高壓錐閥閥芯熱處理

東北石油大學本科生畢業(yè)設計（論文）PAGE摘要本文主要研究了2Cr13鋼和35CrMo鋼作為高壓錐閥閥芯的熱處理工藝，通過性能測定及數(shù)據(jù)分析，掌握不同的熱處理工藝條件下高壓錐閥閥芯機械性能變化，根據(jù)實驗數(shù)據(jù)分析，從而選出合理的材料并確定其熱處理工藝。結果表明，35CrMo鋼經(jīng)熱處理之后具有更高的硬度和耐磨性，其綜合機械性能要優(yōu)于2Cr13鋼，從而選定35CrMo鋼作為高壓錐閥閥芯的生產(chǎn)材料。35CrMo鋼的最優(yōu)熱處理工藝為845℃退火，860℃淬火(油淬)，200℃低溫回火。關鍵詞：2Cr13鋼，35CrMo鋼，高壓錐閥閥芯，熱處理，退火，淬火，低溫回火。AbstractThispapermainstudiestheheattreatmentprocessof2Cr13steeland35CrMosteelashighpressure

poppetvalve

spool,throughperformancemeasurementanddateanalysis,tograspthemechanicalpropertieschangeofhighpressure

poppetvalve

spoolatdifferentheattreatmentconditions.Toelectreasonablematerialandheattreatmentaccordingtotheexperimentaldateanalysis.Theresultsshowthat,35CrMosteelheatedtreatmenthashigherhardnessandwearresistance,itsmechanicalpropertiesisbetterthan2Cr13steel.Therefore,weelect35CrMosteelastheproductionmaterialofhighpressure

poppetvalve

spool.Thebestheattreatmentprocessof35CrMosteelisannealingat845℃,quenchingat860℃(oilquenched)andtemperingat200℃.Keywords:2Cr13

steel,35CrMo

steel,highpressure

poppetvalve

spool,heattreatment,annealing,quenching,

lowtemperaturetemperingPAGE33目錄第1章緒論 11.1引言 11.2溢流閥及其發(fā)展狀況 11.3本文的研究思路和內(nèi)容 7第2章試驗理論基礎 82.1鋼的熱處理原理 82.2熱處理工藝分類 122.3熱處理缺陷及分析 16第3章試驗材料與試驗方法 183.1試驗材料 183.2試驗目的 183.3試驗設備 183.4檢測設備和儀器 183.5試驗工藝方案 193.6試驗步驟 24第4章試驗結果分析 254.1機械性能分析 254.2金相組織顯微分析 274.3工藝討論 29結論 31參考文獻 32致謝 33第1章緒論1.1引言以液體作為介質(zhì)進行能量傳遞的液壓傳動的諸多優(yōu)點現(xiàn)已被各行業(yè)認可和采納。農(nóng)業(yè)機械、工程機械等更是將其作為技術升級的一個必要條件。溢流閥是液壓系統(tǒng)壓力控制閥中的一類[1]，其主要作用是通過閥口的溢流，使被控制系統(tǒng)或回路的壓力維持恒定，從而實現(xiàn)穩(wěn)壓、調(diào)壓或限壓。溢流閥是液壓系統(tǒng)中應用最多的元件之一，正確選擇、合理應用溢流閥不僅可以滿足液壓系統(tǒng)不用應用場合的多種功能要求，而且還可使液壓系統(tǒng)設計簡化。國內(nèi)外從六十年代初開始對先導控制式溢流閥進行研究。經(jīng)歷了定性和定量研究階段。溢流閥靜態(tài)特性研究方面的成果，衡量靜態(tài)特性的指標有定壓誤差、卸荷壓力、內(nèi)泄漏量和調(diào)壓范圍。研究結果已經(jīng)給出了比較完整的設計準則和阻尼孔尺寸選擇范圍，分析了閥的結構參數(shù)對靜壓特性的影響,也討論了加載閥特性的影響是產(chǎn)生溢流閥啟閉特性實驗誤差的主要原因。證明了先導控制結構是實現(xiàn)理想恒壓特性的根本原因。把功率鍵合圖理論用于建立環(huán)形縫隙阻尼溢流閥的數(shù)學模型,通過數(shù)字仿真分析了閥的靜特性,并進行了參數(shù)預測及優(yōu)化。主要研究成果可歸納為如下幾方面：1.錐閥從理論上講密封好，但閥芯在零位時卻有泄漏，相當于閥提前開啟，特別是在高壓情況下，關鍵問題是加工裝配質(zhì)量。2.主閥芯的面積比，直接影響閥的開啟點,理想恒壓要求面積比為一。3.主閥彈簧預緊力，在保證克服摩擦力的條件下,應盡可能小。4.先導閥的溢流量應盡量小，且保持恒定。5.主閥液動力對啟閉特性的影響，主要對閉合特性的影響，取決于出流的方向。高壓錐閥是溢流閥的一種，了解其工作原理與工作環(huán)境對于后續(xù)實驗的進行是十分必要的。本文的研究目的是選出作為高壓錐閥閥芯的材料，以確定合理的熱處理工藝。1.2溢流閥及其發(fā)展狀況1.2.1溢流閥簡介溢流閥是壓力控制閥中的一類，廣泛應用于各種液壓系統(tǒng)中。溢流閥是通過閥口的溢流，使被控制系統(tǒng)或回路的壓力維持恒定，實現(xiàn)調(diào)壓、穩(wěn)壓和限壓的目的。對溢流閥的主要性能要求是:調(diào)壓范圍大，調(diào)壓偏差小，壓力振擺小，動作靈敏，過流能力大，壓力損失小，噪聲小[2]。1.2.2溢流閥的分類按其結構及工作原理分為直動型和先導型溢流閥兩大類。直動型溢流閥：直動型溢流閥中，壓力油直接作用于閥芯，當液壓力超過彈簧力時，閥口打開，液體溢流，使入口壓力維持恒定。調(diào)節(jié)彈簧的預壓力便可調(diào)整壓力，改變彈簧的剛度可方便地改變調(diào)壓范圍。直動型溢流閥按閥芯結構，可分為座閥和滑閥兩種形式。座閥結構又分為球閥和錐閥兩種；滑閥結構又有滑閥、帶阻尼孔的滑閥和差動滑閥三種。直動型溢流閥結構簡單，靈敏度高，壓力受溢流流量變化影響較大，調(diào)壓偏差大，不適于在高壓、大流量下工作，常作安全閥或調(diào)壓精度要求不高的場合。圖1-1(a)所示是一種低壓直動式溢流閥，P是進油口，T是回油口，進口壓力油經(jīng)閥芯4中間的阻尼孔G作用在閥芯的底部端面上，當進油壓力較小時，閥芯在彈簧2的作用下處于下端位置，將P和T兩油口隔開。當油壓力升高，在閥芯下端所產(chǎn)生的作用力超過彈簧的壓緊力F。此時，閥芯上升，閥口被打開，將多余的油液排回油箱，閥芯上的阻尼孔G用來對閥芯的動作產(chǎn)生阻尼，以提高閥的工作平衡性，調(diào)整螺帽1可以改變彈簧的壓緊力，這樣也就調(diào)整了溢流閥進口處的油液壓力P。