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从 美国金属学会 热处理手册 上学习:钢的硬度和淬透性 (下)

从 美国金属学会 热处理手册 上学习:钢的硬度和淬透性 (下)

上文

十、乔米尼末端淬火数据集的可变性

    在受控条件下,如果没有要求达到理想状态,那么,末端淬火试验的再现性是可以接受的。然而即使具有展示实验再现性的受控条件,一个H 型钢在靠近末端淬火拐点固定深处硬度,在受控条件下,通常也会有±6HRC的散差。无论如何,重要的是要认识到,即使以为大家接受的实验数据(如末端淬火曲线)也存在本质上的局限性。如图41所示 。


▲图41  几个实验室对吹风和晶粒度大致
相同的8620和4140的末端淬火试验记录
a)8620   b)4140


对于8620渗碳钢和淬硬层较深的4140汽车用钢,从一家大型的的国际集团中选取几组末端淬火曲线,钢的名义化学成分和晶粒度几乎相同,导致这些差异的原因可以概括为化学成分报告不准确,实验程序不细心,未报告过程可变因素,或未控制过程变量。同样地。连续冷却转变曲线也隐含着类似的经验性错误。原因转变物质和冷却历史不是完全确定的,或者模棱两可的,而且高达四个数量级的冷却曲线叠加时间刻度的不确定性这些不足将自然地表现出来。

    上述解释主要是针对低中淬硬层钢。对于淬硬层更深的钢,如4340 (见图42) 。

▲图42 高淬透性钢4140的典型末端淬火曲线

末端淬火深度的概念将变得很模糊。虽然从临界直径(D0) 试验数据中确定的 DI仍然是一个有效的概念。但是由于成本原因,对于深淬硬层钢不考虑这种试验手段。在这种情况下,规范和解释的问题不在于曲线的形状,而在于硬度对末端淬火试验实际上使用的奥氏体化温度和时间有极高的灵敏度。这在较低程度上,对低合金钢也同样适用。这个问题总是出现在含碳量较高的可淬硬的过共析成分钢中,所以,这种钢中含有体积分数很大的非常不稳定的轧制状态的未溶碳化物。因此,对于这种等级的淬透性规范和末端淬火试验曲线,质量控制人员和热处理工作人员的操作是关键的。从积极的方面看,热处理工作人员应该察觉到奥氏体化温度的微小变化所带来的灵活性。

十一、钢的淬透性计算


    钢的淬透性主要受化学成分(碳、合金元素和冶金残留物)和淬火瞬间奥氏体晶粒度的影响。如果可以定量地确定它们的关系,则可以根据化学成分和晶粒度来计算钢的淬透性。骆罗斯曼于1942年发表了这种方法,根据他的观察,淬透性可以表示为一系列与化学成分相关的淬透性系数的乘积。这个计算结果是对衡量钢的固有淬透性的格罗斯曼理想直径(DI ) 的一个估算。这些方程式最常用的形式是以淬透性系数为因子。
    每年六月发行的《金属进展》上都会列出一些格罗斯曼系数,已进行了很多年,这些格罗斯系数现被收录在 ASTM A255-89 和 SAE J406的附录中。其他方法是根据回归方程以及热力学和动力学第一原理进行计算的。迄今为止,没有一种预测方法被证明广泛适用于所有类型的钢;也就是说,不同的预测方法适用于相应的合金系统、含碳量和淬透性水平。另外,通常需要根据钢铁生产商的特点(冶金残留物、熔融金属过程等)对预测值进行微调。
    在格罗斯曼的方法中,用钢的化学成分和晶粒度计算理想临界直径(试样心部为50%马氏体,H=∞)。理想临界直径的计算公式为:

DI=DIbase fMn fSi fCr fMo ffCu   (1)

式中,fx (x代表合金元素)是部分合金元素的透性系数。表7中列出了部分DI和合金元素的淬透性系数。这些合金元素的淬透性系数是在中等淬透性的中碳钢中得到的。根据化学成分计算钢的淬透性通常包括下列几个步骤:
    1) 确定 ASTM标准晶粒度。

    2) 获得化学成分。

    3) 根据含碳量和晶粒度(表7) 确定 DIbase

    4) 确定合金元素的淬透性系数(表7) 。

    5) 按照式(1 ) 计算理想临界直径。

    在式(1 ) 中,基本DI (DIbase)(基本淬透性)是含碳量和晶粒度的函数,而淬透性系数(f )是相互独立的(不总是纯净的)。克莱默(Kramer)等人随后确定了碳的淬透性系数,比格罗斯曼的数据大三倍,而锰的淬透性系数则降低了大约相同的

比例。

    导致上述差异的原因,是格罗斯曼不得不用含有一定量锰的碳钢作为末端淬火试棒的材料,以便测量基本淬透性的再现性。因此在分析中,他必须分离化学成分中碳和锰的影响,而这样做是不精确的。由于克莱默和他的小组使用了纯铁碳合金作为基本化学成分,通过对一系列小圆棒进行淬火,因此能够很精确地测量低淬透性。

