文摘
循环低温治疗,主要的循环周期,伴随着零个或多个子公司硬化42 crmo钢进行了使用正交设计方法研究不同参数的影响(低温温度、保温时间和周期数)的低温处理对钢的耐磨性和冲击韧性。范围分析获得的影响顺序三个参数及其最优值。结果表明,低温处理后,钢表现出更高的耐磨性和冲击韧性,而硬度没有显著变化。耐磨性的影响参数的顺序是低温温度,保持时间,周期数,和最优值的参数−160°C,分别24 h和两个周期。冲击韧性的影响参数的顺序是低温温度、周期数,并持有时间,和最优值−120°C,分别24小时和三个周期。穿地形和骨折的地形进行使用扫描电子显微镜(SEM)研究磨损机理和钢低温处理后的断裂机理,分别。结果表明,低温处理后,磨损机制的结合磨料磨损和氧化磨损、粘着磨损和断裂机制是一个quasicleavage骨折。组织也检查了SEM探讨低温治疗的影响机制提高钢的耐磨性和冲击韧性。它表明更多的降水细碳化物弥散的分布在矩阵负责低温治疗的有益作用钢的耐磨性和冲击韧性。
1。介绍
是一种中碳低合金结构钢,42 crmo钢(大约相当于AISI / SAE 4140的钢(1)具有较高的强度、韧性和淬透性,加上良好的韧性,冲击强度,耐冲击,重复正确的淬火和回火后和抗疲劳性。因其良好的力学性能和成本相对较低,钢广泛用于生产锥形选择身体的矿业在中国,以及重要零部件在机械制造行业,如齿轮、轴、高强度螺栓等(2]。在这些应用程序,尽管钢铁可以通过适当的热处理,获得必要的力学性能仍有需要改善其机械性能进一步提高性能和延长其使用寿命。
低温治疗(CT),也被称为低温处理,通常被认为是补充常规热处理(3),执行后淬火回火后,通常在回火或有时[4]。应用低温治疗的目的是改善一些力学性能改变材料的微观结构,提高服务性能或扩展工具的使用寿命或部分(5]。在低温处理、材料冷却到低温的温度通常低于−80°C,然后在几小时或几天的温度,最后热身环境温度(6]。液态氮通常是用作制冷剂由于其极低的沸点,惰性,和低成本,并因此,低温温度可以低至−196°C (7]。这种技术已经被广泛的研究范围广泛的材料,近年来许多研究人员,如各种钢(8- - - - - -10),有色合金(11,12),金属玻璃(13),聚合物(14)等。大量研究表明低温治疗可以改善钢的机械性能,如硬度(15),耐磨性9,16],韧性[17,18),或消除残余应力19]。因此,它已被证明是一个有效的和有前途的技术来提高钢的某些力学性能。此外,绿色制造技术,它在制造业具有良好的应用前景。
显然,主要有四个参数参与低温治疗,冷却速率、低温温度,保持时间,变暖的速度。冷却速度和变暖率一般控制在一个较低的值,以避免可能导致钢裂纹的热冲击。低温温度或保温时间与不同的值主要是考虑在文学钢的低温治疗。曼德列斯et al。20.]研究了低温治疗的效果不同保持时间(12小时,24小时,36小时,48 h)−140°C在AISI 4140钢的力学性能的影响,发现抗拉强度提高了10%,低温处理后硬度5%,低温治疗的最佳保持时间是36小时。Senthilkumar et al。21- - - - - -23)发现,低温治疗提高硬度和耐磨性的AISI 4140钢以及压缩残余应力,和钢的耐磨性提高低温治疗后−196°C比12 h和24小时18 h。废话et al。24)报道,SAE 4140钢显微硬度和韧性的改善低温治疗后24小时的−140°C。领域等。25)研究了不同低温下的效果(140°C和−−196°C) 24 h SAE 4140钢,发现硬度略有增加,这是由于残留奥氏体向马氏体的转变。贾玛利et al。26]表明,低温治疗可能增加硬度、抗拉强度、冲击韧性的AISI 4140钢,残留奥氏体向马氏体转变和硬质合金降雨雪负责改进。