(a)圖1-1低壓直動式溢流閥(a)結構圖(b)職能符號圖1—螺帽2—調(diào)壓彈簧3—上蓋4—閥芯5—閥體溢流閥是利用被控壓力作為信號來改變彈簧的壓縮量，從而改變閥口的通流面積和系統(tǒng)的溢流量來達到定壓目的的。當系統(tǒng)壓力升高時，閥芯上升，閥口通流面積增加，溢流量增大，進而使系統(tǒng)壓力下降。溢流閥內(nèi)部通過閥芯的平衡和運動構成的這種負反饋作用是其定壓作用的基本原理，也是所有定壓閥的基本工作原理。而彈簧力的大小與控制壓力成正比，因此如果提高被控壓力，一方面可用減小閥芯的面積來達到，另一方面則需增大彈簧力，因受結構限制，需采用大剛度的彈簧。這樣，在閥芯相同位移的情況下，彈簧力變化較大，因而該閥的定壓精度就低。所以，這種低壓直動式溢流閥一般用于壓力小于2.5MPa的小流量場合，圖1-1(b)所示為直動式溢流閥的圖形符號。由圖1-1(a)還可看出，在常位狀態(tài)下，溢流閥進、出油口之間是不相通的，而且作用在閥芯上的液壓力是由進口油液壓力產(chǎn)生的，經(jīng)溢流閥芯的泄漏油液經(jīng)內(nèi)泄漏通道進入回油口T。直動式溢流閥采取適當?shù)拇胧┮部捎糜诟邏捍罅髁?。例如，德國Rexroth公司開發(fā)的通徑為6~20mm的壓力為40~63MPa；通徑為25~30mm的壓力為31.5MPa的直動式溢流閥，最大流量可達到330L/min，其中較為典型的錐閥式結構如圖1-2所示。圖1-2為錐閥式結構的局部放大圖，在錐閥的下部有一阻尼活塞3，活塞的側面銑扁，以便將壓力油引到活塞底部，該活塞除了能增加運動阻尼以提高閥的工作穩(wěn)定性外，還可以使錐閥導向而在開啟后不會傾斜。此外，錐閥上部有一個偏流盤1，盤上的環(huán)形槽用來改變液流方向，一方面以補償錐閥圖1-2直動式錐型溢流閥1—偏流盤2—錐閥3—活塞2的液動力；另一方面由于液流方向的改變，產(chǎn)生一個與彈簧力相反方向的射流力，當通過溢流閥的流量增加時，雖然因錐閥閥口增大引起彈簧力增加，但由于與彈簧力方向相反的射流力同時增加，結果抵消了彈簧力的增量，有利于提高閥的通流流量和工作壓力。先導型溢流閥：先導型溢流閥由先導閥和主閥組成。先導閥用于調(diào)節(jié)主閥上腔的壓力。先導型溢流閥的調(diào)壓精度優(yōu)于直動型溢流閥，但靈敏度低于直動型溢流閥，廣泛應用于高壓，大流量、調(diào)壓精度要求較高的場合。先導型溢流閥的導閥一般為錐閥結構，主閥則有錐閥和滑閥兩種。錐閥按主閥芯的配合情況，又分為三節(jié)同心式先導溢流閥和二節(jié)同心式先導溢流閥。三節(jié)同心式先導溢流閥的加工精度要求高，成本高，主閥芯和導閥座上的節(jié)流孔起降壓和阻尼作用，有助于降低超調(diào)量和壓力擺動，但使響應速度和靈敏度降低[3]。單向閥式溢流閥的工藝性好、加工精度和裝配精度容易保證。結構簡單、通用性、互換性好[4]。主閥為單向閥結構，過流面積大，流量大,因此閥的啟閉特性好，閥的性能穩(wěn)定，噪聲小。圖1-3所示為先導式溢流閥的結構示意圖，在圖中壓力油從P口進入，通過阻尼孔3后作用在導閥4上，當進油口壓力較低，導閥上的液壓作用力不足以克服導閥右邊的彈簧5的作用力時，導閥關閉，沒有油液流過阻尼孔，所以主閥芯2兩端壓力相等，在較軟的主閥彈簧1作用下主閥芯2處于最下端位置，溢流閥閥口P和T隔斷，沒有溢流。當進油口壓力升高到作用在導閥上的液壓力大于導閥彈簧作用力時，導閥打開，壓力油就可通過阻尼孔、經(jīng)導閥流回油箱，由于阻尼孔的作用，使主閥芯上端的液壓力P2小于下端壓力P1，當這個壓力差作用在面積為AB的主閥芯上的力等于或超過主閥彈簧力Fs，軸向穩(wěn)態(tài)液動力Fbs、摩擦力Ff和主閥芯自重G時，主閥芯開啟，油液從P口流入，經(jīng)主閥閥口由T流回油箱，實現(xiàn)溢流，即有：Δp=p1-p2≥Fs+Fbs+G±Ff/AB(1-1)圖1-3先導式溢流閥1—主閥彈簧2—主閥芯3—阻尼孔4—導閥閥芯5—導閥彈簧由式(1-1)可知，由于油液通過阻尼孔而產(chǎn)生的P1與P2之間的壓差值不太大，所以主閥芯只需一個小剛度的軟彈簧即可；而作用在導閥4上的液壓力P2與其導閥閥芯面積的乘積即為導閥彈簧5的調(diào)壓彈簧力，由于導閥閥芯一般為錐閥，受壓面積較小，所以用一個剛度不太大的彈簧即可調(diào)整較高的開啟壓力P2，用螺釘調(diào)節(jié)導閥彈簧的預緊力，就可調(diào)節(jié)溢流閥的溢流壓力。先導式溢流閥有一個遠程控制口K，如果將K口用油管接到另一個遠程調(diào)壓閥(遠程調(diào)壓閥的結構和溢流閥的先導控制部分一樣)，調(diào)節(jié)遠程調(diào)壓閥的彈簧力，即可調(diào)節(jié)溢流閥主閥芯上端的液壓力，從而對溢流閥的溢流壓力實現(xiàn)遠程調(diào)壓。但是，遠程調(diào)壓閥所能調(diào)節(jié)的最高壓力不得超過溢流閥本身導閥的調(diào)整壓力。當遠程控制口K通過二位二通閥接通油箱時，主閥芯上端的壓力接近于零，主閥芯上移到最高位置，閥口開得很大。由于主閥彈簧較軟，這時溢流閥P口處壓力很低，系統(tǒng)的油液在低壓下通過溢流閥流回油箱，實現(xiàn)卸荷。1.2.3溢流閥的性能溢流閥的性能包括溢流閥的靜態(tài)性能和動態(tài)性能，在此作一簡單的介紹。(1)靜態(tài)性能。①壓力調(diào)節(jié)范圍。壓力調(diào)節(jié)范圍是指調(diào)壓彈簧在規(guī)定的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)時，系統(tǒng)壓力能平穩(wěn)地上升或下降，且壓力無突跳及遲滯現(xiàn)象時的最大和最小調(diào)定壓力。溢流閥的最大允許流量為其額定流量，在額定流量下工作時，溢流閥應無噪聲、溢流閥的最小穩(wěn)定流量取決于它的壓力平穩(wěn)性要求，一般規(guī)定為額定流量的15%。②啟閉特性。啟閉特性是指溢流閥在穩(wěn)態(tài)情況下從開啟到閉合的過程中，被控壓力與通過溢流閥的溢流量之間的關系。它是衡量溢流閥定壓精度的一個重要指標，一般用溢流閥處于額定流量、調(diào)定壓力Ps時，開始溢流的開啟壓力Pk及停止溢流的閉合壓力PB分別與P1的百分比來衡量，前者稱為開啟比Pk，后者稱為閉合比Ps，即：(1-2)(1-3)式中：Ps可以是溢流閥調(diào)壓范圍內(nèi)的任何一個值，顯然上述兩個百分比越大，則兩者越接近，溢流閥的啟閉特性就越好，一般應使≥90%，≥85%，直動式和先導式溢流閥的啟閉特性曲線如圖1-4所示。③卸荷壓力。當溢流閥的遠程控制口K與油箱相連時，額定流量下的壓力損失稱為卸荷壓力。圖1-4溢流閥的啟閉特性曲線圖1-5流量階躍變化時溢流閥的進口壓力響應特性曲線(2)動態(tài)性能。當溢流閥在溢流量發(fā)生由零至額定流量的階躍變化時，它的進口壓力，也就是它所控制的系統(tǒng)壓力，將如圖1-5所示的那樣迅速升高并超過額定壓力的調(diào)定值，然后逐步衰減到最終穩(wěn)定壓力，從而完成其動態(tài)過渡過程。