自動(dòng)末端淬火試驗(yàn)裝置的開發(fā)及運(yùn)用

衛(wèi)志清, 顧佳偉, 何 龍, 董愛鋒, 張 璐, 王德泰, 樂金濤

(1.上海尚材試驗(yàn)機(jī)有限公司, 上海 201411；2.上海新閔重型鍛造有限公司, 上海 201109； 3.中國儀器儀表學(xué)會(huì) 試驗(yàn)機(jī)分會(huì), 北京 100088)

某公司近幾十年來承擔(dān)大量的壓力容器、火力發(fā)電機(jī)組、核電、軍工等鋼制鍛件生產(chǎn)，涉及近300種牌號(hào)。為了提升國內(nèi)高端裝備制造業(yè)的鍛件制造能力，某公司理化室開展了許多材料性能方面的研究以滿足鍛件的成型質(zhì)量要求。通過對(duì)以往材料性能不穩(wěn)定的分析，可以發(fā)現(xiàn)很多材料的強(qiáng)度、沖擊韌性等性能指標(biāo)出現(xiàn)波動(dòng)都是因?yàn)榇慊鹄鋮s速度不夠，導(dǎo)致試樣未充分完成馬氏體的轉(zhuǎn)變。鋼末端淬火自動(dòng)化試驗(yàn)裝備的開發(fā)應(yīng)用對(duì)保證材料合格率，合理挖掘鋼種的潛力，保證產(chǎn)品質(zhì)量和鍛件順利交付，和對(duì)常用材料的淬火性能的研究具有較大的實(shí)用意義。

1 自動(dòng)末端淬火試驗(yàn)裝置

自動(dòng)末端淬火試驗(yàn)裝置主要包括末端淬火裝置和洛氏硬度計(jì)等。

1.1 末端淬火裝置的基本原理及結(jié)構(gòu)

末端淬火裝置是一組能噴射水流至試樣淬火端面的裝置，該裝置通過一個(gè)閥門調(diào)節(jié)水流速度，如圖1所示，閥門后的噴水管長度至少需要50 mm以保證噴口處水流平穩(wěn)，如圖2所示，裝置上方的試樣定位對(duì)中裝置可以確保試樣與豎直的噴水口準(zhǔn)確對(duì)中，并在淬火過程中保證位置不變，從而達(dá)到均勻冷卻試樣的目的。

圖1 末端淬火裝置示意圖Fig.1 Diagram of end quenching device

圖2 末端淬火裝置噴水管端部示意圖Fig.2 Diagram of spray pipe end of end quenching device

目前國內(nèi)大部分試驗(yàn)室使用的末端淬火裝置沒有標(biāo)準(zhǔn)機(jī)型，一般都是根據(jù)需求自己生產(chǎn)或委托專業(yè)公司定制的，款式五花八門，功能良莠不齊。某公司理化試驗(yàn)室在中國寶武集團(tuán)特殊鋼有限公司、上海金相機(jī)械設(shè)備有限公司、上海尚材試驗(yàn)機(jī)有限公司等單位的支持和配合下，設(shè)計(jì)制造了末端淬火試驗(yàn)裝置，該裝置的主要技術(shù)參數(shù)見表1，該裝置在2018年順利投入試驗(yàn)室進(jìn)行末端淬火試驗(yàn)工作。該裝置適用于優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼、合金結(jié)構(gòu)鋼、彈簧鋼、部分工具鋼、軸承鋼等鋼種的端面淬火試驗(yàn)，完全滿足GB/T 225-2006《鋼淬透性的末端淬火試驗(yàn)方法(Jominy試驗(yàn))》的要求。

表1 自動(dòng)末端淬火裝置的主要技術(shù)參數(shù)Tab.1 Main technical parameters of the automatic end quenching device

末端淬火裝置由水泵自動(dòng)噴水裝置、噴水時(shí)間設(shè)定裝置、水溫調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)等組成。其采用進(jìn)口水泵，可調(diào)整噴水高度，保持水柱的平穩(wěn);可以對(duì)水溫進(jìn)行監(jiān)控并自動(dòng)調(diào)節(jié)，水溫控制采用壓縮機(jī)制冷或制熱方式。