▼表7  钢的淬透性系数与含碳量、合金元素之间的关系


    有趣的是,按格罗斯曼方法计算的50%马氏体的理想临界直径,与克莱默等人根据大部分实际化学成分确定的这些系数有很好的一致性。对于可以完全溶解碳和合金元素的低、中碳钢,其淬透性很容易计算,故推荐使用克莱默系数,如图43和图44 所示 。


▲图43  碳、晶粒度级数和图44一起使用

来计算铝镇静的低、中碳钢的克莱默系数


▲图44  适用于图43的合金元素的淬透性系数


    对于DI大于114mm(4.5in)的钢,由于以下实际应用中的三个原因,克拉默系数以及其它系数都是不够精确的:
    1)高淬透性钢主要是贝氏体组织,当贝氏体为第一转变物时,一些元素(如钼)对淬透性的影响有很大的不同。
    2) 当一些可溶解的碳化物形成元素(如镍和铝)一起使用时,它们将对彼此产生相互促进淬透性的影响;也就是说,每一种合金化元素的作用均大于其单独存在于化学成分中时的作用。
    3) 高淬透性的钢中通常含有大量的强碳化物形成元素,它们常常不能全部分解。
    几种淬透性计算方法都是基于淬透性系数原理, 一个早期的例子是在 20 世纪70年代出现的美国钢铁公司的淬透性计算器。Climax Molybdenum 公司的计算器对低、中碳钢的淬透性做出了更为准确的预测。利用根据合金的化学成分和晶粒度确定理想临界直径的方法,人们已经比较了大量钢材的淬透性。
使用正确时,淬透性计算还可以作为设计更划算的替代钢种的一个有价值的工具,在轧制前确定轧机炉号的安排,甚至有可能代替昂贵和费时的淬透性测量。


11. 1  高碳钢
    当按照常规加热参数淬火时,高碳(过共析)钢中常含有大量未分解的碳化物。如果不对这一情情况进行严格控制,那么,由于合金元素和碳的溶解量会变化,将不可能得到一种合金元素对淬透性的单一影响。因此,给定数量的合金元素对淬透性的影响将受到先前组织,先前碳化物尺寸,形状和分布,以及奥氏体化时间和温度的影响。当存在过剩碳化物时,由于ASTM 6-8晶粒度变化不大,因此尽管晶粒度对淬透性也有影响,但是其影响不显著。
    在高碳钢中,正火钢的原始组织为从100%马氏体到100%层状碳化物,两种显微组织在重新加热过程中,都很容易转变为奥氏体。然面,退火材料的显微组织中通常含有大量的球状碳化物,当钢重新加热淬火时,它们很难溶解。如果严格控制原始组织、晶粒度、奥氏体温度和时间,那么,给定数量的合金化元素对淬透性的具体影响将足以再现,从而可得到高碳水平上的许多元素的淬透性系数。

11.2  末端淬火曲线的计算

    人们已对硬度数据组与选用的末端淬火深度相对应的线性同归公式进行了广泛的研究。对于单一钢材牌号,这是相当有用的,提供的数据组密集覆盖了化学成分极限和硬度带。但是,这些公式不能在该单一牌号以外使用,所以,依据这一程序的综合信息或专家系统在本质上缺乏灵活性并且被夸大了。然而,铜材牌号数量有限的生产商或用户可能会发现这种程序适合作为牌号-格罗斯曼(Grossmann)系数的替代方法。

    如果要求相对粗略,那么佳斯特(Just)给出了末端淬火圆棒上 HRC 分布的一个完整系统,他建立了一条通用的末端淬火曲线形状,用以1/16in为单位的末端淬火距离 “E” 来表示,而且除碳以外,用所有成分的质量分数作为线性回归系数。“卡特彼勒淬透性计算器(IE0024)”,是其应用实例。


十二、根据淬透性选择钢种


    为了选择合适的钢,应首先查看不同钢种可达到的最大硬度,即表1中95%或99. 9%马氏体含量栏目中,表面硬度对应的碳的质量分数。回火后一般可接受的表面硬度降低值是5HRC 和 40HBW(采用布氏硬度时,相应的压痕直径增量是0. 05mm (0. 002in)) 

    可达到的(淬火状态)最大表面硬度取决于钢的含碳量和淬透性。油中能整体淬透到表面最大硬度的最大横截面尺寸见表8。


▼表8  油中能淬透到表面最大硬度的最大截面尺寸



    通过使用图18 所示的末端淬火等效图表以及钢的淬透性带(如图45所示的4140H钢的淬透性带), 可以确定预期的心部硬度范围。末端淬火等效图表显示一根Φ50mm (Φ2in) 圆棒使用高速油淬火后,将产生一个等效于末端淬火试棒J4(4/ 16in) 部位的表面冷却速度;心部的等效冷却速度相对于末端淬火距离J8.5的部位。对于4140H钢,淬透性曲线(图45) 对应的表面硬度范围是51~59HRC, 对应心部硬度是46~57HRC。