定義最高瞬時壓力峰值與額定壓力調(diào)定值Ps的差值為壓力超調(diào)量ΔP，則壓力超調(diào)率ΔP為：(1-4)它是衡量溢流閥動態(tài)定壓誤差的一個性能指標。一個性能良好的溢流閥，其≤10%~30%。1.2.4溢流閥的發(fā)展狀況目前，液壓系統(tǒng)和元件的設計、分析方法是基于一種半經(jīng)驗的方法。一些理論公式經(jīng)多方簡化，已難以解釋和處理某些實際問題，對溢流閥的開發(fā)和深入研究也存在著許多問題。在理論分析中，很多非線性因素都未加以考慮，如閥座的約束反力、庫侖摩擦力等。所以理論分析的模型是半定量的。因此有人對液壓系統(tǒng)進行了模型參數(shù)辨識的研究。在微處理機得到普遍應用的今天，也出現(xiàn)了液壓數(shù)字控制系統(tǒng)。真正實現(xiàn)了“電子神經(jīng)、液壓肌肉”的初衷，增強了液壓系統(tǒng)的功能。因此，數(shù)字化溢流閥的出現(xiàn)，將其與微處理機的結合，也為增強液系統(tǒng)的智能和控制的成熟度提供了極大的潛力。另外溢流閥和液壓系統(tǒng)理論分析、綜合和設計方法，也將與微型計算機直接結合，構組計算機設計優(yōu)化一體化,逐步代替半經(jīng)驗的估算方法。隨著高壓、高速、大流量和高效率液壓系統(tǒng)發(fā)展的需要，對節(jié)能型、低噪聲和嵌裝式溢流閥的研究也日益增多，逐步取得了實質(zhì)性的突破。1.3本文的研究內(nèi)容溢流閥在液壓系統(tǒng)中使用極為普遍，所有液壓系統(tǒng)至少要使用一個溢流閥作為定壓閥或安全閥。本文試圖通過了解溢流閥的工作條件，確定溢流閥閥芯的熱處理工藝過程，使其能夠滿足實際生產(chǎn)時所需要的各種機械性能和力學性能。液壓傳動中油液溫度一般應保持在30~50℃范圍內(nèi)，最高不應該超過60℃，從溢流閥的工作原理可以看出，溢流閥主閥芯與閥座或閥體孔、先導錐閥芯與錐閥座之間能否可靠密封，將直接影響溢流閥的壓力調(diào)節(jié)精度。在溢流閥使用過程中，由于油液污染物中存在的細小磨粒，對閥芯磨損，造成密封不良，影響溢流閥的壓力調(diào)節(jié)。泄漏嚴重時，會使溢流閥調(diào)不到預定壓力值。因此必須保證閥芯具有較高的耐磨性能。同時，溢流閥在工作時要經(jīng)常保持恒定的壓力，其油液壓力為50Mpa左右，而閥芯經(jīng)常在此壓力下工作，必然要求具有足夠的硬度和強度以滿足使用要求。為此我們選擇了兩種材料作為其生產(chǎn)材質(zhì)。分別是2Cr13和35CrMo，通過熱處理以及綜合機械性能校驗選擇最佳材質(zhì)。本文主要進行的就是這項研究。其內(nèi)容有：1.查閱相關文獻，找出錐閥閥芯的工作環(huán)境以及工作時所受的載荷。2.根據(jù)高壓錐閥閥芯工作條件制定其熱處理工藝過程。所選材質(zhì)為2Cr13和35CrMo。3.利用正交試驗設計方法，設定不同的熱處理參數(shù)，從而優(yōu)化出最終的熱處理工藝。4.不同的熱處理工藝條件下高壓錐閥閥芯機械性能測定。5.篩選出綜合性能最佳的工件，找出其熱處理工藝，確定熱處理工藝參數(shù)A、B、C的值，最后確定該材質(zhì)為錐閥閥芯的最佳材質(zhì)。第2章試驗理論基礎2.1鋼的熱處理原理熱處理是將金屬材料放在一定的介質(zhì)內(nèi)加熱、保溫、冷卻，通過改變材料表面或內(nèi)部的金相組織結構，來控制其性能的一種金屬熱加工工藝[5]。金屬熱處理是機械制造中的重要工藝之一，與其他加工工藝相比，熱處理一般不改變工件的形狀和整體的化學成分，而是通過改變工件內(nèi)部的顯微組織，或改變工件表面的化學成分，賦予或改善工件的使用性能。其特點是改善工件的內(nèi)在質(zhì)量，而這一般不是肉眼所能看到的。2.1.1鋼的加熱轉(zhuǎn)變共析鋼奧氏體的形成過程鋼在加熱時奧氏體的形成過程是一個新相的形核、長大和均勻化的過程。以共析鋼為例，根據(jù)Fe-Fe3C相圖，加熱前的原始組織為珠光體(即鐵素體和滲碳體形成的機械混合物)。當加熱到A1以上溫度后，珠光體向奧氏體轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)變包括以下四個基本的過程：(1)奧氏體晶核的形成。(2)奧氏體晶核的長大。(3)剩余滲碳體的溶解。(4)奧氏體的均勻化。影響奧氏體形成速度的因素(1)加熱溫度和保溫時間奧氏體的形成需要孕育期，溫度越高，孕育期越短。(2)原始組織的影響原始組織為片狀珠光體時，其片層越細，越易形核，晶核長大速度越快，加快奧氏體的形成。(3)化學成分的影響①碳：含碳量高，奧氏體的形核率和長大速度越大。②合金元素：不影響珠光體轉(zhuǎn)變奧氏體機制。奧氏體晶粒大小及其影響因素(1)奧氏體晶粒度奧氏體晶粒大小用晶粒度表示，通常分8級評定，1級最粗，8級最細。若晶粒度在10以上則稱“超細晶粒”。奧氏體晶粒度有三種，即起始晶粒度、實際晶粒度和本質(zhì)晶粒度。(2)影響奧氏體晶粒長大的因素影響奧氏體晶粒長大的因素很多，主要有以下幾點因素：①加熱溫度和保溫時間：加熱溫度越高、保溫時間越長，形核率I越大，長大速度G越大，奧氏體晶界遷移速度越大，其晶粒越粗大。②加熱速度：加熱速度快，奧氏體實際形成溫度高，形核率增高，可獲得細小的起始晶粒度。③合金元素：C%的影響，C%高，C在奧氏體中的擴散速度以及Fe的自擴散速度均增加，奧氏體晶粒長大傾向增加，但C%超過一定量時，由于形成Fe3C，阻礙奧氏體晶粒長大；合金元素影響。強碳化物形成元素Ti、Zr、V、W、Nb等熔點較高，它們彌散分布在奧氏體中阻礙奧氏體晶粒長大；非碳化物形成元素Si、Ni等對奧氏體晶粒長大影響很小。④鋼的原始組織的影響：鋼的原始組織越細，碳化物的彌散度越大，奧氏體晶粒越小。2.1.2鋼的冷卻轉(zhuǎn)變冷卻過程是熱處理的關鍵工序，它決定冷卻轉(zhuǎn)變的組織與性能，冷卻方式是多種多樣的，可分為連續(xù)冷卻和等溫冷卻兩大類，如圖2-1(a)和2-1(b)所示。t/hT/℃t/ht/hT/℃t/hT/℃（b（b）連續(xù)冷卻（a）等溫冷卻圖2-1鋼的冷卻方式圖過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線在A1溫度以上奧氏體是穩(wěn)定相，一旦過冷到A1溫度以下就成為不穩(wěn)定相，這種過冷狀態(tài)待分解的奧氏體就稱為過冷奧氏體。過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變圖TTT圖或C曲線是獲得等溫轉(zhuǎn)變組織的主要依據(jù)，是等溫淬火獲得馬氏體組織或貝氏體組織的主要依據(jù)[6]。(1)共析鋼等溫轉(zhuǎn)變曲線共析鋼等溫轉(zhuǎn)變曲線如圖2-2所示，左邊的曲線是等溫轉(zhuǎn)變開始線，右邊的曲線為等溫轉(zhuǎn)變終了線，下部兩條水平線分別是馬氏體轉(zhuǎn)變開始線(Ms)和馬氏體轉(zhuǎn)變終了線(Mf)。