某公司理化試驗(yàn)室自行研發(fā)的末端淬火裝置與普通末端淬火裝置相比，采用了先進(jìn)的數(shù)字化淬火時(shí)間控制系統(tǒng)，可自動(dòng)完成啟動(dòng)→噴水→淬火等整個(gè)工作流程，整機(jī)布局設(shè)計(jì)合理，結(jié)構(gòu)緊湊，使用、保養(yǎng)和維修方便，穩(wěn)定性好。

1.2 淬透性檢測自動(dòng)洛氏硬度計(jì)的技術(shù)特點(diǎn)

鋼的淬透性是由奧氏體在淬火期間分解為鐵素體、珠光體、貝氏體以及馬氏體的不同冷卻速度所決定的，在不同的冷卻速度下通過檢測硬度來評(píng)估淬透性是最好的方式之一。由上海尚材試驗(yàn)機(jī)有限公司研發(fā)的自動(dòng)洛氏硬度計(jì)(見圖3)適用于冷硬鑄件、可鍛鑄件、合金鋼、鋁合金、銅合金、軸承鋼等材料硬度測定，也適用于表面淬火鋼、表面熱處理和化學(xué)處理層,如鍍鋅、鍍鉻、鍍錫等材料的硬度測定。

圖3 自動(dòng)洛氏硬度計(jì)實(shí)物圖Fig.3 Physical drawing of automatic Rockwell hardness tester

自動(dòng)洛氏硬度計(jì)功能齊全、操作方便、顯示清晰直觀、性能穩(wěn)定，是集機(jī)電于一體的高新技術(shù)產(chǎn)品。設(shè)備取消了砝碼加載方式，采用電動(dòng)加、卸試驗(yàn)力，可進(jìn)行洛氏、表面洛氏全部標(biāo)尺的硬度測試。該機(jī)器具有自動(dòng)和人工操作功能，x,y,z方向全自動(dòng)控制，尤其適用于末端淬火試驗(yàn)。外置個(gè)人計(jì)算機(jī)(PC)，具有數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)功能，可以計(jì)算極值、平均值、標(biāo)準(zhǔn)偏差等，還能建立相應(yīng)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)庫?？梢愿鶕?jù)用戶的要求自定義檢測報(bào)告，在報(bào)告中選擇所需的試驗(yàn)參數(shù)、試驗(yàn)結(jié)果以及圖表曲線。試驗(yàn)結(jié)果和測試報(bào)告均可進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)傳輸，以便于實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化管理。

多重地震事件的連續(xù)參數(shù)估計(jì)問題可用公式表示為貝葉斯推理問題。令θ為表征事件的參數(shù)矢量，Θ為用θ參數(shù)化的一組事件，從而Θ＝ ｛φ， ｛θ1｝，… ｛θ1，θ2，…｝｝。設(shè)z1：t為所有臺(tái)站直到當(dāng)前時(shí)間t的整個(gè)觀測歷史，后驗(yàn)概率P（Θt｜z1：t）則揭示在給定證據(jù)和先驗(yàn)信息的情況下在時(shí)間t當(dāng)前發(fā)生事件的信息分布。

另外自動(dòng)洛氏硬度計(jì)還具備以下功能。①圓弧修正補(bǔ)償功能；②觸摸屏顯示及操作，配備動(dòng)態(tài)曲線圖，實(shí)時(shí)監(jiān)控力值傳感器與位移傳感器的運(yùn)行狀態(tài)；③僅需按一鍵即可完成工件上升、壓頭加載、保載、卸載、顯示硬度值、試驗(yàn)臺(tái)回到初始位置等試驗(yàn)步驟；④準(zhǔn)確保證試驗(yàn)位置的間隔精度，在按照標(biāo)準(zhǔn)要求設(shè)置硬度測試的路徑后，一鍵完成硬度的多點(diǎn)連續(xù)測試工作；⑤選配3工位夾持臺(tái)，可實(shí)現(xiàn)3個(gè)末端淬火試樣的連續(xù)測定，如圖4所示。

圖4 3工位檢測試樣臺(tái)實(shí)物圖Fig.4 Physical drawing of three-station test sample table

1.3 淬透性檢測全自動(dòng)洛氏硬度計(jì)的技術(shù)特點(diǎn)

