自动末端淬火试验装置的开发及运用

卫志清, 顾佳伟, 何 龙, 董爱锋, 张 璐, 王德泰, 乐金涛

(1.上海尚材试验机有限公司, 上海 201411；2.上海新闵重型锻造有限公司, 上海 201109； 3.中国仪器仪表学会 试验机分会, 北京 100088)

某公司近几十年来承担大量的压力容器、火力发电机组、核电、军工等钢制锻件生产，涉及近300种牌号。为了提升国内高端装备制造业的锻件制造能力，某公司理化室开展了许多材料性能方面的研究以满足锻件的成型质量要求。通过对以往材料性能不稳定的分析，可以发现很多材料的强度、冲击韧性等性能指标出现波动都是因为淬火冷却速度不够，导致试样未充分完成马氏体的转变。钢末端淬火自动化试验装备的开发应用对保证材料合格率，合理挖掘钢种的潜力，保证产品质量和锻件顺利交付，和对常用材料的淬火性能的研究具有较大的实用意义。

1 自动末端淬火试验装置

自动末端淬火试验装置主要包括末端淬火装置和洛氏硬度计等。

1.1 末端淬火装置的基本原理及结构

末端淬火装置是一组能喷射水流至试样淬火端面的装置，该装置通过一个阀门调节水流速度，如图1所示，阀门后的喷水管长度至少需要50 mm以保证喷口处水流平稳，如图2所示，装置上方的试样定位对中装置可以确保试样与竖直的喷水口准确对中，并在淬火过程中保证位置不变，从而达到均匀冷却试样的目的。

图1 末端淬火装置示意图Fig.1 Diagram of end quenching device

图2 末端淬火装置喷水管端部示意图Fig.2 Diagram of spray pipe end of end quenching device

目前国内大部分试验室使用的末端淬火装置没有标准机型，一般都是根据需求自己生产或委托专业公司定制的，款式五花八门，功能良莠不齐。某公司理化试验室在中国宝武集团特殊钢有限公司、上海金相机械设备有限公司、上海尚材试验机有限公司等单位的支持和配合下，设计制造了末端淬火试验装置，该装置的主要技术参数见表1，该装置在2018年顺利投入试验室进行末端淬火试验工作。该装置适用于优质碳素结构钢、合金结构钢、弹簧钢、部分工具钢、轴承钢等钢种的端面淬火试验，完全满足GB/T 225-2006《钢淬透性的末端淬火试验方法(Jominy试验)》的要求。

表1 自动末端淬火装置的主要技术参数Tab.1 Main technical parameters of the automatic end quenching device

末端淬火装置由水泵自动喷水装置、喷水时间设定装置、水温调节控制系统等组成。其采用进口水泵，可调整喷水高度，保持水柱的平稳;可以对水温进行监控并自动调节，水温控制采用压缩机制冷或制热方式。

某公司理化试验室自行研发的末端淬火装置与普通末端淬火装置相比，采用了先进的数字化淬火时间控制系统，可自动完成启动→喷水→淬火等整个工作流程，整机布局设计合理，结构紧凑，使用、保养和维修方便，稳定性好。

1.2 淬透性检测自动洛氏硬度计的技术特点

钢的淬透性是由奥氏体在淬火期间分解为铁素体、珠光体、贝氏体以及马氏体的不同冷却速度所决定的，在不同的冷却速度下通过检测硬度来评估淬透性是最好的方式之一。由上海尚材试验机有限公司研发的自动洛氏硬度计(见图3)适用于冷硬铸件、可锻铸件、合金钢、铝合金、铜合金、轴承钢等材料硬度测定，也适用于表面淬火钢、表面热处理和化学处理层,如镀锌、镀铬、镀锡等材料的硬度测定。

图3 自动洛氏硬度计实物图Fig.3 Physical drawing of automatic Rockwell hardness tester

自动洛氏硬度计功能齐全、操作方便、显示清晰直观、性能稳定，是集机电于一体的高新技术产品。设备取消了砝码加载方式，采用电动加、卸试验力，可进行洛氏、表面洛氏全部标尺的硬度测试。该机器具有自动和人工操作功能，x,y,z方向全自动控制，尤其适用于末端淬火试验。外置个人计算机(PC)，具有数据统计功能，可以计算极值、平均值、标准偏差等，还能建立相应的统计数据库。可以根据用户的要求自定义检测报告，在报告中选择所需的试验参数、试验结果以及图表曲线。试验结果和测试报告均可进行网络传输，以便于实现网络化管理。

多重地震事件的连续参数估计问题可用公式表示为贝叶斯推理问题。令θ为表征事件的参数矢量，Θ为用θ参数化的一组事件，从而Θ＝ ｛φ， ｛θ1｝，… ｛θ1，θ2，…｝｝。设z1：t为所有台站直到当前时间t的整个观测历史，后验概率P（Θt｜z1：t）则揭示在给定证据和先验信息的情况下在时间t当前发生事件的信息分布。

另外自动洛氏硬度计还具备以下功能。①圆弧修正补偿功能；②触摸屏显示及操作，配备动态曲线图，实时监控力值传感器与位移传感器的运行状态；③仅需按一键即可完成工件上升、压头加载、保载、卸载、显示硬度值、试验台回到初始位置等试验步骤；④准确保证试验位置的间隔精度，在按照标准要求设置硬度测试的路径后，一键完成硬度的多点连续测试工作；⑤选配3工位夹持台，可实现3个末端淬火试样的连续测定，如图4所示。

