40cr调质钢磨削强化温度与强化效果试验研究-毕业论文

毕业设计（论文）报告纸PAGE共38页第37页目录摘要 1ABSTRACT 2第一章绪论 31.1磨削强化的工艺优势 31.2当前国内外的研究状况 51.3本课题拟开展的主要工作 7第二章温度标定 82.1热电偶概述 82.240Cr－康铜非标准热电偶的标定 10第三章温度测量试验 143.140Cr钢的简介 143.240Cr钢磨削强化的可行性分析 153.3测温的目的与意义 163.4磨削用量条件的优化 163.5温度测量 18第四章试验结果及其分析 244.140Cr磨削强化试验显微硬度梯度分析 244.2硬化层金相分析 274.3淬硬层硬度厚度稳定性分析 31第五章结论与展望 335.1结论 335.2展望 33致谢 35参考文献 36

摘要磨削强化是利用粗磨产生的磨削热对工件表面进行强化的新技术，可以将磨削加工和工件表面强化复合为一体。为考察磨削强化的效果，以调质后的40Cr为试验对象，采用棕刚玉砂轮在MMD7125平面磨床上对磨削强化用量条件进行了优化；采用半人工热电偶法对磨削温度进行了测量，对冷却速度进行了确定；利用HSX-1000型全自动显微硬度测试仪测定了磨削强化层的显微硬度；在金相显微镜上利用数码相机拍摄了金相组织照片。试验结果表明：磨削硬化层金相组织、显微硬度和硬化深度均满足表面强化要求。完全硬化区由细小针状马氏体、残余奥氏体和少量点状碳化物组成，过渡区由马氏体和回火索氏体(珠光体)组成；硬化区显微硬度在HV512-700之间，硬化层深度达到了1.2mm。关键词:40Cr，磨削强化，温度测量，显微硬度，金相组织，硬化深度ABSTRACTThegrindinghardeningisanewtechnologyofgrindingandhardeningworkpiecesurfacesusinggrindingheatduringthecourseofcoarsegrinding.Itcanintegratethegrindingprocesswiththesurfacehardeningprocess.Toinvestigatetheeffectofgrindinghardening,theparameterofgrindinghardeningof40CrisoptimizedwiththegrindingwheelofcorundumonflatsurfacegrindingmachineofMMD7125.Thetemperatureofgrindingismeasuredbythewayofhalfartificialthermocoupleandthespeedofcoolingisconfirmed.ThemicrohardnessismeasuredbyautomaticmicrohardnesstestinstrumentofHSX-1000.Thephotoofmetallographyisshotonelectronmicroscopewithdigitalcamera.Theresultsofthetestindicatethatthemicrostructureofhardenedlayer,microhardnessandthedepthofhardenedlayerallmeettherequestofsurfacehardening.Thecompletelyhardeningregioniscomposedoffineacicularmartensites，residualaustenitesandafewdot-likecarbonidesandthetransitionregionismadeupofmartensitesandsorbites(pearlite).ThemicrohardnessofhardeningregionisHV512-700andthedepthofhardenedlayerreachesto1.2mm.Keywords:40Cr,grindinghardening,temperaturemeasuring,microhardness,metallography，depthofhardenedlayer

第一章绪论1.1磨削强化的工艺优势许多钢质零件需通过金属热处理来改善材料的性能，提高材料的耐磨性及疲劳强度。金属热处理是在固态下将钢或合金加热到一定温度，保温适当时间获得相应的高温晶相，然后快速冷却，以获得远离平衡状态的不稳定组织。钢件的表面淬火是众多热处理方法中的一种，通常是整体热处理（退火，正火或调质等）后，将表面层加热到临界点以上的温度并急速冷却的工艺方法。钢件表面层加热方法很多，主要有感应加热，火焰加热，电解液加热，电接触加热，脉冲加热，激光加热，电子束加热等等。与完全淬硬热处理相比，表面淬硬处理的优点是零件的整体柔韧性好。表面热处理的方法众多，然而不管采用何种热处理工艺都需要对零件进行运输、储存、清洗等操作，不可能将其集成到产品的机械加工生产线上，因此，将使产品生产周期加长，成本提高，从而降低产品的市场竞争力。目前国内外普遍采用的先将40Cr表面感应淬火强化处理，然后再粗磨和精磨的工艺至少存在以下弊端：一是零件在表面淬火后所进行的粗磨加工可能会对已淬硬表层造成热损伤；二是磨削产生的大量热能被白白浪费；三是工艺路线长，生产效率低，制造成本高。不过，这也容易使人联想到既然磨削热能使工件表面层温度达到相变温度以上，为何不利用粗磨产生的磨削高温，再施以恰当的冷却速度，直接对材料表层强化，然后再精磨获取所要求的精度和表面质量，从而省去了感应加热表面淬火工序，简化了生产工艺，主动消除了磨削热产生的消极作用，充分有效地利用了磨削热。