機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化論文GCr15軸承鋼電脈沖球化退火熱處理工藝參數(shù)的優(yōu)化

PAGEPAGE14本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）論文題目：GCr15軸承鋼電脈沖球化退火熱處理工藝參數(shù)的優(yōu)化GCr15bearingsteelballofelectricalpulseparametersofannealingheattreatmentprocessoptimization學(xué)生姓名：所在院系：機(jī)電學(xué)院所學(xué)專業(yè)：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化導(dǎo)師姓名：完成時(shí)間：

GCr15軸承鋼電脈沖球化退火熱處理工藝參數(shù)的優(yōu)化摘要GCrl5鋼是工業(yè)生產(chǎn)中廣泛使用的一種滾動(dòng)軸承鋼鋼，為提高軸承鋼的使用壽命，改善組織性能，一直是工作者關(guān)注的問(wèn)題。而鍛扎狀態(tài)的GCrl5滾動(dòng)軸承鋼原始組織中碳化物的形態(tài)，尺寸和分布，對(duì)軸承鋼使用壽命的提高至關(guān)重要。在工業(yè)生產(chǎn)中一般通過(guò)傳統(tǒng)普通等溫球化退火處理工藝，使GCrl5滾動(dòng)軸承鋼組織中碳化物以細(xì)小顆粒狀、彌散分布在基體中。但傳統(tǒng)的普通等溫球化退火工藝，由于加熱溫度高、保溫時(shí)間長(zhǎng)(既13h左右)或工藝復(fù)雜，使等溫球化退火工藝過(guò)程的效率顯著下降。因此我們尋找了一種加快碳化物球化速度，提高等溫球化退火工藝效率的新方法，探討了一種在脈沖電場(chǎng)作用下對(duì)GCrl5滾動(dòng)軸承鋼球化退火的新工藝。關(guān)鍵詞：正交試驗(yàn)法，電脈沖處理，GCr15鋼，球化退火GCr15bearingsteelballofelectricalpulseparametersofannealingheattreatmentprocessoptimizationAbstractGCrl5steeliswidelyusedinindustrialproductioninasteelrollingbearingsteel,bearingsteeltoimprovetheservicelifeandimproveorganizationalperformance,hasbeenaconcernoftheworkers.ThestatebarGCrl5Forgedsteelrollingbearingcarbideoriginalformoforganization,sizeanddistribution,toincreasetheservicelifeofbearingsteelisessential.Industrialproductioningeneralthroughtraditionalordinaryspheroidizingisothermalprocess,sothatrollingbearingsteelGCrl5organizationstosmallgranularcarbide,dispersedinthematrix.However,thetraditionalballofordinaryisothermalannealingprocess,duetothehighheatingtemperature,holdingtimelonger(botharound13h)orthecomplextechnology,sothattheballoftheisothermalannealingprocessefficiencydecreasedsignificantly.Therefore,wefindakindofspeedinguptherateofcarbideballandimproveballisothermalannealingprocessandtheefficiencyofthenewmethods,discussestheroleofapulsedelectricfieldofrollingbearingsteelballGCrl5underthenewprocessofannealing.Keywords：Orthogonaltest,Electropulsing,GCr15steel,Spheroidizingannealing目錄1緒論 12試驗(yàn)準(zhǔn)備 12.1試驗(yàn)儀器及介紹 12.1.1制作高溫箱式電阻爐的爐門 22.2實(shí)驗(yàn)?zāi)康?23試驗(yàn)原理 23.1退火工藝 23.2球化退火 33.3電脈沖原理 33.4實(shí)驗(yàn)材料 43.5試驗(yàn)過(guò)程 44實(shí)驗(yàn)方案 64.1正交實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表 64.2正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)步驟 74.3測(cè)洛氏硬度（HRC）并轉(zhuǎn)換為布氏硬度 85正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析 95.1方差分析法 95.2最佳水平 145.2.1各因素水平效應(yīng) 145.2.2最佳水平的選取 156金相顯微試樣的制備 156.1侵蝕 156.2金相試樣制備 167結(jié)論 16致謝 18主要參考文獻(xiàn)與資料 19PAGE11緒論GCr15鋼是工業(yè)生產(chǎn)中廣泛使用的鉻系滾動(dòng)軸承鋼，GCr15鋼是一種合金含量較少、具有良好性能、應(yīng)用最廣泛的高碳鉻軸承鋼。