机械毕业设计15毕业论文----零保温热处理实验

河南理工大学 本科 毕业论文 - 1 前 言 提到热处理，最先想到的是那大功率的电炉以及长时间的保温，在整个热处理的过程当中，其能源消耗是巨大的。在相当长的一段时间里，热处理时如何节约能源一直都是一道难题。 直到七十年代末，日本学者大和久重雄提出了结构钢淬火加热的保温时间可以为零的设想， 才使节能问题有重大突破 。 所谓“零保温”淬火，就是指工件加热时，其表面和心部达到淬火加热温度后，不需保温，立即淬火冷却的热处理工艺。传统的奥氏体化理论认为 ,工件在加热过程中必须有较长的保温时间，以便完成奥氏 体晶粒的形成、长大、剩余渗碳体的溶解和奥氏体的均匀化。现行的钢的淬火加热工艺 ,都是在这一理论指导下制定的。与现行的淬火工艺相比，“零保温”淬火省去了工件透热和完成组织转变所需要的保温时间，不仅能节约能源，提高劳动生产率，而且还可以减少或消除工件在保温过程中产生的氧化、脱碳等缺陷，有利于产品质量的提高。 “零保温”淬火的设想提出以来，国内外热处理学者对钢的零保温淬火开展了较多的研究，研究方向主要集中在不同工件的零保温淬火工艺和加热温度对钢的组织性能的影响上，特别是对奥氏体晶粒和马氏体组织的细化的影响及其机理。 例如： 苏州丝绸工学院吴国梁、宋哲等的研究表明， 45 钢工件直径或厚度不大于100mm 时，在空气炉中加热，其表面和心部的温度几乎是同时到达的，因而其均温时间可以不予考虑，和采用大加热系数的传统生产工艺相比，可以缩短近 1/4 到1/5 淬火加热时间。 辽宁工程技术大学孟繁盛等，通过 60SiMn 钢“零保温”淬火工艺的实验研究得到的结论是： 60SiMn 钢的“零保温”淬火工艺与传统淬火工艺比较，其奥氏体晶粒细小，淬火后组织细小，两者机械性能指标极为接近。 渤海船舶职业学院朱凤艳等所做的理论分析及试验结果表明，结构钢淬火及 正两次零保温淬火温度对 20MnV 钢组织、性能的影响 - 2 - 火加热采用“零保温”或短时间保温是完全可行的。特别是 45、 45Mn2 这样的碳素结构钢或单元素合金结构钢，采用“零保温”工艺可以保证其力学性能要求。对于 40CrNiMo 等多元素合金结构钢，零保温处理其力学性能也并不坏，完全符合指标要求，但若为了性能可靠、稳定，可选用 5 分钟短时保温。 焦作工学院李安铭，对矿用液压支柱缸体用钢 27SiMn 的研究表明其“零保温”淬火得到极细的板条状马氏体组织，其原因与奥氏体晶粒细化和奥氏体中碳浓度分布不均匀有关。 武汉科技大学李立新等通过等温条件下晶粒长大模型研究表明，晶粒直径随 着加热时间的增加而增加 .有的增加很快，有的很慢 .但到一定时间后都趋缓慢增加 . 同时有资料表明， 45、 35CrMo、 GCr15 等结构钢工件，采用 零保温 加热比传统加热可节约加热时间 50%左右，总节约电 10-15%，提高工效 20-30%.零保温 淬火工艺有助于细化晶粒，提高强度 .金属的晶粒愈细，不仅强度愈高，而且塑性与韧性也较高，表现为具有较高的冲击载荷抗力 .因此，细化晶粒也是热处理界广泛关注的课题之一 。 由此可见， 零保温 热处理工艺是非常值得研究与学习的，而我所研究的是在正火的状态下，两次零保温淬火对 20MnV 钢组织、性能的影响，通过其金相组织的分析，进一步了解组织的转化规律。 通过这次实验，不仅使我对两次淬火热处理工艺有了一个全面的了解，而且使我打破了传统热处理的局限，让我们的思维从传统的束缚中解脱出来，有助于我们更好的认识先进的热处理技术，并为以后的工作指明了另一条先进的道路，也为 零保温 热处理工艺在以后的实际应用中打下坚实的基础。 河南理工大学 本科 毕业论文 - 3 第 一 章 零保温热处理简介 1.1 零保温热处理的先进性 所谓“零保温”淬火，就是指工件加热时，其表面和心部均达到淬火温度后，不需保温便立即淬火冷却的热处理工艺。 七十年代末，日本学者大和久重雄提出了结构钢 淬 火加热的保温时间可以为零的设想以来，国内的工作者也通过各自的试验和生产实例证明了在确保工件性能的前提下，可以合理缩短钢件在箱式炉中的加热时间，甚至使其保温时间为零，即“零保温”淬火的新工艺。 “ 零保温”淬火省去了工件透热和完成组织转变所需要的保温时间，不仅能节约能源，提高劳动生产率，而且还可以减少或消除工件在保温过程中产生的氧化、脱碳等缺陷，有利于产品质量的提高。有关资料使用组织分析和性能测试方法，对比了 40Cr 钢加热，并经 0min，15min 和 40min 保温后淬火 及回火的组织、力学性能、冲击抗力、耐蚀性能、扫描电镜断口及马氏体成分的检测后指出， 0min 与 40min 保温处理的组织和性能相近或相同。由于零保温处理时，钢件在高温停留时间短，奥氏体晶粒来不及长大，淬火得到更细小的马氏体，故塑性和韧性还稍优。 