共析鋼C曲線分為四個區(qū)。A1線以上為奧氏體穩(wěn)定存在區(qū)；等溫轉(zhuǎn)變開始線左方是過冷奧氏體區(qū)；等溫轉(zhuǎn)變終了線右方是轉(zhuǎn)變產(chǎn)物區(qū)；等溫轉(zhuǎn)變開始線與等溫轉(zhuǎn)變終了線之間為過冷奧氏體與轉(zhuǎn)變產(chǎn)物共存區(qū)；Ms線以下均為馬氏體與殘余奧氏體共存區(qū)。圖圖2-2共析碳鋼C曲線圖時間/秒珠光體轉(zhuǎn)變終了珠光體轉(zhuǎn)變開始貝氏體轉(zhuǎn)變開始貝氏體轉(zhuǎn)變終了溫度/℃MsMfA1M+AA→P(2)影響奧氏體等溫轉(zhuǎn)變的因素①奧氏體C%的影響隨著奧氏體C%增加，過冷奧氏體穩(wěn)定性提高，“C”曲線右移；當C%增加到共析成分，過冷奧氏體穩(wěn)定性最高。隨著C%進一步增加，奧氏體穩(wěn)定降低，“C”曲線反而左移，同時C%越高，Ms點越低。過共析鋼完全奧氏體化后隨著C%增加，“C”曲線左移。②合金元素影響合金元素只有溶入奧氏體中才能對過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)生重要影響。除Co外，幾乎所有合金元素溶入奧氏體，都使C曲線右移，增大奧氏體穩(wěn)定性。此外，除Co、Al外，絕大多數(shù)合金元素均使Ms點下降[7]。③奧氏體化狀態(tài)的影響隨加熱溫度的升高，保溫時間的增長，奧氏體的晶粒度將不斷長大，總晶界面積減小，成分更加均勻。不利于新相形核，使過冷奧氏體的穩(wěn)定性增加，C曲線右移。過冷奧氏體連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線鋼的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變是指在一定冷卻速率下，過冷奧氏體在一個溫度范圍內(nèi)所發(fā)生的轉(zhuǎn)變。連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變得到的往往是不均勻的組織，有時是混合組織。過冷奧氏體連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線又叫CCT曲線，圖2-3是共析鋼的CCT圖[8]。圖圖2-3共析鋼連續(xù)冷卻圖時間/秒MfMsA→MVkVk＇TTTCCTPsPfKK＇A1溫度/℃(1)CCT曲線分析CCT曲線與其C曲線相比，向右下方移動了，即轉(zhuǎn)變開始溫度下降了，轉(zhuǎn)變開始時間延長了。只有珠光體轉(zhuǎn)變區(qū)、馬氏體轉(zhuǎn)變區(qū)，沒有貝氏體轉(zhuǎn)變區(qū)。當連續(xù)冷卻速度很小時，轉(zhuǎn)變的過冷度很小，轉(zhuǎn)變開始和終了的時間很長。冷卻速度如果加大，則轉(zhuǎn)變溫度降低，轉(zhuǎn)變的開始與終了時間縮短，而且冷卻速度愈大，轉(zhuǎn)變所經(jīng)歷的溫度區(qū)間也愈大。Kk＇線為轉(zhuǎn)變終止線，表示冷卻曲線與此線相交時轉(zhuǎn)變并未最后完成，但奧氏體停止分解了，剩余的這部分奧氏體在被過冷到更低的溫度下發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變。通過k與k＇兩點的冷卻曲線相當于兩個臨界冷卻速度Vk、Vk＇，分別成為上臨界冷卻速度和下臨界冷卻速度，是獲得不同轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的分界線。Vk＇是按C曲線確定的臨界點。(2)CCT曲線應用舉例如圖2-4所示：①從CCT曲線上可以獲得真實的臨界淬火速度。②CCT曲線是制定熱加工工藝參數(shù)的依據(jù)。③根據(jù)CCT曲線估計零件的組織和性能。例如，V1、V2速度冷卻時，奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w類型的組織(珠光體、索氏體、屈氏體)；V3速度冷卻時，一部分奧氏體在高溫(550℃附近)轉(zhuǎn)變?yōu)榍象w，另一部分奧氏體由于來不及轉(zhuǎn)變而保留馬氏體，因此，在最后得到的組織為屈氏體加馬氏體；V4、V5速度冷卻到室溫后，得到的組織是馬氏體(還有一部分殘余奧氏體)。圖圖2-4連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線V1V2V3V4V5MsA1時間/秒溫度/℃Mf2.2熱處理工藝分類金屬的熱處理工藝大體可分為整體熱處理、表面熱處理和化學熱處理三大類。本課題所采用的整體熱處理就是對工件整體加熱，然后以適當?shù)乃俣壤鋮s，獲得需要的金相組織，以改變其整體力學性能的金屬熱處理工藝。鋼鐵的整體熱處理大致有退火、正火、淬火和回火四種基本工藝[9]。2.2.1退火將鋼加熱到臨界點以上，保溫一定時間，然后緩慢冷卻，獲得接近平衡組織的一種熱處理工藝稱為退火。在實際生產(chǎn)中退火可分為兩大類，加熱溫度在A1以上的退火稱為“重結晶退火”；在A1溫度以下的退火稱為“低溫退火”。按退火后的冷卻方式可將退火分為連續(xù)冷卻退火和等溫退火。退火的目的在于降低硬度、改善切削加工性能，提高塑性，便于冷變形加工，消除組織缺陷，提高性能，消除淬火過熱組織，消除偏析，消除應力，穩(wěn)定尺寸，為最終熱處理做組織準備。2.2.2正火將鋼加熱到Ac3或Accm以上，保溫使之完全奧氏體化后，在空氣中冷卻的熱處理操作稱為正火。正火溫度的高低與鋼的碳質(zhì)量分數(shù)有關，高碳鋼加熱溫度為Accm+(30~50)℃；中碳鋼為Ac3+(50~100)℃；低碳鋼為Ac3+(100~150)℃。正火冷卻方式多采用空冷，對于大件也可采用吹風或噴霧冷卻。正火使用于碳質(zhì)量分數(shù)不同的碳鋼和低、中合金鋼，但不適用高合金鋼，因為高合金鋼過冷奧氏體十分穩(wěn)定，空冷就可得到馬氏體組織，不能得到珠光體。正火與退火的組織中都有片狀珠光體，但正火得到的是偽共析組織，其片間距更小，鋼的硬度、強度也更高。正火的主要作用和目的如下：(1)改善鋼的切削加工性能。(2)消除工件的熱加工缺陷。(3)消除過共析鋼的網(wǎng)狀滲碳體，便于球化退火。(4)代替調(diào)質(zhì)處理作為最終熱處理，提高加工效率。2.2.3淬火在機械制造中，多數(shù)零件都需要通過淬火與回火來獲得所要求的組織、性能，因此，常把淬火+回火稱為最終熱處理。淬火就是把鋼件加熱到Ac3或Ac1以上溫度，經(jīng)過保溫后迅速冷卻至室溫的熱處理工藝。淬火工藝涉及的問題比較復雜，應根據(jù)材料的化學成分、零件的形狀和尺寸等，并參照該材料的“C”曲線來制定合理的淬火工藝方案。淬火后鋼的組織通常是馬氏體與殘余奧氏體的混合組織，馬氏體和殘余奧氏體都是不穩(wěn)定的組織，在使用過程中會發(fā)生組織轉(zhuǎn)變，性能也會隨之發(fā)生轉(zhuǎn)變。