基于以上分析，利用磨削强化处理技术替代高、中频感应淬火工艺对40Cr调质钢进行表面强化，即将磨削加工与表面强化复合为一体[1][2]。市场的竞争是激烈的，唯有不断的提高产品的竞争力才能面对市场的竞争，而提升产品竞争力的方法常见的有降低生产成本、提高生产效率与新生产技术的研发，其中由于新技术的研发通常需要漫长的时间与大量的投资，因此竞争力的提升通常会借助降低生产成本与提高生产效率来着手。借助大量的生产与生产自动化来降低生产成本是一般常见的做法，而如能配合适当的仓管与运输则能进一步的降低成本，至于生产效率的提升，常见的做法是最佳化参数的生产，将现有设备的产能发挥到最大。此外利用加工工艺的特性，简化加工步骤，以较少的时间与设备完成所需的加工，不但可提升生产效率同时也降低生产成本，因此成为近年来的发展趋势。精密的钢铁材料组件加工大多要经历粗加工、硬化处理、精加工来完成，其中对组件施以硬化处理的目的是为了提高材料的机械性质，如材料硬度。然而零件在硬化处理的过程中会因高温作用而变形，因此零件在进行硬化处理时须搭配相关的前置作业与后续处理来确保零件的尺寸精度，但此举却会影响零件的生产效率。所谓的前置作业是指组件在粗加工阶段，需依经验在零件强化处理后可能的变形而预留加工余量，而后续处理，则是指组件在粗加工阶段所预留的加工余量与强化处理过程所造成的变形量，需借助精加工工艺来去除，然而精加工工艺的特性是以微量的材料去除，来产生良好的表面光度与尺寸精度，因此如要去除前述的加工余量与强化变形量，需耗费不少时间。此外，由于强化处理通常是离开生产线进行，因此工件的移动除了对生产效率有不小的影响外，亦会增加额外的后勤成本如仓管与运输。对于零件强化处理而导致的相关问题，曾有将热处理炉置于生产线的做法出现，然而热处理炉对外围工具机操作与工件尺寸的掌控都将产生影响，因此不适用于大部分精密零件的加工过程。虽然将热处理炉置于生产线的做法会影响外围设备，但在生产线上进行强化处理可免除工件移动所需耗费的时间，同时工件运输与储藏相关的时间与成本也免除，因此热处理炉置于生产在线加工的做法可有效的降低生产成本与提升生产效率，但以目前的产业结构而言，将零件委托其他企业进行热处理的成本，远比自行建构热处理设备来的低廉，因此虽然将热处理炉置于生产在线加工，具有可提高生产效率的诱因，但相较于其所需增加的设备成本，仅此原因仍是不够的。然而如果在现有的加工过程中有其他的热源可对加工组件产生加热的现象，也就是说有工艺特性可以被利用来对零件进行强化处理的话，则零件可不必再离线进行强化处理，可在生产线完成零件强化处理的步骤，对生产效率的提升将有很大的帮助。在不利用热处理炉的情况下，要将材料的强化处理融入生产线，其关键在于如何取得足够与适当的替代热源。纵观一般加工工艺规程，工具机本身似乎没有机制可以引发材料有明显的温升，因此对于能提供材料温升热源的寻找，似乎只能从加工工艺规程的特性来着手。一般精密钢铁零件的精加工，最常采用的是磨削加工(Grindingprocess)，由于加工过程本身的原因，加工过程中会消耗大量的能量，其中大部分会转换成热的形式进入工件表面，并引发工件表面温升，且温升往往可达几百甚至上千摄氏度。若能利用磨削加工过程中工件表面所导致的温升，来当做零件表面强化处理的热源，则零件在经历加工的过程即可同步完成组件的表面强化处理，如此一来，材料的强化处理将可在生产线上完成，因此对精密零件生产效率的改善，将有明显的效果。虽然磨削热处理是理论上可行的技术，但尚有许多问题，如加工参数、磨削区温升对硬化层形成的影响还未被弄清。因此为了对磨削强化处理相关机理能有更多的了解，本文将借助各项相关理论的探讨为基础，规划适当的试验参数进行试验，期望借助实验参数、磨削区温升与磨后零件淬硬层状况间的关系，来验证对40Cr调质钢进行磨削表面强化处理模式的可行性。利用磨削强化技术不仅使表面热处理工艺集成到生产线，使其工艺流程由传统表面热处理工艺（如图1－1）的多工序简化为磨削强化工艺（如图1－2）的集成化流程[3]。机加工机加工运输储存装卸清洗热处理装卸清洗运输清洗精磨图1－1传统热处理流程运输储存运输储存磨削淬硬精磨机加工图1－2磨削强化流程磨削强化还将减少生产工序，缩短加工周期，降低产品成本。利用磨削热进行表面强化的研究，探索这项新型的表面热处理工艺在实际工业生产中的可行性和适用性，主动有效地控制磨削工艺条件，利用磨削热对工件表面进行热处理，以改善工件表面材料性能，从而达到简化工艺流程，减少能源消耗，降低生产成本，达到环境保护的目的。1.2当前国内外的研究状况由于在砂轮的磨削过程中，不可避免的会在材料表面引发温升，而由于温升也是材料强化处理的要素之一，因此若能善用磨削过程中材料表面所产生的温升，利用磨削过程中材料表面产生的热量来对材料进行表面强化，则或许可将表面热处理集成到生产线中。利用磨削热，并通过控制磨削时进入工件的热量和温度冷却速度，使工件表面材料的金相组织在磨削后得到改变，从而达到表面强化处理的效果，这就是磨削强化。现在磨削强化任处于萌芽阶段，长期以来，国内外研究磨削热所做的工作，主要集中在将磨削热作为消极因素加以研究，提出了许多磨削热分析模型，并对理论模型进行了相应的工艺验证。分析研究的目的是尽量避免工件烧伤。虽然过去也曾出现过磨削强化概念，但那是磨削加工过程中派生的无目的的材料表层强化现象。近年来，国外许多基础性研究则是主动利用磨削热对工件表层进行强化处理，以改善工件表层材料性能。