1.2 零保温热处理的依据 钢铁热处理目的是改善其组织，提高其机械性能，延长机械零件的使用寿命。然而该工艺大量消耗能源。我国机械工业正在服役的热处理设备中，电炉约占 90%，年耗电量将近 90 亿度，经过多年努力，虽然全国热处理平均电耗已由 1978 年的约1600 度 /吨，下降 到目前的约 1000 度 /吨，但是与工业发达国家相比仍有很大差距，平均处理 1 吨工件的耗电量比日本和欧美要多 2 至 3 倍。热处理能耗绝大部分用于加热和保温，因此为了降低能耗，降低产品成本，应在满足热处理质量前提下，尽可能降低加热温度，缩短保温时间。 奥氏体的形成温度升高，奥氏体的形核率和长大速度急剧增加，因此转变速度两次零保温淬火温度对 20MnV 钢组织、性能的影响 - 4 - 显著缩短，加热温度越高，转变孕育期和完成转变的时间越短。这就为零保温的实现提供了可能，特别是中小工件，其尺寸较小，再加上钢的导热系数很大，可以认为奥氏体的转变在瞬间即可完成，无需进行长时间的保温。如：在 780时奥氏体完成一半转变所需要的时间为 3 秒钟，而在 800时奥氏体完成一半的转变所需要的时间为 1 秒钟。另外，采用“零保温”工艺可以减少渗碳体在奥氏体中的溶入量，淬火后渗碳体均匀的分布在马氏体的表面，且渗碳体呈粒状，有助于提高钢的韧性。除此之外，“零保温”淬火省去了奥氏体均匀化的时间，在初期扩散时，由于扩散速度和浓度有关梯度有关，起初扩散速度很快，随着浓度梯度的下降，扩散速度也缓慢了下来，均匀化时间短，从而使奥氏体的成分存在浓度不均匀，这将使马氏体的形核的位置增多，淬火后的组织细化，晶粒的细小也使钢的韧性有 所提高。 河南理工大学 本科 毕业论文 - 5 第 二 章 实验目的及方案 2.1 试验目的 随着 零保温 热处理工艺的提出和在实际生产中的应用， 零保温 不再只是一种设想，在许多方面已经运用在工业生产中，产生了经济效益。因此这种新的热处理工艺受到广泛的关注，并被众多的学者研究。 鉴于这种新的热处理方法的先进性，在李安铭老师的指导下，我做的是两次零保温淬火温度对 20MnV 钢组织、性能的影响。通过实验，我弄清了 20MnV 钢在两次淬火后组织性能的变化，对 20MnV 钢的强度及硬度随淬火温度的变化规律有了一定的了解。 通过此次实验， 使我们了解了热处理的含义和效果，明确了热处理对提高工件设备质量的重要意义。热处理之后，对钢件进行硬度测量，使我们了解和明确了硬度的概念，了解到硬度测量的意义，并掌握了洛氏硬度的测量方法，对洛氏硬度计有了更进一步的认识。在进行组织的观察时，我们学会了显微镜的使用方法，并对如何使用显微镜有了明确的概念，如对于手放的位置、观察的姿势、观察前的准备等都有了新的认识。在打磨试样的过程中，让我们学会了如何打磨试样以及怎样才能将试样磨得很光，怎样进行抛光，怎样防止抛光时试样的升温等书上学不到的知识。 通过此次毕业设计，不 仅是我们的动手能力有进一步的提高，最重要的是使我们掌握了一种研究的方法即：正交回归实验方法。可以使我们熟悉科研项目的全过程，掌握较全面的科研方法。并通过亲自动手操作，锻炼了学生的动手能力、独立思考问题的能力，从而对本专业的基础理论和实际操作有机的结合起来。 2.1 准备工作 截取 27 个试样，用打号的钢锥分别对其编号，以便分别不同热处理温度下的两次零保温淬火温度对 20MnV 钢组织、性能的影响 - 6 - 钢，为以后的实验做准备。核对工件数量，并检查工件。明确淬火的要求：如淬火温度等。 根据淬火要求，选用适当的工具夹。装炉时允许不同材质但是具有相同加热温度的工件装入同一炉中 加热。入炉工件需干燥、无油污及其它脏物。在箱式炉中加热时，一般单层排列。加热时可直接装入调至淬火温度的炉中加热，工件出炉时不可用钳子直接夹实验面。冷却方法为水冷。 2.3 热处理进行方案 2.3.1 正火 将 27 个 20MnV 钢试样放入箱式炉中加热到 880 ，保温 20 分钟，在空气中冷却。 2.3.2 一次淬火 将正火后的 27 个试样分成 3 组，每组 9 个试样， 3 组试样分别加热到 920， 870 ， 820 ，保温约 1 分钟，取出淬火。 2.3.3 二次淬火 在一次淬火的三组试样中，每组中取出 3 个试样，分别加热到 890， 840， 790进行淬火。 2.3.4 回火 对处理完的所有试样进行回火，回火的温度为 630（零保温、空冷）。 2.4 测硬度及拍照 2.4.1 准备工作 热处理后的试样冷却后，用粗砂纸打磨，使试样表面平整，且无氧化皮和油污等；试样形状应能保证实验面与硬度计压头轴线垂直，测量时应尽量沿着过试样圆心的直线方向测量。如果测量的地方有小的凹槽或未去掉的氧化皮，应该绕过或者在就近的地方测量，以保证测量出来的数据可靠。 