末端淬火试验装置设计.docx
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末端淬火试验装置设计
末端淬火试验装置设计
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摘要
末端淬火法是测定钢淬透性的一种常用试验方法。
末端淬火试验机是用于测定钢末端淬透性的专用设备。
本文分析了淬火热力学条件及末端淬火机理,学习和研究《钢淬透性的末端淬火试验方法》(GB/T225-2006),在广泛调研国内一些单位自制试验装置的基础上,集各家之长,加之于自己独创的结构设计,绘制出符合GB/T225-2006要求的末端淬透性试验机图纸。
该设备用水箱控制水位,水箱固定于1000mm高的水泥墩上,水箱水位与喷水口高度相差307mm,调节喷水口改变喷水口水射流高度,达到本标准要求的水位高度。
该设备适用于碳钢和低合金钢的末端淬透性试验。
关键词末端淬火,淬火装置,端淬试验
ABSTRACT
Jominyendquenchtestisacommonmethodsofsteelhardenability.Endhardenabilitytestmachineisusedtodeterminetheendofhardenabilityofspecialequipment.
Thispaperanalysesthequenchingthermodynamicconditionsandtheendofquenchingmechanism,studyandresearch"hardenabilityoftheendofquenchingtestmethod"(GB/T225-2006),inawiderangeofdomesticresearchunitsmadeonthebasisoftestdevices,eachsetofLong,inadditiontoitsoriginalstructure,designedtomeettherequirementsoftheendofGB/T225-2006hardenabilitytestmachine,thedevicewithawaterlevelofcontrolthewaterlevelinordertocontrolthewaterheight.
Watertankfixedin1000mmhighconcretecolumniation,watertanksandwaterfountainmouthheightdifferenceof307mm,Ichangethewaterfountainregulationsalivajetheight,reachthestandardsrequirethatthewaterlevelhigh.Thedeviceappliestolow-carbonsteelandalloysteelhardenabilitytheendoftrial.
KeywordsJominyendquenchtest,quenchingdevices,quenchingtest
目录
摘要I
ABSTRACTII
1绪论I
1.1末端淬火概述2
1.2本课题研究的目的及意义2
1.3淬火工艺理论2
1.3.1钢的淬透性3
1.3.2淬透性对钢的组织及性能的影响3
1.3.3淬透性的判定标准3
1.3.4影响淬透性的因素3
1.3.5淬火加热方法4
1.3.6淬火加热温度和保温时间确定5
2设计的标准7
2.1范围7
2.2方法7
2.3符号和说明7
2.4试样及制备8
2.4.1取样8
2.4.2尺寸8
2.43样坯的正火8
2.4.4机加工9
2.5设备9
2.6试样的加热和淬火9
2.7淬火10
