第 1 章   緒論

1.1  概述

多年來，相比于國(guó)外的先進(jìn)水平,我國(guó)熱處理技術(shù)一直都處于落后。為了促進(jìn)熱處理生產(chǎn)技術(shù)的快速發(fā)展，縮短我國(guó)與國(guó)外的差距,滿足熱處理日常生產(chǎn)的需要，必須加強(qiáng)重視淬火介質(zhì)的研究和應(yīng)用。

所謂淬火是指將鋼加熱到臨界溫度以上，保溫一段時(shí)間，使之全部奧氏體或部分奧氏體化，然后以大于臨界冷卻速度快冷到Ms 溫度以下，從而得到馬氏體組織的工藝過程。在淬火過程中，工件可能會(huì)出現(xiàn)變形、軟點(diǎn)、開裂等缺陷，促使機(jī)械性能或金相組織達(dá)不到要求。材料的原始狀態(tài)、化學(xué)成分、工件的形狀尺寸和加熱工藝等是影響工件熱處理質(zhì)量好壞的主要因素。另外，淬火冷卻介質(zhì)的選用以及冷卻方法與其也有密切的關(guān)系，所以保證熱處理質(zhì)量的關(guān)鍵問題就是合理的選擇和使用淬火冷卻介質(zhì)。

根據(jù)淬火介質(zhì)的形態(tài)，可將其分為三種：固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)。其中應(yīng)用最普遍的是液體淬火介質(zhì)，而油、水又是液體中主要的兩類淬火介質(zhì)。

工件在液體淬火介質(zhì)如水、油中冷卻時(shí)，其冷卻過程一般可分為三個(gè)階段：蒸汽膜階段、沸騰階段和對(duì)流冷卻階段。蒸汽膜階段是指熾熱的工件使周圍的淬火介質(zhì)汽化，形成的蒸汽膜阻礙了工件的散熱，淬火介質(zhì)的冷卻速度緩慢，直至蒸汽膜破裂，進(jìn)入沸騰階段。在沸騰階段，淬火介質(zhì)的冷卻速度是最快的，因?yàn)榇慊鹄鋮s介質(zhì)與工件直接接觸，淬火介質(zhì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的沸騰，生成很多氣泡，氣泡上升將大量熱量帶走，冷卻速度加快；此時(shí)工件溫度迅速降低至接近介質(zhì)的沸點(diǎn)，不再產(chǎn)生氣泡，該階段宣告結(jié)束進(jìn)入對(duì)流階段。對(duì)流階段由于工件與介質(zhì)之間的溫差較小，靠對(duì)流換熱帶走的熱量較少，冷卻速度比較緩慢。在該階段，其冷卻能力主要受如熱容、熱導(dǎo)性、粘度等介質(zhì)本身性質(zhì)的影響。