2.4.2 测洛氏硬度 洛氏硬度法压痕较小，可测量硬度较高，可直接读数，操作方便、 效率高，故为热处理产品检验的主要方法之一。洛氏硬度测试法采用压入法，其原理见图 1。在测量时，每个试样上测 5 个点。应注意在测量时加压时要缓慢进行，不要过快，否则容易损坏仪器且测量的值误差也较大。 河南理工大学 本科 毕业论文 - 7 132132圆角锥压头图 1、洛氏硬度试验方法的原理 Fig.1 The principle of Rockwell test 在初始试验力及总试验力的先后作用下，将压头（金刚石圆锥体或钢球）压入试样表面，经规定保持时间后卸载，用测量的残留压痕深度增量计算硬度值（表面洛氏硬度只 是试验载荷较轻， C 值较小） HR= K（ h3h1） /C 式中 K 常数（钢球： 0.26，金刚石圆锥： 0.2） h1 预加载荷 10kgf 压入深度（ mm） h3 试样上留下的最后深度（ mm） C 硬度计刻度盘上每一小格所代表的压痕深度（ mm），洛氏硬度为0.002，表面洛氏硬度为 0.001。 注：本次试验采用的是金刚石圆锥压头，其顶角为 120。 2.4.4 拍照 拍金相照片应用黑白胶卷。将制备好的试样放在金相显 微镜下调试出清晰的金相组织，然后拍照，以备金相组织分析用。在拍照时应尽量选用组织清晰且硬度值接近平均硬度值的试样。 两次零保温淬火温度对 20MnV 钢组织、性能的影响 - 8 - 第 三 章 金属试样的制备 3.1、取样 3.1.1 对热处理试样的制备 热处理试样为指导老师备好的试验材料，其尺寸为 d18*20mm。 3.1.2 硬度测试的准备 对热处理后的试样，选择一面进行粗磨，粗磨在粗砂纸上磨就可以了。在磨试样时，要保证试样和砂纸垂直，以便确认其划痕是否被磨尽，粗磨时应把试样表面的氧化皮磨掉，以保证测得的硬度值准确、可靠。 3.2、磨光与抛光 3.2.1 金像观察用 试样的制备 磨光 磨光是为了得到平滑光洁的磨面。首先选取磨面，再进行粗磨和细磨，粗磨一般将试样表面的氧化皮磨掉并使试样平坦光洁即可，它只是为精磨做准备。试样粗磨后要倒角，以免划破精磨时用的试纸，磨试样时要从粗砂纸到细纱纸一级一级的磨下来，这样才能保证磨出来的试样很光洁，并且每次换砂纸时都要将试样转九十度，然后再磨，这样可使试样达到最佳的光洁度。 抛光：抛光的目的是为了消除试样细磨时留下的微小痕迹，从而得到光亮无痕的镜面，使组织更易于观察。按照抛光的原理可以分为机械抛光，电解抛光和化学抛光等。其中本次 试验用的是机械抛光，它是在专用的金相抛光机上抛光。抛光机由电动机带动，抛光盘上垫有抛光布，抛光时应不断往布上洒三氧化二铝粉末的水溶液，这样可以防止抛光布的过度磨损，也可以加快试样的抛光速度并且可以防止试样温度升得过高而影响其性能。 3.2.2 腐蚀 抛光后试样的磨面除了非金属夹杂物和一些裂纹、孔洞的痕迹外，在光学显微镜下是看不到任何组织的，为了使其组织显示出来，我们必须对磨面进行腐蚀，由于合金中不同相的耐腐蚀程度不同，因此腐蚀后就会在表面行成凹凸不平的痕迹，他们对光线的反射程度不 同， 因此在显微镜下就看见了 其组织构河南理工大学 本科 毕业论文 - 9 成。值得注意的是腐蚀时间掌握一定要恰当，腐蚀时间过短不能显示其组织，腐蚀时间过长则一团漆黑，什么也看不见。腐蚀完之后将腐蚀剂冲洗干净，然后放到纯酒精中浸泡片刻以防止试样生锈，从酒精里拿出来后用吹风机吹干再保存或者直接照金相照片。 两次零保温淬火温度对 20MnV 钢组织、性能的影响 - 10 - 第 四 章 实验方法 4.1.材料及数据处理方式 27 个 20MnV 钢试件，其化学成分见表 1。 表 1 20MnV 钢的化学成分 Tab.1 Chemical composition of 20 MnV steel % 不同合金元素的 B GB3077-1988 数值 实际结果 (C) 0.170.23 0.23 (Si) 0.170.33 0.23 (Mn) 1.201.50 1.50 (V) 0.070.12 0.12 (S) 0.031 0.020 (P) 0.031 0.031 数据处理方式： 选取三个不同的一次淬火温度 (920、 870、 820 )和三个不同的二次淬火温度 (790、 840、 890 )，见表 2。选取 870作为试验的淬火温度基水平。二次淬火温度基水平选取 840。一次淬火温度和二次淬火温度的试验水平见表 3。 各试样的热处理工艺及编号见表 2。 