因此，淬火后必須及時回火(表面淬火可以例外)，以消除內(nèi)應力、穩(wěn)定組織，獲得所需要的性能。(1)淬火的目的鋼的淬火包括兩種，一種是等溫淬火，目的是獲得下貝氏體；另一種是普通淬火，目的是獲得馬氏體。通常所提到的淬火是指普通淬火，淬火的目的是為了獲得馬氏體組織。有了這種組織之后，就可以利用回火來調(diào)整它的強度、硬度、塑性、韌性之間的關系，獲得所需要的性能。圖圖2-5鋼的理想淬火介質(zhì)冷卻曲線溫度(2)淬火工藝淬火質(zhì)量取決于淬火的三個要素，即加熱溫度、保溫時間和冷卻速度。①淬火加熱溫度淬火加熱溫度的選擇一般以得到均勻細小的奧氏體晶粒為原則。對于亞共析鋼采用完全奧氏體后淬火，淬火加熱溫度為Ac3+(30~50)℃，共析鋼或過共析鋼采用不完全奧氏體化后淬火，淬火加熱溫度為Ac1+(30~50)℃。對于含有碳化物形成元素的合金鋼，為加速奧氏體化過程，淬火溫度可適當提高點。②淬火加熱保溫時間保溫的目的是使工件燒透，組織轉(zhuǎn)變充分。保溫時間主要根據(jù)鋼的成分特點、加熱介質(zhì)和零件尺寸來確定。鋼的含碳量越高，含合金元素越多，導熱性就越差，因而保溫時間就越長。在箱式電阻爐中加熱，加熱介質(zhì)是熱空氣，加熱速度慢，保溫時間較長；而在鹽浴爐中加熱，加熱介質(zhì)是熔鹽，加熱速度快，保溫時間較短。零件的尺寸(厚度或直徑)越大，保溫時間越長。生產(chǎn)上通常根據(jù)經(jīng)驗公式來確定具體保溫時間。③淬火冷卻速度為了獲得馬氏體組織，工件在淬火冷卻介質(zhì)中的冷卻必須有足夠快的冷卻速度。實際冷卻速度V必須大于該鋼的臨界淬火冷卻速度Vc。但冷卻速度過大會導致工件淬火內(nèi)應力增大，容易導致工件的變形甚至開裂。(3)淬火介質(zhì)淬火介質(zhì)的冷卻能力決定了工件淬火時的冷卻速度。為減小淬火內(nèi)應力，防止工件淬火變形甚至開裂，在保證材料淬火中過冷奧氏體在鼻溫以上不發(fā)生其它組織轉(zhuǎn)變迅速冷卻至Ms溫度以下發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變的前提下，應選用冷卻能力弱的冷卻介質(zhì)。水、油、低溫鹽浴、堿浴和金屬浴等是常用的淬火冷卻介質(zhì)。油類淬火介質(zhì)的冷卻能力比水差，特別是在300~200℃范圍內(nèi)冷卻速度比水低的多，因而能減小工件的淬火應力，防止工件變形和開裂。常用油類淬火介質(zhì)作為臨界淬火冷卻速度較低的合金鋼和某些小型復雜碳素鋼件的淬火介質(zhì)。(4)常用的淬火方法常用的淬火方法有很多種，如單液淬火法(普通淬火法)，雙液淬火法，分級淬火法，等溫淬火法等。本課題采用單液淬火法，就是把工件加熱后在一種介質(zhì)中連續(xù)冷卻至室溫的淬火方法。操作簡單，應用較廣泛。其缺點是水淬淬火應力大，工件變形開裂傾向大；油淬淬透深度小。(5)鋼的淬透性鋼的淬透性是指鋼在淬火時獲得馬氏體的能力，其大小用一定條件下淬火獲得的淬透層深度表示。所獲得的淬透層深度越深，鋼的淬透性越好。其測定方法主要有臨界直徑法和末端淬火法[10]。(6)鋼的主要淬火缺陷①硬度過低或硬度不均主要原因可能是:淬火加熱溫度過低或保溫時間過短；淬火冷卻速度低或冷卻不均勻；淬火加熱時產(chǎn)生了較嚴重的氧化和脫碳。②硬度過高、脆性過大主要原因可能是淬火加熱溫度過高或保溫時間過長。③過熱或過燒當淬火加熱溫度過高，或保溫時間過長時會使奧氏體晶粒急劇長大，淬火后得到粗大的馬氏體組織，這一現(xiàn)象稱為過熱。如果繼續(xù)提高淬火加熱溫度，奧氏體晶界產(chǎn)生嚴重氧化或局部熔化，淬火后材料完全失去塑性，這種現(xiàn)象稱為過燒。產(chǎn)生過熱的工件可通過退火、正火或重新淬火來補救，但過燒的工件無法補救，只有報廢。因此，必須嚴格控制淬火加熱溫度及保溫時間。(7)變形與開裂變形與開裂都是由內(nèi)應力過大引起的，零件結構設計不當則更容易發(fā)生。產(chǎn)生過大的內(nèi)應力是由加熱或冷卻速度過大引起的，導熱性差的高合金鋼更容易產(chǎn)生。當內(nèi)應力超過鋼的屈服極限時會引起工件變形，超過鋼的強度極限時則導致工件開裂。為避免發(fā)生以上缺陷，必須嚴格控制淬火工藝參數(shù)，包括淬火加熱溫度、保溫時間，尤其是冷卻速度。2.2.4回火將淬火鋼重新加熱到A1點以下的某一溫度，保溫后，以適當方式冷卻到室溫的熱處理操作稱為“回火”?；鼗鹗卿摯慊鸷蟛豢苫蛉钡囊粋€重要工序，目的是減少或消除工件淬火時產(chǎn)生的內(nèi)應力，防止工件在使用過程中的變形和開裂；通過回火提高鋼的韌度，適當調(diào)整鋼的強度和硬度，使工件達到所要求的力學性能以滿足各種工件的需要；穩(wěn)定組織，使工件在使用過程中不發(fā)生組織轉(zhuǎn)變，從而保證工件的形狀和尺寸不變，保證工件的精度；改善加工性能。回火時，決定鋼的組織和性能的主要因素是回火溫度，按回火溫度的不同將回火分為低溫回火、中溫回火和高溫回火。(1)低溫回火低溫回火的溫度范圍是150~250℃，低溫回火的目的是降低應力，減少脆性和變形，回火后得到的組織是回火馬氏體，其性能是：具有高的硬度(55~64HRC)和高的耐磨性，以及一定的韌性。(2)中溫回火中溫回火的溫度范圍為350~500℃，中溫回火的目的是提高工件的沖擊韌度，使工件具有高彈性和屈服強度，回火后得到的組織是回火屈氏體，中溫回火后的硬度是35~45HRC。(3)高溫回火高溫回火的溫度范圍是500~650℃，習慣上將淬火加高溫回火稱為調(diào)質(zhì)處理，高溫回火后得到的組織是具有良好綜合力學性能的回火索氏體，使工件具有較低的硬度、強度和較高的塑性及韌度，高溫回火后的硬度一般為25~35HRC。淬火鋼在回火時，隨著回火溫度的升高，硬度降低，韌性升高，但是在許多鋼的回火溫度與沖擊韌性的關系曲線中出現(xiàn)了兩個低谷，一個在200~400℃之間，稱為第一類回火脆性；另一個在450~650℃之間，稱為第二類回火脆性。常見的回火缺陷有硬度過高或過低，硬度不均勻以及回火產(chǎn)生變形及脆性等。2.3熱處理缺陷及分析2.3.1熱處理缺陷及分類熱處理質(zhì)量直接影響各種機械產(chǎn)品的性能和使用安全，對開發(fā)新產(chǎn)品和提高產(chǎn)品競爭力有著重要作用。因此，減少和避免熱處理缺陷、提高熱處理質(zhì)量是機械行業(yè)關注的焦點之一，也是熱處理工作者的重要使命。熱處理缺陷包括熱處理生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的是零件失去使用價值或不符合技術條件要求的各種不足，以及會使熱處理以后的后序工序工藝性能變壞或降低使用性能的熱處理隱患。熱處理缺陷一般按缺陷性質(zhì)分類，主要包括熱處理裂紋、變形、殘留應力、組織不合格、性能不合格、脆性及其他缺陷七大類[11]。熱處理缺陷中最危險的是裂紋，一般稱之為第一類熱處理缺陷。