經(jīng)過(guò)淬火加回火后具有高而均勻的硬度、良好的耐磨性、高的接觸疲勞性能。該鋼冷加工塑性中等，切削性能一般，焊接性能差，對(duì)形成白點(diǎn)敏感性能大，有回火脆性。軸承鋼是主要用來(lái)制造滾動(dòng)軸承的零件。如滾珠、滾柱和軸承套圈等。它們?cè)诠ぷ鲿r(shí)承受著高的集中交變載荷，由于滾珠與軸承套圈之間的接觸面積小，在高速轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)還有滑動(dòng)，會(huì)產(chǎn)生很大的摩擦。因此滾動(dòng)軸承鋼應(yīng)具有高的硬度、耐磨性和疲勞強(qiáng)度，對(duì)鋼的金相組織、化學(xué)成分要求是十分嚴(yán)格的，否則會(huì)顯著縮短軸承的使用壽命。如何提高GCr15軸承鋼的使用壽命，改善組織性能，一直都是材料工作者密切關(guān)注的問(wèn)題。而鍛軋狀態(tài)下的GCr15滾動(dòng)軸承鋼原始組織中的碳化物的形態(tài)、分布、尺寸，對(duì)GCr15滾動(dòng)軸承鋼的使用壽命起著至關(guān)重要的決定性因素。在一般工業(yè)生產(chǎn)中，通過(guò)傳統(tǒng)常規(guī)等溫球化退火處理工藝，使GCr15滾動(dòng)軸承鋼組織中的碳化物以細(xì)小顆粒狀、球狀，彌散的分布在基體中。但是由于傳統(tǒng)常規(guī)等溫球化退火處理工藝加熱溫度高、保溫時(shí)間長(zhǎng)且工藝流程比較復(fù)雜，使得傳統(tǒng)常規(guī)等溫球化退火處理工藝處理效率低，不利于大規(guī)模的現(xiàn)代化生產(chǎn)。因此，尋找一種加快碳化物球化速度、提高球化退火效率的新方法是解決當(dāng)前生產(chǎn)茅盾的前提因素?，F(xiàn)在我們發(fā)現(xiàn)了通過(guò)電脈沖場(chǎng)作用，可以顯著提高球化退火工藝的效率，來(lái)探討一下脈沖電場(chǎng)對(duì)于GCr15滾動(dòng)軸承鋼球化退火的新工藝。2試驗(yàn)準(zhǔn)備2.1試驗(yàn)儀器及介紹脈沖電場(chǎng)發(fā)生器一臺(tái)功率放大器（2kw）一臺(tái)SXZ—2.5—12高溫箱式電阻爐一臺(tái)HR—150D型洛氏硬度計(jì)一臺(tái)材料預(yù)磨機(jī)一臺(tái)材料拋光機(jī)一臺(tái)電子光學(xué)顯微鏡一臺(tái)高溫箱式電阻爐的爐門一個(gè)2.1.1制作高溫箱式電阻爐的爐門由于原有爐門的保溫性不太好，所以在這次畢業(yè)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)中，我們需要自己制作一個(gè)比較保溫的爐門，具體的步驟是這樣的，我先把爐門的具體尺寸測(cè)量出來(lái)，然后按尺寸進(jìn)行裁剪。由于實(shí)驗(yàn)中要用到兩個(gè)SXZ—25—12高溫箱式電阻爐，所以必須做出兩個(gè)完全配合的爐門，所用的材料是石棉和海綿墊子，石棉中含有玻璃絲，不小心弄到身上會(huì)很難受的，這是必須注意的。2.2實(shí)驗(yàn)?zāi)康耐嘶馃崽幚砭哂屑?xì)化晶粒、均勻組織，降低鋼的硬度，提高塑性，又能為最終熱處理做好組織上的準(zhǔn)備。通過(guò)球化退火處理使Cr15滾動(dòng)軸承鋼鋼組織中的碳化物以細(xì)小、球狀的形態(tài)彌散分布在基體中。但由于傳統(tǒng)常使用的諸如普通球化退火、等溫球化退火等方法，存在著生產(chǎn)周期長(zhǎng)、加熱溫度高、保溫時(shí)間長(zhǎng)等問(wèn)題，目前對(duì)滾動(dòng)軸承鋼的預(yù)處理是鍛后球化退火,采用這種常規(guī)退火處理工藝,不但周期長(zhǎng),耗能多,效率低,而且很難得到小粒度、分布均勻的碳化物組織，很難達(dá)到理想的使用性能要求，往往給經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)帶來(lái)一定的影響。因此采用一種加快碳化物球化速度，提高球化退火工藝效率的新方法，探討一種在脈沖電場(chǎng)作用下對(duì)Cr15滾動(dòng)軸承鋼球化退化的新工藝，本次畢業(yè)設(shè)計(jì)主要是利用科研工作者對(duì)Cr15滾動(dòng)軸承鋼球化退火實(shí)驗(yàn)的最優(yōu)結(jié)果，與本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的正交實(shí)驗(yàn)—起探討不同方式脈沖球化退火的Cr15滾動(dòng)軸承鋼組織和性能分析的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較和分析，得出最優(yōu)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。3試驗(yàn)原理3.1退火工藝退火是應(yīng)用非常廣泛的一種熱處理。在機(jī)器零件或工模具等工件的加工制造過(guò)程中，退火經(jīng)常作為預(yù)先熱處理工序，安排在鑄造或鍛造之后、切削（粗）加工之前，用以消除單一工序所帶來(lái)的某些缺陷，為接下來(lái)的工序作準(zhǔn)備。