2.8淬火后硬度的测定和准备10
2.9试验结果表示10
2.9.1任一点的硬度值10
2.9.2绘制硬度曲线11
2.9.3测量结果表示11
3设计过程12
3.1设计计算12
3.1.1喷水口水流速度12
3.1.2计算沿程损失水头12
3.1.3计算局部损失水头14
3.1.4水头损失17
3.2设计方案17
3.2.1总体设计思路17
3.2.2设计水箱17
3.2.3设计端淬机19
3.3设计制图20
3.3.1制图软件的选择20
3.3.2绘制图纸………………………………………………………………………………20
4安装调试说明………………………………………………………………………………….21
参考文献…………………………………………………………………………………………...22
致谢……………………………………………………………………….………………………...23
1绪论
1.1末端淬火概述
淬火是人类历史上最早使用的一种强化热处理方法。
我国早在两千多年前就应用淬火来提高兵器和农具的硬度和强度。
淬火使钢变硬的主要原因是获得了马氏体组织。
高碳钢淬火后得到的是呈针状或竹叶状的片状马氏体(也称孪晶马氏体),其性能是硬而脆,低碳钢淬火后得到的是呈一束束许多相互平行的细长条的条状马氏体(也称位错马氏体),其性能是具有良好的强度和韧性[1]。
钢的淬透性是指表征钢材淬火时获得马氏体的能力的特性,淬透性的好坏直接影响了工件的最终使性能。
因此,淬透性是结构钢工件设计、合理选材及正确制定热处理工艺的重要依据,也是研究新钢时应当考虑的重要问题[2]。
从1938年WEJominy用端淬试验法得出端淬曲线以来,人们对端淬曲线做了大量的研究工作,标准的端淬试验法也成为目前用于测定材料淬透性最常用的方法[3]。
钢的末端淬火试验,是测定钢的淬透性方法之一。
淬透性对H钢(保证淬透性钢)尤其重要,其判据是末端淬透性曲线带[4]。
对曲线带宽窄要求应是越窄越好,如汽车工业要求钢的末端淬透性曲线带宽为6~7HRC,并且希望达到3~4HRC。
欧、美、日等发达国家现都以钢的淬透性曲线带来代替其力学性能指标提供货源,并相继建立了H钢标,我国在这方面也作了很多工作,并建立起自己的标准[5]。
1.2本课题研究的目的及意义
钢的淬透性是钢的热处理工艺性能,在生产在有重要的实际意义。
工件在整体淬火条件下,从表面至中心是否淬透,对其机械性能有重要影响。
末端淬火法是测定钢淬透性的一种常用试验方法。
末端淬透性试验机是用于测定钢末端淬透性的专用设备。
《钢淬透性的末端淬火试验方法》(GB/T225—2006)已于2007年2月1日开始实施,但目前许多单位仍在使用自制试验装置。
我们将在广泛调研国内一些单位自制试验装置的基础上,集各家之长,加之于自己独创的结构,设计出符合GB/T225—2006要求的末端淬透性试验机,满足我校金属学与热处理课程实验及学生创新实验使用。
该设备适用于碳钢和低合金钢的末端淬透性试验。
1.3淬火工艺理论
将钢加热至临界点AC3或AC1以上一定温度,保温以后以大于临界冷却速度的速度冷却得到马氏体(或下贝氏体)的热处理工艺叫做淬火。
淬火的主要目的是使奥氏体化后的工件获得尽量多的马氏体并配以不同温度回火获得各种需要的性能[6]。
对淬火工艺而言,为实现淬火首先必须将钢加热到临界点(AC3或AC1)以上获得奥氏体组织,其后的冷却速度必须大于临界淬火速度以得到全部马氏体(含残余奥氏体)组织。
为此,必须注意选择适当的淬火温度和冷却速度。
由于不同钢件过冷奥氏体稳定性不同,钢淬火获得马氏体的能力各异。
实际淬火时,工件截面各部分冷却速度不同,只有冷却速度大于临界淬速度的部位才能得到马氏体,而工件心部则可能得到珠光体、贝氏体等非马氏体组织[7]。