1.2  碳納米管納米流體淬火介質(zhì)的研究

1.2.1  碳納米管的簡(jiǎn)介

碳團(tuán)簇類材料的發(fā)現(xiàn)與人工制造技術(shù)上的突破，誘發(fā)了世界范圍內(nèi)對(duì)這種材料的研究熱潮。與此同時(shí)，有人意識(shí)到封閉的結(jié)構(gòu)應(yīng)該有各種類型。所有這種結(jié)構(gòu)都應(yīng)該符合Euler 定理，即具有一定數(shù)量的五邊形摻雜在由六邊形組成的網(wǎng)絡(luò)之中形成一個(gè)封閉的網(wǎng)絡(luò)。1991 年初，美國(guó)海軍實(shí)驗(yàn)室的一個(gè)研究小組首次提出了一篇關(guān)于納米管電子結(jié)構(gòu)的理論文章，但是由于人們認(rèn)為在當(dāng)時(shí)條件下要制造出這么小的管是不可能的，所以該文沒有被引起重視。同年，日本人Iijima在用HRTEM分析由Meijo大學(xué)送來的碳灰樣品時(shí)發(fā)現(xiàn)了碳納米管的存在，盡管柱狀碳管和碳纖維早有報(bào)導(dǎo)，但是他發(fā)現(xiàn)的碳管是高度石墨化的。最重要的是他注意到了這種管的封口處是由五邊形碳環(huán)和六邊形碳環(huán)組成，在管身部分，碳原子殼層的卷曲使碳原子按一定的螺旋角排列，符合理論上的推測(cè)。Iijima發(fā)現(xiàn)的碳納米管是在制備 C60送來的碳灰中發(fā)現(xiàn)的，由于是從反應(yīng)室壁上收集到的，所以含量很低，并且它不像C60可以用溶劑提純，所以對(duì)納米管性質(zhì)的實(shí)驗(yàn)研究不能進(jìn)一步展開。1992年，NEC基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)室的一個(gè)研究小組宣布他們可以大量制造碳納米管，并公布了他們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，很快這個(gè)實(shí)驗(yàn)在許多實(shí)驗(yàn)室得到了驗(yàn)證至此，全面研究碳納米管的高潮興起。

碳納米管具有十分優(yōu)秀的導(dǎo)熱性能和巨大比表面積特點(diǎn)，吸引著大量科學(xué)家、工程師的研究熱情。經(jīng)過近十幾年的努力研究，碳納米管已經(jīng)進(jìn)入到工業(yè)應(yīng)用階段。

第 2 章   實(shí)驗(yàn)材料與方法

2.1  試驗(yàn)材料

本文選用制備納米流體淬火介質(zhì)的碳納米管購(gòu)自南昌太陽納米技術(shù)有限公司，用化學(xué)氣相沉積法制備的，純度在95%以上，管徑約10-50nm，長(zhǎng)度約1-10um。對(duì)碳納米管進(jìn)行化學(xué)處理，使其能在基液中穩(wěn)定懸浮。

N46 機(jī)械油購(gòu)于機(jī)油商店，系 46#全損耗系統(tǒng)用油，是一種通用潤(rùn)滑油。外觀為亮黃色，閃點(diǎn)：220（℃），粘度等級(jí)：68，傾點(diǎn)：-12（℃）。40℃時(shí)的運(yùn)動(dòng)粘度為43.2mm2/s。具體的產(chǎn)品指標(biāo)如下：

PAG 淬火液購(gòu)于煙臺(tái)恒鑫化工科技有限公司，PAG 淬火液是一種淺黃色透明液體，加有防銹、防腐、濕潤(rùn)、殺菌等多種添加劑制成，對(duì)水有逆溶性。PAG淬火液克服了水冷卻速度快，易使工件開裂，淬火油冷卻速度慢且易燃的缺點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各種工件不同材質(zhì)的熱處理工藝。具體的產(chǎn)品指標(biāo)如下：

本文選用45號(hào)鋼作為試驗(yàn)淬火材料，它是常用的中碳調(diào)質(zhì)結(jié)構(gòu)鋼，冷塑性一般，退火、正火比調(diào)質(zhì)時(shí)要稍好，具有較高的強(qiáng)度和較好的切削加工性，材料來源方便等特點(diǎn)。適當(dāng)?shù)臒崽幚硪院罂色@得一定的塑性、韌性和耐磨性。該鋼主要是用來支承傳動(dòng)零部件，傳遞扭矩和承受載荷，是機(jī)器中經(jīng)常遇到的典型軸類零件之一。

2.2  試驗(yàn)儀器

采用箱式電阻爐（SX-10-13 型、功率為2.5KW），立式電阻爐（SG2-7.5-10、7.5KW）、淬火探頭為 Φ22mm*50mm 的 45#鋼如圖 2.1 所示、XJG-05 型光學(xué)顯微鏡、HR-150 洛式硬度計(jì)、型號(hào)為 LM20A-200 的 X-Y 函數(shù)記錄儀以及鎧裝鎳鉻-鎳硅熱電偶。