1994年，德国的E.Brinksmeier和T.Brockhoff首次提出了调质钢零件磨削强化的新工艺［4］，并于1996年、1998年和1999年进一步阐述了这项新工艺在工业中应用的可行性及相关试验研究结果［5］。2002年澳大利亚的I.Zarudi和L.C.Zhang，2003年印度的Venkatachalapathy.V.S.K和Rajmohan.B.也相继发表了他们的研究论文［6-7］。国外已取得的研究成果可归纳为以下几点：（1）磨削强化工艺分两个阶段完成：首先利用粗磨产生的磨削高温对工件表层强化，然后再精磨达到所要求的尺寸精度和表面质量；（2）磨削强化是短时间内奥氏体化的工件表层经自冷却向马氏体相变的结果；（3）磨削强化通常采用干式磨削；（4）用刚玉砂轮磨40CrMnMo调质钢（ap=1mm，νs=35m/min，νw=0.5m/min，干磨），得到了马氏体强化层，强化层深度达1.8mm，表面强化层存在残余压应力，表面无裂纹；（5）成功强化出一些工件样品，并对其耐磨性进行了试验研究，取得了较为理想的试验结果。以上国外取得的利用磨削热进行工件表层强化的富有成效的研究成果，吸引了包括我国台湾在内的国内一些学者的关注，出现了一些介绍国外研究现状的综述文章和跟踪研究论文［8-11］，对推动磨削强化工艺在我国的研究迈出了可喜的一步。然而，到目前为止，不论国内还是国外，将磨削强化工艺应用到工业化生产中去尚有诸多基础问题需要解决。对相关文献的分析研究表明，主要有三大关键基础问题未能妥善解决：一是磨削强化组织形成机理的研究尚需完善。在材料一定时，磨削强化组织及其性能取决于磨削温度、温度作用时间及冷却速度，而已有的研究在没有测温、控制温度作用时间和冷却速度的情况下，仅局限于采用某一特定磨削用量条件和试样自身冷却条件下的试验或模拟结果来解释磨削强化组织的形成机理，显然不充分且有些盲目；二是磨削强化层质量稳定性的研究尚需加强。砂轮磨料的钝化、切屑的堵塞，工件内冷却与外冷却条件的变化等都会影响到磨削强化层质量的稳定性与一致性，目前的研究仅局限于磨削用量对磨削强化层深度的单因素影响规律，缺乏能直接推广应用的经过优化的磨削工艺条件组合；三是磨削强化研究范围尚需拓宽，目前的磨削强化试验基本采用切入式长方体试样平面磨削方式，而针对具体需要强化的零件外圆、成形面及大表面平面磨削强化的研究几乎没有涉及。这些都无疑将直接影响该项新工艺研究的理论价值和实际应用价值。从以上三点不难看出，国内外目前关于磨削强化的基础研究尚处于起步阶段，在如何有效控制磨削温度、温度作用时间、冷却速度，进而保证磨削强化层质量这一关键问题上，至今未能形成明确的思路和完整构想。影响磨削强化的因素很多。从国外已有的研究成果来看：切削深度、进给速度、切削速度、材料的影响、砂轮的影响、工艺稳定性、磨削强化表面的耐磨性都可能对磨削强化的效果产生影响。1.切削深度：在平面磨削中，如进给速度不变，则材料去除率和切削等效厚度与切削深度成正比。切削深度的增加会使切削力增大，使热作用时间加长，进入工件表面的能量增多。2.进给速度：增大进给速度通常会使磨削力增大。实验结果表明，最大淬硬层深度出现在进给速度的中间阶段，当进给速度很高或很低时都难以得到令人满意的淬硬结果。3.切削速度：切削速度对淬硬工艺的影响十分复杂，没有普遍对应的关系。4.材料状态的影响：因为调质态材料的碳化物分布较细，所以调质态材料能比退火态材料得到更大的淬硬深度。5.砂轮的影响：为使较多的热量流入工件，应选择导热率低的砂轮。6.工艺稳定性：一种新工艺应用的前提是应保证其具有良好的工艺稳定性和结果再现性。7.磨削强化表面的耐磨性：从淬硬表面的硬度和残余应力分布来看，磨削强化加工完全能满足工艺要求，但还应对磨削强化工件的使用性能进行评价。但材料的种类繁多，性能也千差万别。国外的科学家只对其可能影响材料强化效果的因素进行了分析研究，并没有详细研究磨削强化在各种具体材料中的应用，也没有制定出具体的工艺标准。要将目前世界上先进的科学理论与生产实践相结合，并服务于生产过程，就必须结合具体的材料进行研究。研究其可行性和适用性，制定出相应的行业标准与工艺流程。由以往的研究得出，由于磨削自身的特点，磨削过程产生的硬化层与常规的表面高温形变淬火产生的硬化层相比具有以下特点：1.磨削热源按三角形分布,磨削表层温度分布曲线的峰值趋向于热源区域（磨削弧区）的中心部位；2.在大梯度应力场的作用下，零件的奥氏体化局部表层沿层深产生不同程度的形变；3.磨削淬硬组织具有非均匀形态,马氏体尺寸沿淬硬层深由外向内逐渐增大,而位错密度则逐渐降低;4.磨削淬硬层存在压缩残余应力,淬硬层深度及显微硬度相当于激光淬火、喷丸及渗氮工艺，而且几乎不存在硬度梯度变化；5.主动利用磨削加工中的热—机械作用，实现未淬硬钢零件磨削加工与表面形变淬火的集成制造，同时减少了专用热处理设备的投资及排放物对环境的污染，降低了成本；6.各过程参量及磨削淬硬质量均与磨削条件有关，通过选择合理的磨削工艺参数，可有效地控制淬硬质量。在以往学术界的研究中发现，磨削淬硬技术的特点是：①磨削强化分两个阶段：首先经过粗磨产生磨削热并利用磨削热淬火，然后再精磨以达到所需的尺寸和形状精度；②磨削强化是短时间内奥氏体化的工件表层经自淬火向马氏体相变的现象；③冷却润滑剂会影响热量的产生，因此磨削强化时可采用干式磨削；④磨削强化使零件表面淬硬层存在残余压应力，表面无裂纹。1.3本课题拟开展的主要工作本课题注重试验研究，主要研究任务是通过改变磨削切削深度来改变表面温升，从而改变硬化层的厚度，找出温升和硬化层厚度的关系，并对淬硬部分的组织进行分析。1.3.1研究内容及要求：磨削强化研究的目的和意义；40Cr磨削强化试验方案的制定及试样的制作；40Cr－康铜非标热电偶的温度标定；40Cr磨削强化用量条件的优化；优化用量条件下的40Cr磨削强化温度测量及冷却速度的确定；磨削强化效果的测定（硬度、金相组织、硬化层厚度）及其机理分析。1.3.2主要技术要求：（1）正确的40Cr－康铜非标热电偶的温度标定曲线；（2）试验确定出最优的磨削用量组合条件；（3）试验确定出适于磨削强化的磨削温度和冷却速度（磨削温度在830～900℃；冷却速度≥30℃/S）；（4）要求磨削强化后的40Cr试样强化层金相组织为淬火马氏体，硬化层深度在0.7~1.3mm。要求磨削强化的试样表面硬度≥HV512。