1.3.1钢的淬透性
淬透性也叫可淬性,它是钢的一种属性,是指奥氏体化的钢接受淬火的能力。
其大小用一定条件下淬火获得的淬透层深度来表示。
淬火是常用的一种热处理工艺,目的是为了获得马氏体组织。
工件淬火后,一般从表面到内部一定深度均获得马氏体组织,然而不同的钢种接受淬火的能力不同,从表面到内部的截面上淬成马氏体组织的深度也不同[8]。
淬成马氏体组织的深度越大,表明该钢种的淬透性越高。
1.3.2淬透性对钢的组织及性能的影响
钢淬火后的金相组织不仅与工件的尺寸大小和淬火时冷却条件等因素有关,还与钢的淬透性高低有密切的关系。
如果工件尺寸和淬火条件一定时,则钢的淬火组织仅由淬透性决定。
当回火温度一定时,则淬火组织将成为影响钢在调质处理后力学性能的重要因素。
完全淬透的工件具有良好的综合力学性能,即它的屈服强度、屈强比、疲劳强度、冲击值和面缩率等都比较高,而脆性转变温度却比铡氏。
冷却速度的快慢对奥氏体的过冷度有显著的影响。
冷却速度慢,则奥氏体的过冷度小,奥氏体便会在较高的温度下开始相变,所获得的马氏体组织量便相应地减少。
相反,马氏体的量会增加。
当达到一定的过冷却速度时,组织中基本上是马氏体[9]。
1.3.3淬透性的判定标准
目前比较方便和使用最广泛的是以半马氏体组织(50%马氏体和50%细珠光体)作为评定淬透性的标准。
这个半马氏体组织的硬度称为临界硬度。
但对于油套管淬透性则以API标准来计算。
1.3.4影响淬透性的因素
淬透性是钢的一种属性,不同的钢种,其淬透性的高低往往差别较大。
为了进一步探讨其原因,就需要对影响淬透性的因素进行分析研究。
影响钢的淬透性的因素是多方面的,归纳起来主要有以下这些因素。
①奥氏体化学成分的影响
钢的化学成分主要是铁,碳和合金元素。
大部分合金元素(除钻外)溶于奥氏体时,均使奥氏体等温转变曲线向右移动,增大奥氏体的稳定性而减小临界冷却速度。
临界冷却速度愈小,则奥氏体转变为珠光体的速度也愈慢,即成核与长大速度减慢。
在低碳钢中常用的合金元素,降低临界冷却速度从而使钢容易淬火,以锰为最强烈,其次为铝,铬、铝,硅、镍等。
当同时加入数种合金元素时,由于相互激发的效应,更能大大降低临界冷却速度,而使钢的淬透性得到显著提高[10]。
②奥氏体均匀度的影响
晶粒在不均匀的奥氏体中容易成核,在不均匀的奥氏体中容易成核,因此当钢中有偏析等情形时,一般将降低钢的淬透性[11]。
③奥氏体化温度的影响
有些溶于铁素体中的元素与碳化合时,往往形成复杂的碳化物。
这些碳化物不易分解,需有较高的淬火温度,或保温较长的时间。
如果在淬火以前,它们溶入固溶体中,对淬透性产生极有利的影响。
否则,对于淬透性将起着有害的作用。
④奥氏体晶粒度的影响
晶粒越小,临界冷却速度越大,钢的淬透性也越低。
反之,淬透性也越高。
晶粒粗大能对淬透性产生上述的影响,是因为奥氏体向珠光体的转变反应速度与成核速度和核长大速度有密切关系。
总之,粗晶粒虽然对淬透性有利,但粗晶粒的钢也较脆,所以在实际工件中,应避免采用增大晶粒尺寸的办法来提高淬透性。
⑤奥氏体中非金属夹杂物和稳定碳化物的影响
非金属夹杂物如硫化物、氮化物和氧化物等分散质点,在加热温度下均能阻碍奥氏体晶粒的长大,而且在淬火急冷时,山于他们的弥散分布状态可以促进晶核的生成,增加奥氏体转变速度,从而减低淬透性。
⑥钢的原始组织的影响
在加热时,碳化物分解而溶入奥氏体中进行不一致,它与未淬火前的原始状态有关,而且视珠光体的弥散度或复杂碳化物的大小而定。
细粒状碳化物最容易变为均匀的奥氏体,片状珠光体则较难转变,但比粗粒状的碳化物转变得快些。
因此,同一成分钢,如果珠光体的弥散度愈小,则加热温度便必须愈高,方能保证获得均匀的淬透性[12]。
1.3.5淬火加热方法
加热介质分为气体和液体两大类。
①气体
