纳米流体强化热处理的研究

第 1 章   绪论

1.1  概述

多年来，相比于国外的先进水平,我国热处理技术一直都处于落后。为了促进热处理生产技术的快速发展，缩短我国与国外的差距,满足热处理日常生产的需要，必须加强重视淬火介质的研究和应用。

所谓淬火是指将钢加热到临界温度以上，保温一段时间，使之全部奥氏体或部分奥氏体化，然后以大于临界冷却速度快冷到Ms 温度以下，从而得到马氏体组织的工艺过程。在淬火过程中，工件可能会出现变形、软点、开裂等缺陷，促使机械性能或金相组织达不到要求。材料的原始状态、化学成分、工件的形状尺寸和加热工艺等是影响工件热处理质量好坏的主要因素。另外，淬火冷却介质的选用以及冷却方法与其也有密切的关系，所以保证热处理质量的关键问题就是合理的选择和使用淬火冷却介质。

根据淬火介质的形态，可将其分为三种：固态、液态和气态。其中应用最普遍的是液体淬火介质，而油、水又是液体中主要的两类淬火介质。

工件在液体淬火介质如水、油中冷却时，其冷却过程一般可分为三个阶段：蒸汽膜阶段、沸腾阶段和对流冷却阶段。蒸汽膜阶段是指炽热的工件使周围的淬火介质汽化，形成的蒸汽膜阻碍了工件的散热，淬火介质的冷却速度缓慢，直至蒸汽膜破裂，进入沸腾阶段。在沸腾阶段，淬火介质的冷却速度是最快的，因为淬火冷却介质与工件直接接触，淬火介质产生强烈的沸腾，生成很多气泡，气泡上升将大量热量带走，冷却速度加快；此时工件温度迅速降低至接近介质的沸点，不再产生气泡，该阶段宣告结束进入对流阶段。对流阶段由于工件与介质之间的温差较小，靠对流换热带走的热量较少，冷却速度比较缓慢。在该阶段，其冷却能力主要受如热容、热导性、粘度等介质本身性质的影响。

1.2  碳纳米管纳米流体淬火介质的研究

1.2.1  碳纳米管的简介

碳团簇类材料的发现与人工制造技术上的突破，诱发了世界范围内对这种材料的研究热潮。与此同时，有人意识到封闭的结构应该有各种类型。所有这种结构都应该符合Euler 定理，即具有一定数量的五边形掺杂在由六边形组成的网络之中形成一个封闭的网络。1991 年初，美国海军实验室的一个研究小组首次提出了一篇关于纳米管电子结构的理论文章，但是由于人们认为在当时条件下要制造出这么小的管是不可能的，所以该文没有被引起重视。同年，日本人Iijima在用HRTEM分析由Meijo大学送来的碳灰样品时发现了碳纳米管的存在，尽管柱状碳管和碳纤维早有报导，但是他发现的碳管是高度石墨化的。最重要的是他注意到了这种管的封口处是由五边形碳环和六边形碳环组成，在管身部分，碳原子壳层的卷曲使碳原子按一定的螺旋角排列，符合理论上的推测。Iijima发现的碳纳米管是在制备 C60送来的碳灰中发现的，由于是从反应室壁上收集到的，所以含量很低，并且它不像C60可以用溶剂提纯，所以对纳米管性质的实验研究不能进一步展开。1992年，NEC基础实验室的一个研究小组宣布他们可以大量制造碳纳米管，并公布了他们的实验结果，很快这个实验在许多实验室得到了验证至此，全面研究碳纳米管的高潮兴起。

碳纳米管具有十分优秀的导热性能和巨大比表面积特点，吸引着大量科学家、工程师的研究热情。经过近十几年的努力研究，碳纳米管已经进入到工业应用阶段。

第 2 章   实验材料与方法

2.1  试验材料

本文选用制备纳米流体淬火介质的碳纳米管购自南昌太阳纳米技术有限公司，用化学气相沉积法制备的，纯度在95%以上，管径约10-50nm，长度约1-10um。对碳纳米管进行化学处理，使其能在基液中稳定悬浮。

N46 机械油购于机油商店，系 46#全损耗系统用油，是一种通用润滑油。外观为亮黄色，闪点：220（℃），粘度等级：68，倾点：-12（℃）。40℃时的运动粘度为43.2mm2/s。具体的产品指标如下：

PAG 淬火液购于烟台恒鑫化工科技有限公司，PAG 淬火液是一种浅黄色透明液体，加有防锈、防腐、湿润、杀菌等多种添加剂制成，对水有逆溶性。PAG淬火液克服了水冷却速度快，易使工件开裂，淬火油冷却速度慢且易燃的缺点，广泛应用于各种工件不同材质的热处理工艺。具体的产品指标如下：

本文选用45号钢作为试验淬火材料，它是常用的中碳调质结构钢，冷塑性一般，退火、正火比调质时要稍好，具有较高的强度和较好的切削加工性，材料来源方便等特点。适当的热处理以后可获得一定的塑性、韧性和耐磨性。该钢主要是用来支承传动零部件，传递扭矩和承受载荷，是机器中经常遇到的典型轴类零件之一。

2.2  试验仪器

采用箱式电阻炉（SX-10-13 型、功率为2.5KW），立式电阻炉（SG2-7.5-10、7.5KW）、淬火探头为 Φ22mm*50mm 的 45#钢如图 2.1 所示、XJG-05 型光学显微镜、HR-150 洛式硬度计、型号为 LM20A-200 的 X-Y 函数记录仪以及铠装镍铬-镍硅热电偶。