第二章温度标定2.1热电偶概述温度测量在冶金、石油、化工、机械制造、国防以及国民经济其它部门都具有十分重要的意义。温度测量的方法是多种多样的，热电偶测温法就是其中较常用的一种方法。2.1.1热电偶的工作原理热电偶的工作原理是：当两种不同的导体两端连接成回路时，由于接合点温度不同，会在回路里产生热电流的物理现象，这种现象称为温差电效应或塞贝克效应。热电偶就是基于这种热电效应而工作的。热电偶由2根不同导线（热电极）A和B组成，如图2.1所示，它们一端互相焊接（如1端），形成热电偶的工作端、测量端或热端，用它插入待测介质中测量温度。另一端（如2端）温度保持恒定，称作参考端或自由端。通常，把参考端也称为冷端。利用两端（热端和冷端）温差和热电势的函数关系来测量温度。由此可见，热电偶就是利用热电势随两接点温度变化的特性来测量温度的[12]。AAAA2121BB图2.1热电偶工作原理示意图图2.1热电偶工作原理示意图2.1.2热电偶的特性热电偶是目前温度测量领域中，应用最广泛的感温元件之一。它的特点如下[13～14]：1.热电偶可以直接将温度信号转换成电信号。因此，对于温度的测量、调节、控制、放大、变换都很容易进行、既有利于远距离传送又便于集中管理和电子计算机处理。2.结构简单，使用、安装、维修、保养都很方便。3.国际标准化的热电偶容易获得，价格比较低廉。4.测量准确度高，由于热电偶与被测介质直接接触，因此测量的是真实温度。5.测温范围广，可测量200～2800℃范围的温度。6.热惰性小，动态响应速度快。7.适应性强，由于热电偶的品种、规格齐全，它可以根据使用的特殊要求和具体条件，选择适当的材料品种和尺寸、规格制成体积大小不同和形状各异的热电偶，以满足不同的测温需要。它既可以测量物体的表面温度、高速过程的瞬变温度，又可测量特定部位或狭小场所的温度。由于热电偶具有上述特点，因此它在工业生产和科学研究实验中得到了广泛的应用。然而热电偶测温也有其局限性：1.热电偶插入温度场中会改变温度场的原来状态，被测温度会稍偏离原来的实际温度。2.由于热电极材料受熔点的限制，测温上限不能无限提高，而且测温准确度难以超过0.2℃。3.使用时，必须使参考端温度恒定，否则将引起测量误差。4.在高温或长期使用的情况下，易受被测介质和环境气氛影响，使热电偶腐蚀变质，降低使用寿命。2.1.3热电偶的分类热电偶的分类方法繁多，可以按用途、结构、材料等方法来划分，分类具体如下：1.按热电极材料分有：贵金属热电偶、廉金属热电偶、贵-廉金属混合式热电偶、难熔金属热电偶、非金属热电偶。2.按使用温度范围来分有：高温热电偶、中温热电偶、低温热电偶。3.按热电偶的结构类型来分有：普通热电偶、铠装热电偶、薄膜热电偶、各种专用热电偶（如测量表面温度用的表面热电偶；测量熔融金属用的快速微型热电偶；测量气流温度的抽气式热电偶；测量有爆炸性气体混合物的隔爆热电偶等）。4.按工业标准化情况分有：标准化热电偶和非标推化热电偶。2.1.4热电偶的标定种类在温度的测量过程中，用热电偶测出的实际上是热电势，而并非温度值本身，所以必须知道每一种热电偶的热电势与温度之间的对应关系，才能最终得到需要的温度值。而且不同材料组成的热电偶其热电势与温度之间的关系又是不同的，因此对于那些非标准的热电偶在使用前就必须进行标定。通常表示热电偶热电势和温度的对应关系的方法有三种：表格法、曲线法、公式法。热电偶的标定，就是将热电偶置于若干温度下测量其热电势，并确定热电势与温度的对应关系。根据温度给定和热电势测定的方法不同，热电偶的标定种类主要有三种：纯金属定点法、比较法和黑体空腔法。1.纯金属定点法纯金属定点法是利用纯金属相变平衡点具有固定不变的温度特性来对热电偶进行标定的。根据获得纯金属平衡点的方法不同，纯金属定点法又可分为坩埚定点法和熔丝定点法。2.比较法比较法是利用高一级的标准热电偶和被检热电偶直接比较的一种检定方法。这种方法设备简单、操作方便，并且一次能标定多支热电偶，是应用最广泛的一种标定方法。它适用于标定标准热电偶和各种工作热电偶。比较法又可分为双极法、同名极法和微差法。3.黑体空腔法这种方法是利用标准光电高温计或标准光学高温计测量出热源黑体空腔的温度来对热电偶进行标定的。2.240Cr－康铜非标准热电偶的标定2.2.1标定过程由于40Cr－康铜不是标准热电偶，而且目前也没有其温度与热电势之间的关系数据，所以试验研究的目的是标定出40Cr－康铜这一对热电偶的热电特性数据，得到该热电偶的热电势与温度之间的对应关系。这将为后续40Cr磨削温度的数据处理提供可靠的依据。标定试验所得到的热电特性数据的准确性将直接影响到40Cr磨削温度测量结果的准确性。本文采用的是比较法来标定热电偶。试验方案采用单接点动态标定方案。这种方法设备简单、操作方便，应用广泛。其原理如下：用40Cr－康铜这一对热电偶和镍铬（NiCr）－康铜的标准热电偶来感受同一个节点温度，这样就可以在同一个温度下测得两个热电势的值，但是对于镍铬－康铜的标准热电偶来说，它的热电特性数据是可以通过查《热电偶分度手册》得到的。