气体加热介质有空气和保护气氛两种。
空气中含有氧气、二氧化碳和水蒸气,在加热过程中这些气体会使工件表面产生氧化和脱碳。
氧化是指工件基体(铁)与氧发生化学反应并生成氧化铁的现象。
氧化所造成的后果是使工件基体尺寸减小,严重时可造成工件报废,就像脱碳严重时的情况一样。
另一种是保护气体。
各种气体对于钢的氧化和脱碳有着不同的影响,例如氢气可使氧化铁还原为铁,并可使钢脱碳;二氧化碳、氧气和水蒸气既使钢氧化又使钢脱碳;一氧化碳和甲烷使钢增碳。
由上述气体的各自特性可知,当使脱碳与增碳、氧化与还原气体具有一定比值,即控制常,警的比值为一定值时,用这样的混合气体作为加热介质,便可使工件既不脱碳又不增碳,既不氧化也不还原,因而不改变工件表面的化学成分。
这正是人们使用保护气氛进行热处理时所期望的。
热处理生产中使用的保护气氛,除氮气、氖气这类不与工件发生反应的纯气体外,还有以碳氢化合物(如丙烷、甲烷、甲酵、乙醇)或氮气为原料制取的混合气体,后者又常称为可控气氛。
②液体
盐浴是目前最常用的液体加热介质。
盐浴炉是利用电极将低压交流电引入熔盐中,通过熔盐的电阻将电能转换为热能的一种加热设备。
由于盐浴炉的热源(熔盐)相加热介质是合为一体的,工件加热时因与热源直接接触获得较快的加热速度。
1.3.6淬火加热温度和保温时间确定
①淬火加热温度确定
不同钢种的淬火加热温度也不同,对于亚共析钢淬火加热温度要求在Ac3以上,使钢的组织全部奥氏体化。
若加热温度低于Ac3,这时钢的组织为奥氏体和铁素体,淬火后铁素体依然保留下来,这使得工件淬火后硬度不均匀,并且强度和硬度都降低;相反加热温度高过Ac3很高时,就会引起钢的晶粒粗大,韧性下降。
所以一般亚共析钢都采用完全淬火,淬火加热温度为Ac3+30~50℃。
②加热保温时间的确定
淬火保温时间是指工件装炉后,从炉温回升到淬火温度时算起,直到出炉为止所需要的时间,即工件透热时间和组织转变所需的时间。
为了使工件内外各部分均完成组织转变,碳化物溶解和奥氏体成分的均匀化,就必须在淬火加热温度下保温一定的时间。
工件加热时间通常与钢的成分、原始组织、工件的形状尺寸、加热介质、炉温等许多因素有关,常借助于经验数据和公式,在初步确定加热时间后,再结合具体试验最终确定保温时间。
一般根据常用经验公式确定:
t=aKD(1-1)
式中:
t一加热时间;
a一钢种系数;
K一装炉方式系数;
D一试样有效厚度。
2设计的标准
末端淬火试验装置设计以国家标准《钢淬透性的末端淬火试验方法》(GB/T225—2006)为设计标准[13]。
本标准等同于ISO642:
1999《钢淬透性的末端淬火试验方法(Jominy试验)》。
2.1范围
本标准规定用末端淬火试验方法(Jominy试验)测定钢的淬透性,试验时采用直径为25mm,长为100mm的试样。
2.2方法
试验由以下步骤组成:
a)将一圆柱形试样加热至奥氏体区某一规定的温度,并按规定保温一定时间;
b)在规定的条件下对其端面喷水淬火;
c)在试样纵向磨制平面上规定位置测量硬度,根据硬度值确定其淬透性。
2.3符号和说明
表1.1末端淬火试样参数
符 号
说 明
数 值
L
试样总长度
(100±0.5)mm
D
试样直径
(25±0.5)mm
t
试样在加热温度下的保温时间
(30±5)min
tm
试样从炉中取到开始淬火的最大间隔时间
5s
T
冷却水温度
(20±5℃)
a
垂直供水管内径
(12.5±5)mm
l
无试样放置时水射流的高度
(65±10)mm
h
从喷水口到试样下端面的距离
(12.5±0.5)mm
e
测定硬度用平面的磨削深度
(0.4~0.5)mm
d
从淬火端面到硬度测量点的距离,以mm表示
J××-d
在距离d处的Jominy淬透性指数,以洛氏硬度HRC-mm表示
