40Cr調質鋼磨削強化溫度與強化效果試驗研究

目 錄 摘 要 . 1 ABSTRACT . 2 第一章 緒論 . 3 1.1 磨削強化的工藝優(yōu)勢 . 3 1.2 當前國內外的研究狀況 . 5 1.3 本課題擬開展的主要工作 . 7 第二章 溫度標定 . 9 2.1 熱電偶概述 . 9 2.2 40Cr康銅非標準熱電偶的標定 . 11 第三章 溫度測量試驗 . 15 3.1 40Cr 鋼的簡介 . 15 3.2 40Cr 鋼磨削強化的可行性分析 . 16 3.3 測溫的目的與意義 . 16 3.4 磨削用量條件的優(yōu)化 . 17 3.5 溫度測量 . 19 第四章 試驗結果及其分析 . 25 4.1 40Cr 磨削強化試驗顯微硬度梯度分析 . 25 4.2 硬化層金相分析 . 28 4.3 淬硬層硬度厚度穩(wěn)定性分析 . 32 第五章 結論與展望 . 34 5.1 結論 . 34 5.2 展望 . 34 致 謝 . 36 參 考 文 獻 . 37 畢業(yè)設計（論文）報告紙 共 38 頁 第 1 頁 摘 要 磨削強化是利用粗磨產生的磨削熱對工件表面進行強化的新技術，可以將磨削加工和工件表面強化復合為一體。為考察磨削強化的效果，以調質后的 40Cr 為試驗對象，采用棕剛玉砂輪在 MMD7125 平 面磨床上對磨削強化用量條件進行了優(yōu)化；采用半人工熱電偶法對磨削溫度進行了測量，對冷卻速度進行了確定；利用 HSX-1000 型全自動顯微硬度測試儀測定了 磨削強化層的顯微硬度；在金相顯微鏡上利用數(shù)碼相機拍攝了金相組織照片。試驗結果表明： 磨削硬化層金相組織、顯微硬度和硬化深度均滿足表面強化要求。完全硬化區(qū)由細小針狀馬氏體、殘余奧氏體和少量點狀碳化物組成，過渡區(qū)由馬氏體和回火索氏體 (珠光體 )組成；硬化區(qū)顯微硬度在 HV512-700之間，硬化層深度達到了 1.2mm。 關鍵詞 :40Cr，磨削強化，溫度測量，顯微硬度， 金相組織，硬化深度 畢業(yè)設計（論文）報告紙 共 38 頁 第 2 頁 ABSTRACT The grinding hardening is a new technology of grinding and hardening workpiece surfaces using grinding heat during the course of coarse grinding. It can integrate the grinding process with the surface hardening process. To investigate the effect of grinding hardening, the parameter of grinding hardening of 40Cr is optimized with the grinding wheel of corundum on flat surface grinding machine of MMD7125. The temperature of grinding is measured by the way of half artificial thermocouple and the speed of cooling is confirmed. The microhardness is measured by automatic microhardness test instrument of HSX-1000. The photo of metallography is shot on electron microscope with digital camera. The results of the test indicate that the microstructure of hardened layer, microhardness and the depth of hardened layer all meet the request of surface hardening. The completely hardening region is composed of fine acicular martensites， residual austenites and a few dot-like carbonides and the transition region is made up of martensites and sorbites (pearlite). The microhardness of hardening region is HV512-700 and the depth of hardened layer reaches to 1.2mm. Keywords: 40Cr, grinding hardening, temperature measuring , microhardness, metallography， depth of hardened layer 畢業(yè)設計（論文）報告紙 共 38 頁 第 3 頁 第一章 緒論 1.1 磨削強化的工藝優(yōu)勢 許多鋼質零件需通過金屬熱處理來改善材料的性能，提高材料的耐磨性及疲勞強度。金屬熱處理是在固態(tài)下將鋼或合金加熱到一定溫度，保溫適當時間獲得相應的高溫晶相，然后快速冷卻，以獲得遠離平衡狀態(tài)的不穩(wěn)定組織。鋼件的表面淬火是眾多熱處理方法中的一種，通常是整體熱處理（退火，正火或調質等）后，將表面層加熱到臨界點以上的溫度并急速冷卻的工藝方法。鋼件表面層加熱方法很多，主要有感應加熱，火焰加熱，電解液加熱，電接觸加熱，脈沖加熱 ，激光加熱，電子束加熱等等。與完全淬硬熱處理相比，表面淬硬處理的優(yōu)點是零件的整體柔韌性好。表面熱處理的方法眾多，然而不管采用何種熱處理工藝都需要對零件進行運輸、儲存、清洗等操作，不可能將其集成到產品的機械加工生產線上，因此，將使產品生產周期加長，成本提高，從而降低產品的市場競爭力。 目前國內外普遍采用的先將 40Cr 表面感應淬火強化處理，然后再粗磨和精磨的工藝至少存在以下弊端：一是零件在表面淬火后所進行的粗磨加工可能會對已淬硬表層造成熱損傷；二是磨削產生的大量熱能被白白浪費；三是工藝路線長，生產效率低，制造成 本高。不過，這也容易使人聯(lián)想到既然磨削熱能使工件表面層溫度達到相變溫度以上，為何不利用粗磨產生的磨削高溫，再施以恰當?shù)睦鋮s速度，直接對材料表層強化，然后再精磨獲取所要求的精度和表面質量，從而省去了感應加熱表面淬火工序，簡化了生產工藝，主動消除了磨削熱產生的消極作用，充分有效地利用了磨削熱。基于以上分析，利用磨削強化處理技術替代高、中頻感應淬火工藝對 40Cr 調質鋼進行表面強化，即將磨削加工與表面強化復合為一體 12。 市場的競爭是激烈的， 唯有不斷的提高產品的競爭力才能面對市場的競爭，而提升產品競爭力的方 法常見的有降低生產成本、提高生產效率與新生產技術的研發(fā)，其中由于新技術的研發(fā)通常需要漫長的時間與大量的投資，因此競爭力的提升通常會借助降低生產成本與提高生產效率來著手。借助大量的生產與生產自動化來降低生產成本是一般常見的做法，而如能配合適當?shù)膫}管與運輸則能進一步的降低成本，至于生產效率的提升，常見的做法是最佳化參數(shù)的生產，將現(xiàn)有設備的產能發(fā)揮到最大。此外利用加工工藝的特性，簡化加工步驟，以較少的時間與設備完成所需的加工，不但可提升生產效率同時也降低生產成本，因此成為近年來的發(fā)展趨勢。精密的鋼鐵材料組件加工大 多要經(jīng)歷粗加工、硬化處理、精加工來完成，其中對組件施以硬化處理的目的是為了提高材料的機械性質，如材料硬度。然而零件在硬化 畢業(yè)設計（論文）報告紙 共 38 頁 第 4 頁 處理的過程中會因高溫作用而變形，因此零件在進行硬化處理時須搭配相關的前置作業(yè)與后續(xù)處理來確保零件的尺寸精度，但此舉卻會影響零件的生產效率。所謂的前置作業(yè)是指組件在粗加工階段，需依經(jīng)驗在零件強化處理后可能的變形而預留加工余量，而后續(xù)處理，則是指組件在粗加工階段所預留的加工余量與強化處理過程所造成的變形量，需借助精加工工藝來去除，然而精加工工藝的特性是以微量的材料去除，來產生良好的表面光度與尺 寸精度，因此如要去除前述的加工余量與強化變形量，需耗費不少時間。此外，由于強化處理通常是離開生產線進行，因此工件的移動除了對生產效率有不小的影響外，亦會增加額外的后勤成本如倉管與運輸。對于零件強化處理而導致的相關問題，曾有將熱處理爐置于生產線的做法出現(xiàn)，然而熱處理爐對外圍工具機操作與工件尺寸的掌控都將產生影響，因此不適用于大部分精密零件的加工過程。雖然將熱處理爐置于生產線的做法會影響外圍設備，但在生產線上進行強化處理可免除工件移動所需耗費的時間，同時工件運輸與儲藏相關的時間與成本也免除，因此熱處理爐置于生產 在線加工的做法可有效的降低生產成本與提升生產效率，但以目前的產業(yè)結構而言，將零件委托其他企業(yè)進行熱處理的成本，遠比自行建構熱處理設備來的低廉，因此雖然將熱處理爐置于生產在線加工，具有可提高生產效率的誘因，但相較于其所需增加的設備成本，僅此原因仍是不夠的。