那么就可以通过查标准热电偶测出的电势值来得到这点的温度，这个温度就和40Cr－康铜热电偶测出的同一时间热电势对应起来了。只要用这种方法测出每一个温度，那么就可以标定出40Cr－康铜热电偶的热电特性数据了[15]。热电偶标定从原理来讲是很简单的，但是要想得到准确可靠的结果却并不容易。其中最大的困难是很难确保两对热电偶在连续升降温的每一个瞬间都严格感受相同的温度。国内外很多学者、专家都在这方面进行了深入的研究，其中本校徐鸿钧教授研制出的热电偶快速标定装置很好的解决了这一难题。图2.2所示为该装置的系统图[16]。a）快速标定装置b）HP3562A动态分析仪图2.2热电偶快速标定系统图2.2热电偶快速标定系统单接点快速动态标定方案的原理示意图见图2.3所示，为了使两对热电偶感受同一点上的温度，先在待标定的40Cr（图中用C表示）做成的试样一端加工出厚度不大于0.5mm的薄壁来，然后再将端部磨尖的康铜（图中用A表示）、标准镍铬（图中用B表示）丝以一定的弹簧压力如图所示从两边对准顶紧在该薄壁上。由于薄壁处厚度极薄，两根磨尖的热电偶丝又是严格对准顶紧的，所以这时完全可以认为A、B、C三种材料是交汇在一个点上的，这个点就是公共的热接点T。热电极A、B通过点T处的40CrC构成标定时给出温度信号的标准热电偶AB，热电极A又与材料C也通过点T构成待标定热电偶AC。由于这样构成的两对热电偶都是从同一点T引出的。所以当以某种方式加热材料C时，无论点T温度如何变化，它们总是都感受这同一点上的温度，从而就有效的保证了标定的可靠性和准确性了。本装置采用的加热方式是用乙炔喷枪加热的，它可以提供标定时所需的温度。在标定的过程中，直接用乙炔喷枪的火焰在40Cr试样的端部加热。然后用HP3562动态信号分析仪同步采集下两对热电偶在加热过程中的热电势。这样就得到了实验过程中的原始数据，再对数据进行处理就可以得到40Cr-康铜热电偶的热电特性关系。EAB(T,T0)EAC(T,T0)T0A热接点TEAB(T,T0)EAC(T,T0)T0A热接点TCC试样冰水混合物试样冰水混合物BT0BT0图2.3单接点快速动态标定方案的原理示意图2.2.2标定结果在标定的过程中，测出的热电势是在热电偶冷端的温度做了一定的处理的情况下得到的，也就是说热电偶冷端的温度为0℃，所以可直接查《热电偶分度手册》得到所需的NiCr－康铜标准热电偶热电特性数据，直接对测出的数据进行对比分析。最后得到了40Cr－康铜热电偶的标定曲线，在Origin6.0软件中拟合结果见图2.4所示。此标定曲线是在冷端温度为T0（T0=0℃）时标定出来的，所以只有在冷端温度为0℃时用此曲线的结果才准确，否则就会给结果造成一定的偏差。Y=-0.09766+20.48292X+0.01063X2-（7.06648E-4Y=-0.09766+20.48292X+0.01063X2-（7.06648E-4）X3+（9.99345E-6）X4图2.440Cr－康铜热电偶标定E(mv)T(℃)基于以上标定结果，可以对后续的磨削温度测量热电势进行分析，得出磨削40Cr在不同磨削用量条件下的磨削温度。

第三章温度测量试验磨削强化研究过程中，如何有效控制和检测磨削温度，将是优化磨削强化效果的关键因素。为有效对40Cr进行磨削强化，故对磨削过程中的表面温度进行测量。温度测量的方法很多，有热电偶测温、热电阻测温、红外线测温等，在本次试验中，考虑到试验的测温环境及现有的试验条件采用半人工热电偶进行测温。3.140Cr钢的简介3.1.140Cr钢40Cr钢是机械制造业使用最广泛的钢种之一。调质处理后具有良好的综合机械性能，良好的低温冲击韧性和低的缺口敏感性。铬是强烈提高钢材淬透性的元素之一，含铬1%左右的40Cr钢，与碳素钢相比其主要优点是淬透性高，能获得稳定性比Fe3C高的合金渗碳体（Fe，Cr）3C。同时过热倾向性比碳钢小。40Cr钢的淬透性良好，水淬时可淬透到φ28～60mm，油淬时可淬透到φ15～40mm。直径25～30毫米以下的工件，一般可在油中淬透，当其断面在50毫米以下时，油淬后无共析的游离铁素体析出；直径30毫米以上的零件可采用水淬；形状复杂的零件，水淬时易产生裂纹，故以油淬为宜。铬对淬透性的强烈作用是使铬钢得到广泛应用的主要原因。钢中加入铬，将使性能得到显著地提高，其强度约比碳钢高20%，并具有良好的塑性。此外，铬能增加淬火钢的回火稳定性，回火后铬大部分形成合金渗碳体（Fe，Cr）3C，少部分溶入铁素体，从而提高了铁素体的强度和韧性。本次试验所用材料的成分见表3-1。表3-140Cr钢的化学成分成分CSiMnCr含量(%)0.37~0.450.17~0.370.58~0.800.80~40Cr钢的特点铬能与碳形成碳化物，但从Fe-Cr-C状态图来看，在平衡状态下的40Cr钢中，铬只有一部分形成合金渗碳体，而大部分还是溶于铁素体中。铬使E、S点左移，因此，在退火状态下，40Cr钢与含碳量相同的40钢相比，在40Cr钢中，含有更多的珠光体，硬度更高。40Cr钢在调质处理的淬火加热时。溶入奥氏体中的铬，可使C曲线向右移，提高钢的淬透性。40Cr钢的淬透性比40钢大得多。同样在油中淬火，40钢的临界直径是5～9.5mm，而40Cr钢可达25～30mm。铬还可提高钢的回火稳定性，因此，40Cr钢与40钢相比，在相同温度的高温回火之后，40Cr钢可获得较高的综合机械性能。由于铬的影响，40Cr钢具有较大的回火脆性倾向。试验表明，40Cr钢在回火后快冷与缓冷的冲击任性相差很大。