然而,研究低温治疗的效果42 crmo或4140钢是有限的,仅限于制冷温度或单独占用时间而不是两个参数一起。除此之外,只有一个周期的担心在这些研究低温治疗。在这个工作中,循环低温治疗不同的低温下,保持时间,和周期数充分考虑研究了使用正交设计方法来研究它们对硬度的影响,耐磨性和冲击韧性42 crmo钢。范围的分析是为了得到这些参数的影响顺序和最优值为提高耐磨性和冲击韧性。此外,微观结构,考察了骨折穿地形,地形SEM研究深冷处理对钢的影响机制。
2。材料和方法
2.1。准备的材料
实验中使用的原材料是42的商业酒吧crmo钢铁,其中包含内容中碳含量和低铬、钼、锰组成。它的化学成分确定火花发射光谱仪(OBLF QSN 750 - ii)是列在表中1根据GB / T 3077 - 2015标准。
从钢筋标本准备第一次硬化奥氏体化在870°C的20分钟和淬火油。然后,循环低温治疗进行硬化标本在程控cryptoprocessor (FAWIP SLX-30),其次是在电阻箱炉回火(SX2-8-10)。具体而言,每个周期的低温治疗除了最后一个在150°C随后回火20分钟来缓解热应力,而最后一个循环之后,回火360°C 2小时来提高韧性。循环低温治疗的细节与不同的参数及其值在下一小节解释道。整个治疗过程由硬化、循环低温治疗和回火如图1。
2.2。低温治疗
低温治疗包括以下参数:冷却速度,低温治疗或浸泡温度、保持时间、升温速率、周期数。在这部作品中,冷却速率,以及变暖的速率,是低至2°C /分钟,以防止热冲击发生在标本接受治疗。在低温温度、保温时间、周期数为主要影响因素,循环低温治疗是采用正交设计的方法进行的。同样水平的每个因素选择如表所示2,因此,L9(34)正交数组是用来设计实验,忽略了相互作用的主要因素,如表所示3。每个周期的CT有同样的制冷温度,但第一个周期的保持时间(主要周期)被设置为在表3,而第二个和第三个循环周期(子公司)被设置为20分钟。传统的热处理(十)作为比较,其中包括没有低温治疗。
2.3。机械性能测试
每个标本表面地面后去除氧化层造成热处理,洛氏硬度测量在规模与洛氏硬度计(hr - 150 a)。至少5每个标本进行测量得到的平均硬度。
室温干滑动磨损试验运行使用多功能摩擦计(中科Kaihua CFT-I)配置了ball-on-disc组件,如图2,陶瓷球(Si3N4),直径5毫米的正常负载应用60 N和下跌8毫米的半径对样品旋转的速度为90分钟300 rpm。在滑动过程中,摩擦系数(咖啡)盟tomatically测量摩擦计0.1年代的一步。
磨损试验标本清洗绝对乙醇和精确称重之前和之后的磨损试验分析天平(bsm - 220.4)。随后,磨损质量损失( )确定测量的质量。此外,磨损率也计算的磨损质量损失/滑动距离,和相对磨损率计算的比磨损率、磨损率的CT (27]。
夏比冲击试验在室温下进行,以确定冲击韧性和冲击试验机(jb - 300 b)根据GB / T 229 - 2007标准。每个影响标本的尺寸10毫米×10毫米×55毫米U-notch。吸收的能量(一个k在骨折)标本测量。对于每一个实验,三个影响标本测试获得的平均吸收能量。冲击韧性是表示为单位面积吸收能量U-notch截面的位置,象征αk。
2.4。地形和微观结构表征