例如在鑄造或鍛造等熱加工以后，鋼件中不但存在殘余應(yīng)力，而且組織粗大不均勻，成份也有偏析。這樣的鋼件，機(jī)械性能低劣，淬火時(shí)也容易造成變形或開裂。經(jīng)過(guò)適當(dāng)退火可使鋼件的組織細(xì)化，成份均勻，應(yīng)力消除，從而改善機(jī)械性能并為以后的淬火作好準(zhǔn)備。同時(shí)經(jīng)過(guò)退火后還可以使鋼件硬度達(dá)到170～250HBS左右，而且比較均勻，從而改善了鋼件的切削性能。根據(jù)鋼的成份和工藝目的不同，退火操作可分為完全退火、等溫退火、球化退火和去應(yīng)力退火等。3.2球化退火球化退火是使鋼中的碳化物球化，獲得粒狀珠光體的一種熱處理工藝。球化退火主要應(yīng)用于過(guò)共析碳鋼及合金工具鋼（如制造刀具、量具、冷模具用鋼等），一般情況下過(guò)共析鋼的組織為層片狀的珠光體秘網(wǎng)狀的二次滲碳體組成，不僅珠光體本身較硬，而且由于網(wǎng)狀滲碳體的存在，更增加了鋼的硬度和脆性。這不僅給切削帶來(lái)困難，而且還會(huì)引起淬火時(shí)產(chǎn)生變形和開裂。為克服這一點(diǎn)，在熱加工之后必須安排一道球化退火工序，使網(wǎng)狀二次滲碳體及珠光體中的層片狀滲碳體都發(fā)生球化，變成球狀（粒狀）的滲碳體，即“球化體”。其主要目的是為了降低硬度，改善切削加工性，細(xì)化均勻組織提高材料的力學(xué)性能，并為以后的淬火熱處理做好準(zhǔn)備。球化退火是應(yīng)用于過(guò)共析鋼及合金工具鋼的一種退火方法。將鋼加熱Ac1(20～30℃)然后緩冷下來(lái)。隨爐冷卻到略低于Ar1(20～40℃)的溫度進(jìn)行等溫，等溫時(shí)間為其加熱保溫時(shí)間的1.5倍。等溫后隨爐冷至500℃左右出爐空冷。和普通球化退火相比，球化退火目的在于使珠光體內(nèi)的片狀滲碳體以及先共析滲碳體都變?yōu)榍蛄?，均勻分布于鐵素體基體中(這種組織稱為球化珠光體)。球化退火是與普通球化退火工藝同樣的加熱保溫后，不僅可縮短周期，而且可使球化組織均勻，并能嚴(yán)格地控制退火后的硬度，改善切削加工性能，獲得均勻的組織，為淬火做組織準(zhǔn)備，經(jīng)最終熱處理獲得良好的綜合機(jī)械性能。共析鋼、過(guò)共析鋼的鍛件，鍛后的組織一般為細(xì)片狀珠光體，如果鍛后冷卻不當(dāng)，還會(huì)出現(xiàn)網(wǎng)狀碳化物，不僅硬度高，難以切削加工，而且增加了鋼的脆性，淬火容易過(guò)熱，產(chǎn)生變形和開裂，通過(guò)球化退火，使碳化物發(fā)生球化，獲得粒狀珠光體，具有良好的切削加工性能，而且減少淬火加熱時(shí)的過(guò)熱敏感性及變形開裂的傾向性。經(jīng)過(guò)淬火、回火后，使鋼得到回火馬氏體和粒狀碳化物組織，這種組織與片狀珠光體最終熱處理獲得的組織相比，在強(qiáng)度、硬度相同的條件下，塑性和韌性較高，且具有較高的接觸疲勞強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度。3.3電脈沖原理利用LC振蕩電路原理，先用高壓電源對(duì)一組電容器進(jìn)行充電，將電容器與一個(gè)電感線圈及處理室的電極相連，電容器放電時(shí)產(chǎn)生的高頻指數(shù)脈沖衰減波即加在兩個(gè)電極上形成高壓脈沖電場(chǎng)。按最簡(jiǎn)單的理解來(lái)說(shuō)就是利用特定的高頻高壓變壓器得到持續(xù)的高壓脈沖電場(chǎng)。3.4實(shí)驗(yàn)材料試驗(yàn)中采用的材料為直徑ψ12mm×100mm鍛軋后的GCr15滾動(dòng)軸承鋼小軸的半成品坯料。質(zhì)量為0.11kg/每根。其化學(xué)成分如表1所示。表1GCr15滾動(dòng)軸承鋼化學(xué)成分材料C%Si%Mn%Cr%P%S%GCr150.95~1.050.15~0.350.25~0.451.40~1.650.0250.025根據(jù)老師的指導(dǎo)和自己認(rèn)真的查找資料，統(tǒng)計(jì)資料表明，因選材和熱處理工藝不當(dāng)，造成模具早期失效的情況約占失效總數(shù)的70%。因此，合理選材，正確制訂熱處理工藝，對(duì)于延長(zhǎng)軸承使用壽命起著關(guān)鍵作用。綜合考慮材料來(lái)源、價(jià)格等因素，國(guó)內(nèi)常用Cr15系列鋼制作為常用冷作滾動(dòng)軸承鋼。最終在導(dǎo)師的審核通過(guò)的情況下，選用的試驗(yàn)材料是常用滾動(dòng)軸承鋼中的Cr15。GCr15鋼是一種合金含量較少、具有良好性能、應(yīng)用最廣泛的高碳鉻軸承鋼。經(jīng)過(guò)淬火加回火后具有高而均勻的硬度、良好的耐磨性、高的接觸疲勞性能。該鋼冷加工塑性中等，切削性能一般，焊接性能差，對(duì)形成白點(diǎn)敏感性能大，有回火脆性。通過(guò)資料查出Cr15滾動(dòng)軸承鋼的臨界溫度Ac1（鋼在加熱時(shí)珠光體向奧氏體轉(zhuǎn)變的實(shí)際溫度線）的溫度是745℃，等溫溫度是700℃。Cr15滾動(dòng)軸承鋼的臨界溫度表2。表2Cr15滾動(dòng)軸承鋼的臨界溫度臨界點(diǎn)Ac1AcmAr1Arcm溫度（近似∕℃）745--700Ac1（鋼加熱開始形成奧氏體的溫度）Accm（過(guò)共析鋼加熱時(shí)所有滲碳體或碳化物完全溶于奧氏體的溫度）Ar1（鋼高溫奧氏體化后冷卻時(shí)，奧氏體分解為鐵素體和珠光體的溫度）Arcm（過(guò)共析鋼高溫奧氏體化后冷卻時(shí)，滲碳體或碳化物開始析出的溫度）3.5試驗(yàn)過(guò)程將長(zhǎng)200mm的GCr15毛坯試樣用切割機(jī)分割為20×100mm的小試件。