钢的淬透性

许多类型的钢对一种称为淬火的热处理方法有有益的反应。淬透性是工件材料选择过程中最重要的标准之一。淬透性描述了金属在高温淬火后能够硬化的深度,也可以称为硬化深度。

微观钢:

钢的微观分类的第一个层次是它们的晶体结构,即原子在空间中的排列方式。体心立方构型(BCC)和面心立方构型(FCC)是金属晶体结构的典型例子。BCC和FCC晶体结构的例子见下图1。请记住,图1中的图像是为了显示原子的位置,而原子之间的距离被夸大了。

钢中BBC和FCC晶体结构的描述
图1:BCC晶体结构的例子(左)和FCC晶体结构的例子(右)

分类的下一个层次是阶段。一个阶段是材料中具有相同物理和化学特性的均匀部分。钢有三个不同的阶段:

  1. 奥氏体:面心立方铁;还有具有FCC晶体结构的钢铁合金。
  2. 铁素体:具有BCC晶体结构的体心立方铁和钢合金。
  3. 渗碳体:碳化铁(Fe3.C)

本文讨论的最后一层分类是微观结构。上述三个相可以结合形成不同的钢组织。这些微观结构及其一般力学性能的例子如下:

  • 马氏体:最硬和最强的组织,但最脆
  • 珠光体:坚硬,坚韧,有韧性,但不是特别坚韧
  • 贝氏体:具有理想的强塑性结合,比珠光体硬,但不如马氏体硬

微观硬化:

钢的淬通性是由材料的含碳量、其他合金元素和奥氏体的晶粒尺寸决定的。奥氏体为γ相铁,在高温下其原子结构由BCC型向FCC型转变。

高淬透性是指合金在淬火时在整个材料体内产生高马氏体百分率的能力。淬硬钢是通过在高温下快速淬火而制成的。这涉及到从100%奥氏体到高百分比马氏体的快速转变。当钢中碳含量超过0.15%时,马氏体变成高度应变的体心立方体,并被碳饱和。碳有效地关闭了微结构内的大多数滑移面,形成了一种非常坚硬和脆性的材料。如果淬火速度不够快,碳会从奥氏体相中扩散出来。然后钢变成珠光体,贝氏体,或如果保持足够长的时间,铁素体。以上所述的组织在回火后都不具有与马氏体相同的强度,一般认为对大多数应用是不利的。

钢的成功热处理取决于三个因素:

  1. 试样的大小和形状
  2. 钢的成分
  3. 淬火方法

1.试样的大小和形状

在淬火过程中,热量必须转移到试样的表面,然后才能消散到淬火介质中。因此,试样内部冷却的速度取决于其表面积与体积比。比值越大,试样冷却速度越快,硬化效果越深。例如,直径为1英寸的3英寸圆柱棒比直径为1.5英寸的3英寸棒具有更高的淬透性。由于这种效果,有更多角和边缘的零件更容易淬火硬化比规则和圆角形状。图2为油淬95mm棒材冷却曲线的时间-温度转变(TTT)试样图。表面转变为100%的马氏体,核中含有一定量的贝氏体,硬度较低。

样品时间温度变化曲线图
图2:试样时间温度转变(TTT)图又称等温转变图

2.钢的成分

重要的是要记住,不同的钢合金含有不同的元素组成。这些元素与钢中铁含量的比率产生了各种各样的力学性能。增加碳含量会使钢更硬、更强,但韧性较差。铬是不锈钢中主要的合金元素,它赋予金属强大的抗腐蚀能力。自从人类千百年来一直在修改钢的组成,组合的数量是无穷无尽的。

因为有这么多的组合,产生这么多不同的机械性能,标准化测试是用来帮助分类不同类型的钢。一种常见的淬透性测试是Jominy测试,如下面的图3所示。在此测试中,将一块标准材料加热至100%奥氏体。然后,块被快速移动到一个设备,在那里它是水淬。表面,或与水接触的面积,立即冷却,冷却速度下降作为距离表面的函数。然后沿着样品的长度把一个平板磨到块上。沿这个平面测量各点的硬度。然后将这些数据绘制成淬透性图表,硬度为y轴,距离为x轴。

淬火钢截尾淬火试样图
图3:淬火时安装的弯曲端淬火试样(左)和后硬度测试(右)

