鋼的硬度和淬透性 (中)

從 美(mei)國金屬學(xue)會(hui) 熱處理手冊 上學(xue)習:鋼的硬度和淬透性 (中(zhong))

注:本(ben)文由實驗數據繪制的圖表詳實,實用價值很高。文中(zhong)鋼的牌號以及數據單位不(bu)再做轉換(huan),讀者自己查詢(xun)。文中(zhong)圖表是使用手機軟件(jian)編輯上去的,有些(xie)變形失真,敬請諒解(jie)。

五、淬透性相關曲線

首先分析圖17 a )所(suo)示(shi)的(de)鋼,要求將(jiang)直徑(jing)為100mm (4in) 的(de)圓棒(圖17 b) 淬(cui)硬至(zhi)1/2半徑(jing)的(de)深(shen)度。達到這一淬(cui)硬深(shen)度要求的(de)淬(cui)冷烈(lie)度可根據圖18 與鋼的(de)末端淬(cui)火曲線(圖17 a) 來確(que)定。末端淬(cui)火曲線的(de)拐點位于(yu)末端淬(cui)火距離12/16in處(chu)。那么,在(zai)圖18 g)中從12/16in的(de)位置向上,要將(jiang)這種鋼淬(cui)硬至(zhi)1/2半徑(jing)的(de)深(shen)度,需(xu)要的(de)淬(cui)冷烈(lie)度約為 H=1. 5。

▲圖(tu)19  直(zhi)徑為125~200(5~8in)的圓棒的等效末(mo)端淬火硬度 Jeh

與部位的對應關系

▲圖20 不同(tong)淬(cui)冷烈度的等(deng)效(xiao)末端淬(cui)火部位(wei)和50%馬氏體(ti)淬(cui)硬的圓棒直徑的拉蒙(meng)特圖

a)  圓(yuan)棒(bang)(bang)中心位(wei)置  b)圓(yuan)棒(bang)(bang)1/2半(ban)徑位(wei)置

▲圖(tu)21  圓(yuan)棒(bang)直徑比例(li)r/R=0.2-0.5的等效末端淬火(huo)位置的拉蒙特(te)圖(tu)

▲圖(tu)23  從845℃(1550°F)淬(cui)火至半冷(leng)圓(yuan)棒(bang)中 H 值的變化

a) 水淬   b)油淬

▲圖24  從845℃(1550°F)淬火,末端淬火距離與相同半(ban)冷溫度的圓棒位置的對應關系

a) 水淬   b)油淬

▲圖(tu)25  845℃(1550°F)水淬(cui)(cui)圓棒的等效(xiao)端淬(cui)(cui)位置

a)95%馬(ma)(ma)氏體(ti)  b)80%馬(ma)(ma)氏體(ti)  c)50%馬(ma)(ma)氏體(ti)

