1 引言磨削硬化是利用缓进给磨削中产生的热、机械复合作用直接对未淬硬钢进行表面淬火的一种新工艺。由于该工艺实现了磨削加工与表面淬火的集成制造 ,减少了零件加工工序、设备与人员的投入、资源与能源的消耗以及热处理设备排放物对生态环境的污染 ,并抑制了淬硬钢磨削过程中热、机械作用可能造成的工件表面缺陷 ,从而在磨削加工与金属材料表面改性领域具有十分广阔的应用前景<1,2 > 。1994年BrinksmeierE等学者首次提出该项新工艺<3> ,并于 1996年和 1999年分别采用湿磨、干磨方式对AISIE5 2 10 0钢和AISI 4 14 0钢进行了磨削硬化试验研究<2 ,4 > ;2 0 0 2年ZarudiI采用压缩空气冷却 ,对AISI 4 14 0钢进行了磨削硬化试验研究<5,6 > 。由于各自采用的磨削工艺条件的差异 ,导致试验结果缺乏可比性 ;同时 ,已有的研究均未涉及不同冷却条件下磨削硬化层组织与性能的变化规律。本文在其他磨削工艺条件恒定的情况下 ,采用不同的冷却条件对 6 5Mn钢进行了磨削硬化处理 ,研究了冷却条件对磨削硬化层组织、显微硬度及其深度的影响。 2 试验材料与方法试验材料选用调质态 6 5Mn钢。磨削硬化试验在杭州机床厂生产的M7130型卧轴矩台平面磨床上进行 ,砂轮主轴电机功率 4 5KW。为了获得足够的磨削热以保证一定深度的试件表层加热温度达到Ac3以上 ,试验采用深切缓进给逆磨方式。结合设备条件确定的磨削工艺条件为 :P35 0× 4 0× 12 7WA4 6K6V砂轮 ;磨削速度vs=2 6m/s ,磨削深度ap=1 0mm ,工件进给速度vw=0 6m/min ;冷却条件分别为干磨和湿磨 (4 %乳化液 )。磨削硬化后 ,将试件沿磨削硬化层深度方向切开 ,经镶嵌后研磨抛光 ,用 4 %硝酸酒精溶液腐蚀 ,制成金相试样。采用JXA 84 0A型扫描电镜观察硬化层显微组织 ,用HVS 10 0 0型数字显微硬度计测量硬化层显微硬度 ,用NikonEPIPHOT 30 0型金相显微镜测量硬化层厚度 ,用D/MAX rA型X射线衍射仪进行材料物相分析。 3 试验结果与分析3 1 冷却条件对硬化层组织的影响根据磨削温度场的分布特点 ,从材料表面到里层 ,硬化层组织分别为 :完全硬化区和过渡区。(1)完全硬化区完全硬化区组织形貌见图 1。结合X射线衍射测试结果可见 ,完全硬化区由细小针状马氏体、残余奥氏体和少量未溶碳化物组成。与干磨相比 ,湿磨时该区马氏体组织形貌并未发生显著变化 ;但其马氏体和未溶碳化物含量相对较多 ,而残余奥氏体含量则较少。在磨削硬化过程中 ,砂轮—工件接触区产生的大量磨削热使该区域温度处于Ac3以上而奥氏体化 ,且奥氏体晶粒从表面到里层逐渐细化 ;同时 ,奥氏体晶粒在磨削力引起的应变场作用下产生形变 ,形变导致奥氏体晶粒从表面到里层“碎化”程度和位错密度逐渐降低<6 > 。因此 ,磨削温度场和应变场综合作用的结果决定了奥氏体的状态 ,并直接影响冷却后的马氏体组织形貌。在其他磨削工艺条件恒定时 ,与湿磨相比 ,干磨时由于没有乳化液的冷却、润滑与冲洗作用 ,高达6 0 %～ 90 %的磨削热量传入工件表面 ,试件表层奥氏体化后的加热温度较高 ,奥氏体晶粒快速长大 ;但因磨削力相应增大 ,形变量随之增加 ,在粗大的奥氏体晶粒内部形成了大量的亚晶并使位错增殖。在依靠基体热传导的自淬火过程中 ,大量的亚晶和高密度的位错为马氏体的转变提供了更多的有效形核位置 ,从而细化了马氏体组织。最终使得干、湿磨硬化层马氏体组织形貌无明显变化。此外 ,干磨时工件表面加热温度较高 ,钢中的碳化物及合金元素得以较充分地溶入奥氏体 ,增加了奥氏体的稳定性 ,降低了奥氏体向马氏体的转变速度 ,使残余奥氏体含量相应增加 ,而马氏体和未溶碳化物含量相应减少。图 1 完全硬化区的组织形貌(2 )过渡区图 2是过渡区组织形貌。该区受热传导的影响、加热温度处于Ac1～Ac3之间而部分奥氏体化 ,冷却后形成了比完全硬化区更加细小的针状马氏体和回火索氏体的混合组织。该区组织是温度梯度作用的必然结果 ,因此干、湿磨时该区组织没有变化 ;其深度因温度梯度的不同而相异 ,湿磨时深度较小。图 2 过渡区组织形貌 3 2 冷却条件对硬化层显微硬度的影响图 3是磨削硬化层显微硬度分布曲线。根据其变化规律 ,也可分成三个不同区域 ,分别对应完全硬化区、过渡区和基体。完全硬化区具有极高的硬度 ,与常规淬火相比 ,提高了 10HRC左右 ;冷却条件对其显微硬度无显著影响 ,硬度均在 810～ 870HV之间。由于在不同冷却条件下 ,硬化层的马氏体组织形貌无明显变化 ,细晶强化对显微硬度的贡献基本相同。