对千 差万别的材料设计闯题，要求优化模型及优化方法具有多样性。同时，现有的优 化软件考虑软件的扩展性较少，使用很不方便，甚至无法求解。因此，本文作者 利用计算机模拟优化试验的思想编写了材料参数优化软件o p t i m u md e s i g n ，解决了 目前存在的优化软件存在的上述问题。该软件具有很强的通用性和可操作性。它 不但可以优化热处理工艺参数，还可以优化材料的其他参数，如化学成分等，并 具有简单易用的图形用户界面。 本文利用所编写的优化软件对影响锻造钩尾框热处理质量的淬火和回火中的 有关参数进行优化设计，最终找出使钩尾框性能达到最优的参数集合。 1 1 3 淬火技术及其应用 j s 塞窑堑厶堂亟茔僮论童! 绪论 调质热处理工艺中的淬火冷却过程对产品质量也有着极为关键的影响。淬火 是把钢加热到临界温度以上，保温一定时间，然后以大于临界冷却速度进行冷却， 从而获得以马氏体为主的不平衡组织( 也有根据需要获得贝氏体) 的一种热处理 工艺方法1 5 。淬火冷却是淬火工艺的重要内容，淬火冷却不当，将直接影响淬火质 量，甚至报废。丽淬火冷却是在淬火介质中进行的，因而正确选择淬火介质是保 证淬火质量的关键。理想冷却曲线是选择淬火介质的理论依据( 5 , 1 5 1 ，如图1 - 4 所示。 为了获得好的淬火冷却效果，在6 5 0 以上的高温区，允许以较慢的速度冷却，以 减少工件因内外温差而引起的热应力；而在过冷奥氏体不稳定的6 5 0 4 0 0 的中 温区，要以超过l 脑界冷却速度u 。的速度冷却，以保证奥氏体过冷而不分解；低于 4 0 0 特别是在m s 点以下应缓慢冷却，以减少组织应力。这样，即可保证获得马 氏体组织，又可防止因快冷产生过大的内应力引起变形开裂。 在实际生产中，淬火一般采用连续冷却的方式0 5 , 1 6 1 ，用c u r 曲线( 过冷奥氏 体的连续冷却转变曲线) 表征这一冷却转变过程。如图1 5 所示，在过冷奥氏体的 低温定区( 即c c t 曲线的“鼻尖”附近) ，亚共析钢以大于临界冷却速度v 。的速 度冷却时，由于遇不到珠光体转变线，得到的组织为马氏体；否则，就会析出先 共析铁素体及转变为珠光体和贝氏体。 图1 4 理想的淬火冷却曲线 f i g 1 - 4i d e a lq u e n c h i n gc o o l i n gc u l - v e 图1 - 5 亚共析钢的c c t 曲线 f i g 1 - 5c c t c u r v eo f h y p o e u t e c t o i ds t e e l 工件淬入水中时，其冷却过程可分为膜态沸腾阶段、泡状沸腾阶段、对流阶 段三个阶段阁。如图1 - 6 所示，膜态沸腾阶段( i ) ：赤热工件浸入介质中，立即 在工件表面产生大量蒸汽，形成一层包围工件的蒸汽膜，将工件与液体介质隔开， 只能通过蒸汽膜传递热量，冷速较慢；泡状沸腾阶段( i i ) ：工件表面温度降到一 定值以下，表面所产生的蒸汽量少于蒸汽从表面逸出的量，工件表面的蒸汽膜破 9 j 塞窑堡鑫堂亟土堂焦趁塞! 绪盈 裂，进入泡状沸腾阶段。在此阶段液体介质直接与工件表面接触，冷却速度骤增： 对流阶段( m ) ：一旦工件表面温度降至介质的沸点之下，沸腾停止。此后通过对 流使工件继续冷却，是冷速最慢阶段。 图1 - 6 水的冷却曲线和冷却速度曲线 f i g 1 - 6c o o l i n gc l l l v ea n dc o o l i n gs p e e dc u t v eo f w a t e r 为了得到马氏体为主的不平衡组织，生产中应控制淬火冷却速度。