鋼的硬度和淬透性 (下)

從 美國金屬學會 熱處理手冊 上學習(xi):鋼的硬(ying)度和淬透性 (下)

接上文

十、喬米尼末端淬火數據集的可變性

    在受(shou)控條件(jian)下,如果沒(mei)有(you)(you)(you)要求達到理想狀態(tai),那么(me),末端淬火試驗的(de)再(zai)現(xian)(xian)性是(shi)可以接受(shou)的(de)。然而即使(shi)具有(you)(you)(you)展示實驗再(zai)現(xian)(xian)性的(de)受(shou)控條件(jian),一個H 型鋼在靠近末端淬火拐點固(gu)定深處硬度,在受(shou)控條件(jian)下,通常也(ye)會有(you)(you)(you)±6HRC的(de)散差。無論如何,重(zhong)要的(de)是(shi)要認識到,即使(shi)以為大家(jia)接受(shou)的(de)實驗數據(如末端淬火曲線)也(ye)存在本質上(shang)的(de)局限(xian)性。如圖41所示 。

對于8620滲碳鋼和淬硬(ying)層較深的(de)4140汽車(che)用鋼,從一家大型的(de)的(de)國際集團中選(xuan)取幾(ji)(ji)組末(mo)端淬火曲(qu)線(xian),鋼的(de)名義化學成(cheng)分和晶粒(li)度(du)(du)幾(ji)(ji)乎相(xiang)同(tong)(tong),導致(zhi)這(zhe)些(xie)差異的(de)原因(yin)可以(yi)概括(kuo)為化學成(cheng)分報告(gao)(gao)不(bu)準(zhun)確(que),實驗(yan)(yan)程(cheng)(cheng)序不(bu)細心,未報告(gao)(gao)過(guo)程(cheng)(cheng)可變(bian)因(yin)素,或未控制過(guo)程(cheng)(cheng)變(bian)量。同(tong)(tong)樣地。連續冷卻轉變(bian)曲(qu)線(xian)也隱含著類似的(de)經驗(yan)(yan)性錯(cuo)誤。原因(yin)轉變(bian)物質和冷卻歷史不(bu)是完(wan)全確(que)定的(de),或者模棱兩可的(de),而且高達(da)四(si)個數量級的(de)冷卻曲(qu)線(xian)疊加時間刻(ke)度(du)(du)的(de)不(bu)確(que)定性這(zhe)些(xie)不(bu)足(zu)將自(zi)然地表現出(chu)來。

十(shi)一、鋼的(de)淬透性(xing)計(ji)算

    2) 獲得化學(xue)成分(fen)。

    3) 根據含碳量和晶粒度(表7) 確定 DIbase。

    4) 確定合金元素的淬(cui)透性系數(表7) 。

    5) 按照式(1 ) 計算理想臨(lin)界直徑。

    在式(1 ) 中,基本DI (DIbase)(基本淬透(tou)性(xing)(xing))是含碳(tan)(tan)量和(he)晶粒度的(de)函(han)數(shu)(shu),而淬透(tou)性(xing)(xing)系數(shu)(shu)(f )是相互獨立的(de)(不總是純凈的(de))。克(ke)萊默(mo)(Kramer)等人隨后確定(ding)了(le)碳(tan)(tan)的(de)淬透(tou)性(xing)(xing)系數(shu)(shu),比格(ge)羅斯曼(man)的(de)數(shu)(shu)據(ju)大三倍(bei),而錳(meng)的(de)淬透(tou)性(xing)(xing)系數(shu)(shu)則降低了(le)大約(yue)相同的(de)

比例。

    有趣的是,按格羅斯曼方法(fa)計算的50%馬氏體的理想臨(lin)界直徑,與克萊默等人(ren)根據大(da)部(bu)分實際化學成分確定的這些(xie)系數(shu)有很(hen)好(hao)的一致性。對于可(ke)以完(wan)全溶解碳和合金元素(su)的低、中碳鋼,其淬透性很(hen)容(rong)易計算,故(gu)推(tui)薦使用克萊默系數(shu),如圖(tu)43和圖(tu)44 所示 。

▲圖(tu)43  碳、晶(jing)粒度級數和圖(tu)44一起使用

來(lai)計算(suan)鋁鎮靜的(de)低、中(zhong)碳鋼的(de)克萊(lai)默系數

▲圖(tu)44  適用于圖(tu)43的合金元(yuan)素的淬透性系數(shu)