图4 3工位检测试样台实物图Fig.4 Physical drawing of three-station test sample table

1.3 淬透性检测全自动洛氏硬度计的技术特点

由上海尚材试验机有限公司研发的带机械手上、下料和试样号识别功能的淬透性检测全自动洛氏硬度计可以全自动完成整个淬透性硬度检测过程，如图5所示。其包括试验人员根据自动接收到的试验顺序等试验要求，将试样通过人工或机械手放置到指定位置→高速铣或磨削等设备按标准要求完成试样表面加工→机械手按指令将加工后的试样正确放置到硬度计自动试样台→根据试验指令硬度计自动完成试样力或标尺切换等→通过硬度计自动载物台移动配合完成多点的加载、保载、卸载、压痕测量等试验全过程→试验数据自动保存并发送给上位机→机械手可以按照试验结果是否合格将残料分别放到不同的残样收集装置等。

图5 全自动末端淬火试验的洛氏硬度计实物图Fig.5 Physical drawing of Rockwell hardness tester for automatic end quenching test

2 钢的末端淬火试验

按照拟定的试验方案，在设计制造完成的自动末端淬火装置上对4种材料(45钢、34CrMo4合金钢、40NCD7-03钢、某重大工程用钢)进行末端淬火试验。

2.1 末端淬火试验工艺流程

末端淬火试验的工艺流程如图6所示。

图6 末端淬火试验的工艺流程图Fig.6 Process flow chart of end quenching test

2.2 末端淬火后淬透性检测

在试样表面呈180°的位置加工出两个平面，且与试样的中轴线平行，单加工面应有0.4～0.5 mm深，如图7所示，两个平面加工一定要避免由于加工产生过热引起的材料内部结构改变。试样必须稳定地固定在硬度机专用的工作台上，要求每个硬度检测点在试样平面的中心位置上，每个硬度点之间间隔精度控制为0.1 mm。

图7 硬度测试试样示意图Fig.7 Diagram of hardness test sample

2.3 试验结果及分析

比较末端淬火试验后材料的硬度可以很容易地看出不同钢的淬透性之间的关系。45钢、34CrMo4钢、40NCD7-03钢末端淬火试验后的硬度测试结果见表2～表4。

表2 45钢末端淬火试验后的硬度Tab.2 Hardness of 45 steel after end quenching test HRC

表3 34CrMo4钢末端淬火试验后的硬度Tab.3 Hardness of 34CrMo4 steel after end quenching test HRC

表4 40NCD7-03钢末端淬火试验后的硬度Tab.4 Hardness of 40NCD7-03 steel after end quenching test HRC

对于给定化学成分合金钢的末端淬火试验，其端部的硬度值是固定的，因为其完全淬成了马氏体。末端淬火数据的拐点表示淬火相变产物马氏体的量发生了一个突变，所以拐点处可看作为平均硬化深度。

45钢属于淬透性较差的碳素工具钢，45钢的淬透深度大约为5 mm。

34CrMo4钢的淬透性不是很好，淬透深度为7～10 mm。

40NCD7-03钢从试样末端到距离末端50 mm之间，硬度基本没有波动，该钢的淬透性较好，在两种热处理工艺下的试验结果一致，淬火深度大于50 mm。

某重大工程用钢是世界核岛机组通用主体材料之一，综合性能优良。某公司承担一定比例某重大工程用钢的锻件生产任务，如遇到锻件几何尺寸变化较大、取样位置苛刻、材料成分偏析等因素，会造成产品最终性能不稳定。某公司理化室针对该产品现状和重要性，着重对该钢种进行末端淬火试验，试验结果见表5，其末端淬后回火的硬度试验结果见表6。可见经5种热处理工艺末端淬火试验后，再进行回火处理，淬火温度高，相对应回火后的硬度也略高。每种热处理工艺获得的硬度对应性较好。淬火温度为1 050 ℃时的淬透性相对较好。

将经5种末端淬火试验后再回火的试样加工成拉伸试样，对其进行拉伸试验，结果见表7。可见4号和5号试样的强度略高一些，说明该材料经热处理后对改善力学性能是有益的。

表5 某重大工程用钢末端淬火试验后的硬度Tab.5 Hardness of a major engineering steel after end quenching test HRC

表6 某重大工程用钢末端淬火试验后再回火的硬度Tab.6 Hardness of a major engineering steel after end quenching test and tempering HRC

表7 某重大工程用钢末端淬火试验后再回火的拉伸试验结果Tab.7 Tensile test results of a major engineering steel after end quenching test and tempering

某重大工程用钢的显微组织很难进行区别，建议使用扫描电镜(SEM)进一步分析，该钢的显微组织一般以马氏体+贝氏体+混合组织为主。某重大工程用钢热处理工艺850 ℃×0.5 h后的显微组织形貌如图8所示，其热处理工艺950 ℃×0.5 h后的显微组织形貌如图9所示，热处理工艺1 050 ℃×0.5 h后的显微组织形貌如图10所示。

3 结束语

开发钢的自动末端淬火试验装置，是某公司理化室从无到有多方面共同协作、边生产边试验研究的结果。该套自动末端淬火试验装置完全符合GB/T 225-2006等试验方法标准的要求。通过试验初步了解掌握了4种材料的淬透性，对公司产品热处理工艺细化提供了一些技术方面建议。试验室针对新材料、新工艺方面可以进行更多的试验与研究工作，逐步积累钢在淬透性方面的技术数据，完善锻件制造工艺，不断提高锻件的产品质量，更好地指导生产实践。

建议在现有的自动末端淬火试验工作基础上，拓展试验分析思路，尝试研究钢末端淬火与强度、冲击韧性等之间的关系，以及不同圆棒试样尺寸、形状和位置所对应的冷却速度等。

图8 某重大工程用钢850℃末端淬火后的显微组织形貌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

图9 某重大工程用钢950 ℃末端淬火后的显微组织形貌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

图10 某重大工程用钢1 050 ℃末端淬火后的显微组织形貌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