因此，40Cr钢在高温回火后，要采取较快的冷却。3.1.340Cr钢的用途40Cr钢的过热倾向不大，淬透性较好，回火稳定性较高，经调质能获得较高的综合机械性能。因此它是应用最广的调质钢之一，广泛应用于汽车、拖拉机等上的主要零件，如连杆、连杆螺钉、传动轴、转向轴以及机床上的主轴、齿轮等用于承受交变负荷、中等速度、中等负荷、强烈磨损而无很大冲击的重要零件。3.240Cr钢磨削强化的可行性分析由于磨削加工在工业中应用广泛，基于材料去除及切削形成原理的磨削功率转换为磨削热能的机理已得到深入研究。在磨削加工中，当工件表面材料被磨削热加热到一定温度时将会产生相变。目前热处理工艺和磨削工艺存在着两个主要缺点：⑴虽有多种表面淬硬热处理工艺，但都很难集成到产品生产线上；⑵工件在需进行磨削加工时，磨削热和机械作用可能对已淬硬的材料造成损伤。这两个问题促使人们考虑如何利用磨削加工中所产生的热量和机械作用直接对工件表面进行淬硬，即磨削淬硬。40Cr是低碳合金钢，铬的加入使钢的淬透性得以改善。40Cr是制造大型工件（例如齿轮等）的合适材料，大型的工件留有较大的切削余量，使磨削过程中进行大材料去除量的磨削成为可能。从磨削实验表明随着磨削深度αp的增加磨削产生的热量就越大，从而为表面热处理提供足够的热量。为得到满意的磨削淬硬结果，需在磨削加工时产生大量磨削热及获得最佳热量扩散分配比，因此磨削淬硬工艺不宜使用冷却润滑液。但当工件体积太小，不足以满足自身淬火功能要求时，可使用冷却液帮助实现工件淬火。3.3测温的目的与意义磨削区温升是发展磨削强化处理技术的关键。钢铁材料强化处理的成功与否，取决于材料受到的温升与冷却条件能否满足强化条件，因此如能对磨削区温升和冷却条件能进行有效的控制，即控制材料表面温升状况和冷却速度，则可在磨后材料表面得到强化的效果，因此如何控制磨削区温升达到材料强化处理条件及温度冷却速度，将是本研究的重点[17]。由于钢铁材料强化处理条件会随着材料性质而异，因此本研究首先应对各种钢铁材料强化处理条件有基本的了解，确认材料强化处理所需的温升与冷却条件，作为选择实验材料的依据，再者则是探讨磨削理论，了解磨削热行为对磨削区温升的影响，以找寻控制磨削区温升的方法。最后，借助实验来验证理论推导的准确性，并对材料硬化的相关因素进行探讨，以对磨削硬化处理的技术能有更深入的了解。至于磨削区温升的控制方法，须针对影响磨削区温升的因素来着手，诸如加工参数、砂轮、材料性质等，由于加工参数为磨削工艺的主要变数，对磨削区温升的影响最直接，因此若能了解加工参数与磨削区温升间的关联性，则可借助调整加工参数来达到控制磨削区温升的目的。虽然磨削的加工参数会直接影响磨削区温升情形，但在磨削理论的探讨中，加工参数与磨削区温升间并没有直接的关系式，因此无法借助调整加工参数来获得所需的磨削区温升。由于磨削区温升是磨削耗能以热的形式进入工件所致，而磨削耗能是受砂轮与工件表面间的相互作用影响，相互作用取决于加工参数，因此透过磨削耗能与加工参数、磨削区温升间的关系，似乎可衍生出加工参数与磨削区温升间的关联性。至于实验后的分析，则是针对磨削区温升的控制方法与实验结果的预测方法进行探讨,借助对实验数据的分析，探讨加工参数、磨削耗能与磨削区温升三者间的关联性，了解如何借助调整加工参数来获得所需的磨削区温升。此外，借助观察实验材料的表面强化状况与磨削区温升间的关联性，了解磨削区温升与磨后工件表面强化状态是否有关。3.4磨削用量条件的优化为优化磨削参数，分别通过两种单因素方法进行了磨削强化试验，试验主要通过改变切削深度（ap）和机床进给速度（Vw）来改变磨削区表面的温升。当切深ap分别为0.05mm、0.10mm、0.15mm、0.20mm、0.25mm、0.30mm时，磨削强化试样的显微硬度如图3-1所示；当Vw分别为0.2m/min、0.3m/min、0.45m/min、0.7m/min、1.0m/min时，磨削强化试样的显微硬度如图3-2所示。图3-1切深对显微硬度的影响图3-2进给对显微硬度的影响从图3-1可以清楚地看出当切深改变时硬度梯度曲线也有明显的改变。曲线图中虚线表示硬度超过此线的为硬化区，所以可得当切深ap﹤0.2mm时，硬化层随ap的增加而加深，而当切深ap﹥0.2mm时，硬化层随ap的增加而变浅。由此可得存在一个最佳的切削深度，在此切削深度时硬化层最深。在本次试验中暂定切深ap=0.2mm。从图3-2可以清楚地看出当切深改变时硬度梯度曲线也有明显的改变。曲线图中虚线表示硬度超过此线的为硬化区，所以可得当进给速度Vw﹤0.3m/min时，硬化层随Vw的增加而加深，而当进给Vw﹥0.3m/min时，硬化层随Vw的增加而变浅。由此可得存在一个最佳的进给速度，在此进给速度时硬化层最深。在本次试验中暂定进给速度Vw=0.3m/min。由试验及考虑到表面质量问题暂取砂轮的线速度为Vs=20m/s。3.5温度测量3.5.1磨削温度测量系统1.实验用机床根据现有条件，实验地点选在505现代制造技术实验室，实验用机床选用MMD7125型精密平面磨床(图3－3)。图3-2MM7125型精密平面磨床2.试样制备试样尺寸为14×14×6（mm×mm×mm），采用线切割机床加工试样。在线切割之前，先将棒料在铣床上铣成规则长方体，再在线切割机床上切割成规定的尺寸，即14×14×6（mm×mm×mm）。3.砂轮的安装[18][19]实验用砂轮选用树脂结合剂棕刚玉砂轮。砂轮使用前，先调节其静平衡，安装之后修整砂轮；修整之后，再次调节砂轮的静平衡。砂轮调节静平衡原理：将砂轮两侧等直径的轴放在水平安装的两个平行的钢制刀口形导轨或圆柱形导轨上。