▲圖26  845℃(1550°F)油淬圓棒的等效端淬位置

a)95%馬氏體  b)80%馬氏體  c)50%馬氏體

▲圖27  滲碳(tan)鋼(5120)的末端淬火曲線

注:圓棒正火925℃×20min, 固體滲碳925℃×9h直接淬火,  奧氏體晶粒度(du)6~8級

一般來說,心部淬透性足夠,并不能保證硬化層淬透性足夠,尤其是當滲碳之后要求重新加熱淬火時,不如在滲碳爐中直接淬火。導致這種結果的原因有兩個:首先相同合金成分含量對不同含碳量的合金鋼的淬透性具有不同的作用;其次,淬火前高碳層區域中的合金碳化物并不總是全部溶解,正如通常在低碳心部區域的奧氏體得到的那樣。于是,當對于一個特定應用必須選擇一種滲碳鋼時,硬化層淬透性的直接測量就變得很重要。硬化層淬透性的測量是按照以下方法完成的。將一根標準的末端淬火試棒在925℃下固體滲碳9小時并以常規方式末端淬火,將另一根對比試棒在相同的滲碳罐中同時滲碳用于確定滲碳深度。在試棒上做連續滲層剝層化學成分分析,以確定各深度上的含碳量。繪制滲碳層曲線后,便可確定末端淬火試棒上各種含碳量的深度。假(jia)設末(mo)端淬火試樣(yang)上(shang)含碳(tan)量的(de)(de)分(fen)布與對比試棒是相同的(de)(de),在末(mo)端淬火試棒的(de)(de)各種深度(du)(通常碳(tan)的(de)(de)質量分(fen)數(shu)是1. 1%、1. 0%、0. 9%或0. 8%, 在某(mou)此(ci)情(qing)況(kuang)下低至0. 6%)上(shang)小心(xin)地(di)磨出(chu)縱向平面(mian),并在這此(ci)含碳(tan)量的(de)(de)縱向磨面(mian)上(shang)通過(guo)橫截面(mian)硬度(du)確定淬透性(xing)。

    在(zai)磨(mo)削時(shi),必須小心操作以(yi)(yi)避免過(guo)熱(re)和回火(huo),并且(qie)必須保(bao)(bao)證(zheng)在(zai)磨(mo)面(mian)的(de)正(zheng)中心進行硬(ying)(ying)度(du)(du)(du)(du)測(ce)量(liang),以(yi)(yi)確保(bao)(bao)硬(ying)(ying)度(du)(du)(du)(du)值對應于(yu)一個(ge)單一的(de)碳含量(liang)。使用(yong)洛(luo)氏(shi)(shi)硬(ying)(ying)度(du)(du)(du)(du)A標(biao)尺(chi)比洛(luo)氏(shi)(shi)硬(ying)(ying)度(du)(du)(du)(du)C標(biao)尺(chi)好(hao),因為(wei)這(zhe)樣(yang)(yang)可把壓(ya)頭穿透(tou)到(dao)軟表面(mian)層(ceng)的(de)深度(du)(du)(du)(du)降到(dao)最低程度(du)(du)(du)(du)。為(wei)了繪圖,應再(zai)將洛(luo)氏(shi)(shi)硬(ying)(ying)度(du)(du)(du)(du)A標(biao)尺(chi)轉化成洛(luo)氏(shi)(shi)硬(ying)(ying)度(du)(du)(du)(du)C標(biao)尺(chi)。在(zai)滲碳試樣(yang)(yang)的(de)較(jiao)高含碳量(liang)層(ceng),殘留奧(ao)氏(shi)(shi)體(ti)的(de)存在(zai)會影(ying)響硬(ying)(ying)度(du)(du)(du)(du)。因此,通常(chang)需要通過(guo)金相(xiang)拋(pao)光(guang)和磨(mo)面(mian)腐蝕來 評(ping)價(jia)顯(xian)微組織(zhi)和深度(du)(du)(du)(du)之間的(de)相(xiang)互關系(xi)。那么,末端淬(cui)(cui)火(huo)距(ju)離(li)可以(yi)(yi)用(yong)于(yu)測(ce)量(liang)淬(cui)(cui)透(tou)性(xing)選(xuan)定非馬氏(shi)(shi)體(ti)相(xiang)變組織(zhi)的(de)某種等級(ji)作為(wei)末端淬(cui)(cui)火(huo)距(ju)離(li)。