熱處理裂紋主要是在淬火過程中產(chǎn)生的淬火裂紋；其次是由于加熱不當產(chǎn)生的各種加熱裂紋；還有淬火后各工序不當產(chǎn)生的延遲裂紋、冷處理裂紋、回火裂紋、時效裂紋、磨削裂紋和電鍍裂紋等[12]。熱處理裂紋屬于不可挽救的缺陷，一般只能將裂紋零件報廢處理。如果由于漏檢，將有裂紋的零件帶到使用中區(qū)，裂紋很容易擴展并引起突然斷裂，造成重大事故，所以熱處理生產(chǎn)中要特別注意設法避免產(chǎn)生裂紋，并嚴格檢查，防止漏檢。熱處理變形是最常見的熱處理缺陷，淬火變形占淬火缺陷的40%~50%，一般稱之為第二類熱處理缺陷。熱處理變形包括尺寸變形和形狀變形。由于熱處理過程中存在相變和熱應力，熱處理變形總是存在的，一定量的微小變形是允許的。雖然熱處理變形一般可用校正法修復，到耗時費工，經(jīng)濟損失嚴重，所以在熱處理生產(chǎn)中，要認真研究變形規(guī)律，盡量設法減少或避免變形。殘留應力、組織不合格、性能不合格、脆性及其他缺陷，從發(fā)生頻率及嚴重性來講，相對裂紋和變形，屬于第三位，一般統(tǒng)稱為第三類熱處理缺陷。2.3.2熱處理缺陷分析方法熱處理缺陷分析從斷口分析入手，輔以化學成分分析、金相分析、力學性能試驗、無損檢驗等檢驗方法，調(diào)差工藝過程，進行必要的驗證試驗，最后將各種分析、試驗結果及數(shù)據(jù)進行綜合分析，得出結論，并提出改進措施。斷口分析(1)斷口的宏觀觀察斷口的宏觀分析觀察是指用肉眼、放大鏡、光學顯微鏡及掃描電鏡的低倍觀察。(2)斷口的微觀觀察斷口的微觀觀察通常是應用電子顯微鏡?；瘜W分析化學分析包括常規(guī)的、局部的、表面的和微區(qū)的化學分析。金相檢驗金相檢驗的內(nèi)容主要有晶粒的大小、組織形態(tài)、第二相粒子的大小及分布、晶界的變化、夾雜物、疏松、裂紋、脫碳等缺陷。力學性能試驗力學性能試驗除了硬度試驗，有時還要進行靜拉伸、沖擊、疲勞、斷裂韌度及高溫性能等試驗。驗證試驗驗證試驗是對熱處理缺陷分析初步結果的考核和證明，再現(xiàn)熱處理缺陷。綜合分析對熱處理缺陷的各種檢查和試驗所獲得的結果及試驗數(shù)據(jù)進行全面分析，得出一種或幾種主要的原因，有時還要查閱相關文獻資料及同類實例報告，作為參考借鑒，最終確定結論，并提出改進措施。第3章試驗材料與試驗方法3.1試驗材料本試驗所用材料為2Cr13鋼和35CrMo鋼，2Cr13鋼為馬氏體不銹鋼，35CrMo鋼為合金鋼，均具有優(yōu)良的綜合機械性能[13]，試樣均為大慶油田所提供的標準試樣，化學成分見表3-1和表3-2。表3-12Cr13鋼化學成分(wt.%)CSiMnSPCrNi0.16~0.25≤1.00≤1.00≤0.030≤0.03512.00~14.00≤0.060表3-235CrMo鋼化學成分(wt.%)CSiMnSPCrNiCuMo0.32~0.400.17~0.370.40~0.70≤0.035≤0.0350.80~1.10≤0.030≤0.0300.15~0.253.2試驗目的研究不同的熱處理工藝對2Cr13鋼和35CrMo鋼顯微組織和機械性能的影響，通過性能測定和數(shù)據(jù)分析選出制作高壓錐閥閥芯的材料，根據(jù)實驗數(shù)據(jù)分析，從而選出合理的熱處理工藝。3.3試驗設備2Cr13鋼、35CrMo鋼試驗材料若干、金相砂紙4套、濾紙若干、箱式電阻爐，型號：SRJX-8-13，功率：8kW，爐膛體積：300mm×200mm×180mm。工作參數(shù)：電流I=28A，電壓V=150V。淬火用油、淬火鹽水、金相研磨拋光機、雙速預磨機、砂輪機、4%硝酸酒精溶液3.4檢測設備和儀器用HR-150A型手動洛氏硬度計測量熱處理之后的試樣硬度，其洛氏硬度值測量范圍：HRA:20~88、HRB:20~100、HRC:20~70。用XJG-05型顯微鏡進行試樣拋光后金相組織觀察；金相照片拍攝用Olympus顯微鏡。3.5試驗工藝方案研究退火溫度、淬火溫度、淬火介質(zhì)以及回火溫度對2Cr13鋼和35CrMo鋼微觀組織結構和機械性能的影響，選出符合高壓錐閥閥芯性能要求的材料，學習和掌握正交試驗，通過正交試驗法制定不同的熱處理參數(shù)，根據(jù)試驗數(shù)據(jù)分析，得出最優(yōu)熱處理參數(shù)。3.5.1正交試驗正交試驗設計是研究多因素多水平的又一種設計方法，它是根據(jù)正交性從全面試驗中挑選出部分有代表性的點進行試驗，這些有代表性的點具備了“均勻分散，齊整可比”的特點，正交試驗設計是分式析因設計的主要方法。是一種高效率、快速、經(jīng)濟的實驗設計方法。日本著名的統(tǒng)計學家田口玄一將正交試驗選擇的水平組合列成表格，稱為正交表。例如作一個三因素三水平的實驗，按全面實驗要求，須進行33=27種組合的實驗，且尚未考慮每一組合的重復數(shù)。若按L9(34)正交表安排實驗，只需作9次，按L18(34)正交表進行18次實驗，顯然大大減少了工作量。因而正交實驗設計在很多領域的研究中已經(jīng)得到廣泛應用。正交表是一整套規(guī)則的設計表格，用L為正交表的代號，n為試驗的次數(shù)，t為水平數(shù)，c為列數(shù)，也就是可能安排最多的因素個數(shù)。例如L9(34)，它表示需作9次實驗，最多可觀察4個因素，每個因素均為3水平。一個正交表中也可以各列的水平數(shù)不相等，我們稱它為混合型正交表，如L8(4×24)此表的5列中，有1列為4水平，4列為2水平。正交表的性質(zhì)(1)每一列中，不同的數(shù)字出現(xiàn)的次數(shù)相等。例如在兩水平正交表中，任何一列都有數(shù)碼“1”與“2”，且任何一列中它們出現(xiàn)的次數(shù)是相等的；如在三水平正交表中，任何一列都有“1”、“2”、“3”，且在任一列的出現(xiàn)數(shù)均相等。(2)任意兩列中數(shù)字的排列方式齊全而且均衡。例如在兩水平正交表中，任何兩列(同一橫行內(nèi))有序?qū)ψ庸灿?種：(1，1)、(1，2)、(2，1)、(2，2)。每種對數(shù)出現(xiàn)次數(shù)相等。在三水平情況下，任何兩列(同一橫行內(nèi))有序?qū)灿?種，1.1、1.2、1.3、2.1、2.2、2.3、3.1、3.2、3.3，且每對出現(xiàn)數(shù)也均相等。以上兩點充分的體現(xiàn)了正交表的兩大優(yōu)越性，即“均勻分散性，整齊可比”。通俗的說，每個因素的每個水平與另一個因素各水平各碰一次，這就是正交性。正交試驗設計的安排正交試驗設計的關鍵在與試驗因素的安排。通常，在不考慮交互作用的情況下，可以自由的將各個因素安排在正交表的各列，只要不在同一列安排兩個因素即可(否則會出現(xiàn)混雜)。但是當要考慮交互作用時，就會受到一定的限制，如果任意安排，將會導致交互效應與其它效應混雜的情況。因素所在列是隨意的，但是一旦安排完成，試驗方案即確定，之后的試驗以及后續(xù)分析將根據(jù)這以安排進行，不能再改變。正交試驗設計的極差分析在完成試驗收集完數(shù)據(jù)后，將要進行的是極差分析。