由上海尚材試驗(yàn)機(jī)有限公司研發(fā)的帶機(jī)械手上、下料和試樣號(hào)識(shí)別功能的淬透性檢測全自動(dòng)洛氏硬度計(jì)可以全自動(dòng)完成整個(gè)淬透性硬度檢測過程，如圖5所示。其包括試驗(yàn)人員根據(jù)自動(dòng)接收到的試驗(yàn)順序等試驗(yàn)要求，將試樣通過人工或機(jī)械手放置到指定位置→高速銑或磨削等設(shè)備按標(biāo)準(zhǔn)要求完成試樣表面加工→機(jī)械手按指令將加工后的試樣正確放置到硬度計(jì)自動(dòng)試樣臺(tái)→根據(jù)試驗(yàn)指令硬度計(jì)自動(dòng)完成試樣力或標(biāo)尺切換等→通過硬度計(jì)自動(dòng)載物臺(tái)移動(dòng)配合完成多點(diǎn)的加載、保載、卸載、壓痕測量等試驗(yàn)全過程→試驗(yàn)數(shù)據(jù)自動(dòng)保存并發(fā)送給上位機(jī)→機(jī)械手可以按照試驗(yàn)結(jié)果是否合格將殘料分別放到不同的殘樣收集裝置等。

圖5 全自動(dòng)末端淬火試驗(yàn)的洛氏硬度計(jì)實(shí)物圖Fig.5 Physical drawing of Rockwell hardness tester for automatic end quenching test

2 鋼的末端淬火試驗(yàn)

按照擬定的試驗(yàn)方案，在設(shè)計(jì)制造完成的自動(dòng)末端淬火裝置上對(duì)4種材料(45鋼、34CrMo4合金鋼、40NCD7-03鋼、某重大工程用鋼)進(jìn)行末端淬火試驗(yàn)。

2.1 末端淬火試驗(yàn)工藝流程

末端淬火試驗(yàn)的工藝流程如圖6所示。

圖6 末端淬火試驗(yàn)的工藝流程圖Fig.6 Process flow chart of end quenching test

2.2 末端淬火后淬透性檢測

在試樣表面呈180°的位置加工出兩個(gè)平面，且與試樣的中軸線平行，單加工面應(yīng)有0.4～0.5 mm深，如圖7所示，兩個(gè)平面加工一定要避免由于加工產(chǎn)生過熱引起的材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)改變。試樣必須穩(wěn)定地固定在硬度機(jī)專用的工作臺(tái)上，要求每個(gè)硬度檢測點(diǎn)在試樣平面的中心位置上，每個(gè)硬度點(diǎn)之間間隔精度控制為0.1 mm。

圖7 硬度測試試樣示意圖Fig.7 Diagram of hardness test sample

2.3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

比較末端淬火試驗(yàn)后材料的硬度可以很容易地看出不同鋼的淬透性之間的關(guān)系。45鋼、34CrMo4鋼、40NCD7-03鋼末端淬火試驗(yàn)后的硬度測試結(jié)果見表2～表4。

表2 45鋼末端淬火試驗(yàn)后的硬度Tab.2 Hardness of 45 steel after end quenching test HRC

表3 34CrMo4鋼末端淬火試驗(yàn)后的硬度Tab.3 Hardness of 34CrMo4 steel after end quenching test HRC

表4 40NCD7-03鋼末端淬火試驗(yàn)后的硬度Tab.4 Hardness of 40NCD7-03 steel after end quenching test HRC

對(duì)于給定化學(xué)成分合金鋼的末端淬火試驗(yàn)，其端部的硬度值是固定的，因?yàn)槠渫耆愠闪笋R氏體。末端淬火數(shù)據(jù)的拐點(diǎn)表示淬火相變產(chǎn)物馬氏體的量發(fā)生了一個(gè)突變，所以拐點(diǎn)處可看作為平均硬化深度。

45鋼屬于淬透性較差的碳素工具鋼，45鋼的淬透深度大約為5 mm。

34CrMo4鋼的淬透性不是很好，淬透深度為7～10 mm。

40NCD7-03鋼從試樣末端到距離末端50 mm之間，硬度基本沒有波動(dòng)，該鋼的淬透性較好，在兩種熱處理工藝下的試驗(yàn)結(jié)果一致，淬火深度大于50 mm。