然而如果在現(xiàn)有的加工過程中有其他的熱源可對加工組件產生加熱的現(xiàn)象，也就是說有工藝特性可以被利用來對零件進行強化處理的話，則零件可不必再離線進行強化處理，可在生產線完成零件強化處理的步驟，對生產效率的提升將有很大的幫助。 在不利用熱處理爐的情況下，要將材料的強 化處理融入生產線，其關鍵在于如何取得足夠與適當?shù)奶娲鸁嵩??？v觀一般加工工藝規(guī)程，工具機本身似乎沒有機制可以引發(fā)材料有明顯的溫升，因此對于能提供材料溫升熱源的尋找，似乎只能從加工工藝規(guī)程的特性來著手。一般精密鋼鐵零件的精加工，最常采用的是磨削加工 (Grindingprocess)，由于加工過程本身的原因，加工過程中會消耗大量的能量，其中大部分會轉換成熱的形式進入工件表面，并引發(fā)工件表面溫升，且溫升往往可達幾百甚至上千攝氏度。若能利用磨削加工過程中工件表面所導致的溫升，來當做零件表面強化處理的熱源，則零件在經(jīng) 歷加工的過程即可同步完成組件的表面強化處理，如此一來，材料的強化處理將可在生產線上完成，因此對精密零件生產效率的改善，將有明顯的效果。雖然磨削熱處理是理論上可行的技術，但尚有許多問題，如加工參數(shù)、磨削區(qū)溫升對硬化層形成的影響還未被弄清。因此為了對磨削強化處理相關機理能有更多的了解，本文將借助各項相關理論的探討為基礎，規(guī)劃適當?shù)脑囼瀰?shù)進行試驗，期望借助實驗參數(shù)、磨削區(qū)溫升與磨后零件淬硬層狀況間的關系，來驗證對 40Cr調質鋼進行磨削表面強化處理模式的可行性。 利用磨削強化技術不僅使表面熱處理工藝集成到生產線， 使其工藝流程由傳統(tǒng)表面熱處理工藝（如圖 1 1）的多工序簡化為磨削強化工藝（如圖 1 2）的集成化流程 3。 機加工 運輸儲存 裝卸清洗 熱處理 裝卸清洗 運輸清洗 精磨 畢業(yè)設計（論文）報告紙 共 38 頁 第 5 頁 圖 1 1 傳統(tǒng)熱處理流程 圖 1 2 磨削強化流程 磨削強化還將減少生產工序，縮短加工周期，降低產品成本。利用磨削熱進行表面強化的研究，探索這項新型的表面熱處理工藝在實際工業(yè)生產中的可行性和適用性，主動有效地控制磨削工藝條件，利用磨削熱對工件表面進行熱處理，以改善工件表面材料性能，從而達到簡化工藝流程，減少能源消耗，降低生產成本，達到環(huán)境保護的目的。 1.2 當前國內外的研究狀況 由 于在砂輪的磨削過程中，不可避免的會在材料表面引發(fā)溫升，而由于溫升也是材料強化處理的要素之一，因此若能善用磨削過程中材料表面所產生的溫升，利用磨削過程中材料表面產生的熱量來對材料進行表面強化，則或許可將表面熱處理集成到生產線中。利用磨削熱，并通過控制磨削時進入工件的熱量和溫度冷卻速度，使工件表面材料的金相組織在磨削后得到改變，從而達到表面強化處理的效果，這就是磨削強化?，F(xiàn)在磨削強化任處于萌芽階段，長期以來，國內外研究磨削熱所做的工作，主要集中在將磨削熱作為消極因素加以研究，提出了許多磨削熱分析模型，并對理論模 型進行了相應的工藝驗證。分析研究的目的是盡量避免工件燒傷。雖然過去也曾出現(xiàn) 過磨削強化概念，但那是磨削加工過程中派生的無目的的材料表層強化現(xiàn)象。近年來，國外許多基礎性研究則是主動利用磨削熱對工件表層進行強化處理，以改善工件表層材料性能。 1994 年，德國的 E. Brinksmeier 和 T. Brockhoff 首次提出了調質鋼零件磨削強化的新工藝 4 ，并于 1996 年、 1998 年和 1999 年進一步闡述了這項新工藝在工業(yè)中應用的可行性及相關試驗研究結果 5 。 2002 年澳大利亞的 I. Zarudi 和 L.C. Zhang， 2003 年印度的 Venkatachalapathy. V.S.K 和 Rajmohan. B.也相繼發(fā)表了他們的研究論文 6-7 。國外已取得的研究成果可歸納為以下幾點：（ 1）磨削強化工藝分兩個階段完成：首先利用粗磨產生的磨削高溫對工件表層強化，然后再精磨達到所要求的尺寸精度和表面質量；（ 2）磨削強化是短時間內奧氏體化的工件表層經(jīng)自冷卻向馬氏體相變的結果；（ 3）磨削強化通常采用干式磨削；（ 4）用剛玉砂輪磨 40CrMnMo 調質鋼（ ap=1mm， s=35m/min，運輸儲存 磨削淬硬 精磨 機加工 畢業(yè)設計（論文）報告紙 共 38 頁 第 6 頁 w=0.5m/min，干磨），得到了馬氏 體強化層，強化層深度達 1.8mm，表面強化層存在殘余壓應力，表面無裂紋；（ 5）成功強化出一些工件樣品，并對其耐磨性進行了試驗研究，取得了較為理想的試驗結果。