將試樣上的氧化皮用砂輪打磨機(jī)打掉，保證試驗(yàn)精度。將細(xì)鐵絲裁好長(zhǎng)度（長(zhǎng)度以試樣進(jìn)入2/3的爐腔到連接導(dǎo)線處即可，可以適當(dāng)增加長(zhǎng)度，在試樣取出后可以方便裁剪細(xì)鐵絲的長(zhǎng)度便于試驗(yàn)的進(jìn)行。建議裁剪成四段等長(zhǎng)，以簡(jiǎn)化試驗(yàn)操作過(guò)程。）用虎鉗將細(xì)鐵絲綁在已經(jīng)分割好的試樣的兩端（盡量靠近試樣的兩端邊緣以及要求綁緊以利于電脈沖過(guò)程的成功完成。）再將準(zhǔn)備好的第二組細(xì)鐵絲用相同的方法綁在第二根試樣上。到此，試樣的準(zhǔn)備已經(jīng)完成，下面準(zhǔn)備儀器。將2kw的功率放大器放到已經(jīng)準(zhǔn)備好的凳子一上，將脈沖發(fā)生器放在準(zhǔn)備好的凳子二上。在2kw的功率放大器上用膠帶固定好電流計(jì)。將脈沖信號(hào)發(fā)生器的輸出端子接在2kw功率放大器的輸入端口上，保證接觸牢固可靠。用導(dǎo)線連接電流計(jì)的兩個(gè)端口，保證接觸牢固可靠。將三個(gè)電阻絲并聯(lián)在一起，連接時(shí)保證接觸牢固可靠。將水盆接上水，把接好的電阻絲組放到水盆里。（這個(gè)步驟主要是利于電阻絲組的散熱）用導(dǎo)線將電流計(jì)的一端將2kw功率放大器的一個(gè)輸出口串聯(lián)，在串聯(lián)上已經(jīng)并聯(lián)好的電阻絲組。將電流計(jì)的另一端用導(dǎo)線接好，在接線過(guò)程中要保證導(dǎo)線的連接牢固可靠。到此，試驗(yàn)設(shè)備也準(zhǔn)備完畢。此時(shí)，只要將連接放入爐腔內(nèi)部三分之一的試樣伸出來(lái)的細(xì)鐵絲分別與電阻絲組的未接導(dǎo)線以及電流計(jì)的未接導(dǎo)線接好，并且接通電源，設(shè)置好參數(shù)，試驗(yàn)即可進(jìn)行。自制爐門主要用于方便取樣。隔熱板主要用于在試樣空冷時(shí)起到隔熱防燙傷防熱破壞以及熱隔絕的作用。以后實(shí)驗(yàn)的每個(gè)試樣的導(dǎo)線以及細(xì)鐵絲的連接方法與這個(gè)試樣的連接方法雷同。具體接線方法詳見(jiàn)圖1脈沖電場(chǎng)球化退火熱處理試驗(yàn)示意圖。箱式電阻爐箱式電阻爐脈沖發(fā)生器功率放大器電流計(jì)電阻絲組圖1脈沖電場(chǎng)球化退火熱處理實(shí)驗(yàn)示意圖本次試驗(yàn)采用正交試驗(yàn)法進(jìn)行試驗(yàn)。主要對(duì)16根試樣應(yīng)用電脈沖新工藝方法進(jìn)行處理?，F(xiàn)在以試樣一，編號(hào)：1為例作為介紹。按照之前介紹的接線方法將試樣用火鉗放置入箱式電阻爐的三分之二的爐腔位置。用虎鉗夾持自制爐門封堵?tīng)t口。接通箱式電阻爐的電源按照試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案將溫度設(shè)定到740℃，當(dāng)溫度達(dá)到后打開脈沖信號(hào)發(fā)生器電源設(shè)定好脈沖頻率為50Hz，正弦信號(hào)輸出，再將2kw功率放大器電源打開，調(diào)節(jié)旋鈕觀察電流計(jì)指數(shù)到達(dá)5A，打開計(jì)時(shí)器設(shè)定好脈沖時(shí)間5min。時(shí)間到達(dá)后，關(guān)閉2kw功率放大器電源，關(guān)閉脈沖信號(hào)發(fā)生器電源。打開計(jì)時(shí)器，設(shè)定好保溫時(shí)間為30min。當(dāng)時(shí)間到達(dá)后，將箱式電阻爐溫度設(shè)置到700℃，在此期間，屬于爐內(nèi)冷卻階段。當(dāng)達(dá)到700℃后，打開計(jì)時(shí)器，設(shè)置好保溫時(shí)間為30min，當(dāng)保溫時(shí)間到達(dá)后，關(guān)閉電阻爐電源，觀察溫度計(jì)溫度，到達(dá)500℃。在此期間為爐內(nèi)冷卻。觀察溫度計(jì)到達(dá)500℃后，用虎鉗夾持自制爐門，打開爐門，將自制爐門放置到隔熱板上，用火鉗夾持試樣并取出試樣放置到隔熱板上。待冷卻后用虎鉗將細(xì)鐵絲在接頭處剪斷，用虎鉗輕敲斷口處氧化皮，直至氧化皮脫落。將細(xì)鐵絲與導(dǎo)線接觸處解開。待冷卻后用紙條及膠帶對(duì)試樣做好標(biāo)記。其他試樣的實(shí)驗(yàn)方法同上。就不列舉了。其基本方法可有圖2闡明。棒料放入爐中棒料放入爐中加熱至試驗(yàn)溫度脈沖以及保溫爐冷至700℃脈沖及保溫爐冷至500℃出爐空冷磨平拋光測(cè)HRC觀察金相圖2工藝處理基本流程圖4實(shí)驗(yàn)方案4.1正交實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表在生產(chǎn)和科研中，為了研制新產(chǎn)品和改革生產(chǎn)工藝，尋找新的，優(yōu)良的生條件，需要做許多因素的試驗(yàn)。有時(shí)候當(dāng)所有的因素都估的話試驗(yàn)次數(shù)非常的多。在方差分析中，對(duì)各個(gè)因素的每一個(gè)水平都要進(jìn)行試驗(yàn)，這稱為全面設(shè)計(jì)試驗(yàn)。