    人們已對(dui)硬度(du)數(shu)據(ju)組(zu)與選用(yong)的(de)末端(duan)淬火深度(du)相(xiang)對(dui)應的(de)線性(xing)同(tong)歸公式進(jin)行了廣泛(fan)的(de)研究。對(dui)于單一鋼材(cai)牌號(hao),這是相(xiang)當有用(yong)的(de),提(ti)供的(de)數(shu)據(ju)組(zu)密集覆蓋了化學(xue)成分極限和硬度(du)帶(dai)。但是,這些公式不能在該單一牌號(hao)以外使用(yong),所以,依(yi)據(ju)這一程(cheng)序(xu)(xu)的(de)綜合(he)信息或專(zhuan)家(jia)系統在本質上缺(que)乏靈活(huo)性(xing)并且被夸大了。然而,銅材(cai)牌號(hao)數(shu)量有限的(de)生(sheng)產商或用(yong)戶可能會發現這種程(cheng)序(xu)(xu)適合(he)作(zuo)為牌號(hao)-格羅斯曼(Grossmann)系數(shu)的(de)替(ti)代(dai)方法(fa)。

    如果要求相對粗略,那么佳(jia)斯(si)特(te)(Just)給出了末端(duan)淬火圓(yuan)棒上 HRC 分布的一個完(wan)整系統,他建立了一條通用的末端(duan)淬火曲線形狀,用以1/16in為(wei)單位(wei)的末端(duan)淬火距離 “E” 來表(biao)示,而(er)且除碳以外,用所有(you)成分的質量(liang)分數(shu)作為(wei)線性回歸(gui)系數(shu)。“卡特(te)彼勒(le)淬透(tou)性計算(suan)器(IE0024)”,是其應用實例。

十二、根據淬透(tou)性選擇鋼種

    為了(le)選(xuan)擇合適的(de)(de)鋼,應首先查(cha)看(kan)不同鋼種可達到的(de)(de)最大(da)硬(ying)度(du)(du),即表(biao)1中(zhong)95%或99. 9%馬氏(shi)體含量欄目中(zhong),表(biao)面硬(ying)度(du)(du)對(dui)應的(de)(de)碳(tan)的(de)(de)質量分數。回火(huo)后一般(ban)可接受的(de)(de)表(biao)面硬(ying)度(du)(du)降(jiang)低值是5HRC 和 40HBW(采用布氏(shi)硬(ying)度(du)(du)時(shi),相應的(de)(de)壓痕直徑增量是0. 05mm (0. 002in)) 

    可達到(dao)的(de)(de)(淬火狀(zhuang)態)最大表(biao)面(mian)硬(ying)度取決于鋼(gang)的(de)(de)含碳量和淬透(tou)性。油中能整體淬透(tou)到(dao)表(biao)面(mian)最大硬(ying)度的(de)(de)最大橫截面(mian)尺寸見表(biao)8。

▼表8  油中能淬透到(dao)表面最大硬度的最大截面尺寸

    通過使用圖18 所(suo)示的(de)(de)末(mo)(mo)端淬(cui)火等效(xiao)(xiao)圖表以(yi)(yi)及鋼的(de)(de)淬(cui)透(tou)性帶(如圖45所(suo)示的(de)(de)4140H鋼的(de)(de)淬(cui)透(tou)性帶), 可以(yi)(yi)確定預期的(de)(de)心(xin)部(bu)硬度(du)范圍。末(mo)(mo)端淬(cui)火等效(xiao)(xiao)圖表顯示一根Φ50mm (Φ2in) 圓棒(bang)使用高速油淬(cui)火后(hou),將產生一個等效(xiao)(xiao)于末(mo)(mo)端淬(cui)火試棒(bang)J4(4/ 16in) 部(bu)位(wei)(wei)的(de)(de)表面冷卻(que)速度(du);心(xin)部(bu)的(de)(de)等效(xiao)(xiao)冷卻(que)速度(du)相對于末(mo)(mo)端淬(cui)火距離J8.5的(de)(de)部(bu)位(wei)(wei)。對于4140H鋼,淬(cui)透(tou)性曲(qu)線(圖45) 對應(ying)的(de)(de)表面硬度(du)范圍是51~59HRC, 對應(ying)心(xin)部(bu)硬度(du)是46~57HRC。