某重大工程用鋼是世界核島機(jī)組通用主體材料之一，綜合性能優(yōu)良。某公司承擔(dān)一定比例某重大工程用鋼的鍛件生產(chǎn)任務(wù)，如遇到鍛件幾何尺寸變化較大、取樣位置苛刻、材料成分偏析等因素，會(huì)造成產(chǎn)品最終性能不穩(wěn)定。某公司理化室針對(duì)該產(chǎn)品現(xiàn)狀和重要性，著重對(duì)該鋼種進(jìn)行末端淬火試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表5，其末端淬后回火的硬度試驗(yàn)結(jié)果見表6。可見經(jīng)5種熱處理工藝末端淬火試驗(yàn)后，再進(jìn)行回火處理，淬火溫度高，相對(duì)應(yīng)回火后的硬度也略高。每種熱處理工藝獲得的硬度對(duì)應(yīng)性較好。淬火溫度為1 050 ℃時(shí)的淬透性相對(duì)較好。

將經(jīng)5種末端淬火試驗(yàn)后再回火的試樣加工成拉伸試樣，對(duì)其進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，結(jié)果見表7?？梢?號(hào)和5號(hào)試樣的強(qiáng)度略高一些，說明該材料經(jīng)熱處理后對(duì)改善力學(xué)性能是有益的。

表5 某重大工程用鋼末端淬火試驗(yàn)后的硬度Tab.5 Hardness of a major engineering steel after end quenching test HRC

表6 某重大工程用鋼末端淬火試驗(yàn)后再回火的硬度Tab.6 Hardness of a major engineering steel after end quenching test and tempering HRC

表7 某重大工程用鋼末端淬火試驗(yàn)后再回火的拉伸試驗(yàn)結(jié)果Tab.7 Tensile test results of a major engineering steel after end quenching test and tempering

某重大工程用鋼的顯微組織很難進(jìn)行區(qū)別，建議使用掃描電鏡(SEM)進(jìn)一步分析，該鋼的顯微組織一般以馬氏體+貝氏體+混合組織為主。某重大工程用鋼熱處理工藝850 ℃×0.5 h后的顯微組織形貌如圖8所示，其熱處理工藝950 ℃×0.5 h后的顯微組織形貌如圖9所示，熱處理工藝1 050 ℃×0.5 h后的顯微組織形貌如圖10所示。

3 結(jié)束語

開發(fā)鋼的自動(dòng)末端淬火試驗(yàn)裝置，是某公司理化室從無到有多方面共同協(xié)作、邊生產(chǎn)邊試驗(yàn)研究的結(jié)果。該套自動(dòng)末端淬火試驗(yàn)裝置完全符合GB/T 225-2006等試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)的要求。通過試驗(yàn)初步了解掌握了4種材料的淬透性，對(duì)公司產(chǎn)品熱處理工藝細(xì)化提供了一些技術(shù)方面建議。試驗(yàn)室針對(duì)新材料、新工藝方面可以進(jìn)行更多的試驗(yàn)與研究工作，逐步積累鋼在淬透性方面的技術(shù)數(shù)據(jù)，完善鍛件制造工藝，不斷提高鍛件的產(chǎn)品質(zhì)量，更好地指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)踐。

建議在現(xiàn)有的自動(dòng)末端淬火試驗(yàn)工作基礎(chǔ)上，拓展試驗(yàn)分析思路，嘗試研究鋼末端淬火與強(qiáng)度、沖擊韌性等之間的關(guān)系，以及不同圓棒試樣尺寸、形狀和位置所對(duì)應(yīng)的冷卻速度等。

圖8 某重大工程用鋼850℃末端淬火后的顯微組織形貌Fig.8 Microstructure morphology of a major engineering steel after quenching at 850 ℃: a) 5 mm from the end; b) 10 mm from the end; c) 20 mm from the end; d) 40 mm from the end

圖9 某重大工程用鋼950 ℃末端淬火后的顯微組織形貌Fig.9 Microstructure morphology of a major engineering steel after quenching at 950 ℃: a) 5 mm from the end; b) 10 mm from the end; c) 20 mm from the end; d) 40 mm from the end

圖10 某重大工程用鋼1 050 ℃末端淬火后的顯微組織形貌Fig.10 Microstructure morphology of a major engineering steel after quenching at 1 050 ℃: a) 5 mm from the end; b) 10 mm from the end; c) 20 mm from the end; d) 40 mm from the end