先进的淬 火技术在国外已应用普遍，而目前我国铁道车辆零部件生产企业尚不具备良好的 淬火技术。例如企业在锻造钩尾框的实际淬火过程中就存在诸多问题，如钩尾框 从出炉到入水的时问间隔较大造成一定的温度损失，工件入水后采用移动行车的 方式来改善冷却，水温控制不够稳定等。这些问题的存在最终导致工件淬火质量 的不稳定，如工件表面易产生软点，变形开裂的倾向严重，性能有时候达不到预 期的指标等。甚至由于淬火工艺的失败导致工件的报废，前功尽弃，造成大量的 人力、物力、财力的浪费。导致这些问题的原因归根到底是由于淬火冷却过程中 三个阶段的冷却速度控制不合理，实际冷却曲线不符于理想冷却曲线，最终导致 组织发生珠光体或者其他非预期组织的转变。具体解释为；纯水作为淬火介质， 其冷却能力还是比较强的，但是其冷却曲线与理想冷却曲线相差甚远，即在奥氏 体稳定区冷速慢，在马氏体转变区冷却快。同时，水温发生变化，冷却能力会产 生明显波动。一方面，在膜态沸腾阶段，工件表面形成一层气泡膜，淬火介质因 此很难继续接触工件表面，如果不能及对破坏这些泡沫薄膜，奥氏体低稳定区的 冷却速度就会大大降低，工件的某些部分冷却速度可能会低于临界转变速度而导 致组织发生非预期的转变；另一方面，介质的对流循环较差会导致工件附近的介 质温度远比远离工件的介质温度高，这同样会降低奥氏体低稳定区的冷却速度， 影响淬火质量。 1 0 e 塞窑亟鑫堂亟主堂焦论塞 ! 绪j 金 因此，必须通过合理控制淬火冷却速度来提高工件的淬火质量。针对这些问 题，本文开展了先进淬火技术的研究工作，其中包括淬火槽的设计和搅拌冷却控 制系统的设计。 先进的淬火槽可以通过控制淬火介质的温度、对流和循环能力等，实现可 控制的钢的淬火冷却，获得所需要的组织和性能。而在介质参数一定的情况下， 淬火槽的冷却能力主要取决于冷却系统的设计。为了提高工件的冷却速度，以至 最终提高淬火质量和淬火效率，采用搅拌冷却控制系统是最好的选择。搅拌的作 用有【5 】： 1 提高淬火烈度。由表1 2 可以看出，搅拌可以极大地提高淬火介质从高温 钢件中吸取热量的能力( 即淬火烈度h ) ，其中静止水的h 值为1 0 。 表1 2 淬火烈度与各种介质流动状态的关系 t a b l e1 - 2r e l a t i o n s h i pb e t w e e nq u e n c h i n gi n t e n s i t ya n df l o w a g eo f v a r i o u sm e d i u m s 流动状态空气油水盐水 不搅动 0 0 20 2 5 o 3 00 9 1 02 轻微搅动0 3 0 o 3 51 o 1 12 2 2 中等速度搅动 0 3 5 0 4 0i 2 1 3 良好搅动 0 4 0 0 5 01 4 1 5 强烈搅动 0 0 5 0 0 5 o 8 01 6 2 0 剧烈搅动0 8 0 1 1 4 5 2 提高淬火介质均匀度。搅拌可以使整个淬火槽的介质形成一个较均匀的温 度场和较强烈的介质运动状态，有利于减少工件变形和避免开裂。 3 搅拌不仅能提高冷却速度，而且能改善工件表面冷却的均匀性，使介质的 淬火能力提高，改善淬火效果。 搅拌产生以上作用的原理为：一方面，搅拌水的对流循环使膜态沸腾阶段的 蒸汽膜提前破裂，从而使冷却水尽快与工件表面直接接触；另一方面，搅拌水的 对流循环加快了淬火工件附件的介质和远离工件的介质的热量交换。