常壓高速氮?dú)獯慊鹛匦苑治?/h1>
2017-01-24 07:12:05侯立軍程赫明李建云姚激
價(jià)值工程 2017年1期 關(guān)鍵詞：溫差
侯立軍 程赫明 李建云 姚激
摘要：淬火作為改善金屬及合金材料性能的主要方式之一，淬火介質(zhì)的選擇對(duì)工件淬火后的質(zhì)量起到關(guān)鍵作用。本文在常壓環(huán)境下以高速氮?dú)庾鳛榇慊鸾橘|(zhì)對(duì)T10鋼工件進(jìn)行淬火處理，對(duì)高速氮?dú)獾拇慊鹛匦院屠鋮s能力進(jìn)行評(píng)價(jià)。研究結(jié)果表明：隨著氮?dú)饬魉俚脑龃?，常壓高速氮?dú)獯慊鸾橘|(zhì)的冷卻能力、工件內(nèi)外溫差、計(jì)算平均冷卻速率都呈現(xiàn)增大趨勢(shì)。研究為高速氮?dú)獯慊鹛峁┝死碚撘罁?jù)。
Abstract： As one of the main ways to improve the properties of metal and alloy materials， the selection of quenching medium plays a key role in the quality of the workpiece after quenching. In this paper， T10 steel was quenched with high speed nitrogen as the quenching medium under the atmospheric pressure， and the quenching characteristics and cooling capacity of high speed nitrogen were evaluated. The research results showed that： with the increase of the flow rate of nitrogen， the cooling capacity of high speed nitrogen quenching medium under atmospheric pressure， the temperature difference between inside and outside of the workpiece， the average cooling rate were all increasing. The study provided a theoretical basis for high speed nitrogen quenching.
關(guān)鍵詞：高速氮?dú)獯慊穑焕鋮s能力；淬火特性；溫差；平均冷卻速率
Key words： high speed nitrogen quenching；cooling capacity；quenching characteristics；temperature difference；average cooling rate
中圖分類號(hào)：TG156.31 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2017）01-0100-02
0 引言
隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)機(jī)械零部件的性能和可靠性的要求越來越高。金屬零部件的內(nèi)在性能和質(zhì)量，除材料成份特征外，主要是在熱加工過程中形成的。熱處理是熱加工過程的最后一道工序，起著舉足輕重的作用，重要零部件都要經(jīng)過熱處理工序[1]做組織和性能的最后調(diào)整[2-3]。金屬及合金的淬火是熱處理工藝中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。
金屬及合金材料工件在淬火后的性能主要取決于其在淬火后的微觀組織，而工件淬火后的微觀組織決定于金屬及合金的成份及淬火冷卻速度等因素。改善金屬及合金材料工件淬透效果較為常用的方法有兩種[4]：一是提高材料的合金元素含量使過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線右移；二是提高淬火冷卻速度。相對(duì)而言，提高淬火冷卻速度的方法簡(jiǎn)單易行、成本低廉，但是工件熱應(yīng)力和組織應(yīng)力的大小取決于冷卻速度和冷卻均勻性[5]。因此，控制冷卻速度和冷卻均勻性對(duì)淬火工藝的優(yōu)化有著重要意義。
本文在常壓環(huán)境下以高速氮?dú)庾鳛榇慊鸾橘|(zhì)，對(duì)T10鋼工件展開淬火實(shí)驗(yàn)研究，研究氮?dú)饬魉賹?duì)工件性能的影響。
1 實(shí)驗(yàn)材料、工件及過程
為分析研究常壓高速氮?dú)獾拇慊鹛匦裕緦?shí)驗(yàn)以碳素工具鋼T10鋼為實(shí)驗(yàn)材料，制作直徑為20mm、高60mm的圓柱形工件。為了便于采集工件內(nèi)部溫度，在工件距工件側(cè)面1mm及中心位置分別鉆30mm深圓孔以便于布置溫度傳感器。溫度傳感器為鎳鉻-鎳硅（Ni-Cr—Ni-Si）熱電偶，工件規(guī)格及熱電偶布置示意圖如圖1所示。