以上國外取得的利用磨削熱進行工件表層強化的富有成效的研究成果，吸引了包括我國臺灣在內的國內一些學者的關注，出現(xiàn)了一些介紹國外研究現(xiàn)狀的綜述文章和跟蹤研究論文 8-11 ，對推動磨削強化工藝在我國的研究邁出了可喜的一步。 然而， 到目前為止， 不論國內還是國外，將磨削強化工藝應用到工業(yè)化生產中去尚有諸多基礎問題需要解決。 對相關文獻的分析研究表明，主要有三大關鍵 基礎問題未能妥善解決：一是磨削強化組織形成機理的研究尚需完善。在材料一定時，磨削強化組織及其性能取決于磨削溫度、溫度作用時間及冷卻速度，而已有的研究在沒有測溫、控制溫度作用時間和冷卻速度的情況下，僅局限于采用某一特定磨削用量條件和試樣自身冷卻條件下的試驗或模擬結果來解釋磨削強化組織的形成機理，顯然不充分且有些盲目；二是磨削強化層質量穩(wěn)定性的研究尚需加強。砂輪磨料的鈍化、切屑的堵塞，工件內冷卻與外冷卻條件的變化等都會影響到磨削強化層質量的穩(wěn)定性與一致性，目前的研究僅局限于磨削用量對磨削強化層深度的單因素影響規(guī) 律，缺乏能直接推廣應用的經(jīng)過優(yōu)化的磨削工藝條件組合；三是磨削強化研究范圍尚需拓寬，目前的磨削強化試驗基本采用切入式長方體試樣平面磨削方式，而針對具體需要強化的零件外圓、成形面及大表面平面磨削強化的研究幾乎沒有涉及。這些都無疑將直接影響該項新工藝研究的理論價值和實際應用價值。從以上三點不難看出，國內外目前關于磨削強化的基礎研究尚處于起步階段，在如何有效控制磨削溫度、溫度作用時間、冷卻速度，進而保證磨削強化層質量這一關鍵問題上，至今未能形成明確的思路和完整構想。 影響磨削強化的因素很多。從國外已有的研究成果來看 ：切削深度、進給速度、切削速度、材料的影響、 砂輪的影響、工藝穩(wěn)定性、磨削強化表面的耐磨性都可能對磨削強化的效果產生影響。 1.切削深度： 在平面磨削中，如進給速度不變，則材料去除率和切削等效厚度與切削深度成正比。切削深度的增加會使切削力增大，使熱作用時間加長，進入工件表面的能量增多。 2.進給速度： 增大進給速度通常會使磨削力增大。實驗結果表明，最大淬硬層深度出現(xiàn)在進給速度的中間階段，當進給速度很高或很低時都難以得到令人滿意的淬硬結果。 3.切削速度： 切削速度對淬硬工藝的影響十分復雜，沒有普遍對應的關系。 4.材料狀態(tài)的影響： 因為調質態(tài)材料的碳化物分布較細，所以調質態(tài)材料能比退火態(tài)材料得到更大的淬硬深度。 5.砂輪的影響： 為使較多的熱量流入工件，應選擇導熱率低的砂輪。 畢業(yè)設計（論文）報告紙 共 38 頁 第 7 頁 6.工藝穩(wěn)定性： 一種新工藝應用的前提是應保證其具有良好的工藝穩(wěn)定性和結果再現(xiàn)性。 7.磨削強化表面的耐磨性： 從淬硬表面的硬度和殘余應力分布來看，磨削強化加工完全能滿足工藝要求，但還應對磨削強化工件的使用性能進行評價。 但材料的種類繁多，性能也千差萬別。國外的科學家只對其可能影響材料強化效果的因素進行了分析研究，并沒有詳細研究磨削強化在各種具體材料 中的應用，也沒有制定出具體的工藝標準。要將目前世界上先進的科學理論與生產實踐相結合，并服務于生產過程，就必須結合具體的材料進行研究。研究其可行性和適用性，制定出相應的行業(yè)標準與工藝流程。 由以往的研究得出，由于磨削自身的特點，磨削過程產生的硬化層與常規(guī)的表面高溫形變淬火產生的硬化層相比具有以下特點： 1.磨削熱源按三角形分布 ,磨削表層溫度分布曲線的峰值趨向于熱源區(qū)域（磨削弧區(qū)）的中心部位； 2.在大梯度應力場的作用下，零件的奧氏體化局部表層沿層深產生不同程度的形變； 3.磨削淬硬組織具有非均勻形態(tài) ,馬氏體 尺寸沿淬硬層深由外向內逐漸增大 ,而位錯密度則逐漸降低 ; 4.磨削淬硬層存在壓縮殘余應力 ,淬硬層深度及顯微硬度相當于激光淬火、噴丸及滲氮工藝，而且?guī)缀醪淮嬖谟捕忍荻茸兓?5.主動利用磨削加工中的熱 機械作用，實現(xiàn)未淬硬鋼零件磨削加工與表面形變淬火的集成制造，同時減少了專用熱處理設備的投資及排放物對環(huán)境的污染，降低了成本； 6.