第3章  水基-碳納米管納米流體冷卻特性的研究............. 16

3.1  水基-碳納米管納米流體的表征................ 16

3.2  碳納米管含量對(duì)水基碳納米管納米流體冷卻能力的影響 ............ 19

3.3  分散劑對(duì)水基碳納米管納米流體冷卻能力的影響 .......... 22

第4章  油基-碳納米管納米流體淬火液含量對(duì)其冷卻特性曲線及45號(hào)鋼性能的影響................ 27

4.1  油基-碳納米管納米流體的表征...................... 27

4.2  碳納米管含量對(duì)油基-碳納米管納米流體冷卻特性曲線的影響 .............. 29

第5章  利用鍛造余熱淬火穩(wěn)定生產(chǎn)大斷面40Mn2鍛鋼磨球.... 35

5.1  工藝實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備........... 35

5.1.1  生產(chǎn)設(shè)備及工藝參數(shù)........... 35

5.1.2  實(shí)驗(yàn)研究的考察指標(biāo).......... 36

第5章  利用鍛造余熱淬火穩(wěn)定生產(chǎn)大斷面40Mn2鍛鋼磨球

鍛鋼磨球是球磨加工礦石的常用磨球之一。隨著礦山開采自動(dòng)化，規(guī)�；a(chǎn)的快速發(fā)展，礦石球磨機(jī)的尺寸越來愈大，例如江銅德興銅礦現(xiàn)在引進(jìn)和使用的滾筒磨機(jī)的直徑已達(dá)到10 米，每天產(chǎn)出銅礦石粉1千噸/臺(tái)，這對(duì)磨球提出了新要求。第一，要求最大直徑磨球尺寸增加，現(xiàn)在該礦使用最大磨球直徑達(dá)到 125mm。第二，要求磨球在保證一定厚度的表層具有高硬度條件下，具有很好的沖擊韌性。制造磨球有兩種基本技術(shù)路線，一種是塑性成形制造工藝，包括鍛造成型鋼球，旋擠扎制鋼球等工藝路線，主要生產(chǎn)變形加工的鋼磨球。另外一種是鑄造成形制造工藝，主要生產(chǎn)鑄鐵磨球。鑄鐵磨球整體硬度高，生產(chǎn)成本低，但韌性較差，對(duì)環(huán)境污染大。鍛造生產(chǎn)的鋼球組織致密，熱處理后，可以獲得很高硬度的表層、但是整體硬度分布不均勻。鍛鋼球沖擊韌性高，使用時(shí)破碎率低，抗破碎能力是一般鑄鐵磨球的 3 倍以上，落球次數(shù)超過 2 萬次，實(shí)際破碎率不高于1%，所以現(xiàn)在大直徑磨球都趨于采用鍛鋼磨球。鍛鋼磨球生產(chǎn)的最大特點(diǎn)是需要進(jìn)行淬火和回火熱處理。如果單獨(dú)重新加熱鋼球進(jìn)行熱處理，會(huì)增加成本。為了降低生產(chǎn)成本，現(xiàn)在大規(guī)模生產(chǎn)鍛鋼球的熱處理淬火一般都采用鍛造余熱淬火工藝。鍛鋼球生產(chǎn)中的熱處理環(huán)節(jié)是最重要的生產(chǎn)環(huán)節(jié)，是決定鋼球的機(jī)械性能和成品率的重要因素。

針對(duì)大規(guī)模鍛造熱處理流水線生產(chǎn)直徑120mm大尺寸40Mn2鍛鋼磨球的生產(chǎn)條件，本文展開了對(duì)該鋼球工藝優(yōu)選和優(yōu)化工作的研究。