根据硬度叠加原理 ,完全硬化区显微硬度与马氏体、残余奥氏体、碳化物的硬度及其体积分数直接相关。与湿磨相比 ,干磨时试样表面加热温度较高 ,钢中碳化物及合金元素得以较充分地溶入奥氏体。虽然增加了奥氏体的稳定性 ,降低了奥氏体向马氏体的转变速度 ,使残余奥氏体含量相应增加 ,马氏体和未溶碳化物含量减少 ,但却使转变后的马氏体含碳量增加 ,使马氏体硬度提高。二者的综合结果造成了干、湿磨时完全硬化区的显微硬度无明显变化。图 3 磨削硬化层显微硬度曲线3 3 冷却条件对硬化层完全硬化区深度的影响干磨和湿磨时完全硬化层深度分别为 1 7mm和 0 6mm。根据磨削理论 ,在磨削过程中 ,传入试件表面的单位能量ec’可用下式估算 :ec′ =RwFt′vsvw式中 Rw———热量传入工件的比例 ,Rw=0 35～0 9,干磨时取上限Ft'———单位砂轮宽度的切向磨削力vs———磨削速度vw———工件进给速度显然 ,在其他磨削工艺条件恒定时 ,与湿磨相比 ,干磨时单位砂轮宽度的切向磨削力Ft'和热量传入试件的比例Rw 较大。可见 ,干磨时传入试件表面的单位能量ec′增多 ,使得试件表层处于Ac3温度以上的区域增大 ,从而导致其完全硬化区深度增加。 4 结论(1)冷却条件对硬化层的马氏体组织形貌无显著影响 ;与湿磨相比 ,干磨时工件中马氏体和碳化物含量较少 ,而残余奥氏体含量增多 ;(2 )冷却条件对硬化层完全硬化区的显微硬度无显著影响 ,其硬度值均在 810～ 870HV之间 ,(3)在本研究的磨削工艺参数下 ,干磨时完全硬化区深度可达 1.7mm ,而湿磨时完全硬化区深度只有 0 6mm。冷却条件对65Mn钢磨削硬化层组织与性能的影响@刘菊东$江苏大学机械工程学院研究生!集美大学机械工程学院,361021福建省厦门市
@王贵成$江苏大学
@陈康敏$集美大学
@贾志宏$集美大学冷却条件;;磨削硬化;;显微组织;;硬化层深度通过在普通平面磨床上采用刚玉砂轮对6 5Mn钢进行磨削硬化试验,研究了冷却条件对其硬化层组织与性能的影响。结果表明,在不同冷却 条件下,硬化层的马氏体组织形貌及显微硬度无明显变化,完全硬化区显微硬度均在810～870HV之间;干磨时,马氏体和碳化物含量减少,残余奥氏体含量增多,其完全硬化区深度高达17mm ,而湿磨时仅为0 6mm。1 刘菊东,王贵成.磨削淬硬工艺的研究现状与发展趋势.现代制造工程,2003,(11):81～83
2 BrinksmeierE ,BrockhoffT .Utilizationofgrindingheatasanewheattreatmentprocess.AnnalsoftheCIRP ,1996,45(1):283～286
3 BrinksmeierE ,BrockhoffT .Randschicht waermebehandlungdurshschleifen.HaertereiTechn.Mitt.,1994,49(5):327～330
4 BrockhoffT .Grinding hardening:acomprehensiveview.An nalsoftheCIRP ,1999,48(1):255～260
5 ZarudiI,ZhangLC .Mechanicalpropertyimprovementofquenchablest eelbygrinding.JournalofMaterialsScience,2002,37(18):3935～3943
6 ZarudiI,ZhangLC .Modelingthestructurechangesinquenchablesteelsubjectedtogrinding.JournalofMaterialsScience,2002,37(20):4333～4341国家自然科学基金资助项目 (项目编号 :5 0 2 75 0 66);;
福建省教育厅科技项目 (项目编号 :JA0 3 13 3 )影响干磨和湿磨时完全硬化层深度分别为 1 7mm和 0 6mm。根据磨削理论 ,在磨削过程中 ,传入试件表面的单位能量ec’可用下式估算 :ec′ =RwFt′vsvw式中 Rw———热量传入工件的比例 ,Rw=0 35～0 9,干磨时取上限Ft'———单位砂轮宽度的切向磨削力vs———磨削速度vw———工件进给速度显然 ,在其他磨削工艺条件恒定时 ,与湿磨相比 ,干磨时单位砂轮宽度的切向磨削力Ft'和热量传入试件的比例Rw 较大。可见 ,干磨时传入试件表面的单位能量ec′增多 ,使得试件表层处于Ac3温度以上的区域增大 ,从而导致其完全硬化区深度增加。 4 结论(1)冷却条件对硬化层的
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