根据Jominy试验的结果建立了淬透性曲线。一些钢合金曲线的例子如图4所示。随着冷却速率的减小(硬度在短距离内急剧下降),更多的时间允许碳扩散和形成更大比例的软性珠光体。这意味着更少的马氏体和更低的淬透性。在较长的距离内保持较高硬度值的材料被认为是高硬化性的。而且,两端硬度差越大,淬透性越低。淬硬性曲线的典型特征是,随着淬硬端距离的增加,冷却速率降低。1040钢最初具有与4140和4340相同的硬度,但在试样长度范围内冷却得非常快。4140和4340钢的冷却速度较缓慢,因此具有较高的淬透性。相对于4140,4340的极端冷却率较小,因此在这三种合金中硬度最高。

4140, 1040和4340钢的淬透性图表
图4:4140,1040和4340钢的淬透性图表

淬透性曲线取决于碳含量。钢中碳的含量越高,硬度越高。需要注意的是,图4中的三种合金都含有相同数量的碳(0.40% C)。碳并不是唯一影响淬透性的合金元素。这三种钢在淬硬性行为上的差异可以用它们的合金元素来解释。下面的表1显示了每种钢中合金含量的比较。1040是一种纯碳素钢,因此具有最低的淬透性,因为除了铁之外没有其他元素可以阻止碳原子从基体中逸出。与4140合金相比,添加到4340合金中的镍可以形成更多的马氏体,使其具有这三种合金中最高的淬存性。大多数金属合金元素减慢了珠光体、铁素体和贝氏体的形成,因此它们增加了钢的淬透性。

表1:显示了4340、4140和1040钢的合金含量

钢的类型: 镍(wt %): 钼(wt %): 铬(wt %):
4340 1.85% 0.25% 0.80%
4140 0.00% 0.20% 1.00%
1040 0.00% 0.00% 0.00%

在一组材料中,可有不同的淬透性。在钢铁工业生产过程中,每个批次的元素组成和平均晶粒尺寸都有细微的不可避免的变化。在大多数情况下,材料的淬透性是由设定为极限的最大和最小曲线来表示的。

淬硬性也随奥氏体晶粒尺寸的增大而增大。颗粒是多晶金属中的单个晶体。想象一个彩色玻璃窗(像下面看到的),彩色玻璃将是颗粒,而焊接材料持有它将是颗粒边界。奥氏体、铁素体和渗碳体是组成钢的不同组织的不同类型的晶粒。珠光体和贝氏体在晶界处形成。这对硬化过程是有害的,因为马氏体是期望的组织,其他类型的会阻碍其生长。马氏体是由奥氏体晶粒的快速冷却形成的,其转变过程目前还不清楚。随着晶粒尺寸的增大,奥氏体晶粒增多,晶界减少。因此,珠光体、贝氏体等组织的形成机会较少,而马氏体的形成机会较多。

彩色玻璃代表奥氏体
图5:彩色玻璃片代表奥氏体晶粒,在淬火后转变为理想的马氏体。颜色部分之间的黑色部分代表颗粒边界。淬火后会形成珠光体或贝氏体的部位。

3.淬火方法

如前所述,淬火类型影响冷却速度。使用油,水,水性聚合物淬火剂,或空气会通过工件内部产生不同的硬度。这也会改变淬透性曲线。水产生最严重的淬火,其次是油,然后是空气。水溶性聚合物淬火剂的淬火速率介于水和油之间,可以通过改变聚合物浓度和温度来适应特定的应用。搅拌程度也影响热排出率。淬火介质穿过试样的速度越快,淬火效果越大。油淬火通常用于水淬火可能过于严重的钢材,因为它可能裂纹或翘曲处理。

金属工人在油浴中淬火铸件
图6:金属工人在油浴中淬火铸件

加工硬化钢:

切削刀具的类型应该选择加工工具选择加工一个工件后,硬化取决于几个不同的变量。不计算特定应用的几何要求,两个最重要的变量是材料的硬度和它的淬通性。一些相对高应力应用要求在整个工件内部至少产生80%的马氏体。通常,中等应力的零件只需要整个工件中大约50%的马氏体。当加工淬硬金属具有非常低的淬通性时,标准涂层整体硬质合金刀具可以毫无问题地工作。这是因为工件的最硬部分仅限于其表面。当加工具有高淬透性的钢时,建议您使用a专用几何刀具这是针对特定应用的。高淬透性会导致工件整个体积都是硬的。Harvey Tool有许多不同的刀具用于淬火钢,包括钻头,铣削刀具,键槽切割机和雕刻机。

简介:

淬硬性是指铁合金从表面到铁芯在整个体积内形成马氏体时的硬化深度。这是你在选择钢材时必须考虑的一个重要的材料特性特定用途的切削工具。任何钢的硬化取决于零件的大小和形状,钢的分子组成,以及所使用的淬火方法的类型。

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