極差分析就是在考慮A因素是，認為其它因素對結果的影響是均衡的，從而認為，A因素各水平的差異是由于A因素本身引起的。用極差法分析正交試驗結果引出以下幾個結論：(1)在試驗范圍內(nèi)，各列對試驗指標的影響從大到小的排隊。某列的極差最大，表示該列的數(shù)值在試驗范圍內(nèi)變化時，使試驗指標數(shù)值的變化最大。所以各列對試驗指標的影響從大到小的排隊，就是各列極差D的數(shù)值從大到小的排隊。(2)試驗指標隨各因素的變化趨勢。(3)使試驗指標最好的適宜的操作條件(適宜的因素水平搭配)。(4)對所得結論的進一步討論。較優(yōu)條件選擇各因素的好水平加在一起，是否就是較優(yōu)試驗條件呢？理論上，如果各因素都不受其它因素的水平變動影響的，那么，把各因素的優(yōu)水平簡單地組合起來就是較好試驗條件。但是，實際上選取較好生產(chǎn)條件時，還要考慮因素的主次，以便在同樣滿足指標要求的情況下，對于一些比較次要的因素按照優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、低消耗的原則選取水平，得到更為結合試驗實際要求的較好生產(chǎn)條件。以上介紹如何分析各因素水平的變動對指標的影響。討論A因素時，不管其它因素處在什么水平，只從A的極差就可判斷它所起作用的大小。對其它因素也作同樣的分析，在此基礎上選取諳因素的較優(yōu)水平。實踐中發(fā)現(xiàn)，有時不僅因素的水平變化對指標有影響，而且，有些因素間各水平的聯(lián)合指配對指標也產(chǎn)生影響，這種聯(lián)合搭配作用稱為交互作用。而交互作用應該在試驗設計時考慮到。正交試驗的分析方法(1)直接對比法直接對比法就是對試驗結果進行簡單的直接對比。直接對比法雖然對試驗結果給出了一定的說明，但是這個說明是定性的，而且不能肯定地告訴我們最佳的成分組合。顯然這種分析方法雖然簡單，但是不能令人滿意。(2)直觀分析法直觀分析法是通過對每一因素的平均極差來分析問題。所謂極差就是平均效果中最大值和最小值的差。有了極差，就可以找到影響指標的主要因素，并可以幫助我們找到最佳因素水平組合。正交試驗試驗設計的基本思路考慮進行一個三因素、每個因素有三個水平的試驗。如果作全面試驗，需作27次。若從27次試驗中選取一部分試驗，常將A和B分別固定在A1和B1水平上，與C的三個水平進行搭配，A1B1C1,A1B1C2,A1B1C3。作完這3次試驗后，若A1B1C3最優(yōu)，則取定C3這個水平，讓A1和C3固定，再分別與B因素的三個水平搭配，A1B1C3，A1B2C3，A1B3C3。這3次試驗作完以后，若A1B2C3最優(yōu)，取定B2，C3這兩個水平，再作兩次試驗A2B2C3，A3B2C3，然后與一起比較，若A3B2C3最優(yōu)，則可斷言A3B2C3是我們欲選取的最佳水平組合。這樣僅作了7次試驗就選出了最佳水平組合。圖3-1正交試驗設計示意圖若從27次試驗中選取一部分試驗，常將A和B分別固定在A1和B1水平上，與C的三個水平進行搭配，A1B1C1，A1B1C2，A1B1C3。作完這3次試驗后，若A1B1C3最優(yōu)，則取定C3這個水平，讓A1和C3固定，再分別與B因素的三個水平搭配，A1B1C3，A1B2C3，A1B3C3。這3次試驗作完以后，若A1B2C3最優(yōu)，取定B2，C3這兩個水平，再作兩次試驗A2B2C3，A3B2C3，然后與一起比較，若A3B2C3最優(yōu)，則可斷言A3B2C3是我們欲選取的最佳水平組合。這樣僅作了7次試驗就選出了最佳水平組合。我們發(fā)現(xiàn)，這些試驗結果都分布在立方體的一角，代表性較差，所以按上述方法選出的試驗水平組合并不是真正的最佳組合。如果進行正交試驗設計，利用正交表安排試驗，對于三因素三水平的試驗來說，需要作9次試驗，用“Δ”表示，標在圖中。如果每個平面都表示一個水平，共有九個平面，可以看到每個平面上都有三個“Δ”點，立方體的每條直線上都有一個“Δ”點，并且這些“Δ”點是均衡地分布著，因此這9次試驗的代表性很強，能較全面地反映出全面試驗的結果，這就是正交實驗設計所特有的均衡分散性。我們正是利用這一特性來合理的設計和安排試驗，以便通過盡可能少的試驗次數(shù)，找出最佳水平組合。正交試驗設計的過程(1)確定試驗因素及水平數(shù)；(2)選用合適的正交表；(3)列出試驗方案及試驗結果；(4)對正交試驗設計結果進行分析，包括極差分析和方差分析；(5)確定最優(yōu)或較優(yōu)因素水平組合。3.5.22Cr13鋼熱處理工藝(1)根據(jù)正交試驗法設計正交表格，正交表格見表3-3和表3-4。表3-3正交試驗因素水平表水平A（退火）B（淬火）C(回火)18359852002855101527538751045350表3-4正交試驗表試驗號ABC111121223133421252236231731383219332(2)退火選取9個試樣，根據(jù)正交試驗編號后進行退火處理，退火溫度設定在830~880℃之間，保溫一段時間后隨爐冷卻。(3)淬火將退火后的試樣按正交試驗進行淬火處理，淬火溫度設定在980~1050℃之間，由于工件尺寸較小，保溫10分鐘，隨后油淬。(4)回火將淬火后的試樣按正交試驗進行回火處理以消除組織應力，回火溫度設定在200~350℃之間，回火保溫時間為60分鐘。2Cr13鋼的熱處理工藝曲線如下圖所示：830~880830~880980~1050200~350℃/t溫度爐冷油淬101060時間r/min空冷圖3-22Cr13鋼熱處理工藝圖3.5.335CrMo鋼熱處理工藝(1)根據(jù)正交試驗法設計正交表格，正交表格見表3-5和表3-6。表3-5正交試驗因素水平表水平A（退火）B（淬火）C(回火)181583020028308602503845890300表3-6正交試驗表試驗號ABC111121223133421252236231731383219332(2)退火選取9個試樣根據(jù)正交試驗編號后進行退火處理，退火溫度設定在810~850℃之間，保溫一段時間后隨爐冷卻。(3)淬火將退火后的試樣按正交試驗進行淬火處理，淬火溫度設定在830~890℃之間，由于工件尺寸較小，保溫10分鐘，隨后油淬。(4)回火將淬火后的試樣按正交試驗進行回火處理以消除組織應力，回火溫度設定在200~300℃之間，回火保溫時間為60分鐘。35CrMo鋼的熱處理工藝曲線如下所示：810~850810~850830~890200~300℃/t溫度爐冷油淬1010時間r/min空冷60圖3-335CrMo熱處理工藝圖3.6試驗步驟1.利用正交試驗設計不同的熱處理工藝。2.對選取的2Cr13鋼和35CrMo鋼試樣進行編號。3.根據(jù)各個試驗的工藝方案調(diào)節(jié)好熱處理爐的實驗參數(shù)。4.把編號好的試樣根據(jù)試驗工藝方案進行熱處理。5.磨去熱處理完后試樣的表面氧化皮，然后在HRC150型硬度試驗機上測定硬度值并記錄，每個試樣測3次求平均值。6.