為獲取更高的氣流速度及保證淬火介質(zhì)與工件換熱的均勻性，課題組研制了具有自主專利權(quán)的專用淬火冷卻罐（以下簡(jiǎn)稱淬火罐），如圖2所示。實(shí)驗(yàn)首先將裝有熱電偶的工件置于加熱設(shè)備中加熱至淬火前初始溫度并保溫，本實(shí)驗(yàn)加熱初始溫度為820-840℃，保溫時(shí)間為20分鐘，然后迅速將工件移至淬火罐進(jìn)行高速氮?dú)獯慊鹛幚聿⑼瑫r(shí)采用計(jì)算機(jī)自動(dòng)記錄淬火過程中的溫度與時(shí)間關(guān)系數(shù)據(jù)。
2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析
不同氮?dú)饬魉傧鹿ぜ薪孛娴睦鋮s曲線如圖3所示。由于淬火過程中使用了淬火罐，導(dǎo)致淬火介質(zhì)在工件表面的氣流速度難于測(cè)量及從便于工程應(yīng)用的角度考慮，實(shí)驗(yàn)中的氣流速度以高壓儲(chǔ)氣罐出口處調(diào)壓閥的壓力表征，本實(shí)驗(yàn)共用4瓶容積為40L的高壓儲(chǔ)氣罐。
圖3表明，隨著氣流速度的增大，工件冷卻至室溫所需時(shí)間逐漸減少，說明高速氮?dú)獾睦鋮s能力隨著流速的增大而增大。從冷卻曲線發(fā)現(xiàn)，不同氣流速度下淬火持續(xù)至不同時(shí)間時(shí)工件溫度出現(xiàn)了增大現(xiàn)象，調(diào)壓閥壓力為0.2MPa時(shí)約為40s，0.4MPa時(shí)約為28s，0.6MPa時(shí)約為22s，說明不同氣流速度下工件進(jìn)入珠光體相變的時(shí)間不同，進(jìn)一步表明氣流速度與淬火能力的相關(guān)性。
由圖3測(cè)試曲線可進(jìn)一步計(jì)算工件在不同氣流速度淬火過程中工件中截面心部與距表面1mm位置處的溫度差。圖4為工件在不同流速氮?dú)獯慊饡r(shí)內(nèi)外溫差計(jì)算值隨淬火時(shí)間變化情況的比較。
圖4表明，淬火開始后，工件內(nèi)外溫差迅速增大；珠光體相變開始，工件內(nèi)外溫差減??；珠光體相變結(jié)束，工件內(nèi)外溫差又增大，而后逐漸平穩(wěn)。隨著氮?dú)饬魉俚脑龃?，工件?nèi)外溫差呈現(xiàn)增大趨勢(shì)。不同流速下工件內(nèi)外溫差，淬火開始階段相差較小，珠光體相變結(jié)束后逐漸明顯，這是由于T10鋼材料工件內(nèi)部傳熱能力所致。
由圖3測(cè)試曲線還可進(jìn)一步計(jì)算工件在不同氣流速度淬火時(shí)的平均冷卻速率。平均冷卻速率可以用圖3中前后兩個(gè)時(shí)刻溫度的差值除以兩時(shí)刻時(shí)間間隔得到。圖5為工件不同流速氮?dú)獯慊饡r(shí)平均冷卻速率計(jì)算值隨淬火時(shí)間變化情況的比較。
圖5表明，淬火開始，計(jì)算平均冷卻速率迅速增大，淬火介質(zhì)與工件換熱較為劇烈，這主要是由于淬火開始時(shí)淬火介質(zhì)與工件的溫差較大。第一次波峰后計(jì)算平均冷卻速率迅速減小，這主要是由于T10鋼材料珠光體相變過程中潛熱釋放導(dǎo)致工件溫度升高，而淬火介質(zhì)與工件換熱仍持續(xù)進(jìn)行。計(jì)算平均冷卻速率到達(dá)波谷后又迅速增大是由于珠光體相變結(jié)束后工件溫度又開始下降。隨著淬火持續(xù)進(jìn)行，工件溫度不斷下降，淬火介質(zhì)與工件的溫差逐漸減小，計(jì)算平均冷卻速率呈現(xiàn)減小趨勢(shì)。隨著氮?dú)饬魉俚脑龃螅ぜ?jì)算平均冷卻速率呈現(xiàn)增大趨勢(shì)且高溫階段較低溫階段差異更大。
3 結(jié)論
為研究分析常壓環(huán)境下進(jìn)行的高速氮?dú)獯慊鸬睦鋮s特性和冷卻能力，本文實(shí)現(xiàn)了不同氮?dú)饬魉傧聦?duì)T10鋼工件的淬火實(shí)驗(yàn)，并得到了不同氮?dú)饬魉傧鹿ぜ薪孛胬鋮s曲線，通過計(jì)算分析可得如下結(jié)論：
①常壓高速氮?dú)獯慊鸾橘|(zhì)的冷卻能力隨著氮?dú)饬魉俚脑龃蠖龃螅w現(xiàn)了該淬火方式的可控性，可實(shí)現(xiàn)工件不同需求下的淬火處理。
②隨著氮?dú)饬魉俚脑龃螅ぜ?nèi)外溫差呈現(xiàn)一定增大趨勢(shì)。常壓高速氮?dú)獯慊疬^程中工件內(nèi)外溫差不大，內(nèi)部冷卻比較均勻，可預(yù)見該淬火方式下工件具有較小的熱應(yīng)力和熱變形，同時(shí)也說明常壓高速氮?dú)獯慊鸬睦鋮s能力較低。
③工件的計(jì)算平均冷卻速率隨著氮?dú)饬魉俚脑龃蠖龃蟆９ぜ邷仉A段的冷卻速率大于低溫階段的冷卻速率，總體冷卻速率較低。
參考文獻(xiàn)：
[1]曹瑞，孫會(huì).淬火過程數(shù)值模擬技術(shù)的研究進(jìn)展[J].材料導(dǎo)報(bào)A：綜述篇，2015，29（3）：140-144.