河南理工大学 本科 毕业论文 - 11 表 2 热处理工艺及编号 Tab.2 Experimental paramenters and seial numbers of each sample 表 3 淬火温度的试验水平 Tab.3 Test standard of quenching temperature 因素 淬火温度 / 二次淬火温度 / 编码 变量标记 X1 X2 下水平 820 790 -1 上水平 920 890 +1 基水平 870 840 0 间距 50 50 试验号 第一次淬火温度（） 第二次淬火 温度 （） 1 2 3 4 5 6 7 8 9 820 870 920 820 870 920 820 870 920 790 790 790 840 840 840 890 890 890 两次零保温淬火温度对 20MnV 钢组织、性能的影响 - 12 - 表 4 正交表 L9 (32 ) Tab.4 The orthogonal table 设计矩阵 系数矩阵 号码 x1x2x0x1x2x3x4x5y 1 -1 -1 1 -1 -1 1 1 1 2 0 -1 1 0 -1 -2 1 0 3 1 -1 1 1 -1 1 1 -1 4 -1 0 1 -1 0 1 -2 0 5 0 0 1 0 0 -2 -2 0 6 1 0 1 1 0 1 -2 0 7 -1 1 1 -1 1 1 1 -1 8 0 1 1 0 1 -2 1 0 9 1 1 1 1 1 1 1 1 Bj =xji yi aj= x2ji bj =Bj /aj Qj =bj Bj 注：表 4 中 x3=3(x21-32); x4=3(x22-32); x5=x1 x2. 河南理工大学 本科 毕业论文 - 13 表 5 方差检验计算表 Tab.5 Caculating table of varance test 注：表 5 中 Qj= 21jK +Kj20+Kj21; Sj=Qj-CT;CT= 2T /9; T=Yi 号码 因素 x1x2e yi 1 -1 -1 -1 2 0 -1 0 3 1 -1 1 4 -1 0 1 5 0 0 -1 6 1 0 0 7 -1 1 0 8 0 1 1 9 1 1 -1 K j1 Kj0 Kj1 21jK T Kj20 Kj21 Qj Sj 两次零保温淬火温度对 20MnV 钢组织、性能的影响 - 14 - 表 6 方差检验表 Tab.6 Table of varance test 方差来源 偏方差平方和 S 自由度 f 平均偏差平方和 S/f F x1 Sx1 2 Sx1 / fx1 (Vx1 ) x2 Sx2 2 Sx2 / fx2 (Vx2 ) 误差 (e) Se fe =4 Se /fe (Ve ) 总和 (T) Sx1 +Sx2 +Se 8 注：表 6 中 Fx1 =Vx1 /Ve ;Fx2 =Vx2 /Ve 4.2 两因素三水平正交回归试验设计方法 4.2.1 正交设计方差分析的步骤 计算离差的平方和 计算自由度 计算平均离差平方和 在计算因素离差的平方和时，它们都是若干项平方的和，它们的大小与项数有关，因此不能确切地反映各因素的情况，为了消除项数的影响，我们计算它们的平均差的平方和。 求 F 比 将各因素的平均离差的平方和与误差的平均离差平方和相比，得出 F 值。这个比值的大小反映了各因素对试验结果影响的大小。 对因素进行显著性检验 给出检验水平 ，从分布表中查出临界值 F。将在中算出的 F 值与该临界值比较，若 FF，说明该因素对试验结果的影响显著，两数差别越大，说明该因素河南理工大学 本科 毕业论文 - 15 的显著性越大。 4.2.2 双因素试验的方差分析 多因素试验中最简单的是双因素试验。在双因素试验中，每个因素对试验都有各自单独的影响，同时还存在着两因素联合的影响，这种联合影响叫交互作用。 4.2.3 混合水平的正交试验设计 在实际问题中，由于具体情况不同，有时各因素的水平数是不相同的，这就是混合水平的多因素试验问题。 4.2.4 多元线性 回归简介 在实际问题中经常遇到随机变量与多个普通变量 x1， x2， ， xk(k2)有关的情况，对于自变量 x1， x2， xk的一组确定的 Y 值有它的分布，如果 E(Y)存在，它一定是的 x1， x2， xk 函数，记为 (x1， x2， xk)，求 (x1， x2， xk)问题就是多元回归问题。多元线性回归模型 y=b0+b1x1+b2x2+ +bkxk+ N(0， 2) 其中 b0， b1， b2， bk， 2 都是未知参数。 4.3 20MnV 钢简介 20MnV 钢相当于 20CrNi 钢 ，用于制造锅炉、高压容器及管道的材料，它亦是矿用圆环链专用钢， 合金元素对钢性能的影响： 锰（ Mn）是良好的脱氧剂和脱硫剂。因此，钢中含 0.30 0.50的锰是 正 常的。在碳钢中加入 0.7 1.8或以上锰时，就算是特殊钢“锰钢”了。这种含锰量较高的碳素钢的性能要比一般含锰量的好得多，不但有足够的韧性（在适当的热处理条件下，且有较高的强度和硬度，能提高钢的淬透性，改善钢的热加工性能。