第 6 章   結(jié)論與展望

6.1  結(jié)論

1、通過了對(duì) CNTs 進(jìn)行球磨、酸處理、表面改性和超聲分散之后,CNTs 能夠穩(wěn)定的分散懸浮在基液中。

2、CNTs 為 0.2wt%時(shí)，，其特性溫度（Tvp）、最大冷卻速率（Vmax）和最大冷卻速率所在溫度（Tmax），還有溫度降到 300℃時(shí)的冷卻速率（V300）都是大于水的，并且水基-CNTs納米流體特性隨著CNTs含量進(jìn)一步的增加而逐漸的下降、添加分散劑 SDBS 的納米流體的冷卻速度明顯低于未加分散劑 SDBS 的納米流體的冷卻速度以及水基-CNTs 納米流體淬火介質(zhì)的冷卻特性隨著淬火液溫度的升高逐漸的下降。水基-碳納米管納米流體淬火液大部分仍然為水，而水作為淬火介質(zhì)，在高溫階段冷卻速度會(huì)大大下降，納米流體淬火液也遺傳了這個(gè)缺點(diǎn)。對(duì)濃度的變化比較敏感，要求經(jīng)常檢測(cè)淬火液的濃度。

3、通過 SEM 掃描電鏡可以看出，CNTs 的管徑大概是 10-50nm，長(zhǎng)度大概是 1-50um，并且以網(wǎng)狀均勻的分散在油脂當(dāng)中，該 CNTs 在油脂當(dāng)中短時(shí)間內(nèi)不會(huì)下沉。油基-CNTs 納米流體在45號(hào)鋼上的接觸角在12°至19°之間，比N46號(hào)機(jī)油的大，并且隨著CNTs 含量的增加其納米流體的接觸角逐漸的增大。說明隨著CNTs 的加入，其潤(rùn)濕性有所下降。隨著 CNTs 含量的增加，油基-CNTs 納米流體的粘度增加，并且都大于N46 號(hào)機(jī)油的粘度。

4、隨著 CNTs 的加入，介質(zhì)的冷卻速度提高了，并且隨著 CNT 含量的增加，冷卻速度逐漸增大。并且經(jīng)過油基-CNTs 納米流體和 30#機(jī)油淬火后，45#鋼的硬度明顯比分布為29~31HRC和21~24HRC，在油基-CNTs 納米流體中淬火后達(dá)到的硬度明顯大于在30#機(jī)油中淬火后的硬度，但是淬火后它們的心部和表面的硬度都相差不大。

5、45#鋼經(jīng)油基-CNTs 納米流體和 30#機(jī)油淬火、回火后，試樣的表層和心部均為鐵素體和珠光體以及殘余的奧氏體組織，經(jīng)30#機(jī)油淬火后的鐵素體體積分?jǐn)?shù)明顯多余1.50wt%油基-CNTs 納米流體淬火后的鐵素體。

6、利用鍛球余熱淬火工藝處理 120mm 直徑大斷面 40Mn2 鍛鋼球可以使鋼球硬度，沖擊韌性達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，但是該鋼球此時(shí)具有較大的淬裂傾向，容易產(chǎn)生內(nèi)裂紋。原始鋼材夾渣，縮孔缺陷將大幅度提高余熱水介質(zhì)淬火120mm直徑大斷面40Mn2 鍛鋼球廢品率，有時(shí)可高達(dá)20%。

7、用水作為淬火介質(zhì)，按照標(biāo)準(zhǔn)推薦 40Mn2 鋼熱處理工藝生產(chǎn) 120mm 鍛鋼球和鍛后直接淬火生產(chǎn)的鋼球的成品率基本相同。但是鍛后即淬火的鋼球的硬度值和硬度分布不穩(wěn)定，難于控制。

8、采用 PAG 有機(jī)淬火介質(zhì)淬火處理 125mm 大直徑 40Mn2 鍛鋼球，可以使鍛鋼球熱處理成品率達(dá)90%以上，表面硬度可達(dá)HRC55, 而且硬度分布均勻。

參考文獻(xiàn)（略）