各過程參量及磨削淬硬質量均與磨削條件有關，通過選擇合理的磨削工藝參數(shù)，可有效地控制淬硬質量。 在以往學術界的研究中發(fā)現(xiàn)，磨削淬硬技術的特點是：磨削強化分兩個階段：首先經(jīng)過粗磨產生磨削 熱并利用磨削熱淬火，然后再精磨以達到所需的尺寸和形狀精度；磨削強化是短時間內奧氏體化的工件表層經(jīng)自淬火向馬氏體相變的現(xiàn)象；冷卻潤滑劑會影響熱量的產生，因此磨削強化時可采用干式磨削；磨削強化使零件表面淬硬層存在殘余壓應力，表面無裂紋。 1.3 本課題擬開展的主要工作 本課題注重試驗研究，主要研究任務是通過改變磨削切削深度來改變表面溫升，從而改 畢業(yè)設計（論文）報告紙 共 38 頁 第 8 頁 變硬化層的厚度，找出溫升和硬化層厚度的關系，并對淬硬部分的組織進行分析。 1.3.1 研究內容及要求： （ 1） 磨削強化研究的目的和意義； （ 2） 40Cr磨削強化試驗方案的 制定及試樣的制作； （ 3） 40Cr康銅非標熱電偶的溫度標定； （ 4） 40Cr磨削強化用量條件的優(yōu)化； （ 5） 優(yōu)化用量條件下的 40Cr磨削強化溫度測量及冷卻速度的確定； （ 6） 磨削強化效果的測定（硬度、金相組織、硬化層厚度）及其機理分析。 1.3.2 主要技術要求： （ 1） 正確的 40Cr康銅非標熱電偶的溫度標定曲線； （ 2） 試驗確定出最優(yōu)的磨削用量組合條件； （ 3） 試驗確定出適于磨削強化的磨削溫度和冷卻速度（磨削溫度在 830 900 ； 冷卻速度 30 /S）； （ 4） 要求磨削強化后的 40Cr 試樣強化層金相組織為 淬火馬氏體，硬化層深度在 0.71.3mm。 要求磨削強化的試樣表面硬度 HV512。 畢業(yè)設計（論文）報告紙 共 38 頁 第 9 頁 A A B 1 2 圖 2.1 熱電偶工作原理示意圖 第二章 溫度標定 2.1 熱電偶概述 溫度測量在冶金、石油、化工、機械制造、國防以及國民經(jīng)濟其它部門都具有十分重要的意義。溫度測量的方法是多種多樣的，熱電偶測溫法就是其中較常用的一種方法。 2.1.1 熱電偶的工作原理 熱電偶的工作原理是：當兩種不同的導體兩端連接成回路時，由于接合點溫度不同，會在回路里產生熱電流的物理現(xiàn)象，這種現(xiàn)象稱為溫差電效應或塞貝克效應。熱電偶就是基于這種熱電效應而工作的。熱電偶由 2 根不 同導線（熱電極） A 和 B 組成，如圖 2.1 所示，它們一端互相焊接（如 1 端），形成熱電偶的工作端、測量端或熱端，用它插入待測介質中測量溫度。另一端（如 2端）溫度保持恒定，稱作參考端或自由端。通常，把參考端也稱為冷端。利用兩端（熱端和冷端）溫差和熱電勢的函數(shù)關系來測量溫度。由此可見，熱電偶就是利用熱電勢隨兩接點溫度變化的特性來測量溫度的 12。 2.1.2 熱電偶的特性 熱電偶是目前溫度測量領域中，應用最廣泛的感溫元件之一。它的特點如下 13 14： 1. 熱電偶可以直接將溫度信 號轉換成電信號。因此，對于溫度的測量、調節(jié)、控制、放 畢業(yè)設計（論文）報告紙 共 38 頁 第 10 頁 大、變換都很容易進行、既有利于遠距離傳送又便于集中管理和電子計算機處理。 2. 結構簡單，使用、安裝、維修、保養(yǎng)都很方便。 3. 國際標準化的熱電偶容易獲得，價格比較低廉。 4. 測量準確度高，由于熱電偶與被測介質直接接觸，因此測量的是真實溫度。 5. 測溫范圍廣，可測量 200 2800范圍的溫度。 6. 熱惰性小，動態(tài)響應速度快。 7. 適應性強，由于熱電偶的品種、規(guī)格齊全，它可以根據(jù)使用的特殊要求和具體條件，選擇適當?shù)牟牧掀贩N和尺寸、規(guī)格制成體積大小 不同和形狀各異的熱電偶，以滿足不同的測溫需要。它既可以測量物體的表面溫度、高速過程的瞬變溫度，又可測量特定部位或狹小場所的溫度。 由于熱電偶具有上述特點，因此它在工業(yè)生產和科學研究實驗中得到了廣泛的應用。然而熱電偶測溫也有其局限性： 1. 熱電偶插入溫度場中會改變溫度場的原來狀態(tài)，被測溫度會稍偏離原來的實際溫度。 2. 由于熱電極材料受熔點的限制，測溫上限不能無限提高，而且測溫準確度難以超過0.2。 3. 使用時，必須使參考端溫度恒定，否則將引起測量誤差。 4. 在高溫或長期使用的情況下，易受被測介質和環(huán) 境氣氛影響，使熱電偶腐蝕變質，降低使用壽命。 2.1.3 熱電偶的分類 熱電偶的分類方法繁多，可以按用途、結構、材料等方法來劃分，分類具體如下： 1. 