故在低合金钢中，含锰钢种发展十分迅速。但锰能使钢的抗腐蚀能力减弱，对钢的焊两次零保温淬火温度对 20MnV 钢组织、性能的影响 - 16 - 接性能也有不利影响。 钒（ V）是我 国富有元素之一，也是目前发展新钢种最常用的合金元素之一。它和碳、氮、氧都有极强的亲和力，与之形成相应的极为稳定的化合物。少量的不到 0.5的钒能细化钢的晶粒，提高钢的强度、屈强比和韧性，改善钢的焊接性能，也能增加钢的热强性和对蠕变的抗力。此外，钒对碳的固定作用还可以提高钢在高温、高压下的抗氢侵蚀能力。但是，钒总是和其它合金元素如锰、铬、钨、钼等配合使用。但钒含量不宜过高，过高则降低钢的韧性，不利于钢的蠕变性能的提高。 20MnV 钢用于生产直径不大于 20mm 的圆环链，淬透性较好，但生产更大的圆环链还 需试制淬透性更好的钢。 河南理工大学 本科 毕业论文 - 17 第 五 章 实验的理论准备 5.1 热处理简介 热处理是将钢在固态下加热到预定的温度，保温一定的时间，然后以预定的方式冷却到室温的一种热加工工艺。热处理可以改变钢的内部结构，提高钢的使用寿命，节约材料和能源。正确的热处理工艺还可以消除钢材经铸造，锻造，焊接等热加工工艺造成的各种缺陷，细化晶粒、消除偏析、降低内应力等。 5.1.1 奥氏体的形成过程 钢加热时奥氏体的形成过程一般都是以下几方面：奥氏体形核、 奥氏体长大、剩余渗碳体的溶解和奥氏体的均匀化过程。 5.1.2 钢的正火 为了保证实验的准确性，达到试验预期的目的，在实验前对所有的试样进行了正火。正火是将钢加热到 Ac3（对于亚共析钢）或 Ac1（对于过共析钢）以上适当温度，保温一定时间，使之奥氏体化，然后再空气中冷却，可得到珠光体组织的热处理工艺。 本次实验用的 20MnV 钢先进行了 880的正火（保温 20 分钟，空冷），正火后得到的组织是索氏体加上铁素体。 5.1.3 钢的淬火 淬火是将钢加热到临界点 Ac3 或 Ac1 以上一定的温度，保温一定的时间，然后以大 于临界淬火速度的速度冷却，是过冷奥氏体转变为马氏体组织的热处理工艺。一般淬火得到的组织是马氏体，此外，还有少量的残余奥氏体。本次实验采用的使两次淬火，第一次淬火的温度分别为 920、 870、 820，淬火后都得到马氏体组织。第二次淬火所用的温度为 890、 840、 790。由于淬火态的钢在 A1 以下升温加热过程中已经分解为微细的粒状珠光体组织，分散度很大，相界面很多，因此转变速度较快，则奥氏体的形成速度也很快，而奥氏体形成速度的加快使得奥氏体的晶粒有所细化。因此再次淬火时得到细 小 的马氏体。 5.1.4 钢的 回火 由于淬过火的钢脆而且硬，一般不直接应用到工业生产当两次零保温淬火温度对 20MnV 钢组织、性能的影响 - 18 - 中，经过回火的钢具有良好的综合性能。本次实验采用的是 630高温回火，这种回火主要是为了得到强度、塑性、韧性都较好的综合机械性能。一般习惯将淬火加高温回火相结合的热处理称为调质处理。调质处理广泛应用于各种重要的结构零件，特别是在交变负荷下工作的连杆、螺栓、齿轮及轴类等 .调质处理后得到回火索氏体组织，它的机械性能均比相同硬度的正火索氏体组织更优，它的硬度取决于高温回火温度并与钢的回火稳定性和工件截面尺寸有关，一般在 HBS200350 范围。经过高温回火 得到的回火索氏体组织，它是一种铁素体和粗粒状渗碳体的机械混合物。 5.2 实验所采用的方法 试验设计方法是数理统计学的应用方法之一。试验设计是研究如何合理而有效地获得数据资料的方法，它的主要内容是讨论如何合理地安排试验，取得数据，然后进行综合的科学分析，从而达到尽快获得最优方案的目的。在工农业生产、科学试验和经营管理中，经常要进行各种试验。如果试验安排得好，且分析恰当，就能以较少的试验次数、较短的试验时间、较低的费用，得到较满意的试验结果。 本次实验采用的是回归正交设计法，将回归分析与正交设计有机 地结合起来。实验结果经数据处理，得出两次淬火温度对 20MnV 钢硬度、抗拉强度影响规律的数学表达式。对实验结果进行以下显著性检验：一是方差检验，检验各因素影响的显著性，评价实验结果的可靠性；二是回归方程的显著性检验，评价数学模型的可信度。 5.3 .淬火与零保温淬火 淬火是将工件加热到 Ac1 或 Ac3 线以上 30 到 50 ，保温一定时间后快速冷却的一种热处理方法。对于亚共析碳钢 ，淬火加热温度为 Ac3+30 50 ， 共析及过共析钢加热温度为 Ac1+30 50，一般合金钢淬火温度为 Ac1 或 Ac3+30 50，高 速钢及不锈钢的淬火加热温度应根据要求和合金碳化物溶入奥氏体的多寡加以河南理工大学 本科 毕业论文 - 19 选定。在某些情况下，为了减少变形可采用冷却能力较小的冷却介质，为了保证一定的淬硬深度。