标本没有穿疤痕也准备了大小为10毫米×10毫米×5毫米磨损试样的微观结构测试。标本的表面粗糙和精细的地面与一连串的细粒度金相研磨论文,与Cr抛光2O3抛光的力量,并与丙酮清洗解决方案。标本被蚀刻在4%硝酸浸蚀液解决方案,绝对乙醇和蒸馏水清洗,吹干。之后很快,SEM测试进行了扫描电子显微镜(TESCAN VEGA3)检查组织。沉淀分析了碳化物的数量在SEM显微图使用一个图像分析软件(ImageJ)。标本用一块穿疤痕维度也准备了10毫米×10毫米×5毫米穿地形磨损试验标本的观察。丙酮溶液的标本被清洗和干燥头发干燥。磨损表面形貌的伤疤就用扫描电镜观测试验装置相比,探讨CT试样的磨损机理、标本。金相的骨折标本准备约5毫米的高度影响标本扫描电镜观察了试验装置的放大1000×,调查断裂机制受到低温治疗。x射线衍射(XRD)分析进行抛光的试样的XRD装置(Rigaku MiniFlex 600)单色Cu-Kα钢淬火后的辐射来识别阶段。
3所示。结果
3.1。硬度
的平均硬度标本如图3。结果表明,CT有轻微变化的平均硬度标本(−1.7 HRC 1.8 HRC)与本契约的标本。然而,看到错误的平均硬度,硬度可以被认为是一个微不足道的变化后低温治疗。
3.2。耐磨性
磨损试验结果及CT标本被列在表中4,CTs的相对磨损率小于1,表明CT试样的磨损率低于CHT标本,这意味着低温处理后,钢的耐磨性提高。
从磨损试验结果分析发现影响低温治疗的参数,随着低温处理的最佳工艺参数。区间分析的结果见表5,在那里的平均相对磨损率的因素吗j在层次米,和Rj因素的相对磨损率的范围吗j。此外,平均相对磨损率计算的制冷温度的范围分析,保持时间,和循环数,分别在图4。
因素的排序表5表明,在减少磨损率影响因素的顺序是制冷温度,保持时间,周期数,这意味着制冷温度最大的效应,并持有时间有介质影响,其次是周期数最少的效果。的值和趋势图4表明最优参数−160°C低温温度、浸泡时间24小时,两个周期的周期数。
图4显示的相对磨损率降低更多−160°C,比在−−196°C 120°C,分别明确了13.46%和13.17%。扩展占用时间,也能减少患相对磨损率,它获得的最大衰减12.81%持有时间是24小时。至于周期数,CT的两个周期的相对磨损率降低了11.16%,超过一个或三个周期。图5显示平均咖啡和磨损质量损失之间的关系。咖啡平均股价几乎相同的变化趋势与磨损质量损失。
3.3。冲击韧性
夏比冲击试验后试样的冲击韧性是绘制在图6。这表明CT试样的冲击韧性高于,这表明低温处理后钢的冲击韧性提高。
为了确定低温治疗参数的等级次序影响冲击韧性和获得最优的参数值,范围进行了分析。冲击韧性的范围分析的结果列在表中6,在那里是意味着冲击韧性的因素j在层次米和Rj因素冲击韧性的范围吗j。趋势的主要因素对冲击韧性的影响见图7。
> C > B的结果表明,影响因素对提高冲击韧性的顺序如下:占用时间,周期数和低温温度。最优的水平1B3C3表明提高冲击韧性、低温治疗的最佳参数是低温温度−120°C, 24小时保持时间,和三个周期的周期数,与相应的冲击韧性提高50.5%。
3.4。穿地形
针对最大的制冷温度对耐磨性的影响,穿地形CT标本在不同低温处理温度检查。考虑到CT的24小时有更大的影响降低磨损率比12 h和2 h, CT3标本,CT6,和货柜检查穿地形−120°C,−160°C,−196°C,分别忽视周期数的影响,因为它至少效果。磨损表面的SEM显微图及选择的CT标本图所示8。
(一)
(b)
(c)
(d)
图中可以看到8(一个)的磨损表面、标本和许多陨石坑是粗糙的,其中一些已经嵌入粒子,但小microcutting,表明CHT标本的磨损机制主要是粘着磨损和微不足道的磨料磨损。相反,如图8 (b)- - - - - -8 (d),CT试样的磨损表面是光滑和许多陨石坑和一些明显的microcuttings或耕作槽以及塑性变形,显示减少的发生粘着磨损和磨料磨损而增加CT试样。此外,也有轻微的氧化磨损表面的数字8 (b)- - - - - -8 (d)。因此,CT试样的磨损机理主要是磨料磨损、粘着磨损轻微氧化磨损。
3.5。骨折地形