由于砂轮质心偏离回转轴线，在重力矩的作用下，砂轮在导轨上滚动，直到砂轮质心处于铅垂线下方时才停止。然后，在通过砂轮轴线的铅垂线上方，即砂轮质心所在的反方向某半径处，加上平衡质量，并逐步调整所加平衡质量的大小，直至砂轮在任意位置都能保持静止不动。实际应用时，平衡质量为三块相同的质量块，当砂轮第一次静止时，在砂轮质心所在的反方向某半径处加一个平衡块，然后在此平衡块的对称位置再分别加一块平衡块，调节这两个平衡块的位置，使砂轮在任意位置都能保持静止不动。4.磨削温度测量系统试验温度测量系统示意图如图3-4所示，磨削测温装置如图3-5所示。661．砂轮2．工件3．云母片4．康铜丝5.夹具6.动态信号分析仪图3-4磨削温度测量系统示意图图3-5磨削测温装置3.5.2磨削测温试验目的：测定棕钢玉砂轮在砂轮线速度Vs=20m/s，工作台进给速度Vw=0.3m/s，以某一特定的切深对试样进行切削时，试样表面的温度变化曲线，从图中分析最高温度是否满足铁素体向奥氏体转变的条件，温度的冷却速度是否满足奥氏体向马氏体转变的临界冷却速度，40Cr的铁碳相图见图3-6所示，奥氏体连续冷却转变C曲线如图3-7所示。并且联系温度和切深的关系，进一步分析切深对试样硬化层深度的影响。试验过程：在MMD7125精密平面磨床上，棕刚玉砂轮分别以0.2mm和0.25mm两种切深对40Cr工件进行磨削加工，采用夹丝的方法对试样在加工过程中的温度进行测定，记录下温度的变化曲线。夹丝方法如图3-8所示。取从砂轮接触试样到离开试样的这一段时间为采样周期，其中切深为ap=0.2mm时的温度变化曲线如图3-9所示。图3-6铁碳相图[20]图3-740Cr连续冷却转变C曲线[21]3-8夹丝图图3-940Cr温度曲线（切深0.20mm）时间（s）温度（℃时间（s）温度（℃）图3-1040Cr温度曲线（切深0.25mm）由图3-9可知当切深为0.2mm时，试样表面的最高温度可达900℃左右。40Cr的含碳量为0.37%～0.45%，因此由图3-6可知40Cr基体向奥氏体转变的最低温度为740℃左右，常规热处理一般是加热到840℃～870℃后保温半小时左右对40Cr淬火，所以试样表面的温升足以让试样奥氏体。按传统热处理经验在如此高温必将形成烧伤，而为何在此试验中试样没被烧伤呢，这是因为和常规热处理相比磨削淬火没有保温的过程，冷却较快来不及形核,因此不会烧伤。而从图3-10可以看出温度为1000℃左右，由试验结果可得此温度均能有效保证40Cr调质钢的表面淬火。比较图3-9和图3-10可得切深越大温度越高。由图3-7知当从最高温到奥氏体开始向马氏体转变温度的这一温度区间中奥氏体连续冷却速度大于30℃/S时，奥氏体直接转化为马氏体组织。而由图3-9和图3－10知温度的连续冷却速度远大于30℃/S，所以在干磨的情况下奥氏体的冷却速度完全可以满足直接向马氏体转变的要求。

第四章试验结果及其分析4.140Cr磨削强化试验显微硬度梯度分析 实验目的：比较棕钢玉砂轮在砂轮线速度VS=20m/s，工作台进给速度Vw=0.3m/min时，切深ap对磨削强化效果的影响。磨削淬硬试验条件如表4-1所示。表4-1磨削强化实验条件磨床MM7125精密平面磨床砂轮棕钢玉砂轮，直径D=300mm试验材料40Cr钢（14mm×14mm×6mm）冷却方式干磨磨削用量磨床转速ns=1250r/min切深ap分别为0.20，0.25mm工件进给速度Vw=0.3m/min，顺磨实验过程：采用尺寸为：14×14×6(mm×mm×mm)的40Cr试样，在MMD7125精密平面磨床上，棕刚玉砂轮分别以0.20mm，0.25mm两种切深对40Cr工件进行磨削加工。然后将磨削硬化后的试样按磨金相的要求将截面磨好,但不需要腐蚀,即在抛光状态下上HSX-1000型全自动显微硬度测试仪（图4-1）沿深度方向进行显微硬度测量。测量时先将机器打开，将加载重量调到100g，加载时间调到15s，然后在显微镜下调到能看到显微组织，并将视野调整到淬硬层表面处。最后自动加载，加载完后测量出压痕对角线长度，机器即可自动算出Hv值。然后重复上述步骤，沿深度方向依次测量出各点硬度。维氏硬度实验的压头与压痕示意图如图4-2，显微硬度测量示意图如图4-3。图4-1显微硬度计图4-2维氏硬度实验的压头与压痕示意图图4-3显微硬度测量示意图40Cr钢变切深磨削强化实验显微硬度梯度如图4-4所示。HV512HV512(a)40Cr硬度曲线（切深0.20mm）HV512HV512（b）40Cr硬度曲线(切深0.25mm)图4-440Cr硬度梯度曲线由图4-4可以清楚地看到试样硬度大致可分为三个区域，过度比较明显。当切深为0.2mm时淬硬层的深度为0.7mm左右，而当切深为0.25mm时淬硬层深度可达1.2mm左右。由此可知在一定的范围内，切深越大淬硬层越厚。结合上次所得的硬度曲线图3-1可知可得最大淬硬层的切削深度在0.25mm～0.3mm之间。本次试验由于时间仓促未能找出此最优参数，后续试验应进一步找出此最优参数。图中曲线所示硬化层硬度不是很均匀，这是因为淬硬层中尚有残余奥氏体和少量碳化物的原因，打硬度时打在奥氏体上硬度就相对较低，打在碳化物上则硬度相对较高。4.2硬化层金相分析金相能反映金属及合金在一定工艺条件（例如铸造、锻压、焊接、热处理等）下所呈现的内部组织。通过对金相的研究来显示钢铁材料经过各种热加工工艺处理后的断口和显微组织行貌，以及反映各种钢铁材料的成分、组织、工艺和性能之间的关系，有助于提高钢铁材料的内在质量，正确地选择和控制各种热加工工艺，对钢铁材料的合适选用和充分发挥其潜在性能作出一定的贡献。