    已經(jing)過(guo)滲碳處理,再在925℃ (1700°F) 以下重新(xin)加熱淬(cui)火的(de)(de)鋼(gang)材,如8620、4817和9310鋼(gang),也可(ke)以采(cai)用這(zhe)種技術的(de)(de)改進(jin)形式確(que)定其硬化層(ceng)淬(cui)透(tou)(tou)性(xing)。末端(duan)淬(cui)火滲碳試(shi)(shi)樣和比較梯(ti)度圓棒在滲碳溫度下一起油淬(cui),然后(hou)在保護氣氛(fen)爐中重新(xin)加熱到要求的(de)(de)溫度并(bing)保溫55~60min, 同(tong)時應確(que)保至少(shao)有30~35min的(de)(de)透(tou)(tou)燒時間(jian)。然后(hou)對(dui)淬(cui)透(tou)(tou)性(xing)試(shi)(shi)樣進(jin)行(xing)末端(duan)淬(cui)火,對(dui)含碳量梯(ti)度圓棒進(jin)行(xing)油淬(cui),為(wei)了做先(xian)前(qian)描述的(de)(de)含碳量梯(ti)度分(fen)析,以及便于機加工而進(jin)行(xing)回(hui)火。為(wei)完成滲碳層(ceng)淬(cui)透(tou)(tou)性(xing)試(shi)(shi)驗,至少(shao)需(xu)要兩個試(shi)(shi)樣。在SAE J406 標準中對(dui)硬化層(ceng)淬(cui)透(tou)(tou)性(xing)測(ce)量技術做了更詳(xiang)細的(de)(de)描述。

6.2  氣冷淬透性試驗

    當(dang)在鋼(gang)中施加一(yi)個比(bi)在末端淬(cui)(cui)火(huo)試(shi)棒(bang)上慢的(de)(de)(de)(de)冷卻速度(du)(du)時,可以用來評價具有(you)很(hen)高淬(cui)(cui)透性的(de)(de)(de)(de)鋼(gang)的(de)(de)(de)(de)淬(cui)(cui)火(huo)情況。具體方法是(shi)(shi),Φ25. 4mm (1in) 的(de)(de)(de)(de)試(shi)棒(bang)完(wan)成奧(ao)氏(shi)體化后,其100mm(4in)長(chang)度(du)(du),放在夾具上,暴露(lu)于(yu)靜止(zhi)的(de)(de)(de)(de)空氣中冷卻進(jin)行相變,這個冷卻過程是(shi)(shi)很(hen)慢的(de)(de)(de)(de),并且冷卻速度(du)(du)會沿著(zhu)試(shi)棒(bang)的(de)(de)(de)(de)長(chang)度(du)(du)方向(xiang)降(jiang)低。然后,沿著(zhu)試(shi)棒(bang)長(chang)度(du)(du)方向(xiang)間隔(ge)一(yi)定(ding)距離測定(ding)硬度(du)(du),繪制硬度(du)(du)曲線。

6.3 低淬透性鋼

    在(zai)碳鋼(gang)或低合金鋼(gang)中即(ji)使在(zai)標準試(shi)棒上1.6mm(1/16in)的位置,冷卻(que)速度(du)都不(bu)(bu)足夠(gou)快以使其淬(cui)透(tou)(tou)。這些(xie)鋼(gang),端(duan)淬(cui)試(shi)驗(yan)是無效的,適用(yong)于低淬(cui)透(tou)(tou)性鋼(gang)的試(shi)驗(yan)方法(fa)熱鹽水(shui)(shui)試(shi)驗(yan)和SAC(surface-area-center)試(shi)驗(yan)法(fa)。熱鹽水(shui)(shui)法(fa)是由(you)格蘭奇(Grange)提出的。他(ta)是將試(shi)棒在(zai)一系列不(bu)(bu)同溫(wen)度(du)的鹽水(shui)(shui)中淬(cui)火如圖28所(suo)示 。由(you)此得到的硬度(du),提供(gong)了一種對(dui)淬(cui)透(tou)(tou)性非(fei)常(chang)敏感的實驗(yan)方法(fa)。

▲圖28  鹽水淬(cui)透性試驗的典型結(jie)果(guo)