給定(ding)爐號(hao)的鋼(gang)(gang)的實際硬(ying)度嚴格取(qu)決于(yu)該爐號(hao)所(suo)指(zhi)定(ding)的淬(cui)透性。為了減少硬(ying)化特性的變(bian)(bian)化,從而在熱處(chu)理后,使(shi)表面和心部的硬(ying)度值范(fan)圍(wei)變(bian)(bian)窄(zhai),應采用H型鋼(gang)(gang)或使(shi)用限(xian)制淬(cui)透性規范(fan)的 H 型鋼(gang)(gang),以使(shi)所(suo)選(xuan)擇的鋼(gang)(gang)的淬(cui)透性變(bian)(bian)窄(zhai)。

    大部(bu)分可以淬(cui)火的(de)1xxx系列碳(tan)鋼中(zhong)錳的(de)質(zhi)(zhi)量分數為(wei)0. 60%~0. 90%.錳對淬(cui)透性(xing)的(de)影(ying)響顯著,即使錳的(de)質(zhi)(zhi)量分數僅存在0. 25%的(de)差異,也會使碳(tan)的(de)質(zhi)(zhi)量分數為(wei)

0. 50%的碳(tan)鋼的淬(cui)透性(xing)存在很(hen)大差別(圖46) 。

▲圖46  碳和錳對1050鋼(gang)末端(duan)淬(cui)火淬(cui)透性的影響

▲圖48  1340H鋼和1541H鋼淬透(tou)性帶的比較

12.1  實例

     采用淬透性圖表判斷4140H 鋼是否能滿足一根Φ44. 45mm (Φ1. 75in) 軸的硬度要求。(一臺機械需要一根Φ44. 45mm (Φ1. 75in) ,長1. 1m (31/2ft) 的軸(zhou)。工程分析表明,抗扭(niu)強度接近170MPa (25ksi) , 抗彎強度則達到 550MPa (80ksi) 。其(qi)他幾(ji)個零件在(zai)同一家工廠生產,也(ye)是采用 4140H 鋼(gang)制造(zao),現在(zai)希望知道(dao)用 4140H 鋼(gang)制造(zao)這根軸(zhou)是否具有足夠的淬透性。

     由于扭轉時的(de)切應(ying)力(li)(li)大約是彎曲(qu)時的(de)一半(ban),首先(xian)考慮彎曲(qu)的(de)情況。在(zai)彎曲(qu)過程中,心部(bu)的(de)應(ying)力(li)(li)接近于零,所以(yi)鋼(gang)的(de)心部(bu)不需要完全淬(cui)透(tou)。這(zhe)是很有幫助的(de),因(yin)為淬(cui)火應(ying)力(li)(li)的(de)分布(bu)將減少產生淬(cui)火裂紋的(de)危險,而(er)在(zai)回火后,能夠在(zai)軸的(de)外(wai)部(bu)部(bu)分存(cun)在(zai)壓應(ying)力(li)(li)。

    為了承受彎曲過程中550MPa (80ksi) 的(de)疲勞載荷,要求最小硬度是35HRC。對(dui)(dui)于這個例子(zi),假(jia)設(she)淬(cui)火狀(zhuang)(zhuang)態(tai)組(zu)織(zhi)至少含有(you)80%的(de)馬(ma)氏體(ti),通過對(dui)(dui)淬(cui)火狀(zhuang)(zhuang)態(tai)進行回(hui)火應(ying)能(neng)獲得35HRC。根(gen)據類似零件的(de)經驗,可以(yi)知道 80%馬(ma)氏體(ti)組(zu)織(zhi)應(ying)該出現在軸的(de) 3/4 半徑位(wei)置(zhi)。

    由于4140H鋼(gang)中(zhong)碳(tan)的(de)最小質量分(fen)數是0. 37%,在圖(tu)49 中(zhong)的(de)80%馬氏體組織上(shang)首先找到對應于0. 37%C的(de)淬(cui)(cui)火(huo)狀態(tai)的(de)硬(ying)度(du)。如圖(tu)49 中(zhong)頂部的(de)圖(tu)(和圖(tu)1 d)相(xiang)同)所示,這個(ge)淬(cui)(cui)火(huo)狀態(tai)的(de)硬(ying)度(du)是45HRC。