此外，还有为了提高钢种的强、韧性而选用新工艺淬火加热温度，如亚温淬火和高温淬火等。 现行的热处理工艺在生产中常用加热系数来间接估算加热时间，该时间是按工件入炉后仪表指示温度到温时开始计算的。 =a k d 式中 k-加热系数（ min/mm）。 D-零件有效厚度， a-零件装炉等修正系数。近年来研究工作者普遍认为传统的保温时间计算公式推荐的系数偏 于保守，在实际工作中可根据实际情况适当缩短保温时间。 淬火加热时冷却方式有多种，最简单的方法是单液淬火法，这种冷却方法的特点是采用单一的淬火介质进行冷却。要保证淬火后获得足够的淬硬层，且避免开裂、减少开裂应采用双液淬火法等好的方法。为了减少内应力、变形，开裂的趋势，可选用分级淬火法，这种淬火方法加工出来的工件内应力一般较小，它适合于形状复杂的工件或对形状、尺寸要求较严格的工件。此外，还有等温淬火、复合淬火、局部淬火等淬火方法对消除工件的内应力有一定的帮助。总之，淬火介质的选择应根据工件尺寸的大小、形状的复杂 性、淬火后的性能要求等多方面的因素进行选择，一方面使工件处理出来符合要求，另一方面使操作工艺尽量简便。 由于热处理能耗绝大部分用于加热和保温，因此为了降低能耗，降低产品成本，应在满足热处理质量的前提下尽可能降低加热温度，缩短保温时间。随着科学技术的发展，众多学者通过大量的实验证明和理论分析，得出零保温热处理是可行的，传统的奥氏体化理论认为，工件加热过程中的烧透、奥氏体晶核的形成和长大，剩余渗碳体的溶解和奥氏体的均匀化等过程需要较长时间的保温。工件在热处理过程中需要总的时间 总 = s+ t+ b， s 是工件入 炉以后到其表面加热到所需温度的时间。他是一个传热学问题，与加热介质、加热方法、工件外形尺寸等因素有关。 t 是工件的均温时间。由于热量的传递需要一定的时间，因此工件的心部和表面两次零保温淬火温度对 20MnV 钢组织、性能的影响 - 20 - 会产生一定的温差。但实际上，由于钢的导热系数很高，对于一般中小件加热，这个温差只存在很短的时间，所以可以认为在一般情况下，对于中小工件来说 t 的值为零。 b 为冶金学加热时间，即完成组织转变、碳化物溶解，奥氏体均匀化等过程所需要的时间。关于这方面的问题，日本学者大和 久 重雄认为， b 可以很短甚至可以为零，这样淬火后可以获得极细板条状的马氏体 组织，对 钢 的机械性能大有好处。所以可以根据工件的材质、组织等合理的选择 b 的大小，甚至为零。这样对于中小尺寸的工件即为 总 = b。 淬火加热时的组织状态决定淬火后的组织性能，淬火加热速度、温度和时间是决定奥氏体状态的基本参数。有关学者分析指出，改变影响奥氏体状态的温度和时间，获得不均匀的奥氏体可以提高产品的质量和节约能源。传统的时间概念过度的强调均温过程，即工件表面和心部温度达到一样高的过程，严格的讲温差的确存在，特别对于大型工件更不可忽略，但对于小的工件，由于钢的导热系数极高，我们可以认为温差不存在。 有 种种理论分析和大量的实验研究可以得出淬火加热的保温时间可以为零，即工件表面达到淬火温度后应立即冷却处理，因此叫“零保温”淬火热处理。这样处理后，不仅节约了能源、提高了劳动生产率，而且省去了传统淬火工艺中工件热透和组织转变所花费的额外时间，也可以消除工件在保温过程中产生的氧化、脱碳等缺陷，有利于产品质量的提高。本次毕业设计实验了“零保温”条件下，不同的淬火温度对 20MnV 组织和性能的影响，对“零保温”淬火的可行性进行了论证。 传统加热时间的计算法，尽管各种资料有所差别，但总的是以有效厚度 (柱状零件指直径，板状 零件指厚度，管状零件指壁厚 )为基准进行计算的，即 t=K*a*D.然而工件在炉内的加热速度实际上决定于受热面积和工件体积的比值，即 F/V.只有在工件无限长，由于端面受热可以忽略不计，上述公式才是正确的。实际上，绝大部分工件端面受热是不容忽略的。而其它尺寸不同的零件加热时，到温的时间相差很大 .板件相差 3 倍，柱件相差 1.5 倍，管状件相差 2 倍。 河南理工大学 本科 毕业论文 - 21 另外，在以前对“加热时间”概念中，往往过分的强调了“均热”的过程，也就是工件表面到温后，还必须有一定的时间通过热传导，使心部也达到相同温度。不过实际上由于钢的导热系数非常大 ，而一般的加热炉加热速度均比较缓慢，这个“ 均热 时间仅仅是瞬间的事 .不论是理论计算还是试验测定，都已证实对于传热学上的薄件来说，所谓“均热”时间是极短的，可以忽略不计 .例如通过计算可知在空气炉中直径 (或板厚 )在 280mm 以内的零件，均可视为薄件。因而可以认为大部分热处理零件均可看成薄件而忽略均热时间。另外，我们通常的热处理加热总是在临界线以上 3050，即使心部与表面相差 1020，也不会对淬火后性能有什么影响。何况限于淬透性，过大的零件也是不可能完全淬透的 .