JHV××-d
在距离d处的Jominy淬透性指数,以洛氏硬度HV30-mm表示
2.4试样及制备
2.4.1取样
如产品标准和协议无具体要求时,可按如下方法从产品中取样而不考虑产品的厚度(或直径):
①用热轧或锻造制直径为30mm~32mm样坯;
图2-1机加工制取样坯
②用机械加工方法制成直径为(25±0.5)mm的样坯,其轴线与产品表面的距离应为(20±5)mm(如图2-1所示)。
当从连铸产品中取样时,建议取样前的压缩比至少不小于8:
1。
在样坯机械加工前的所有成形过程中,产品各个面上的变形应尽可能均匀。
在单独浇注标准试料时,变形前的原始横截面至是所要的30mm~32样坯直径的3倍。
2.4.2尺寸
样坯用机械加工方法,制成直径25mm,长100mm的圆棒。
样坯非淬火端带有凸缘或凹槽(以使淬火时,用恰当的支座将试样迅速地对中和定位),其直径为30mm~32mm或25mm(如图2-2所示)。
必要时,应对样坯做标记(在非淬火端上)以使其相对于原试料的位置易于辨别。
图2-2带凸缘的样坯
2.4.3样坯的正火
除非别有协议,样坯在机加工和淬火前应按产品标准规定温度范围的平均温度进行正火。
如产品标准未规定正火温度,则正火温度应按特定协议或由检测部门进行选择。
在正火温度下的保温时间应为(30±5)min。
热处理应保证精加工后的试样不得有脱碳痕迹。
2.4.4机加工
试样的圆柱形表面应用精车加工;试样的淬火端面应适当的精细加工,最好用精细研磨的方法,并应去除毛刺。
2.5设备
该设备由一组用于试样淬火的装置组成。
淬火装置是一组能喷射水流到试样淬火端面的装置。
这可以通过诸如一个快速开关阀门和一个调节水流速度的装备,或一个可以使水流被迅速释放或切断的圆盘等来实现(如图2-3所示)。
在用快速度开关阀门的情况下,阀门后面供水管的水平长度至少应为50mm,以保证无紊流的水流。
喷水管口与试样支座之间的相对位置,应使喷水管口至试样淬火端面的距离为(12.5±5)mm(如图2-3所示)。
试样支座应使试样在喷水管口上方准确对中,并在淬火时保持位置不变。
在将试样置于该位置时,试样支座应保持干燥;在试样安放到支座过程中直至实际端淬操作之前,应防止水溅到试样上。
支座上未放置试样时,喷水管口上方的水射流高度应为(65±10)mm;管水的水为(20±5℃)。
在整个加热和淬火过程中应防止风吹到试样上。
图2-3末端淬火示意图
2.6试样的加热和淬火
试样应均匀加热至相关产品标或特殊协议中规定的温度,加热时间应不少于20min,随后在规定的温度保温(30±5)min。
对于一些特殊型号的热处理炉,加热时间长短可以根据以往试样心部达至所规定温度所需要的最短时间的经验来确定。
例如:
可以采用在试样顶部沿其轴线钻孔放热电偶的方法来测定温度。
应采取预防措施将试样的脱碳或渗碳减小到最小,避免形成明显的氧化皮。
2.7淬火
将试样从炉中取出并在保持支座上定位期间,只能用钳子夹住非淬火端的凸缘处或凹槽处。
喷水时间至少为10min,此后可将试样浸入冷水中完全冷却。
2.8淬火后硬度的测定和准备
在平行于试样轴线方向一磨制出两个相互平行的平面,用于测量硬度。
当用机加工制取试样时,硬度测试用的两个平面应处于与试料表面相同的距离处。
磨削深度应为0.4mm~0.5mm。
磨制硬度测试平面时,应采用能供充足冷却液的细砂轮进行加工,以防止任何可能的加热而引起试样组织发生变化。
可用以下方法检查因磨削而起的软化:
将试样浸入体积分数为5%的硝酸水溶液中直至全部变黑。
所获得的颜色应该是均匀的。
如果有色斑的话,说明存在软点,此时应在呈90°角度的表面磨制的硬度测试平面,并将它们进行如前所述的浸蚀,以确保合格的测试平面。
在这种情况下,应在第2组平面上进行硬度测量,并在检测报告中记录下来。