全面設(shè)計(jì)試驗(yàn)的試驗(yàn)次數(shù)太多，為了改變這種繁鎖，找出能夠大幅度減少試驗(yàn)次數(shù)而且不會(huì)降低試驗(yàn)的可行度的方法，人們從這一思想出發(fā)，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的深入的研究，提出了不需要全面試驗(yàn)的試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法—正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)或正交試驗(yàn)法。正交試驗(yàn)法在西方發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用，對(duì)促進(jìn)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展起到很大的作用。在我國(guó)，正交試驗(yàn)法的理論研究工作已經(jīng)有了很大的程度的進(jìn)展，在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中也正在被廣泛的推廣和應(yīng)用，讓這種科學(xué)的方法能夠?qū)?jīng)濟(jì)發(fā)展有很好的幫助。正交試驗(yàn)法就是利用排列整齊的表—正交表來(lái)對(duì)試驗(yàn)進(jìn)行整體設(shè)計(jì)，綜合比較，統(tǒng)計(jì)分析，實(shí)現(xiàn)通過(guò)少數(shù)的試驗(yàn)次數(shù)找到較好的生產(chǎn)條件，以達(dá)到最高生產(chǎn)工藝效果和工藝效率。正交表能夠在因素變化范圍內(nèi)均衡抽樣，使每次試驗(yàn)都具有較強(qiáng)的代表性，由于正交表具備均衡分散的特點(diǎn)，保證了全面試驗(yàn)的某些要求，這些試驗(yàn)?zāi)軌蜉^好的達(dá)到試驗(yàn)的目的。正交表的記號(hào)為L(zhǎng)n（rm）其中m是正交表的列數(shù)，n是正交表的行數(shù)，r是因子的水平數(shù)。對(duì)于所列的一個(gè)正交表其中出現(xiàn)的水平因子數(shù)，都有以下兩個(gè)特點(diǎn)；每一列中，各種數(shù)字出現(xiàn)的次數(shù)是相等的；任何兩列中，各種數(shù)字的兩兩組合出現(xiàn)的次數(shù)是相等的；凡是具備以上兩個(gè)特點(diǎn)的因子水平數(shù)字表，就稱為正交表。正交表一般分為兩部分：一是如何安排試驗(yàn)；二是怎樣分析試驗(yàn)結(jié)果。在實(shí)際問(wèn)題中，一個(gè)隨機(jī)變量的取值，往往可能與多外因素有關(guān)。例如，農(nóng)作物的產(chǎn)量，可能與農(nóng)作物的品種有關(guān)，還可能與施肥的量的多少有關(guān)，可能與土壤有關(guān)，等等。又例如，化工產(chǎn)品的收得率，可能與原料配方有關(guān)，可能與崔化劑的用量有關(guān)，可能與反應(yīng)溫度有關(guān)，可還能與反應(yīng)容器中的壓力有關(guān)，等等。由于因素很多，自然就會(huì)產(chǎn)生這樣的問(wèn)題：這些因素，對(duì)于隨機(jī)變量的取值，是否都有顯著的影響作用？如果不是所有的因素都有顯著的作用，那么，哪些因素的作用顯著？哪些因素的作用不顯著？還有，這些因素的作用，是簡(jiǎn)單地疊加在一起的呢？還是以更復(fù)雜的形式交錯(cuò)在一起的？以上這些問(wèn)題，都需要我們從試驗(yàn)數(shù)據(jù)出發(fā)，來(lái)加以判斷、分析，做出結(jié)論。方差分析就是一種能夠解決這類問(wèn)題的有效的統(tǒng)計(jì)方法。在方差分析中，將可能與某個(gè)隨機(jī)變量的取值有關(guān)的因素，稱為因子，通常用A，B，…來(lái)表示。各個(gè)因子所取的各種不同的狀態(tài)，稱為水平，用A1，A2，…B1，B2…來(lái)表示。4.2正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)步驟正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的主要步驟如下：選擇正交表Ln（rm）。設(shè)計(jì)表頭。按照設(shè)計(jì)做試驗(yàn)，取得試驗(yàn)觀測(cè)值。在正交表的每一列中，求出各水平對(duì)應(yīng)的均值，以及這一列的平方和和相關(guān)值。列方差分析表，作顯著性檢驗(yàn)。尋找最優(yōu)組合。這次試驗(yàn)主要考查加熱溫度A（/℃）、保溫時(shí)間B（/h）、脈沖時(shí)間C(/min)、和等溫保溫時(shí)間D(/h)四項(xiàng)因素對(duì)Cr15退火后組織性能的影響程度。根據(jù)試驗(yàn)要求，列出正交試驗(yàn)因素表(采用4因素4水平)，見(jiàn)表3.表3Cr15鋼正交試驗(yàn)因素表水平號(hào)因素加熱溫度A（/℃）保溫時(shí)間B（/h）脈沖時(shí)間C(/min)等溫保溫時(shí)間D(/h)17400.550.52760110137801.5151.548002202表4正交試驗(yàn)表因素試驗(yàn)號(hào)加熱溫度A（/℃）保溫時(shí)間B（/h）脈沖時(shí)間C(/min)等溫保溫時(shí)間D(/h)1A1B1C1D111112A1B2C2D212223A1B3C3D313334A1B4C4D1414445A2B1C2D321236A2B2C1D422147A2B3C4D123418A2B4C3D224329A1B1C1D1313410A3B2C4D3324311A3B3C1D2331212A3B4C2D1342113A4B1C4D2414214A4B2C3D1423115A4B3C2D4432416A4B4C1D344134.3測(cè)洛氏硬度（HRC）并轉(zhuǎn)換為布氏硬度對(duì)十六根已經(jīng)經(jīng)過(guò)熱處理的試樣表面用砂紙打磨，是表面氧化皮脫落，利于測(cè)量硬度值的準(zhǔn)確性的提高。