▲圖49  在鋼(gang)的截(jie)面上(shang)使(shi)用淬透性數據圖例

    重新描述前面的(de)問(wen)題(4140H 鋼是否適用于這(zhe) 個零件?) : 在一根

Φ44. 45mm (Φ1. 75in) 軸(zhou)的3/4半徑(jing)處,淬火狀(zhuang)態(tai)的 4140H 鋼能否提供(gong)最低要求硬(ying)度45HRC? 為(wei)了(le)回答這個(ge)(ge)問題,進入圖(tu)(tu)49 中(zhong)間的圖(tu)(tu)表,在Φ44. 45mm (Φ1. 75in) 處做(zuo)水平(ping)線(xian)(xian)(xian)與(yu)3/4 半徑(jing)對應(ying)的曲(qu)(qu)線(xian)(xian)(xian)相交(jiao)(jiao)于(yu)一點(dian),這個(ge)(ge)交(jiao)(jiao)點(dian)位于(yu)試樣末端(duan)淬火距離(li)6. 5/16in 的位置。最后做(zuo)垂直線(xian)(xian)(xian)到底部圖(tu)(tu)表上,與(yu)4140H鋼的最低淬透性(xing)(xing)曲(qu)(qu)線(xian)(xian)(xian)相交(jiao)(jiao)于(yu)一點(dian),該(gai)交(jiao)(jiao)點(dian)處的硬(ying)度為(wei) 49HRC。由于(yu) 49HRC>45HRC,因此(ci)用(yong) 4140H鋼制造(zao)該(gai)零件有足夠大的淬透性(xing)(xing)。

十(shi)三、淬透性(xing)極限和 H 鋼(gang)

    淬透(tou)性帶(dai)是(shi)描述許多等級的(de)碳和(he)合金鋼(gang)(gang)(gang)的(de)淬透(tou)性范(fan)圍的(de)末端滓(zi)火曲(qu)線(根據許多歷史數據繪制)。淬透(tou)性帶(dai)也(ye)可以在H鋼(gang)(gang)(gang)的(de)技術規范(fan)中采用(yong),H鋼(gang)(gang)(gang)是(shi)具有指定淬透(tou)性帶(dai)的(de)鋼(gang)(gang)(gang)種。這(zhe)些(xie)鋼(gang)(gang)(gang)種是(shi)在化學成(cheng)分符號之(zhi)后(hou),或者在統(tong)一(yi)編號系統(tong)(UNS) 名稱之(zhi)前用(yong)一(yi)個字母 H 命名。

    H 型鋼有供(gong)應商保證在(zai)規定的(de)(de)化(hua)學成分范圍(wei)內滿足淬(cui)(cui)透(tou)(tou)性(xing)要求。圖(tu)50 比較(jiao)了四種鋼的(de)(de)淬(cui)(cui)透(tou)(tou)性(xing)帶,H 鋼的(de)(de)淬(cui)(cui)透(tou)(tou)性(xing)比較(jiao)緊湊。化(hua)學成分類似的(de)(de)鋼種的(de)(de)淬(cui)(cui)透(tou)(tou)性(xing)帶比較(jiao)寬。表9 中 列出了 H 鋼的(de)(de)末端淬(cui)(cui)火淬(cui)(cui)透(tou)(tou)性(xing)帶。

▲圖50  H鋼(gang)的(de)淬透性(xing)帶(dai)與化學成分類(lei)似的(de)鋼(gang)的(de)淬透性(xing)帶(dai)比(bi)較

    當規(gui)(gui)定使(shi)用 H 鋼時,鋼鐵制造商將在(zai)交貨單上,或(huo)者通過其他方式給出包(bao)含煉鋼爐號在(zai)內的(de)淬(cui)透(tou)性(xing)(xing)特性(xing)(xing)。這個爐號的(de)淬(cui)透(tou)性(xing)(xing)通過在(zai)末端(duan)淬(cui)火試(shi)樣上規(gui)(gui)定的(de)參考點硬度(du),或(huo)者在(zai)規(gui)(gui)定的(de)末端(duan)淬(cui)火距(ju)離處的(de)硬度(du)來表示(shi)。20HRC以下的(de)讀(du)數不做記錄。在(zai)鑄造或(huo)者鍛(duan)造的(de)末端(duan)淬(cui)火圓棒上測定爐號淬(cui)透(tou)性(xing)(xing)。