注(zhu):C0.18%  Mn0.81%  Si0.17%  Ni1.08%,

奧氏(shi)體(ti)化溫度(du)845℃。晶(jing)粒度(du)5-7級

SAC試驗法是將Φ25.4mm(1in)的(de)試棒在(zai)空(kong)氣中(zhong)(zhong)正火,然后加熱至(zhi)奧氏體水淬。從(cong)100mm(4in)的(de)長度處切下一個(ge)試樣(yang)測(ce)量(liang)硬度在(zai)表(biao)面、中(zhong)(zhong)心(xin)、以及從(cong)表(biao)面到(dao)中(zhong)(zhong)心(xin)以1.6mm(1/16in)為(wei)間距測(ce)量(liang)硬度。然后根據圖(tu)29 中(zhong)(zhong)的(de)公式計算區域硬度。

▲圖29 表面(mian)硬度-面(mian)積(ji)(ji)-中心硬度面(mian)積(ji)(ji)估算圖

由此產生(sheng)了三個位(wei)置(zhi)的硬(ying)度數值,例如(ru),SACNo. 63-52-42表示表面硬(ying)度為(wei)(wei)63HRC, 區域硬(ying)度為(wei)(wei)52HRC、心部硬(ying)度為(wei)(wei)42HRC.在SAE J406標準中有詳細的試驗方(fang)法(fa)。

▲圖30  末(mo)端淬火等效(xiao)冷卻條件(Jeq)的確(que)定

7.1 末端(duan)淬火等效(xiao)硬度法

    確定末端淬火(huo)等效硬度(du)(Jeh)的方法(fa)如圖31所示。

    霍(huo)洛蒙(Hollomon) 和(he)齊納(Zener) 通過計算(suan)實心(xin)(xin)圓柱(zhu)體鋼件的直徑得出結論:在給定的淬火冷卻介質(zhi)中(zhong)淬火時,可以預測實心(xin)(xin)圓柱(zhu)體的心(xin)(xin)部硬度(du)與(yu)在相同淬火冷卻介質(zhi)中(zhong)淬火的空心(xin)(xin)圓柱(zhu)體壁(bi)(bi)上的最(zui)低硬度(du)相同。用(yong)雙倍管壁(bi)(bi)厚度(du)作為一個等效實心(xin)(xin)棒直徑的經驗法則是一個令人滿意的初步近似值(zhi)。

▲圖(tu)34  末端淬(cui)火(huo)試樣和淬(cui)火(huo)平板(ban)等效冷(leng)卻速度之間的(de)關(guan)系

▲圖35  在(zai)各(ge)種淬(cui)冷烈度下淬(cui)火時Jec和平板心部冷卻(que)速度之間的關系(xi)

7.2  等效冷卻速度

    根據淬(cui)(cui)火冷(leng)卻(que)介質(zhi)和(he)(he)零件橫截面可以(yi)確定冷(leng)卻(que)速(su)(su)(su)度(du)(du)。圖(tu)36 所示(shi)(shi)為(wei)沿(yan)著(zhu)末(mo)端(duan)(duan)淬(cui)(cui)火試(shi)樣(yang)和(he)(he)Φ100mm (Φ4in) 的(de)(de)圓棒(bang)(bang)在水淬(cui)(cui)、油(you)淬(cui)(cui),攪(jiao)拌(ban)速(su)(su)(su)度(du)(du)為(wei)60m/min的(de)(de)條(tiao)件下,4個部(bu)(bu)(bu)位冷(leng)卻(que)速(su)(su)(su)度(du)(du)之間的(de)(de)關(guan)系。圖(tu)中示(shi)(shi)出了直徑范圍為(wei)13~100mm(1/2~4in) 時,表面、3/4半(ban)(ban)徑、1/2半(ban)(ban)徑和(he)(he)心(xin)部(bu)(bu)(bu)的(de)(de)冷(leng)卻(que)速(su)(su)(su)度(du)(du)與末(mo)端(duan)(duan)淬(cui)(cui)火圓棒(bang)(bang)的(de)(de)等(deng)(deng)效距(ju)離(li)之間的(de)(de)關(guan)系。因此,Φ50mm (Φ2in) 圓棒(bang)(bang)水淬(cui)(cui)時心(xin)部(bu)(bu)(bu)的(de)(de)冷(leng)卻(que)速(su)(su)(su)度(du)(du)大致等(deng)(deng)效于(yu)6/16in 末(mo)端(duan)(duan)淬(cui)(cui)火距(ju)離(li)處的(de)(de)數值;Φ50mm (Φ2in) 圓棒(bang)(bang)油(you)淬(cui)(cui)時心(xin)部(bu)(bu)(bu)的(de)(de)冷(leng)卻(que)速(su)(su)(su)度(du)(du)大致等(deng)(deng)效于(yu)末(mo)端(duan)(duan)淬(cui)(cui)火距(ju)離(li)6/16in處的(de)(de)冷(leng)卻(que)速(su)(su)(su)度(du)(du)。圓棒(bang)(bang)與其(qi)他(ta)簡單幾何(he)形狀,如方形、板形零件之間的(de)(de)關(guan)系如圖(tu)37 所示(shi)(shi)。