由于这两方 面原因，组织在奥氏体低稳定区的转变速度增大，向珠光体等非预期组织转变的 可能性减小，搅拌最终改善了水的冷却效果，使其冷却曲线更接近于理想冷却曲 线。 介质搅拌方式的选择主要根据：1 适合实际淬火要求；2 保证零件的淬火质 量；3 在保证零件淬火质量前提下尽量减少能源的消耗。常用的搅拌方式有压缩 空气搅拌、泵循环搅拌、开式叶轮搅拌、管道式叶轮搅拌、离心式叶轮搅拌五种， 如图1 7 。 压缩空气搅拌( 图1 - 7 a ) 是将一定压力的压缩空气通入淬火冷却介质中，使 j 峦銮遒厶堂堡堂焦论塞! 绪i 金 介质剧烈搅动。此方法操作简单，搅动剧烈，但介质的流动方向不易控制，淬火 工件和淬火介质与空气接触较多，以至于冷却速度慢，淬火效率和质量都不高， 所以该方法使用较少。 泵循环搅拌( 图1 - t b ) 是利用水泵使淬火冷却介质流向淬火工件。此方法搅 拌方向性强，冷却介质泵出压力大，进行外循环淬火冷却较方便，在循环通道上 加冷却器有利于介质的冷却，适合于压模淬火和方向性极强的工件淬火。泵循环 搅拌缺点是泵循环搅拌耗能大，不利于大淬火槽的搅拌，搅拌的均匀性不易控制。 开式叶轮搅拌( 图1 7 c ) 是依靠叶轮自身或一个换向板使淬火冷却介质直接 流向淬火区域。此方法搅拌范围宽，搅拌速度可以通过改变搅拌电机速度来改变。 开式叶轮搅拌有利于淬火槽自身淬火介质的循环，但对较大整筐工件的淬火，冷 却分布不够均匀。 管道式叶轮搅拌( 图1 - 7 d ) 是将叶轮搅拌的介质通过管道系统流向淬火工件。 此方法介质流动方向性强，可使整筐工件淬火冷却均匀，从而保证工件的淬火质 量。管道式叶轮搅拌器可通过改变搅拌电机的转速来改变介质的流速，从而改变 其冷速。此方法是值得推广应用的一种方式。 离心式叶轮搅拌( 图1 - 7 e ) ，淬火冷却介质的搅拌形式与管道式叶轮搅拌相似， 只是搅拌的介质流速更大一些。同样可通过改变搅拌电机的转速改变介质的流速。 这种搅拌器设计制造较复杂，因此应用不多。 副一 一 ( a ) 压缩空气搅拌 ( a ) c o m p a s s e da i rs t i r o ) ) 泵循环搅拌 嘞p u m pc i r c u l a t i o ns 血 匿画闺 ( c ) 开式叶轮搅拌 ( c ) e x p o s e di m p e l l e rs t i r ( d ) 管道式叶轮搅拌 ( d ) d u c t - t y p ei m p e l l e rs t i r ( 吩离心式叶轮搅拌 ( e ) r e c e d e dd i 呔i m l u e rs t i r 图1 7 冷却介质常用的五种搅拌方式 f i g 1 - 7f i v es t i rm e t h o d so f c o o l i n gm e d i u m 1 2 j e 塞塞迪厶兰亟至堂焦i 金塞! 绪i 金 本文将开展搅拌冷却技术的研究工作。由于是整框钩尾框的淬火，又考虑到 设计制造成本等因素，所以选择管道式叶轮搅拌方式。通过设计先进的淬火槽以 及搅拌冷却控制系统，可以极大地提高工件的淬火冷却速度，使马氏体组织的转 变能顺利进行，并且可以有效地防止工件的变形和开裂。这种淬火槽还能有效控 制淬火冷却过程中的各种参数，比如说水温、搅拌速度等，能很好地适应工件批 量生产时生产条件和生产环境的改变。 本文开展的先进的淬火技术的研究，目的是提高锻造钩尾框的性能和稳定其 淬火质量，满足实际大批量生产的需要。 