首先在砂輪機上磨平試樣，然后在金相雙速預磨機上進行機械磨光，接著在金相砂紙上細磨試樣，再在拋光機上拋光試樣，以獲得光亮而無磨痕的鏡面，最后用4%硝酸酒精腐蝕試樣磨面，當腐蝕面顏色變灰變暗時，用水沖洗并擦干擦凈試樣磨面，在放大倍數(shù)為500倍的金相顯微鏡上觀察組織，并拍照。第4章試驗結果分析4.1機械性能分析4.1.1熱處理工藝對2Cr13鋼硬度的影響根據(jù)正交試驗分析退火、淬火和回火對2Cr13鋼硬度的變化規(guī)律，正交試驗設計及結果見表4-1和表4-2。表4-1正交試驗因素水平表水平A（退火）B（淬火）C(回火)18359852002855101527538751045350表4-2正交試驗表試驗號ABC硬度（HRC）111146212249313351421242522348623153731343832151933252均值148.743.750均值247.749.347.7均值348.75247.3極差18.32.7由正交試驗表分析可知，三個因素對2Cr13鋼硬度影響的大小順序為：淬火﹥回火﹥退火。退火的作用主要是修復組織缺陷和消除殘余應力，對2Cr13鋼的最終硬度影響較小，根據(jù)均值分析，A2B3C1(即試驗6)為最優(yōu)條件。根據(jù)試驗結果可知，6號試驗條件下的2Cr13鋼硬度最大，與正交試驗的結論相吻合。綜上所述，2Cr13鋼的最優(yōu)熱處理工藝為：在855℃退火，隨后在1045℃淬火，冷卻方式為油淬，最后在200℃進行低溫回火，保溫一小時。4.1.2熱處理工藝對35CrMo鋼硬度的影響根據(jù)正交試驗分析退火、淬火和回火對2Cr13鋼硬度的變化規(guī)律，正交試驗設計及結果見表4-3和表4-4。表4-3正交試驗因素水平表水平A（退火）B（淬火）C(回火)181583020028308602503845890300表4-4正交試驗表試驗號ABC硬度（HRC）111149212253313349421247522350623153731346832155933252均值150.347.352.3均值25052.750.7均值35151.348.3極差15.44由正交試驗表分析可知，三個因素對35CrMo鋼硬度影響的大小順序為：淬火＞回火＞退火。根據(jù)均值分析，A3B2C1(即試驗8)為最優(yōu)條件。根據(jù)試驗結果可知，8號試驗條件下的35CrMo鋼硬度最大，與正交試驗的結論相吻合。綜上所述，35CrMo鋼的最優(yōu)熱處理工藝為：在845℃退火，隨后在860℃淬火，冷卻方式為油淬，最后在200℃進行低溫回火，保溫一小時。在試驗中，2Cr13鋼的退火工藝是將溫度設定在Ac1和Ac3之間，35CrMo鋼的退火工藝是將溫度設定在Ac3之上，2Cr13鋼的Ac1為820℃，Ac3為950℃，35CrMo鋼Ac1為757℃，Ac3為807℃。退火狀態(tài)下2Cr13鋼的組織為富鉻的鐵素體和碳化物(M23C6)，基體中含鉻量較少，因此耐腐蝕性能降低；同時，由于退火組織中存在大量的碳化鉻，碳化鉻附近的基體處于貧鉻狀態(tài)，在腐蝕介質(zhì)中碳化物與周圍基體的電極電位不同，容易產(chǎn)生電化學腐蝕，會加速鋼的腐蝕[14]。從試驗數(shù)據(jù)可以看出，淬火溫度是影響材料最終硬度的關鍵因素，2Cr13鋼的最優(yōu)淬火溫度為1045℃，為了充分溶解2Cr13鋼退火狀態(tài)生成的碳化物，一般選用高溫淬火，否則鋼基體中的含鉻量進一步降低，使強度和沖擊韌性降低。但是淬火溫度過高，可能使該鋼過熱，導致沖擊韌性降低和對回火脆性的敏感性增加[15]。而35CrMo鋼的最優(yōu)淬火溫度為860℃，淬火后組織應為板條狀馬氏體，硬度值較大。由于高壓錐閥閥芯要求的硬度較高，一般在52HRC以上，所以本試驗中都是采用的低溫回火。2Cr13鋼和35CrMo鋼都屬于亞共析鋼，低溫回火后組織為回火馬氏體，低溫回火可以降低淬火應力，提高工件韌性，保證淬火后的高硬度。2Cr13鋼在低溫回火時,受合金元素擴散的限制,此時析出的是高鐵低鉻的滲碳體型碳化物(Fe，Cr)3C，變?yōu)榛鼗瘃R氏體[16]。析出碳化物量較小，大量的鉻仍保持在固溶體中。4.2金相組織顯微分析從上一節(jié)的試驗分析中我們得知，2Cr13鋼最優(yōu)熱處理工藝為：在855℃退火，隨后在1045℃淬火，冷卻方式為油淬，最后在200℃進行低溫回火，保溫一小時。而35CrMo鋼的最優(yōu)熱處理工藝為：在845℃退火，隨后在860℃淬火，冷卻方式為油淬，最后在200℃進行低溫回火，保溫一小時。下面分別做一下2Cr13鋼和35CrMo鋼在最優(yōu)熱處理過程下的金相圖，以進一步分析哪一種材料更能滿足高壓錐閥閥芯的性能要求。4.2.1退火狀態(tài)下金相組織觀察圖4-12Cr13鋼退火500×圖4-235CrMo鋼退火500×圖4-1為2Cr13鋼在855℃退火狀態(tài)下的金相顯微圖，2Cr13鋼的Ac1為820℃，Ac3為950℃，由于2Cr13鋼屬于亞共析鋼，所進行的退火工藝為不完全退火，溫度設定在Ac1和Ac3之間，從圖中可以看出金相組織為馬氏體型的鐵素體+球狀珠光體，晶界明顯，屬于正常退火組織。由于2Cr13含鉻量比較高，鐵素體為含鉻鐵素體，并且含有碳化物(M23C6)，基體中含鉻量較少，退火組織中存在大量的碳化鉻[17]。圖4-2為35CrMo鋼在845℃退火狀態(tài)下的金相顯微圖，35CrMo鋼的Ac1為757℃，Ac3為807℃，退火溫度選定在Ac3以上，所進行的是完全退火。從圖中可以看出其組織為鐵素體基體上分布著層片狀的珠光體(F+P)。其組織結構均勻。退火過程屬于預先熱處理，其目的是為了消除鑄件、鍛件的組織缺陷，使金屬內(nèi)部組織達到或接近平衡狀態(tài)，使工件獲得良好的工藝性能和使用性能，或者為進一步淬火作組織準備。淬火前的原始組織晶粒越細小，晶界面就越多，淬火加熱到Ac3以上時，組織奧氏體化，奧氏體形核率也就越高，即形成更多的奧氏體晶粒，從而在淬火形成的馬氏體等級也就更細小，這樣就會使工件的使用壽命和性能得到提高和改善。4.2.2淬火狀態(tài)下金相組織觀察圖4-32Cr13鋼淬火500×圖4-435CrMo鋼淬火500×圖4-3為2Cr13鋼在1045℃淬火狀態(tài)下的金相顯微圖，其組織為淬火馬氏體和碳化物，可以看出碳化物的直徑和數(shù)量都非常少。由于含有大量的淬火馬氏體，此時硬度值比較大，一般約為50HRC以上。碳化物多為M23C6，而M23C6碳化物中Cr含量一般在65%~70%，淬火后的鋼中未溶碳化物的含量越少，基體中溶解的碳和鉻的含量就越高，所以淬火鋼的硬度值就會越大。在此溫度下淬火時，碳化物的含量急劇減少，所以硬度急劇上升。圖4-4為35CrMo鋼在860℃淬火狀態(tài)下的金相顯微圖，其組織為淬火馬氏體，由板條馬氏體和極少部分殘余奧氏體組成，從圖中可以看出，板條馬氏體的亞結構主要是位錯，因而具有較高的硬度。其硬度值一般約為55HRC以上。4.2.3回火狀態(tài)下金相組織觀察圖4-52Cr13鋼回火500×圖4-635CrMo鋼回火500×