測(cè)量方法為進(jìn)行三塊的多次測(cè)量求平均值。所謂三塊是指試樣的兩端以及中間部分。詳見(jiàn)圖3所示。被測(cè)區(qū)域一被測(cè)區(qū)域一被測(cè)區(qū)域二被測(cè)區(qū)域三圖3被測(cè)區(qū)域指示圖試驗(yàn)編號(hào)試驗(yàn)代號(hào)加熱溫度℃保溫時(shí)間h脈沖時(shí)間min等溫保溫h 平均硬度值HRC布氏硬度值HBS1A1B1C1D17400.550.517Y1=2122A1B2C2D2740110116Y2=2083A1B3C3D37401.5151.516Y3=2084A1B4C44=2045A2B1C2D37600.5101.517.75Y5=2156A2B2C1D476015216Y6=2087A2B3C4D17601.5200.514Y7=2008A2B4C3D2760215116.5Y8=2109A3B1C3D47800.515217.75Y9=21510A3B2C4D37801201.519.5Y10=22211A3B3C1D27801.55118.5Y11=21812A3B4C2D17802100.517.75Y12=21513A4B1C4D28000.520118.8Y13=21814A4B2C3D18001150.518.5Y14=21815A4B3C2D48001.510217.75Y15=21516A4B4C1D3800251.518.5Y16=218表5試驗(yàn)條件及其結(jié)果試驗(yàn)條件及布氏硬度結(jié)果顯示如表5所示。5正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析5.1方差分析法計(jì)算A因素4水平的試驗(yàn)指標(biāo)之和與相應(yīng)平均值。K1A=212+208+208+204=832計(jì)算B因素4水平的試驗(yàn)指標(biāo)之和與相應(yīng)平均值。計(jì)算C因素4水平的試驗(yàn)指標(biāo)之和與相應(yīng)平均值。計(jì)算D因素4水平的試驗(yàn)指標(biāo)之和與相應(yīng)平均值。16次實(shí)驗(yàn)硬度平均值總偏差平方和總偏差平方和反映了試驗(yàn)結(jié)果總偏差程度，其產(chǎn)生來(lái)源有兩個(gè)方面：一方面是由于每次實(shí)驗(yàn)中各因素的水平搭配不同而引起；另一方面是由于存在試驗(yàn)誤差。它是由各個(gè)數(shù)據(jù)與平均值之差的平方和來(lái)估計(jì)。該平方和稱為總偏差平方和。因數(shù)偏差平方和由于因數(shù)水平變化而引起的數(shù)據(jù)偏差量稱為因素的偏差平方和。因素A的偏差平方和因素B的偏差平方和因素C的偏差平方和因素D的偏差平方和誤差平方和任何實(shí)驗(yàn)都是存在誤差的.誤差的來(lái)源包括人為操作誤差、實(shí)驗(yàn)儀器本身的誤差、正交表的安排等，當(dāng)誤差比較大或我們對(duì)實(shí)驗(yàn)精度要求較高時(shí)必須對(duì)誤差做出恰當(dāng)?shù)姆治?，以保證實(shí)驗(yàn)的可靠性。一般用各實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與平均值的偏差來(lái)近似地估計(jì)計(jì)算，為消除各偏差值的正、負(fù)相互抵消，而將偏差平方后在相加。所的得到的和就是誤差平方和?？傋杂啥萵為總試驗(yàn)次數(shù)因數(shù)自由度m為水平數(shù)誤差自由度—各因素自由度之和F值得計(jì)算方差來(lái)源A的F值計(jì)算方差來(lái)源B的F值計(jì)算方差來(lái)源C的F值計(jì)算方差來(lái)源D的F值計(jì)算均方的計(jì)算方差來(lái)源A的均值方差來(lái)源B的均值方差來(lái)源C的均值方差來(lái)源D的均值方差來(lái)源e的均值列方差分析表見(jiàn)表6表6方差分析表方差來(lái)源平方和自由度均方F值A(chǔ)342.53114.25.6846B1133.70.18C39.75313.250.66D2337.70.38E60.25320.1—當(dāng)?shù)诹幸蛩貙?duì)試驗(yàn)結(jié)果沒(méi)有影響時(shí)，有因此，當(dāng)大于時(shí)，可以認(rèn)為第i列因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果有顯著影響；否則，認(rèn)為沒(méi)有顯著影響。這就是正交設(shè)計(jì)的方差分析。因?yàn)楸却?，所以因素A是非常重要因素，C、D、B為次要因素。圖示如下 主 次加熱溫度脈沖時(shí)間等溫保溫時(shí)間保溫時(shí)間圖4因素主次順序圖根據(jù)實(shí)驗(yàn)我們可以得到各因素和水平對(duì)該實(shí)驗(yàn)的硬度值的均值影響趨勢(shì)，對(duì)于每個(gè)因素，以水平數(shù)為橫坐標(biāo)，以硬度值為縱坐標(biāo)。在坐標(biāo)圖上描點(diǎn)，便得該因素的趨勢(shì)圖，本次實(shí)驗(yàn)四個(gè)因素的趨勢(shì)圖見(jiàn)圖5.