    圖51 所示,為六個(ge) H 鋼系(xi)(xi)列最小淬透性曲線之間的(de)(de)(de)差異,在(zai)每一(yi)個(ge)H鋼系(xi)(xi)列中,合金(jin)含量(liang)(liang)基本不變,可以觀察到(dao)碳的(de)(de)(de)質(zhi)量(liang)(liang)分數(shu)(shu)對(dui)淬透性的(de)(de)(de)影(ying)響范圍是0. 15%~0. 60%.末(mo)端淬火(huo)試(shi)樣上的(de)(de)(de)任(ren)何曲線的(de)(de)(de)垂直(zhi)位(wei)置(zhi)之間,也就(jiu)是說,對(dui)于任(ren)何一(yi)個(ge)冷(leng)卻速度,可以看出(chu)碳對(dui)硬度的(de)(de)(de)影(ying)響。這種影(ying)響變化顯(xian)著,取決(jue)于合金(jin)元素的(de)(de)(de)類型和數(shu)(shu)量(liang)(liang)。例如,在(zai)圖51 d~f中,三個(ge)鋼系(xi)(xi)列中碳的(de)(de)(de)質(zhi)量(liang)(liang)分數(shu)(shu)從0. 35%增(zeng)加到(dao)

攪拌,就可(ke)以實現(xian)。因此,增加或減少含碳(tan)量或添加某種合(he)金化元(yuan)素,如質量分數為0. 15%的(de)(de)Mo, 可(ke)以在要求的(de)(de)淬(cui)冷烈(lie)度和橫截面尺寸(cun)下獲得希望的(de)(de)結(jie)果。

    圖52 所示,為如何(he)根據理想(xiang)臨界直徑對鋼種進(jin)(jin)行(xing)評(ping)價:假設在理想(xiang)淬火條件下(xia),將(jiang)橫截(jie)面(mian)的(de)(de)心部(bu)淬硬(ying)到50%馬氏(shi)體組織(zhi),通過碳和合(he)金元素的(de)(de)含(han)量(liang)(liang)(liang)對這(zhe)一(yi)過程的(de)(de)影響進(jin)(jin)行(xing)評(ping)價。理想(xiang)淬火是(shi)指熱量(liang)(liang)(liang)從鋼件表(biao)面(mian)釋放(fang)出(chu)去(qu)熱量(liang)(liang)(liang)的(de)(de)速度(du)和它從內部(bu)被(bei)傳遞到表(biao)面(mian)。的(de)(de)速度(du)相同。通常,硬(ying)度(du)和含(han)碳量(liang)(liang)(liang)之間的(de)(de)關系在實際應用(yong)中是(shi)很重要的(de)(de),但是(shi),用(yong)于這(zhe)種評(ping)定方法中卻是(shi)模糊的(de)(de),因為鋼被(bei)認為具有恒(heng)定的(de)(de)微觀結構。

硬度是隨著含碳(tan)量的(de)降(jiang)低而(er)不斷下降(jiang)的(de)。

十四、根據末端淬火試驗(yan)位置對 H 鋼進行分類

    由(you)表(biao)(biao)11可(ke)見,位于H 鋼(gang)末端淬(cui)火(huo)試樣(yang)硬(ying)度帶的(de)(de)(de)下(xia)限上,六個不同(tong)的(de)(de)(de)硬(ying)度水平被指定為淬(cui)火(huo)態硬(ying)度:55HRC、50HRC, 45HRC、40HRC、35HRC 30HRC。最后兩個硬(ying)度水平主要用(yong)于滲碳零件的(de)(de)(de)心部硬(ying)度。表(biao)(biao)中(zhong)包含了(le)(le)已經建立帶的(de)(de)(de)大部分鋼(gang),而(er)且已被繪(hui)入圖(tu)(tu)(tu)33 和圖(tu)(tu)(tu)34, 這樣(yang)做減(jian)少了(le)(le)需(xu)要查,閱(yue)的(de)(de)(de)圖(tu)(tu)(tu)表(biao)(biao)的(de)(de)(de)數量(liang),而(er)在過去,為了(le)(le)選擇(ze)一種鋼(gang),這些圖(tu)(tu)(tu)表(biao)(biao)是必需(xu)的(de)(de)(de)。在下(xia)面的(de)(de)(de)例(li)子中(zhong)介紹了(le)(le)圖(tu)(tu)(tu)33 和表(biao)(biao)11 的(de)(de)(de)使用(yong)方法。

文章(zhang)來源:節選自美國熱(re)處理手冊A卷