考虑到影响秩序的树的低温治疗参数,骨折CT标本的地形治疗不同的持有时间关注。因此,CT7、CT5 CT3被送往代表CTs 2 h, 12 h和24 h,分别在本契约作为对比。标本的断裂表面的SEM显微图显示在图9。所有这些标本展览的断裂表面特征的解理面和河流模式,伴随着少量的酒窝和山脊,暗示一个典型quasicleavage骨折。
(一)
(b)
(c)
(d)
在数据9 (b)和9 (d)解理面变得更小,更短更弯曲的河流模式,同时眼泪山脊获得更多与数据9(一个)和9 (c),这意味着解理断裂的特点减少和增加quasicleavage骨折的特点。这就是为什么CTs的冲击韧性在24 h和2 h远远高于CT 12 h和本。
3.6。微观结构分析
标本的微观结构及CTs公司在不同低温下24 h和不同控股次为−如图196°C10和11分别和相应的定量分析析出碳化物的微观结构是数据说明12和13,分别。显微图中可以看出,微观结构及CT标本都由占主导地位的回火屈氏体(黑色区域)和特殊碳化物(白点)分布在屈氏体矩阵。但是有更多的碳化物弥散的分布在一个矩阵中CT比CHT标本,标本表明低温治疗可以显著促进细碳化物析出和分散分布。此外,降低低温治疗或减少占用时间,碳化物的数量在屈氏体沉淀矩阵展品约增加的趋势,这表明降低低温治疗和扩展占用时间几乎是有利于碳化物析出。淬火试样的XRD模式呈现在图14,马氏体(α′)峰值表示主要的钢淬火后马氏体阶段,而没有明显的奥氏体峰值显示未被发现的残留奥氏体的体积分数小于检出限的x射线衍射仪(∼5%)(28]。
(一)
(b)
(c)
(d)
(一)
(b)
(c)
(d)
4所示。讨论
大量研究表明,低温治疗的影响机理在于低温治疗引发的微观结构的变化主要是马氏体转变的残留奥氏体和碳化物的沉淀马氏体矩阵(29日- - - - - -31日]。
低温治疗的影响钢的硬度受低温治疗很大程度上取决于残留奥氏体的马氏体转变,但小碳化物沉淀(32- - - - - -34]。所以残留奥氏体的转变量马氏体在低温治疗决定的程度可以提高硬度。具体来说,不同的残留奥氏体钢淬火后导致相当大的奥氏体转变为马氏体在低温治疗,导致硬度显著增加,如高速所示钢碳含量高(35,36),然而,在这个工作中,较低的残留奥氏体钢淬火后所示的XRD分析结果和赵的发现等。37),以及完整的无能的残留奥氏体转变成马氏体在低温治疗(22,34,38),可能导致有限的硬度钢低温治疗后的变化。值得注意的是,降低马氏体基体中碳含量,因为更多的碳化物沉淀在低温治疗可能影响硬度的39),这可能抵消了有益的马氏体转变的残留奥氏体对硬度的影响。总的来说,这两个相反的影响结果的组合在一个无关紧要的硬度的变化。
作为这项工作的建议,低温治疗可以改善钢的耐磨性,这与文献的结果一致,但不同的低温治疗参数的影响程度不同。低温温度和保持时间,低温之间的温度是最影响参数,其次是保持时间作为第二个影响参数,即同意达尔文的发现等。40]。许多研究人员发现,降低制冷温度可以获得更多改善钢的耐磨性,和制冷温度的最优值是−196°C (9,25,41,42]。类似但略有不同,低温治疗−获得改善耐磨性超过160°C−120°C,和耐磨性−−196°C改善几乎一样160°C,仅高0.29%,这可能是由于引入多个周期的低温治疗。同样,提高耐磨性随扩展占用时间,在最近的研究报道43- - - - - -46),在这工作。和最佳时间是24小时在这个工作,这是相同的结果Senthilkumar et al。21]。但当保持时间超出最优值,进一步扩展占用时间不会继续生效。最优与类型的钢,举行时间变化大大在12 h (47),甚至24小时(48],或36 h [49]。除了制冷温度和保持时间,周期数,没有参与文学,作者的知识,被证明是第三个影响参数在这个工作,和最优值是两个周期,即一个大循环,后跟一个子公司。