▲圖36  圓棒(bang)水淬(cui)a)和油淬(cui)b)時等(deng)(deng)效冷卻(que)速度以(yi)及末端(duan)淬(cui)火(huo)和無氧化淬(cui)火(huo)圓棒(bang)中 等(deng)(deng)效冷卻(que)速度之間的(de)關(guan)系(輕微攪拌60m/min)

▲圖37  整體淬(cui)火圓棒直徑與整體淬(cui)火板材和方(fang)鋼(gang)之間的(de)關系

八、淬透性要(yao)求的確(que)定

    確定(ding)具(ju)有合適淬透性的鋼(gang)種需(xu)要的基本信息包括:

    1) 產(chan)生最佳抗力的顯微組織的最終回火硬度(du)(du)之前要(yao)達到所要(yao)求的硬度(du)(du)。

    2) 這個硬度必須延伸到表面以(yi)下(xia)一定的深度。

    3) 應(ying)使用可獲(huo)得(de)淬(cui)硬深度(du)的淬(cui)火(huo)介質。

    對于一個(ge)具體的(de)(de)應用的(de)(de)零件,為(wei)了(le)達到(dao)要(yao)(yao)求(qiu)的(de)(de)硬度,首先需(xu)要(yao)(yao)確定(ding)含碳量。預期的(de)(de)淬火硬度是回火后所要(yao)(yao)求(qiu)硬度的(de)(de)函數(圖38a)。如(ru)圖38b 所示。

PS:這張圖(tu)具有很廣泛(fan)的(de)適用價值,可(ke)以(yi)判斷許多(duo)熱(re)處理(li)技術要求的(de)合理(li)性(xing),以(yi)及特定條件下(xia)的(de)熱(re)處理(li)結果。

選擇的(de)(de)(de)(de)(de)鋼種可能(neng)會產生小于90%馬氏(shi)體(ti)含量的(de)(de)(de)(de)(de)硬(ying)度。為(wei)了確(que)保得(de)到最佳性能(neng),常(chang)規做法是(shi)選擇含碳量最低的(de)(de)(de)(de)(de)鋼,使用(yong)合適的(de)(de)(de)(de)(de)淬(cui)火冷卻(que)介(jie)質(或者配制(zhi)適用(yong)的(de)(de)(de)(de)(de)淬(cui)火冷卻(que)介(jie)質), 將會得(de)到所(suo)需(xu)要的(de)(de)(de)(de)(de)淬(cui)火硬(ying)度。按(an)照這(zhe)個(ge)步驟,具有所(suo)需(xu)硬(ying)度的(de)(de)(de)(de)(de)結構應(ying)該完全(quan)淬(cui)硬(ying),即應(ying)該含有大(da)于90%的(de)(de)(de)(de)(de)馬氏(shi)體(ti),這(zhe)是(shi)完全(quan)淬(cui)硬(ying)的(de)(de)(de)(de)(de)常(chang)用(yong)定義(yi),并(bing)且(qie)是(shi)SAE (美國汽(qi)車(che)工程師協會)所(suo)采用(yong)的(de)(de)(de)(de)(de)定義(yi)。對于服役中承受彎曲載荷的(de)(de)(de)(de)(de)零件,認為(wei)在3/4半(ban)徑(jing)處應(ying)該達到90%馬氏(shi)體(ti)組織。為(wei)了確(que)保達到這(zhe)個(ge)要求(qiu),規定了 1/2半(ban)徑(jing)處的(de)(de)(de)(de)(de)硬(ying)度值。