应采取措施以保证在测试硬度期间试样和支座之间良好的刚性固定。
硬度计上试样的移动装置应能准确对准硬度测试平面的中心线,并使压痕位置精度在±0.1mm以内。
按GB/T230.1、GB/T230.2、GB/T230.5测量的硬度压痕点应沿平面的中心线分布。
经特殊协议,可用GB/T4240。
1的维氏硬度HV30测量结果来代替HRC硬度测试。
应保证在第一个平面上的硬度压痕的凸起边缘不会影响第二个平面的测试。
硬度测试点可以如下两种方法之一确定:
①绘制表示硬度变化的曲线;
②测量一个或多个规定硬度值。
通常测量离开淬端面1.5mm、3mm、5mm、7mm、9mm、11mm、13mm、15mm前8个测量点和以后间距为5mm的硬度值。
测量低淬透性的钢硬度时,第一个测量点应在距淬火端面1.0mm处;从淬火端面到11mm的距离内的其他各测量点以1mm为间距。
最后5个测量点距淬火端面的距离应分别13mm、15mm、20mm、25mm和30mm。
可测量位于距淬火端规定距离的一个或多个点上硬度值。
2.9试验结果表示
2.9.1硬度值
距淬火端面任一规定距离d硬度值应为按8:
1规定的两测试平面相同距离上的测量结果的平均值,该值应按0.5HRC或10HV修约。
2.9.2绘制硬度曲线
坐标为距离d纵坐标为相应的硬度值。
建议用如下标尺:
在横坐标上,10mm横相当于5mm距离,对代淬透性钢来说10mm相当于1mm的距离;
在纵坐标上,10mm相当于5HRC或50HV。
2.9.3测量结果表示
测量结果可以用下列形式来表示:
J××-d
其中××表示硬度值,或为HRC,或为HV30;d表示从测量点至淬火端面的距离,单位为毫米。
3设计过程
通过对国家标准《钢淬透性的末端淬火试验方法》(GB/T225—2006)的学习和研究,设计出一套符合本标准的试验方案。
3.1设计计算
3.1.1喷水口水流速度
本标准要求无试样放置时喷水口水射流的高度为(65±10)mm。
要准确的达到这个高度,需要计算水箱的水位与喷水口相差的高度(h)。
由加速度位移公式:
V02-V12=2gS(3-1)
式中:
V0-喷水口水流速度,单位:
米/秒;
V1-喷水口水射流最高处的水流速度,单位:
米/秒;
g-重力加速度,单位:
米2/秒;
S-喷水口水射流的高度,单位:
米。
V1是喷水口水射流最高处的水流速度,速度是0米/秒;
g是重力速度,取g=9.8米2/秒;
根据标准《钢淬透性的末端淬火试验方法》(GB/T225—2006),喷水口水射流的高度为65毫米;
将数据代入式(3-1):
V02-0=2×9.80×65;求得V0=1.14米/秒。
实际流体由于有粘性,在流动时就产生阻力。
这种阻力使流体的一部分机械能,不可逆地转化为热能而散失到周围空间,这部分能量便不再参加流体的力学过程而损失。
能量的损失关系到水箱的水位与喷水口相差的高度[14]。
流体运动时,由于外部条件不同,其能量损失分为沿程损失和局部损失。
流体的粘性、以及壁面有一定粗糙度,使流体运动过程产生摩擦,流体运动克服沿程阻力而损失的能量就叫做沿程损失[15]。
沿程损失水头以hf表示。
在流动断面改变、流动方向改变以用流经局部装置时,流体的流动就受到阻碍和影响。
这种由于管道中局部变化所引起的、并且集中在这一局部区的阻碍和影响,就叫做局部阻力[16]。
局部损失水头以hj表示。
在流动路程上,如果有若干段沿程损失和若干个局部损失,则在此全程上的总损失水头为:
hw=∑hf+∑hj(3-2)
3.1.2计算沿程损失水头
①计算雷诺数Re
1)计算公式
实际流体运动存在着层流和紊流两种流动类型。
流体在流动过程
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