圖5各因素和水平對(duì)硬度影響的曲線圖5.2最佳水平根據(jù)因素的重要性和水平的效應(yīng)情況選擇最佳水平。為了確定最佳水平，先計(jì)算各水平的效應(yīng)。5.2.1各因素水平效應(yīng)5.2.2最佳水平的選取根據(jù)方差分析和最佳水平分析，A最顯著影響因素,在選取時(shí)直接選水平效應(yīng)中最大值，既是A4在加熱過(guò)程中是重要因素所以選取A4，C因素也是重要因素選取最大值C4為的是縮短保溫時(shí)間。由于B，D因素不是主要影響因素，但考慮到等溫時(shí)材料的組織變化情況取最B3D1，綜合考慮選取最佳試驗(yàn)條件是A4B3C4D1和A2B3C4D1.按照以上分析，找出最佳工藝路線方案后，按照兩種最佳方案再做試樣兩根，取其中硬度指標(biāo)最適合的一個(gè)。6金相顯微試樣的制備6.1侵蝕鋼鐵材料常用的侵蝕劑為3～4%硝酸酒精溶液或4%苦味酸酒精沉淪。侵蝕時(shí)間應(yīng)適當(dāng)，時(shí)間太短則侵蝕不足，組織不能充分顯示；時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，則試樣表面過(guò)于發(fā)暗，組織也顯示不清。侵蝕后應(yīng)立即用清水沖洗，用吹風(fēng)機(jī)吹干。這樣制的金相試樣即可在顯微鏡下進(jìn)行觀察。試樣侵蝕后之所以能顯示內(nèi)部的組織，主要是侵蝕劑與試樣表面之間產(chǎn)生了化學(xué)溶解作用及電化學(xué)作用。對(duì)于兩相或兩相以上的合金來(lái)說(shuō)，侵蝕主要是一個(gè)電化學(xué)腐蝕過(guò)程。合金中的兩個(gè)組成相具有不同的電極電位，在侵蝕劑中兩相之間就形成了無(wú)數(shù)對(duì)“微電池”，具有較高正點(diǎn)位的相成為陰極，在正常電化學(xué)作用下不受侵蝕，保持原有的光滑平面；具有較高負(fù)電位的相成為陽(yáng)極，而易迅速溶入侵蝕劑中，因此使試樣表面呈凸凹不平。當(dāng)光線照射到此凸凹不平的表面時(shí)，由于各處光線反射的程度不同，在顯微鏡下就能觀察到不同的組織和相。6.2金相試樣制備按工藝曲線圖做電脈沖球化退火試驗(yàn)，把做好的試樣按以下工藝路線進(jìn)行金屬試樣制備，在老師的幫助下用400倍顯微鏡觀察金相組織并拍照。金相試樣制備：取樣→預(yù)磨（280#~1000#）吸干觀察。根據(jù)試驗(yàn)需求，在表4的基礎(chǔ)上選擇數(shù)制相近的的八組數(shù)據(jù)所對(duì)應(yīng)的試樣進(jìn)行電子顯微鏡下的金相組織觀察。八根試樣編號(hào)分別為：編號(hào)4、5、6、7、8、10、12、14。首先，處理試樣的表面以利于金相組織的觀察。將試樣的一段用砂輪打磨機(jī)打掉氧化皮，在預(yù)磨機(jī)上安放280#砂紙，進(jìn)行第一次預(yù)磨，待表面粗糙度降低且端面水平度較高后在預(yù)磨機(jī)上放置600#砂紙進(jìn)行第二層次的預(yù)磨，待端面粗糙度以及水平度進(jìn)一步提升后，在預(yù)磨機(jī)上放置1000#砂紙做最后一個(gè)階段的預(yù)磨處理。打開拋光機(jī)，在拋光機(jī)里加入助磨劑，將已經(jīng)經(jīng)過(guò)預(yù)磨的一端在拋光機(jī)上拋光。待拋光面處理好后，用4%的硝酸酒精溶液腐蝕到灰色，將試樣被處理表面的硝酸沖洗干凈，用吸水紙吸干被處理表面的水。到此，即可以準(zhǔn)備觀察金相組織了。其他試樣的預(yù)處理方法與此雷同。7結(jié)論經(jīng)過(guò)對(duì)比后可以發(fā)現(xiàn)，試樣編號(hào)：7的金相組織內(nèi)部，碳化物的球化形態(tài)較好，分布均勻且尺寸較小，硬度為HBS200，是理想的球化退火組織。通常碳化物的等溫球化過(guò)程由兩個(gè)環(huán)節(jié)構(gòu)成，即片層狀碳化物溶解，溶解碳化物的析出。而且兩環(huán)節(jié)均受Fe、C原子擴(kuò)散過(guò)程控制。球化前，碳化物的形態(tài)是層片狀，當(dāng)球化退火加熱溫度、時(shí)間適宜，將使鋼中的Fe、C原子有足夠的動(dòng)力學(xué)條件溶解并均勻化，得到C均勻分布的奧氏體，從而在等溫球化時(shí)，碳化物能以均勻球狀形態(tài)或顆粒狀形態(tài)分布于基體；如果加熱溫度不足、保溫時(shí)間不夠，則在等溫球化時(shí)碳化物仍有可能以鏈狀或桿狀碳化物分布于基體中。在加熱溫度、時(shí)間明顯不足的情況下，在等溫球化過(guò)程中施加脈沖電場(chǎng)，其球化效果得到了改善，與常規(guī)熱處理相比，球化組織基本相同。這說(shuō)明脈沖電場(chǎng)的介入對(duì)球化退火過(guò)程中C原子的擴(kuò)散、基體中的C原子的均勻化，均起到了促進(jìn)作用。這同時(shí)也說(shuō)明，脈沖電場(chǎng)的介入對(duì)固相中的原子間歇的施加了作用力[1]。加強(qiáng)了熱激活的效果，因此在固態(tài)相變中，除了自身的相變驅(qū)動(dòng)力之外，還附加了一個(gè)由脈沖電場(chǎng)給與的額外能量Q，這時(shí)形核率為：（1）由于相變過(guò)程中N、ν、K、T均為常數(shù)，增加了Q就使I增加，從而增大了碳化物的形核率，細(xì)化了晶粒。脈沖電壓越大，這種熱激活效果越明顯，奧氏體越細(xì)小，碳化物形核率也就越高，球化退火后粒狀或球狀珠光體細(xì)化效果也就越顯著[2]。由于Cr組織中存在大量的共晶碳化物、過(guò)共析鋼碳化物和共析碳化物(在退火組織中約占13%～17%，在淬火組織中約占12%)。