按熱電極材料分有：貴金屬熱電偶、廉金屬熱電偶、貴 -廉金屬混合式熱電偶、難熔金屬熱電偶、非金屬熱電偶。 2. 按使用溫度范圍來分有：高溫熱電偶、中溫熱電偶、低溫熱電偶。 3. 按熱電偶的結構類型來分有：普通熱電偶、鎧裝熱電偶、薄膜熱電偶、各種專用熱電 畢業(yè)設計（論文）報告紙 共 38 頁 第 11 頁 偶（如測量表面溫度用的表面熱電偶；測量熔融金屬用的快速微型熱電偶；測量氣流溫度的抽氣式熱電偶；測量有爆炸性氣體 混合物的隔爆熱電偶等）。 4. 按工業(yè)標準化情況分有：標準化熱電偶和非標推化熱電偶。 2.1.4 熱電偶的標定種類 在溫度的測量過程中，用熱電偶測出的實際上是熱電勢，而并非溫度值本身，所以必須知道每一種熱電偶的熱電勢與溫度之間的對應關系，才能最終得到需要的溫度值。而且不同材料組成的熱電偶其熱電勢與溫度之間的關系又是不同的，因此對于那些非標準的熱電偶在使用前就必須進行標定。通常表示熱電偶熱電勢和溫度的對應關系的方法有三種：表格法、曲線法、公式法。 熱電偶的標定，就是將熱電偶置于若干溫度下測量其熱電勢，并確定 熱電勢與溫度的對應關系。根據(jù)溫度給定和熱電勢測定的方法不同，熱電偶的標定種類主要有三種：純金屬定點法、比較法和黑體空腔法。 1. 純金屬定點法 純金屬定點法是利用純金屬相變平衡點具有固定不變的溫度特性來對熱電偶進行標定的。根據(jù)獲得純金屬平衡點的方法不同，純金屬定點法又可分為坩堝定點法和熔絲定點法。 2. 比較法 比較法是利用高一級的標準熱電偶和被檢熱電偶直接比較的一種檢定方法。這種方法設備簡單、操作方便，并且一次能標定多支熱電偶，是應用最廣泛的一種標定方法。它適用于標定標準熱電偶和各種工作熱電偶。比較法又可 分為雙極法、同名極法和微差法。 3. 黑體空腔法 這種方法是利用標準光電高溫計或標準光學高溫計測量出熱源黑體空腔的溫度來對熱電偶進行標定的。 2.2 40Cr康銅非標準熱電偶的標定 2.2.1 標定過程 由于 40Cr康銅不是標準熱電偶，而且目前也沒有其溫度與熱電勢之間的關系數(shù)據(jù)，所 畢業(yè)設計（論文）報告紙 共 38 頁 第 12 頁 圖 2.2 熱電偶快速標定系統(tǒng) 以試驗研究的目的是標定出 40Cr康銅這一對熱電偶的熱電特性數(shù)據(jù)，得到該熱電偶的熱電勢與溫度之間的對應關系。這將為后續(xù) 40Cr 磨削溫度的數(shù)據(jù)處理提供可靠的依據(jù)。標定試驗所得到的熱電特性數(shù)據(jù)的準確性將直接影響到 40Cr 磨削溫 度測量結果的準確性。 本文采用的是比較法來標定熱電偶。試驗方案采用單接點動態(tài)標定方案。這種方法設備簡單、操作方便，應用廣泛。其原理如下：用 40Cr康銅這一對熱電偶和鎳鉻 （ NiCr） 康銅的標準熱電偶來感受同一個節(jié)點溫度，這樣就可以在同一個溫度下測得兩個熱電勢的值，但是對于鎳鉻康銅的標準熱電偶來說，它的熱電特性數(shù)據(jù)是可以通過查熱電偶分度手冊得到的。那么就可以通過查標準熱電偶測出的電勢值來得到這點的溫度，這個溫度就和 40Cr康銅熱電偶測出的同一時間熱電勢對應起來了。只要用這種方法測出每一個溫度，那么就可以標定出 40Cr康銅熱電偶的熱電特性數(shù)據(jù)了 15。 熱電偶標定從原理來講是很簡單的，但是要想得到準確可靠的結果卻并不容易。其中最大的困難是很難確保兩對熱電偶在連續(xù)升降溫的每一個瞬間都嚴格感受相同的溫度。國內外很多學者、專家都在這方面進行了深入的研究，其中本校徐鴻鈞教授研制出的熱電偶快速標定裝置很好的解決了這一難題。圖 2.2 所示為該裝置的系統(tǒng)圖 16。 a）快速標定裝置 b） HP3562A 動態(tài)分析儀 單接點快速動態(tài)標定方案的原理示意圖見圖 2.3 所示，為了使兩對熱電偶感受同一點上的溫度，先在待標定的 40Cr（圖中用 C表示）做成的試樣一端加工出厚度不大于 0.5mm的薄壁來，然后再將端部磨尖的康銅（圖中用 A表示）、標準鎳鉻（圖中用 B表示）絲以一定的彈簧壓力如圖所示從兩邊對準頂緊在該薄壁上。由于薄壁處厚度極薄，兩根磨尖的熱電偶絲又是嚴格對準頂緊的，所以這時完全可以認為 A、 B、 C 三種材料是交匯在一個點上的，這個點就是公共的熱接點 T。熱電極 A、 B通過點 T處的 40CrC構成標定時給出 溫度信號的標準熱電 畢業(yè)設計（論文）報告紙 共 38 頁 第 13 頁 熱接點 T A B C T0 T0 EAC(T,T0) EAB(T,T0) 試樣 偶 AB，熱電極 A又與材料 C也通過點 T構成待標定熱電偶 AC。