针对有限的残留奥氏体转变,低温治疗的主要原因可以提高钢的耐磨性可以碳化物析出,微观结构测试结果如图所示的这个工作。具体来说,当钢冷却低温温度、组织萎缩造成了过度饱和的马氏体微观结构(34]。下应变能萎缩,间质过饱和马氏体中碳原子可能隔离附近的混乱,晶界,或其他晶体缺陷,形成碳簇(50,51]。在随后的热处理,因为温度上升,碳簇成核和长大碳化物沉淀在过饱和马氏体的核52- - - - - -54),与此同时演绎成屈氏体。硬碳化物嵌入矩阵有利于耐磨性,碳化物的数量,除了他们的细度和分布矩阵,可以显著影响钢的耐磨性。所以更细碳化物沉淀引起低温治疗和分散分布在屈氏体最终结果的矩阵在钢的耐磨性的提高。此外,细碳化物可以减少粘附摩擦钢铁/陶瓷摩擦对穿地形如图所示,在咖啡有利于减少,因此更多的沉淀碳化物由低温治疗也可以提高钢的咖啡。
除了提高耐磨性,证明这项工作,低温治疗也可以提高钢的冲击韧性,这类似于发现在文献[55,56),低温治疗是恒定低温下进行,如−180°C或−196°C。占用时间,24小时对提高冲击韧性的影响比2 h,这是按照以色列的发现et al。55]。在回火后钢的低温治疗,更细碳化物沉淀导致减少碳含量的矩阵,使矩阵更韧性。此外,分散分布的特殊碳化物可能减少碳化物的不利影响矩阵的韧性通过弱化微裂隙的形成和传播过程中断裂。由于合并后的影响,低温处理后钢的冲击韧性提高。
穿地形的结果表明,深冷处理可以减少粘着磨损,已在一些研究报告9,57]。在研究,减少粘着磨损是由于增加了硬度。相比之下,在这个工作中,微不足道的增加硬度,减少粘着磨损和磨料磨损的增加可能会欠更多沉淀的高硬度碳化物由低温治疗。此外,低温处理后氧化磨损的存在可能是由于氧化膜的形成,局部温度上升引起的摩擦热在干滑动(58]。
虽然低温治疗可以提高耐磨性和冲击韧性42 crmo钢、低温处理对耐磨性的影响参数不同于冲击韧性。为了获得一个好的组合这两种力学性能的改进,可以进行多目标优化使用传统或智能优化算法在未来的研究。
5。结论
这项工作研究循环低温治疗的效果与不同参数对耐磨性和冲击韧性42 crmo钢和优化的参数通过正交设计方法和范围分析。磨损机理和断裂机理进行了分析通过检查穿地形,使用SEM断口地形。此外,低温治疗的影响机制耐磨性和冲击韧性也研究了通过分析和SEM微观结构。从这些分析所获得的主要结论如下:(1)低温治疗对硬度影响微不足道的硬化42 crmo钢,这可以归因于小的残留奥氏体转变成马氏体和马氏体中碳含量降低的负面影响。(2)低温处理可以显著提高耐磨性的42 crmo钢,其变化趋势与咖啡是一致的。为提高钢的耐磨性,最具影响力的参数是低温温度,其次是占用时间和周期数。这些参数的最优值−160°C, 24 h和两个周期。影响机制是碳化物沉淀的增加引起低温治疗,和硬质合金沉淀增加而降低低温温度或延长保温时间。(3)低温治疗可以显著改善42 crmo钢的冲击韧性。最具影响力的参数对提高钢的冲击韧性是占用时间,其次是周期数和低温温度。参数的最优值为提高冲击韧性−120°C, 24小时和三个周期。碳化物的影响机制可能会增加降水引起低温治疗。(4)CT的磨损机理是磨料磨损和粘着磨损和氧化磨损,而本契约的主要磨损机制是粘着磨损。减少了粘着磨损后CT与本契约。(5)CT的断裂机理和CHT是quasicleavage骨折,和增加quasicleavage骨折后CT与本契约相比,这是按照增加低温治疗后冲击韧性。
数据可用性
使用的数据来支持这项工作的结果是包含在这篇文章。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突有关这篇文章的出版。
确认
这项工作得到了国家自然科学基金(批准号51675363)。