    上(shang)述(shu)例(li)子說(shuo)明要(yao)求(qiu)淬透很(hen)(hen)深或者(zhe)馬(ma)氏體含量(liang)很(hen)(hen)高時,需要(yao)在工(gong)藝上(shang)進行調整。當(dang)這些要(yao)求(qiu)并(bing)不全部合理時,結(jie)果是(shi)超過技術條件的(de)要(yao)求(qiu)而導致(zhi)成(cheng)本升高,從而導致(zhi)畸變和淬火開裂的(de)可(ke)能性(xing)增加。

8.2 淬火冷卻介質 

    在(zai)熱處理(li)工藝中(zhong),淬(cui)火冷卻(que)介(jie)質的冷卻(que)能(neng)力是一個至關重要(yao)的因(yin)(yin)素,因(yin)(yin)為(wei)它的貢獻(xian),對熱處理(li)零件和截面(mian)淬(cui)透性要(yao)求可達到最低程度(du)。冷卻(que)能(neng)力作為(wei)一種淬(cui)冷烈度(du)的測(ce)量方(fang)法(fa),可以隨下列因(yin)(yin)素在(zai)一個相當寬的范圍(wei)內(nei)變化(hua):

    1) 選擇一種特(te)定的淬火(huo)冷卻(que)介質。

    2) 攪(jiao)拌的控制(zhi)。

    3) 提高淬(cui)火冷卻介質的(de)冷卻能力(li)的(de)添加(jia)劑。

▲圖39  含碳量對純鐵冷(leng)卻(que)速度的影響

▲圖40  純鐵淬透性與含碳量(liang)和奧氏體晶粒度的關系

    在合(he)金化(hua)方(fang)面,任何(he)一種可在奧(ao)氏體(ti)中溶解的元素(除(chu)鈷外), 在奧(ao)氏體(ti)分(fen)(fen)解時,都(dou)延緩擴散(san)產物的形核(he)和長大,除(chu)了在淬(cui)火(huo)瞬間(jian)奧(ao)氏體(ti)的化(hua)學成(cheng)分(fen)(fen)可和化(hua)學分(fen)(fen)析所確定的成(cheng)分(fen)(fen)結(jie)果(guo)不一樣的情況以外。例如,如果(guo)在奧(ao)氏體(ti)化(hua)溫度下碳(tan)化(hua)物沒有

完全溶(rong)解,則一些碳(tan)(tan)將仍保留在碳(tan)(tan)化(hua)物(wu)(wu)中,并且不對馬(ma)氏體(ti)硬化(hua)。因此,未溶(rong)解碳(tan)(tan)化(hua)物(wu)(wu)將大幅降低淬(cui)透性。這(zhe)在高碳(tan)(tan)鍋(碳(tan)(tan)的質量(liang)分數為(wei)0. 50%-1. 10%) 和合金滲碳(tan)(tan)鋼(gang)中尤其(qi)重要,因為(wei)在奧氏體(ti)化(hua)溫(wen)度下,這(zhe)些鋼(gang)中會含有過(guo)剩碳(tan)(tan)化(hua)物(wu)(wu)。對于同一