[2]中國機(jī)械工程學(xué)會(huì)熱處理專業(yè)學(xué)會(huì)《熱處理手冊(cè)》編委會(huì).熱處理手冊(cè)（第一卷）工業(yè)基礎(chǔ)（第三版）[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001.
[3]戚正風(fēng).金屬熱處理原理[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1986.
[4]徐祖耀.材料熱處理原理——相變研究及其應(yīng)用.中國熱處理年鑒[M].北京：中國熱處理行業(yè)協(xié)會(huì)，2003，213-219.
[5]R.T.von，Bergen.淬火介質(zhì)的選擇和控制對(duì)工程用鋼零件變形的影響[J].國外機(jī)車車輛工藝，1995（3）：38-44.
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0 引言
隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)機(jī)械零部件的性能和可靠性的要求越來越高。金屬零部件的內(nèi)在性能和質(zhì)量，除材料成份特征外，主要是在熱加工過程中形成的。熱處理是熱加工過程的最后一道工序，起著舉足輕重的作用，重要零部件都要經(jīng)過熱處理工序[1]做組織和性能的最后調(diào)整[2-3]。金屬及合金的淬火是熱處理工藝中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。
金屬及合金材料工件在淬火后的性能主要取決于其在淬火后的微觀組織，而工件淬火后的微觀組織決定于金屬及合金的成份及淬火冷卻速度等因素。改善金屬及合金材料工件淬透效果較為常用的方法有兩種[4]：一是提高材料的合金元素含量使過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線右移；二是提高淬火冷卻速度。相對(duì)而言，提高淬火冷卻速度的方法簡(jiǎn)單易行、成本低廉，但是工件熱應(yīng)力和組織應(yīng)力的大小取決于冷卻速度和冷卻均勻性[5]。因此，控制冷卻速度和冷卻均勻性對(duì)淬火工藝的優(yōu)化有著重要意義。
本文在常壓環(huán)境下以高速氮?dú)庾鳛榇慊鸾橘|(zhì)，對(duì)T10鋼工件展開淬火實(shí)驗(yàn)研究，研究氮?dú)饬魉賹?duì)工件性能的影響。
1 實(shí)驗(yàn)材料、工件及過程
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為獲取更高的氣流速度及保證淬火介質(zhì)與工件換熱的均勻性，課題組研制了具有自主專利權(quán)的專用淬火冷卻罐（以下簡(jiǎn)稱淬火罐），如圖2所示。實(shí)驗(yàn)首先將裝有熱電偶的工件置于加熱設(shè)備中加熱至淬火前初始溫度并保溫，本實(shí)驗(yàn)加熱初始溫度為820-840℃，保溫時(shí)間為20分鐘，然后迅速將工件移至淬火罐進(jìn)行高速氮?dú)獯慊鹛幚聿⑼瑫r(shí)采用計(jì)算機(jī)自動(dòng)記錄淬火過程中的溫度與時(shí)間關(guān)系數(shù)據(jù)。
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圖3表明，隨著氣流速度的增大，工件冷卻至室溫所需時(shí)間逐漸減少，說明高速氮?dú)獾睦鋮s能力隨著流速的增大而增大。從冷卻曲線發(fā)現(xiàn)，不同氣流速度下淬火持續(xù)至不同時(shí)間時(shí)工件溫度出現(xiàn)了增大現(xiàn)象，調(diào)壓閥壓力為0.2MPa時(shí)約為40s，0.4MPa時(shí)約為28s，0.6MPa時(shí)約為22s，說明不同氣流速度下工件進(jìn)入珠光體相變的時(shí)間不同，進(jìn)一步表明氣流速度與淬火能力的相關(guān)性。