由于這樣構成的兩對熱電偶都是從同一點 T 引出的。所以當以某種方式加熱材料 C 時，無論點 T 溫度如何變化，它們總是都感受這同一點上的溫度，從而就有效的保證了標定的可靠性和準確性了。 本裝置采用的加熱方式是用乙炔噴槍加熱的，它可以提供標定時所需的溫度。在標定的過程中，直接用乙炔噴槍的火焰在 40Cr 試樣的端部加熱。然后用 HP3562 動態(tài)信號分析儀同步采集下兩對熱電偶在加熱過程中的熱電勢。這樣就得到了實驗過程中的原始數(shù)據(jù)，再對數(shù)據(jù)進行處理就可以得 到 40Cr-康銅熱電偶的熱電特性關系。 圖 2.3 單接點快速動態(tài)標定方案的原理示意圖 2.2.2 標定結果 在 標定 的過程中，測出的熱電勢是在熱電偶冷端的溫度做了一定的處理的情況下得到的，也就是說熱電偶冷端的溫度為 0，所以可直接查熱電偶分度手冊得到所需的 NiCr康銅標準熱電偶熱電特性數(shù)據(jù)，直接對測出的數(shù)據(jù)進行對比分析。最后得到了 40Cr康銅熱電偶的標定曲線，在 Origin6.0 軟件中擬合結果見圖 2.4 所示。 此標定曲線是在冷端溫度為 T0（ T0=0）時標定出來的，所以只有在冷端溫度為 0時用此曲線的結果才準確，否則就會給結果造成一定的偏差。 冰水混合物 畢業(yè)設計（論文）報告紙 共 38 頁 第 14 頁 圖 2.4 40Cr康銅熱電偶標定 T() E(mv) 基于以上標定結果，可以對后續(xù)的磨削溫度測量熱電勢進行分析，得出磨削 40Cr 在不同磨削用量條件下的磨削溫度。 Y =-0.09766+20.48292 X+0.01063 X2-（ 7.06648E-4） X3+（ 9.99345E-6） X4 畢業(yè)設計（論文）報告紙 共 38 頁 第 15 頁 第三章 溫度測量試驗 磨削強化研究過程中，如何有效控制和檢測磨削溫度，將是優(yōu)化磨削強化效果的關鍵因素。為有效對 40Cr進行磨削強化，故對磨削過程中的表面溫度進行測量。溫度測量的方 法很多，有熱電偶測溫、熱電阻測溫、紅外線測溫等，在本次試驗中，考慮到試驗的測溫環(huán)境及現(xiàn)有的試驗條件采用半人工熱電偶進行測溫。 3.1 40Cr鋼的簡介 3.1.1 40Cr 鋼 40Cr鋼是機械制造業(yè)使用最廣泛的鋼種之一。調質處理后具有良好的綜合機械性能，良好的低溫沖擊韌性和低的缺口敏感性。鉻是強烈提高鋼材淬透性的元素之一，含鉻 1%左右的40Cr 鋼，與碳素鋼相比其主要優(yōu)點是淬透性高，能獲得穩(wěn)定性比 Fe3C高的合金滲碳體（ Fe，Cr） 3C。同時過熱傾向性比碳鋼小。 40Cr 鋼的淬透性良好，水淬時可淬透到 28 60mm，油淬時可淬透到 15 40mm。直徑 25 30 毫米以下的工件，一般可在油中淬透，當其斷面在50 毫米以下時，油淬后無共析的游離鐵素體析出；直徑 30 毫米以上的零件可采用水淬；形狀復雜的零件，水淬時易產生裂紋，故以油淬為宜。鉻對淬透性的強烈作用是使鉻鋼得到廣泛應用的主要原因。鋼中加入鉻，將使性能得到顯著地提高，其強度約比碳鋼高 20%，并具有良好的塑性。此外，鉻能增加淬火鋼的回火穩(wěn)定性，回火后鉻大部分形成合金滲碳體（ Fe，Cr） 3C，少部分溶入鐵素體，從而提高了鐵素體的強度和韌性。本次試驗所用材料的成分 見表 3-1。 表 3-1 40Cr鋼的化學成分 成分 C Si Mn Cr 含量 (%) 0.370.45 0.170.37 0.580.80 0.800.10 3.1.2 40Cr 鋼的特點 鉻能與碳形成碳化物，但從 Fe-Cr-C狀態(tài)圖來看，在平衡狀態(tài)下的 40Cr 鋼中，鉻只有一部分形成合金滲碳體，而大部分還是溶于鐵素體中。 畢業(yè)設計（論文）報告紙 共 38 頁 第 16 頁 鉻使 E、 S 點左移，因此，在退火狀態(tài)下， 40Cr 鋼與含碳量相同的 40 鋼相比，在 40Cr鋼中，含有更多的珠光體，硬度更高。 40Cr鋼在調質處理的淬火加熱時。溶入奧氏體中 的鉻，可使 C 曲線向右移，提高鋼的淬透性。 40Cr 鋼的淬透性比 40 鋼大得多。同樣在油中淬火，40 鋼的臨界直徑是 5 9.5mm，而 40Cr鋼可達 25 30mm。鉻還可提高鋼的回火穩(wěn)定性，因此，40Cr 鋼與 40 鋼相比，在相同溫度的高溫回火之后， 40Cr 鋼可獲得較高的綜合機械性能。由于鉻的影響， 40Cr鋼具有較大的回火脆性傾向。