钢感应淬火工艺参数优化探讨范文

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《徐州工程学院学报》2017年第2期

摘要：通过响应面法建立了35SiMn钢感应淬火工艺参数电流频率、电流密度、移动速度与淬火性能工艺目标表面硬度、淬层深度、抗拉强度之间的二次回归方程，并对35SiMn钢感应淬火工艺参数进行了单工艺目标和综合工艺目标优化，分别得到了各自的优化工艺参数，同时进行了验证试验，实际结果与优化预测结果基本一致．

关键词：35SiMn钢；淬火；工艺参数；优化；响应面

35SiMn是一种性能优良、经济实用的合金调质钢，其淬透性好，具有较高的强度、良好的韧性和耐磨性、可切削加工性等优点［1－2］，常用于制造传动齿轮、主轴、心轴、转轴、连杆、蜗杆、轨道电车轴、发电机轴、曲轴、飞轮和大小锻件等［3－4］．淬火是35SiMn钢的常见热处理方式，也是改善其力学性能的主要手段．感应淬火技术具有加热速度快、生产效率高、节约能源、保护环境、易于实现机械化和自动化等诸多优点，在机械制造行业，已获得广泛的应用［5－6］．感应淬火是涉及电、磁、热、相变和力学方面的复杂物理过程［7－8］，其工艺参数直接影响材料的淬火效果和性能．感应器的移动速度、电流频率、电流密度等参数影响加热温度的变化，因此对零件表面奥氏体化的形成过程产生影响，进而影响材料淬火后的最终组织及力学性能［9－10］．合理选择感应淬火工艺参数，对提高零件淬火效果和材料的综合力学性能十分重要．响应面优化是将体系的响应作为1个或多个因素的函数，通过一系列确定性试验，用多项式函数来近似隐式极限状态函数，通过合理地选取试验点和迭代策略，来保证多项式函数能够在失效概率上收敛于真实的隐式极限状态函数的失效概率，从而寻找最优条件［7－8］．优化结果不仅局限在试验设计的孤立点上，而是在整个响应多项式函数定义域内，所以比正交试验优化法有更高的精度．本文运用响应面法优化35SiMn钢感应淬火工艺参数，以期为其淬火工艺设计与生产控制提供借鉴．

1试验方法

试验材料为16mm×120mm的35SiMn钢棒料．采用试件旋转感应器沿试件轴向移动的加热方式淬火．加热停止后继续喷水冷却5s，直至温度降到马氏体停止转变温度以下［11－12］．在不同感应圈移动速度、电流频率及电流密度下，分别考察试件的淬火效果，即以电流频率（A）、电流密度（B）、移动速度（C）为感应淬火优化工艺参数．利用响应面优化软件工具，设计一个3因素5水平的旋转中心组合试验［9－10］，试验设计见表1．材料淬火后的性能指标较多，如力学性能（硬度，强度，塑性）、工艺性能（切削，铸造，焊接，锻造）、金相组织结构等．文中以表面硬度（Y1）、淬层深度（Y2）、抗拉强度（Y3）为感应淬火试件综合力学性能为优化工艺目标．用HV－1000维氏硬度计测量试件的表面硬度，沿试件轴向和径向分别取5个不同点测点，取其平均值为其硬度；将试样打磨干净，用体积分数4％硝酸乙醇溶液（4mL硝酸＋96mL乙醇）浸蚀后，观测硬化层及金相组织，淬硬层的测量自表面开始测至显示出清晰50％马氏体组织处为止．在WDW－100电子万能试验机上进行拉伸试验，测量试件的抗拉强度。

2试验分析

2．1二次回归方程

响应面法优化的基本原理是首先利用试验数据建立优化工艺参数和工艺目标之间的函数关系，然后对拟合的函数进行规划，最后得到最优解．根据表2中的试验数据，分别对试件的表面硬度（Y1）、淬层深度（Y2）、抗拉强度（Y3）进行二次回归拟合。

2．2方差分析方差分析

主要是检验模型的拟合精度．方差分析常用的指标有：模型检验值F、失拟项检验值F′、模型概率P、失拟项概率P′、相关系数R2、修正相关系数R2Adj、预测相关系数R2Pred、信噪比PAdeq等［13－14］．模型的检验值F越大概率值P越小、信噪比PAdeq越大，说明模型的拟合精度越高；失拟项的检验值F′越小概率值P′越大，说明模型的拟合精度越高；相关系数R2越大，说明模型的拟合度越好，但是R2随着自变量的个数增加而增大，为了全面的考察拟合程度，引进修正相关系数R2Adj，当R2Adj与R2值相接近时，说明拟合程度较好；当R2Adj与R2值相差较大时，说明近似模型中存在不重要的参数，可以通过回归分析删除冗余参数．此外还可以根据预测相关系数R2Pred，判断方程的拟合精度，R2Pred与修正相关系数R2Adj越接近，说明预测精度越高。

3工艺优化

3．1单工艺目标优化

分别对感应淬火试件的表面硬度（Y1）、淬层深度（Y2）、抗拉强度（Y3）进行单工艺目标优化，即分别求Y1、Y2、Y3达到最优时的淬火工艺参数淬火频率、电流密度、移动速度的最佳值．表面硬度、淬层深度、抗拉强度最优，即Y1、Y2、Y3均最大。

3．2综合工艺参数优化

综合优化工艺目标是求使3项工艺目标同时到达最优时35SiMn钢感应淬火的最佳工艺参数，即使表面硬度（Y1）、淬层深度（Y2）、抗拉强度（Y3）均最大时的淬火频率、电流密度、移动速度的最佳值．综合工艺目标优化问题可转化为单工艺目标优化问题，方法是将综合工艺目标表示为单工艺目标的加权线性组合。

3．3交互项影响分析

交互项分析是考察二次回归方程中的交互项对工艺目标的影响规律和影响程度．利用响应面优化软件，可作出各工艺目标的响应面。

3．4验证试验以优化

得到的工艺参数进行35SiMn淬火试验验证，即电流频率14．99kHz，电流密度40×10－6A／m2，感应器移动速度4．298mm／s进行感应淬火，测试试件的性能，结果为表面硬度Y1＝453．2HV，淬层深度Y2＝2．23mm，抗拉强度Y3＝116．9MPa，与响应面优化的结果基本一致，说明了响应面法优化35SiMn钢感应淬火工艺参数的可行性和有效性。

4结语

感应淬火是一种全新的热处理工艺技术，其热效率高，加热时间短，工件变形小，淬火缺陷少，质量稳定，生产环境清洁，能满足局部热处理要求．由于感应淬火可以选择的频率段较多，硬化层的范围较宽，淬层深度比渗碳淬火更深，因此可使工件的强度达到更高标准，在机械制造行业被广泛应用．感应淬火工艺参数直接影响淬火后零件的性能，优化工艺参数是保证零件感应淬火效果和使用性能的关键．本文通过响应面法建立了35SiMn钢感应淬火工艺参数电流密度、移动速度和淬火频率与零件淬火性能表面硬度、淬层深度、抗拉强度之间的二次回归方程，并通过响应面优化软件，对35SiMn钢淬火进行了单工艺目标和综合工艺目标优化．在以表面硬度、淬层深度、抗拉强度为多工艺优化目标下，感应淬火最佳工艺参数为：淬火电流频率14．99kHz，电流密度40×10－6A／m2，移动速度4．298mm／s．此时，表面硬度为453．8HV，淬层深度为2．296mm，抗拉强度为116．2MPa，并可得到优化结果的可信度P＝0．8863．

参考文献：

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作者：王艳 单位：武汉理工大学材料科学与工程学院