总之，过分强调“均热 而盲目增加保温时间是不 合理的。在缓慢加热条件下，表面到温就可以认为心部也已到了淬火温度。 最后，传统工艺往往过分强调工件到温后，为了完成组织转变、碳化物的溶解和奥氏体均匀化所需的时间，即 t 保 。不同的资料分别规定了保温时间不得少于总加热时间的 1/2， 1/3 或 1/5。这些规定并没有确实的依据。实际上组织转变的时间很短，而淬火加热温度又在相变温度点以上 3050。例如 45 钢的 Ac3 为 780，通常的淬火加热温度为 810840 .但实验表明，铁素体消失的时间仅在 10 秒以内。而且这还是等温形成奥氏体的情况。实践中奥氏体是在连续 加热过程中形成的。一般设备加热升高这几十度 (超过临界温度的数 )所需的时间，对于补偿奥氏体形成时间是绰绰有余的。因此，完全可以认为在加热到温时已全部奥氏体化。 碳化物的溶解和奥氏体的均匀化，则需要较长的时间。碳化物完全溶解大约需要一个小时，而奥氏体要达到完全均匀化，甚至三个小时还不够。问题在于热处理淬火加热时，只需要碳化物的溶解和奥氏体的均匀化达到一定的程度，而达到这种必要程度的时间是很短的。实际上保留一部分碳化物，和采用不均匀奥氏体淬火，对零件的性能更为有利。这是因为在珠光体转变成为奥氏体刚结束时， 钢中还残留有一些未溶解的碳化物。当然，由于碳化物仅部分溶解，新生奥氏体的含碳量还低两次零保温淬火温度对 20MnV 钢组织、性能的影响 - 22 - 于钢中的平均含碳量，不过淬火硬化并不需要奥氏体被碳化物的碳所完全饱和，一般说来，马氏体中固溶碳达到 0.55%就可以了。由于奥氏体初形成时的碳浓度梯度大，根据费克定律，碳扩散很快，要达到淬火的目的，有试验证明仅需要一分钟左右即可，至于亚共析钢，因为碳化物颗粒是在铁素体完全消失前消失，因此奥氏体中的均匀化是在 A-F 混合物内顺利进行的，开始时速度很快，以后随着浓度梯度的降低逐步缓慢，不过最后的均匀化是不重要的。有实验表明对于含碳 1%的钢在870加热时， 10 秒内碳化物溶解达 80%，而继续保温一个小时也不能使其全部溶解。最近还有研究认为，奥氏体化至铁素体刚消失时，奥氏体内具有最大的碳浓度不均匀范围和最低的平均碳浓度，并且此时的奥氏体晶粒还未长大，从而有益于增加淬火组织中板条马氏体的比列，使碳钢韧化。加热速度越快，碳浓度不均匀范围增大，更有利于细化组织和获得更多的韧性板条马氏体。若改善钢的原始组织，在铁素体基体上分布有均匀细小球状碳化物时则效果更加明显。 总而言之，对于组织转变，碳化物溶解和奥氏体均匀化所需要的时间 (t 保 )应当进行 分析，对于不含过剩碳化物的钢， t 保 可以看为零或只保温极短的时间就够了。而对于含过剩碳化物的钢，也只需要较短的保温时间就够了。 由于受到上述传统思想的束缚，传统加热时间计算往往是宁长勿短。直径100mm*760mm 工件，入炉 60 分钟就已到温，而按传统算法加上炉温回升时间，一共加热 180 分钟，不仅浪费了大量的能源，降低了生产率。而且，由于加热时间长，也使得材料表面严重氧化和脱碳，使淬火后硬度下降。 热处理加热时间的保守性和不严格，还体现在退火加热时间和回火加热时间的计算上。以前对于回火加热时间很 不严格，一般计算按 25mm/小时，实际生产中对于碳钢一般保温 12 小时，合金钢保温 1.53 小时。实际上在很多情况下，并不需要这么长的时间。 河南理工大学 本科 毕业论文 - 23 第 六 章 数据处理 6.1 原始数据 表 7 20MnV 钢的硬度值 Tab.7 The test result of hardness of 20MnV 初次淬火温 度 二次淬火温 度 测 量 值 HRC 820 790 23.0 23.5 18.5 16.5 24.0 18.0 19.0 18.0 16.0 17.5 21.5 23.0 21.5 21.5 19.5 840 30.0 24.5 27.5 26.5 22.5 29.5 29.0 25.0 25.0 31.5 23.0 24.0 22.0 24.5 25.0 890 30.5 28.5 25.0 28.0 28.0 38.0 31.0 30.5 35.0 37.5 30.5 28.0 29.0 28.5 28.5 870 790 26.5 22.5 21.0 23.0 21.5 19.5 20.0 20.5 20.0 20.0 20.5 20.0 22.5 21.5 23.0 840 25.5 28.0 29.0 27.0 29.0 25.5 22.0 29.5 28.0 28.5 28.0 25.0 22.0 27.0 25.5 890 31.5 31.0 31.0 33.0 31.0 29.5 32.0 30.0 34.0 32.0 30.0 28.0 30.0 33.0 29.5 