本次试验中使用数码相机对磨削淬硬后的40Cr显微组织进行了拍摄，拍摄图片如图4-2所示。表层硬化区表层硬化区(a)40Cr淬硬区800X(切深0.2mm)过渡区过渡区(b)40Cr过渡区800X(切深0.2mm)基体基体(c)40Cr基体800X（切深0.2mm）基体过渡区硬化区基体过渡区硬化区(d)40Cr整体80X(切深0.2mm)表层硬化区表层硬化区(e)40Cr淬硬区800X(切深0.25mm)过渡区过渡区(f)40Cr过渡区800X（切深0.25mm）基体基体(g)40Cr基体800X(切深0.25mm)图4-2金相照片从图4-2（d）可以看出，磨削淬硬后试样由表及里依次为完全硬化层、过渡层和基体，三个区域的分界比较明显。当切削深度改变后淬硬层的组织成分基本没变（如图a、e）。磨削硬化层按随深度增加而变化的特征，可分为表面层、中间层和里层。由图e可知，表面层是细小均匀的针状马氏体；中间层是略微粗大的针状马氏体、残余奥氏体和少量点状碳化物；里层是比表面更加细小的针状马氏体、残余奥氏体和少量点状碳化物。由此可知，从表面层到里层，完全硬化区的组织形貌呈现出“细～粗～细”的变化规律。这是因为淬硬层表面散热快，而底层热量向试样基体扩散比表面向空气中散热更快，中间层热量向表面和底层散热冷却较慢造成的。过渡区由均匀细小的针状马氏体和回火索氏体（珠光体）组成(如图b、f)。该区受表层向基体传热的影响，温度处于Ａc1～c3之间而部分奥氏体化，并因基体的迅速吸热而快速冷却，从而形成了上述混合组织；与完全硬化区相比，其针状马氏体更小。这是因为过渡区的散热比完全硬化层的底部更快[22]。由于试样材料为调质的40Cr,所以基体为回火索氏体（如图c、g）。4.3淬硬层硬度厚度稳定性分析实验目的：验证磨削淬火工艺在不同横截面上的硬度和淬硬层厚度是否均匀。以此也可以来测定磨削淬火工艺的工艺稳定性，从而可以验证将来磨削淬火工艺大规模工业化应用的可行性。淬硬层厚度均匀性验证：由于温度测定的需要，每种试样都是从中间分成两块的。前一块由于刚开始时磨削热不足，没有淬硬层或淬硬层很薄，因此前一块厚度不稳定；后一块由于磨削热稳定，淬硬层厚度也就相对稳定。为了更好的检验淬硬层厚度的稳定性，我们选后一块沿磨削方向磨制金相，抛光好后上显微硬度仪沿不同的线在硬化层的等厚度上测量硬度，然后比较。然后将试样腐蚀拍照片，观看硬化层厚度的稳定性。腐蚀好的金相组织如图4-2（b）所示。由图4-2（b）所示低倍下的40Cr调质钢截面内淬硬层全貌图，凭目测就可以明显看到淬硬层的厚度均匀性很好。淬硬层与基体的分界线非常明显，且几乎与外表面与镶嵌层的交线平行。因此由好的均匀性，就可以推断出淬硬层厚度在整个磨削硬化平面内都是均匀的。淬硬层硬度均匀性验证：仍以切深0.2mm的40Cr钢试样为例来说明问题。采用图4-2（b）所示的平面内的金相，刨光后上显微硬度仪，在一块合适的区域内确定5根线，这5根线的间距为1.5mm，这5根线的方向为深度方向与外表面垂直。然后在每根线上处于淬硬层的部分取3点并测其硬度，这3点间距相等都为0.15mm，且第一个点与外表面的距离相等。所测数据如表4-1所示。表4-140Cr调质钢淬硬层5线3点硬度表Hv123451657.0715.4724.4612.5619.62641.6626.8792.2657.4715.43664.9553.7612.5681.1715.4之所以选线间距1.5mm，是为了保证能够在一个较宽的范围内进行比较，使比较结果具有较好的代表性。每一条线上的点间距0.15mm，是为了保证各点都落在淬硬层范围之内，而且又能够在最大的程度上覆盖整个淬硬层，从而使得所测得硬度值能够很好的代表整个淬硬层。由表中数据可看出淬硬层硬度在纵向方向的硬度值基本一致,因此具有较好硬度稳定性。之所以硬度值呈现一定的波动是因为组织中存在硬性粒子和和一些较软的区域。测硬度时压头落在这些区域，所以会引起已硬度值的波动。总体评价：总之，由以上的厚度验证和硬度验证结果，可知淬硬层在整个淬硬面内的厚度和硬度都较均匀。由此可知，只要磨削热相同的情况下，就具有较稳定的淬硬层厚度和硬度。要做到相同的磨削热只要用相同的磨削工艺参数，因此在磨削工艺参数相同的情况下，就应具有较稳定的淬硬层厚度和淬硬层硬度。因此可知磨削淬火工艺具有较好的可重复性和工艺稳定性。由此可知磨削淬火工艺具有较好的工业应用可能性，相信不久的将来必能实现其大规模工业化应用。

第五章结论与展望5.1结论本文从磨削加工及金属表面热处理的基本原理出发，在优化的磨削用量条件下对40Cr钢的表面淬火新技术进行了初步研究。研究的过程中采取以试验为主，结合必要的理论分析的方法。主要是针对工艺参数（切深）对热源强度，淬硬层深度的影响加以研究。结论如下：1.由磨削温度测量曲线可知，在平面磨削中，如进给速度和砂轮转速不变，则40Cr钢的材料去除率和切削等效厚度与切削深度ap成正比。随着切削深度ap的增加，进入工件表面的能量也相应增加，在一定的范围内产生的淬硬层深度也相应变大。2.金相组织照片显示，硬化层磨削硬化层由完全硬化区和过渡区组成;完全硬化区由细小针状马氏体、残余奥氏体和少量点状碳化物组成，过渡区由马氏体和回火索氏体(珠光体)组成;从表面到里层，组织形貌呈现“细～粗～细”的变化规律，淬硬显微组织可以满足热处理要求。3.从硬度梯度曲线上可以清楚地看出磨削所得的淬硬层深度可达1.2mm左右。4.从温度变化曲线可以看出：在一定的磨削用量条件，干磨的情况下温度的冷却速度已经满足奥氏体向马氏体转变的要求，不需用冷却液加速冷却。5.从硬度变化曲线上可知淬硬区的硬度在HV512-700之间，