試驗表明， 40Cr鋼在回火后快冷與緩冷的沖擊任性相差很大。因此， 40Cr鋼在高溫回火后，要采取較快的冷卻。 3.1.3 40Cr 鋼的用途 40Cr鋼的過熱傾向不大，淬透性較好，回火穩(wěn)定性較 高，經(jīng)調質能獲得較高的綜合機械性能。因此它是應用最廣的調質鋼之一，廣泛應用于汽車、拖拉機等上的主要零件，如連桿、連桿螺釘、傳動軸、轉向軸以及機床上的主軸、齒輪等用于承受交變負荷、中等速度、中等負荷、強烈磨損而無很大沖擊的重要零件。 3.2 40Cr鋼磨削強化的可行性分析 由于磨削加工在工業(yè)中應用廣泛，基于材料去除及切削形成原理的磨削功率轉換為磨削熱能的機理已得到深入研究。在磨削加工中，當工件表面材料被磨削熱加熱到一定溫度時將會產生相變。 目前熱處理工藝和磨削工藝存在著兩個主要缺點：雖有多種表面淬硬熱處理 工藝，但都很難集成到產品生產線上；工件在需進行磨削加工時，磨削熱和機械作用可能對已淬硬的材料造成損傷。這兩個問題促使人們考慮如何利用磨削加工中所產生的熱量和機械作用直接對工件表面進行淬硬，即磨削淬硬。 40Cr是低碳合金鋼，鉻的加入使鋼的淬透性得以改善。 40Cr是制造大型工件（例如齒輪等）的合適材料，大型的工件留有較大的切削余量，使磨削過程中進行大材料去除量的磨削成為可能。從磨削實驗表明隨著磨削深度 p的增加磨削產生的熱量就越大，從而為表面熱處理提供足夠的熱量。 為得到滿意的磨削淬硬結果，需在磨削加工時產 生大量磨削熱及獲得最佳熱量擴散分配比，因此磨削淬硬工藝不宜使用冷卻潤滑液。但當工件體積太小，不足以滿足自身淬火功能要求時，可使用冷卻液幫助實現(xiàn)工件淬火。 3.3 測溫的目的與意義 磨削區(qū)溫升是發(fā)展磨削強化處理技術的關鍵。鋼鐵材料強化處理的成功與否，取決于材 畢業(yè)設計（論文）報告紙 共 38 頁 第 17 頁 料受到的溫升與冷卻條件能否滿足強化條件，因此如能對磨削區(qū)溫升和冷卻條件能進行有效的控制，即控制材料表面溫升狀況和冷卻速度，則可在磨后材料表面得到強化的效果，因此如何控制磨削區(qū)溫升達到材料強化處理條件及溫度冷卻速度，將是本研究的重點 17。由于鋼鐵材料強 化處理條件會隨著材料性質而異，因此本研究首先應對各種鋼鐵材料強化處理條件有基本的了解，確認材料強化處理所需的溫升與冷卻條件，作為選擇實驗材料的依據(jù)，再者則是探討磨削理論，了解磨削熱行為對磨削區(qū)溫升的影響，以找尋控制磨削區(qū)溫升的方法。最后，借助實驗來驗證理論推導的準確性，并對材料硬化的相關因素進行探討，以對磨削硬化處理的技術能有更深入的了解。至于磨削區(qū)溫升的控制方法，須針對影響磨削區(qū)溫升的因素來著手，諸如加工參數(shù)、砂輪、材料性質等，由于加工參數(shù)為磨削工藝的主要變數(shù)，對磨削區(qū)溫升的影響最直接，因此若能了解加工參 數(shù)與磨削區(qū)溫升間的關聯(lián)性，則可借助調整加工參數(shù)來達到控制磨削區(qū)溫升的目的。雖然磨削的加工參數(shù)會直接影響磨削區(qū)溫升情形，但在磨削理論的探討中，加工參數(shù)與磨削區(qū)溫升間并沒有直接的關系式，因此無法借助調整加工參數(shù)來獲得所需的磨削區(qū)溫升。由于磨削區(qū)溫升是磨削耗能以熱的形式進入工件所致，而磨削耗能是受砂輪與工件表面間的相互作用影響，相互作用取決于加工參數(shù)，因此透過磨削耗能與加工參數(shù)、磨削區(qū)溫升間的關系，似乎可衍生出加工參數(shù)與磨削區(qū)溫升間的關聯(lián)性。至于實驗后的分析，則是針對磨削區(qū)溫升的控制方法與實驗結果的預測方法進行探 討 ,借助對實驗數(shù)據(jù)的分析，探討加工參數(shù)、磨削耗能與磨削區(qū)溫升三者間的關聯(lián)性，了解如何借助調整加工參數(shù)來獲得所需的磨削區(qū)溫升。此外，借助觀察實驗材料的表面強化狀況與磨削區(qū)溫升間的關聯(lián)性，了解磨削區(qū)溫升與磨后工件表面強化狀態(tài)是否有關。 3.4 磨削用量條件的優(yōu)化 為優(yōu)化磨削參數(shù)，分別通過兩種單因素方法進行了磨削強化試驗，試驗主要通過改變切削深度（ ap）和機床進給速度（ Vw）來改變磨削區(qū)表面的溫升。 當切深 ap分別為 0.05mm、 0.10mm、0.15mm、 0.20mm、 0.25mm、 0.30mm 時，磨削強化試樣 的顯微硬度如圖 3-1 所示；當 Vw 分別為 0.2 m/min、 0.3 m/min、 0.45 m