第3章  水基-碳纳米管纳米流体冷却特性的研究............. 16

3.1  水基-碳纳米管纳米流体的表征................ 16

3.2  碳纳米管含量对水基碳纳米管纳米流体冷却能力的影响 ............ 19

3.3  分散剂对水基碳纳米管纳米流体冷却能力的影响 .......... 22

第4章  油基-碳纳米管纳米流体淬火液含量对其冷却特性曲线及45号钢性能的影响................ 27

4.1  油基-碳纳米管纳米流体的表征...................... 27

4.2  碳纳米管含量对油基-碳纳米管纳米流体冷却特性曲线的影响 .............. 29

第5章  利用锻造余热淬火稳定生产大断面40Mn2锻钢磨球.... 35

5.1  工艺实验准备........... 35

5.1.1  生产设备及工艺参数........... 35

5.1.2  实验研究的考察指标.......... 36

第5章  利用锻造余热淬火稳定生产大断面40Mn2锻钢磨球

锻钢磨球是球磨加工矿石的常用磨球之一。随着矿山开采自动化，规模化生产的快速发展，矿石球磨机的尺寸越来愈大，例如江铜德兴铜矿现在引进和使用的滚筒磨机的直径已达到10 米，每天产出铜矿石粉1千吨/台，这对磨球提出了新要求。第一，要求最大直径磨球尺寸增加，现在该矿使用最大磨球直径达到 125mm。第二，要求磨球在保证一定厚度的表层具有高硬度条件下，具有很好的冲击韧性。制造磨球有两种基本技术路线，一种是塑性成形制造工艺，包括锻造成型钢球，旋挤扎制钢球等工艺路线，主要生产变形加工的钢磨球。另外一种是铸造成形制造工艺，主要生产铸铁磨球。铸铁磨球整体硬度高，生产成本低，但韧性较差，对环境污染大。锻造生产的钢球组织致密，热处理后，可以获得很高硬度的表层、但是整体硬度分布不均匀。锻钢球冲击韧性高，使用时破碎率低，抗破碎能力是一般铸铁磨球的 3 倍以上，落球次数超过 2 万次，实际破碎率不高于1%，所以现在大直径磨球都趋于采用锻钢磨球。锻钢磨球生产的最大特点是需要进行淬火和回火热处理。如果单独重新加热钢球进行热处理，会增加成本。为了降低生产成本，现在大规模生产锻钢球的热处理淬火一般都采用锻造余热淬火工艺。锻钢球生产中的热处理环节是最重要的生产环节，是决定钢球的机械性能和成品率的重要因素。

针对大规模锻造热处理流水线生产直径120mm大尺寸40Mn2锻钢磨球的生产条件，本文展开了对该钢球工艺优选和优化工作的研究。

第 6 章   结论与展望

6.1  结论

1、通过了对 CNTs 进行球磨、酸处理、表面改性和超声分散之后,CNTs 能够稳定的分散悬浮在基液中。

2、CNTs 为 0.2wt%时，，其特性温度（Tvp）、最大冷却速率（Vmax）和最大冷却速率所在温度（Tmax），还有温度降到 300℃时的冷却速率（V300）都是大于水的，并且水基-CNTs纳米流体特性随着CNTs含量进一步的增加而逐渐的下降、添加分散剂 SDBS 的纳米流体的冷却速度明显低于未加分散剂 SDBS 的纳米流体的冷却速度以及水基-CNTs 纳米流体淬火介质的冷却特性随着淬火液温度的升高逐渐的下降。水基-碳纳米管纳米流体淬火液大部分仍然为水，而水作为淬火介质，在高温阶段冷却速度会大大下降，纳米流体淬火液也遗传了这个缺点。对浓度的变化比较敏感，要求经常检测淬火液的浓度。

3、通过 SEM 扫描电镜可以看出，CNTs 的管径大概是 10-50nm，长度大概是 1-50um，并且以网状均匀的分散在油脂当中，该 CNTs 在油脂当中短时间内不会下沉。油基-CNTs 纳米流体在45号钢上的接触角在12°至19°之间，比N46号机油的大，并且随着CNTs 含量的增加其纳米流体的接触角逐渐的增大。说明随着CNTs 的加入，其润湿性有所下降。随着 CNTs 含量的增加，油基-CNTs 纳米流体的粘度增加，并且都大于N46 号机油的粘度。

4、随着 CNTs 的加入，介质的冷却速度提高了，并且随着 CNT 含量的增加，冷却速度逐渐增大。并且经过油基-CNTs 纳米流体和 30#机油淬火后，45#钢的硬度明显比分布为29~31HRC和21~24HRC，在油基-CNTs 纳米流体中淬火后达到的硬度明显大于在30#机油中淬火后的硬度，但是淬火后它们的心部和表面的硬度都相差不大。

5、45#钢经油基-CNTs 纳米流体和 30#机油淬火、回火后，试样的表层和心部均为铁素体和珠光体以及残余的奥氏体组织，经30#机油淬火后的铁素体体积分数明显多余1.50wt%油基-CNTs 纳米流体淬火后的铁素体。

6、利用锻球余热淬火工艺处理 120mm 直径大断面 40Mn2 锻钢球可以使钢球硬度，冲击韧性达到标准要求，但是该钢球此时具有较大的淬裂倾向，容易产生内裂纹。原始钢材夹渣，缩孔缺陷将大幅度提高余热水介质淬火120mm直径大断面40Mn2 锻钢球废品率，有时可高达20%。

7、用水作为淬火介质，按照标准推荐 40Mn2 钢热处理工艺生产 120mm 锻钢球和锻后直接淬火生产的钢球的成品率基本相同。但是锻后即淬火的钢球的硬度值和硬度分布不稳定，难于控制。

8、采用 PAG 有机淬火介质淬火处理 125mm 大直径 40Mn2 锻钢球，可以使锻钢球热处理成品率达90%以上，表面硬度可达HRC55, 而且硬度分布均匀。

参考文献（略）