在冶金過(guò)程中,由于共晶碳化物沿奧氏體晶界呈網(wǎng)絡(luò)狀析出,顆粒粗大，在以后的軋制過(guò)程中碳化物網(wǎng)和晶粒會(huì)不同程度被破碎，沿軋制方向不同程度呈帶狀分布。一般情況下，軋壓的變形量越大,碳化物的破碎作用愈顯著,所以鋼廠提供的軋材直徑越小，碳化物的晶粒分布越均勻。大量實(shí)踐證明，Cr15滾動(dòng)軸承鋼中碳化物形態(tài)是影響鋼的機(jī)械性能、工藝性能和實(shí)用性能的最重要因素之一。不均勻的碳化物分布將導(dǎo)致機(jī)械性能的降低，模具使用時(shí)容易產(chǎn)生折斷、崩刃現(xiàn)象。金屬材料的力學(xué)性能與材料的組分和晶粒度密切相關(guān)。一般來(lái)講，細(xì)小而均勻的組織能夠使材料在受力時(shí)有較好的協(xié)調(diào)變形能力，使材料獲得很好的綜合力學(xué)性能。因此提高材料綜合力學(xué)性能的改性研究，多集中在細(xì)化、均勻化的材料組織，以及保持細(xì)化后組織的穩(wěn)定性方面。實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn),金屬凝固過(guò)程中的脈沖電流處理能夠改善組織的均勻性，細(xì)化凝固組織,并能在一定程度上改善材料中宏觀缺陷的分布情況，從而提高材料的綜合力學(xué)性能。周亦胄等就電脈沖處理對(duì)固體金屬材料力學(xué)性能的影響進(jìn)行了研究[3][4]。圖6試樣編號(hào)：7脈沖退火組織圖圖7常規(guī)球化退火組織圖圖8試樣7脈沖熱處理工藝流程圖圖9常規(guī)等溫球化退火工藝流程圖實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，金屬?gòu)母邷氐嚼鋮s的過(guò)程中的脈沖電流處理能夠改善組織的均勻性，細(xì)化凝固組織，并能在一定程度上改善材料中宏觀缺陷的分布情況，從而提高材料的綜合力學(xué)性能[5][6]。在本試驗(yàn)中電脈沖處理可以細(xì)化合金鋼的晶粒，且細(xì)化后的組織具有較好的熱穩(wěn)定性。晶粒細(xì)化后，得到比常規(guī)等溫退火處理更細(xì)更均勻的晶粒組織，鋼的綜合力學(xué)性能得到提高。Cr15滾動(dòng)軸承鋼在球化退火過(guò)程中施加脈沖電場(chǎng)，可以明顯改善等溫球化退火效果，在保證得到良好球狀珠光體組織的前提下，使碳化物粒度、形狀、分布得到了明顯的改善，有利于使基體在淬火后獲得馬氏體和較好的強(qiáng)韌性，壽命將會(huì)得到明顯提高。Cr15滾動(dòng)軸承鋼電脈沖等溫球化退火的加熱溫度可以選較低的加熱溫度，其保溫時(shí)間4h減少到1.5h；等溫加熱溫度可以取到700℃，其保溫時(shí)間4h減少到0.5h；在整個(gè)施加脈沖電場(chǎng)球化退火過(guò)程中保溫時(shí)間比常規(guī)處理減少4—6h。大大提高了等溫球化退火的效率，縮短了生產(chǎn)周期,降低了成本，是一種值得深入研究并具有應(yīng)用價(jià)值和廣闊前景的合金工具鋼等溫球化退火新工藝。本試驗(yàn)存在的問(wèn)題是在球化退火的組織顯微上來(lái)看局部的碳化物還不是太均勻，產(chǎn)生的原因可能是在進(jìn)行試驗(yàn)前原材料沒(méi)有消除網(wǎng)狀碳化物所致。致謝本文是在導(dǎo)師的悉心指導(dǎo)下完成的。王老師具有嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度，豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，在治學(xué)及做人方面使我受益匪淺。衷心感謝王老師對(duì)我的關(guān)心指導(dǎo)和幫助。時(shí)間飛逝，光陰如梭，我的大學(xué)生活也將畫上結(jié)束的標(biāo)點(diǎn)?；厥状髮W(xué)生活，想到自己的大學(xué)生活即將結(jié)束，想到各位老師的諄諄教誨，想起同窗好友談笑風(fēng)聲感慨不舍！幾年來(lái)，在院系領(lǐng)導(dǎo)的關(guān)心支持下，在老師們的悉心教誨下，我的大學(xué)生活充實(shí)有節(jié)，在學(xué)業(yè)取得了理想的成績(jī)，各項(xiàng)能力得到了鍛煉，在思想上也是日趨成熟。在此，謹(jǐn)向各位領(lǐng)導(dǎo)和老師表示誠(chéng)摯的感謝！王老師在試驗(yàn)的整個(gè)過(guò)程中一直嚴(yán)格要求我們要會(huì)用懷疑的眼光看問(wèn)題，用認(rèn)真的態(tài)度去做事，并且用真實(shí)的態(tài)度來(lái)面對(duì)科學(xué)。對(duì)待研究學(xué)術(shù)問(wèn)題要一絲不茍。必須要有扎實(shí)的基本功以及端正嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)風(fēng)。王老師的悉心教導(dǎo)不僅促成我完成論文的撰寫，而且使我懂得了更多的道理和方法，在此謹(jǐn)向各位老師的諄諄教誨表示由衷的感謝！與此同時(shí)，也感謝王老師給了我很多無(wú)私的幫助，在資料的收集整理和實(shí)驗(yàn)以及數(shù)據(jù)處理中，幫助解決了很多問(wèn)題及麻煩，再次對(duì)此表示由衷的感謝！參考文獻(xiàn)[1]王煥琴，宋林森，王三保，等./kns50/Navi/Bridge.as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