920 790 22.0 23.0 25.0 22.0 24.0 19.5 19.5 16.5 16.0 18.0 22.0 26.0 27.5 31.0 30.0 840 29.5 25.0 23.0 26.0 26.5 26.0 25.5 22.5 31.0 32.0 32.0 20.0 27.0 24.0 34.0 890 29.2 28.5 32.0 32.0 30.5 32.2 31.5 32.0 30.5 35.0 33.0 28.0 30.0 32.0 32.5 两次零保温淬火温度对 20MnV 钢组织、性能的影响 - 24 - 注：表 7 中所有试样的回火温度均为 630，淬火 温度单位都为 : 表 8 20MnV 钢的强度值 Tab.8 The test result of tensile strength of 20MnV 淬火温度（） 强度 b（ Mpa） 820 790 753 736 761 840 847 892 797 890 892 1067 915 870 790 788 736 761 840 880 826 837 890 980 980 940 920 790 788 736 880 840 847 880 880 890 953 993 966 河南理工大学 本科 毕业论文 - 25 6.2 数据的处理过程 表 9 20MnV 钢硬度的平均值 Tab.9 The average value of hardness of 20MnV 表 10 20MnV 钢强度的平均值 Tab.10 The average value of tensile strength of 20MnV 淬火温度 （） 硬度（ HRC） 820 790 20.1 840 25.9 890 30.4 870 790 21.5 840 26.1 890 31.0 920 790 22.8 840 26.9 890 31.2 温度 （） 强度 b（ Mpa） 820 790 750.0 840 845.3 890 958.0 870 790 761.7 840 847.7 890 966.7 920 790 801.3 840 869.0 890 970.6 两次零保温淬火温度对 20MnV 钢组织、性能的影响 - 26 - 表 11 20MnV 钢正交计算表（硬度） Tab.11 the orthogonal calculate of 20MnV（ hardness） 注：表 11 中 X3=3（ X12 2/3） X4= 3（ X22 2/3） 得出回归方程： HRC=(b0-2b3-2b4)+b1x1+b2x2+3b3x12+3b4x22+b5x1x2 带入值得： HRC=26.276+0.75 x1+4.7 x2+0.018 x12-0.132 x22-0.475 x1x2 其中： x1 与 x2的值都属于区间 -1， +1。 设 计 矩 阵 系 数 矩 阵 号码 X1 X2 X0 X1 X2 X3 X4 X5 Yi 1 2 3 4 5 6 7 8 9 -1 0 1 -1 0 1 -1 0 1 -1 -1 -1 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 -1 0 1 -1 0 1 -1 0 1 -1 -1 -1 0 0 0 1 1 1 1 -2 1 1 -2 1 1 -2 1 1 1 1 -2 -2 -2 1 1 1 1 0 -1 0 0 0 -1 0 1 20.1 21.5 22.8 25.9 26.1 26.9 30.4 31.0 31.2 B= XjiYi B0 B1 B2 B3 B4 B5 Yi2 =6320.3 235.9 4.5 28.2 0.1 -0.8 -1.9 Aj= Xji2 a0 a1 a 2 a 3 a 4 a 5 9 6 6 18 18 4 bj= Bj/aj b 0 b 1 b 2 b 3 b 4 b 5 26.2 0.75 4.7 0.006 -0.044 -0.475 Qj= bjBj Q0 Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 6182.9 3.375 132.54 0.0006 0.0352 0.903 河南理工大学 本科 毕业论文 - 27 表 12 20MnV 钢方差检验计算表（硬度） Tab.12 Variance test and calculation of 20MnV（ hardness） 因素 号码 X1 X2 e y 1 -1 -1 -1 20.1 2 0 -1 0 21.5 3 1 -1 1 22.8 4 -1 0 1 25.9 5 0 0 -1 26.1 6 1 0 0 26.9 7