由圖3測(cè)試曲線可進(jìn)一步計(jì)算工件在不同氣流速度淬火過程中工件中截面心部與距表面1mm位置處的溫度差。圖4為工件在不同流速氮?dú)獯慊饡r(shí)內(nèi)外溫差計(jì)算值隨淬火時(shí)間變化情況的比較。
圖4表明，淬火開始后，工件內(nèi)外溫差迅速增大；珠光體相變開始，工件內(nèi)外溫差減??；珠光體相變結(jié)束，工件內(nèi)外溫差又增大，而后逐漸平穩(wěn)。隨著氮?dú)饬魉俚脑龃?，工件?nèi)外溫差呈現(xiàn)增大趨勢(shì)。不同流速下工件內(nèi)外溫差，淬火開始階段相差較小，珠光體相變結(jié)束后逐漸明顯，這是由于T10鋼材料工件內(nèi)部傳熱能力所致。
由圖3測(cè)試曲線還可進(jìn)一步計(jì)算工件在不同氣流速度淬火時(shí)的平均冷卻速率。平均冷卻速率可以用圖3中前后兩個(gè)時(shí)刻溫度的差值除以兩時(shí)刻時(shí)間間隔得到。圖5為工件不同流速氮?dú)獯慊饡r(shí)平均冷卻速率計(jì)算值隨淬火時(shí)間變化情況的比較。
圖5表明，淬火開始，計(jì)算平均冷卻速率迅速增大，淬火介質(zhì)與工件換熱較為劇烈，這主要是由于淬火開始時(shí)淬火介質(zhì)與工件的溫差較大。第一次波峰后計(jì)算平均冷卻速率迅速減小，這主要是由于T10鋼材料珠光體相變過程中潛熱釋放導(dǎo)致工件溫度升高，而淬火介質(zhì)與工件換熱仍持續(xù)進(jìn)行。計(jì)算平均冷卻速率到達(dá)波谷后又迅速增大是由于珠光體相變結(jié)束后工件溫度又開始下降。隨著淬火持續(xù)進(jìn)行，工件溫度不斷下降，淬火介質(zhì)與工件的溫差逐漸減小，計(jì)算平均冷卻速率呈現(xiàn)減小趨勢(shì)。隨著氮?dú)饬魉俚脑龃螅ぜ?jì)算平均冷卻速率呈現(xiàn)增大趨勢(shì)且高溫階段較低溫階段差異更大。
3 結(jié)論
為研究分析常壓環(huán)境下進(jìn)行的高速氮?dú)獯慊鸬睦鋮s特性和冷卻能力，本文實(shí)現(xiàn)了不同氮?dú)饬魉傧聦?duì)T10鋼工件的淬火實(shí)驗(yàn)，并得到了不同氮?dú)饬魉傧鹿ぜ薪孛胬鋮s曲線，通過計(jì)算分析可得如下結(jié)論：
①常壓高速氮?dú)獯慊鸾橘|(zhì)的冷卻能力隨著氮?dú)饬魉俚脑龃蠖龃螅w現(xiàn)了該淬火方式的可控性，可實(shí)現(xiàn)工件不同需求下的淬火處理。
②隨著氮?dú)饬魉俚脑龃螅ぜ?nèi)外溫差呈現(xiàn)一定增大趨勢(shì)。常壓高速氮?dú)獯慊疬^程中工件內(nèi)外溫差不大，內(nèi)部冷卻比較均勻，可預(yù)見該淬火方式下工件具有較小的熱應(yīng)力和熱變形，同時(shí)也說明常壓高速氮?dú)獯慊鸬睦鋮s能力較低。
③工件的計(jì)算平均冷卻速率隨著氮?dú)饬魉俚脑龃蠖龃蟆９ぜ邷仉A段的冷卻速率大于低溫階段的冷卻速率，總體冷卻速率較低。
參考文獻(xiàn)：
[1]曹瑞，孫會(huì).淬火過程數(shù)值模擬技術(shù)的研究進(jìn)展[J].材料導(dǎo)報(bào)A：綜述篇，2015，29（3）：140-144.
[2]中國機(jī)械工程學(xué)會(huì)熱處理專業(yè)學(xué)會(huì)《熱處理手冊(cè)》編委會(huì).熱處理手冊(cè)（第一卷）工業(yè)基礎(chǔ)（第三版）[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001.
[3]戚正風(fēng).金屬熱處理原理[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1986.
[4]徐祖耀.材料熱處理原理——相變研究及其應(yīng)用.中國熱處理年鑒[M].北京：中國熱處理行業(yè)協(xié)會(huì)，2003，213-219.
[5]R.T.von，Bergen.淬火介質(zhì)的選擇和控制對(duì)工程用鋼零件變形的影響[J].國外機(jī)車車輛工藝，1995（3）：38-44.
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