1 2 本论文的研究目的和意义 本课题的研究目的是为了解决目前铁道车辆钩尾框热处理技术方面存在的诸 多问题。利用实时测温的方法制定热处理规范技术的研究、带有搅拌冷却控制系 统的先进的淬火槽的设计和应用、热处理参数优化软件的开发和应用等对锻造钩 尾框的研制和生产乃至对提高其它铁道车辆零部件的质量具有重要的意义。 1 利用实时测温技术制定的热处理工艺规范可以提高钩尾框性能和稳定其淬 火质量，满足实际大批量生产的需要。并且这项制定工艺规范的技术通用性强， 可以推广到其他热处理领域，对企业制定科学合理的热处理工艺规范，提高产品 热处理质量，最终提高生产率和经济效益有重要的现实意义。 2 热处理工艺参数优化技术能解决目前钩尾框材料热处理工艺参数选择不合 理的问题，优化的结果可以作为工艺规范中有关内容的补充和完善。并且本文开 发的优化软件o p t i m u md e s i g n 通用型强，可以应用于材料成分优化等领域。 3 带有搅拌冷却控制系统的先进的淬火槽可以有效改善钩尾框的淬火冷却质 量，稳定其性能。 。 4 本课题开展的研究工作对提高我国热处理技术和指导工艺装备的改进具有 重要的意义。 韭峦銮道厶堂亟兰壁论塞 2 班盔左塞 2 研究方案 本文开展锻造e 级钢钩尾框的热处理技术研究工作，旨在解决钩尾框在热处 理过程中存在的诸如加热温度检铡不准确、淬火冷却效果不理想、热处理工艺参 数不合理等问题，从而制定科学合理的工艺规范来提高锻造钩尾框的热处理质量。 为此，必须通过一系列的试验来开展研究工作。 2 1 试验的内容及方法 本文研究的主要内容为热处理温度的检测和制定热处理工艺规范的方法、热 处理工艺参数优化技术、淬火技术。由此，制定如下试验方案： 1 热处理工艺试验 利用实时测温系统对钩尾框整个热处理过程的温度参数进行监控。试验与企 业生产实际紧密结合，试样的性能试验和结果检测由企业来完成，本文完成实时 温度数据采集和分析等工作。 所用试样、设备如下： ( 1 ) 试样类型：本体取样和随炉试块两种 ( 2 ) 加热设备：2 4 0 k w 台车式电阻炉 ( 3 ) 冷却设备：地坑式混凝土长方体水冷淬火稽 ( 4 ) 测温设备：p c 机一台；8 米长的k 型镍铬镍硅热电偶9 根；热处理温 度数据采集软件一套 2 热处理工艺参数优化 内容主要包括：编写优化软件、正交热处理试验、性能试验、工艺参数优化 计算、验证试验等。 所用试样、设备如下： ( 1 ) 试样：按照g b t2 2 8 - 2 0 0 2 和g b t2 2 9 1 9 9 4 的要求，拉伸试样4 8 根， 原始标距5 0 m m ，平行长度部分的原始直径0 1 0 m m ：冲击试样4 8 根，尺寸 1 0 1 0 x 5 5 m m ，v 型缺口 ( 2 ) 加热炉：型号s x - 4 - 1 0 ，额定功率4 千瓦，额定电压2 2 0 v ，额定温度1 0 0 0 ( 3 ) 校温仪：u j 3 3 0 t 型携带式直流电位差计，准确度等级0 0 5 级，工作电源 电压3 v 士0 2 v ( 4 ) 抛光机：p - z 型金相试样抛光机，抛盘直径2 0 0 m m ，转速1 3 5 0 r r a i n ， 电动机o 1 8 k w ，额定电压3 8 0 v 1 4 j e 夏銮道友堂亟兰焦论塞 2 班塞友塞 ( 5 ) 金相显微镜：4 x ( x t b 1 型) ( 6 ) m t s 万能试验机 ( 7 ) 热处理优化软件o p t i m