▲图45  1040H钢的淬透性带
注:正火870℃,淬火温度845℃


给定炉号的钢的实际硬度严格取决于该炉号所指定的淬透性。为了减少硬化特性的变化,从而在热处理后,使表面和心部的硬度值范围变窄,应采用H型钢或使用限制淬透性规范的 H 型钢,以使所选择的钢的淬透性变窄。

    大部分可以淬火的1xxx系列碳钢中锰的质量分数为0. 60%~0. 90%.锰对淬透性的影响显著,即使锰的质量分数仅存在0. 25%的差异,也会使碳的质量分数为

0. 50%的碳钢的淬透性存在很大差别(图46) 。



▲图46  碳和锰对1050钢末端淬火淬透性的影响


    考虑到在碳钢中可用的含锰量的范围,由此得出结论,可以存在一个宽范围的淬透性(图47) 。例如,1541H 钢频繁表现出末端淬火淬透性值比1340H钢淬透性带(图48) 的最小值大。因此,从碳钢牌号到合金钢牌号,有一个逐步过渡的淬透性。由于许多碳钢是用回收废料生产的,因此标准等级中的残留元素可能会有所变化。


▲图47  水淬(H≈5)时临界直径(D0
心部50%马氏体)随Mn的含量变化(变化
的带宽取决于残留元素和奥氏体晶粒度)


▲图48  1340H钢和1541H钢淬透性带的比较


    也有许多情况需要应用最小的而不是最大的淬透性,在低锰钢牌号中就是这样。例如,通常希望在轴颈或凸轮轮廓上产生薄层的最大硬度,这可以通过感应淬火或火焰淬火来完成。然而,如果硬化区太深,则会建立一种不利的残余应力模式,可能导致淬火开裂或者早期服役失效。另一个实例是将用标准1050 钢(锰的质量分数为0. 60%~0. 90%) 制造的一些凸轮感应淬火到 60HRC, 深度大约到
1. 6mm (1/16in)。如果淬硬区深度变为 3. 2mm (1/ 8in) , 则会有显著数量的开裂零件。使用改良的1050钢(锰的质量分数为0. 30%-0. 60%Mn) 可以消除裂纹,在感应淬火之后,硬化区将变得较薄。

12.1 合金钢
    由于被处理的横截面常常很大,并且合金元素通常使马氏体形成温度范围向较低的方向变化,与横截面较小的普通碳钢件相比,合金钢零件在淬火过程产生的热应力和相变应力,有变大的倾向。通常,较大的应力有导致畸变和开裂风险。然而,合金元素可以通过两种方式抵消这一缺点。首先,也是最重要的一点,是对于一个具体的应用零件,充许采用较低的含碳量。随着含碳量的减少,淬透性降低,但是这可能很容易被所添加合金元素对淬透性的影响所抵消。而且,含碳量较低的钢具有更低的淬火开裂敏感性。这种较低的敏感性是基于较大的低碳马氏体塑性,并且在低碳钢中,在较高的温度范围内将普遍形成马氏体。碳的质量分数等于或小于0. 25%的钢中很少产生淬火裂纹(PS,此类钢可以进行强烈淬火,可以获得与中碳钢、中碳合金钢等效的性能)随着含碳量的增加,对裂纹的敏感性也逐渐增加。
    合金元素在淬火时的另一个作用是对于给定的横截面允许采用较低的冷却速度,因为合金元素增加了淬透性,所以温度梯度通常会减小,冷却应力也就相应地减小了。但应该注意:这不是完全有利的,因为淬火之后存在的应力的方向及大小对裂纹有重要的影响。为了阻止裂纹扩展,淬火之后的表面应力应该是压应力,或者是相对低的拉伸应力。通常,对于这些钢的淬透性而言,应采用不剧烈的淬火来降低畸变,从而可在较大程度上避免开裂。
    此外,这些合金钢的淬透性提高后,允许对其进行等温淬火和分级淬火热处理,因此,回火之前的有害残余应力水平应维持在最低程度上。在等温淬火中,工件迅速冷却到较低的贝氏体区温度,在这个温度上等温,直至完成部分贝氏体转变。由于转变在相对高温区发生,并且进展很慢,因此转变之后的应力水平相当低,而且畸变最小。
    在分级淬火中,工件迅速冷却到 Ms 温度以上并保持,直到整个工件的温度均匀为止,然后在马氏体转变区缓慢冷却(通常是空冷)。这个过程会导致在整个横截面上几乎同时形成马氏体,所以转变应力保持在一个使畸变最小化、开裂风险最低的水平上。


12.1  实例

     采用淬透性图表判断4140H 钢是否能满足一根Φ44. 45mm (Φ1. 75in) 轴的硬度要求。(一台机械需要一根Φ44. 45mm (Φ1. 75in) ,长1. 1m (31/2ft) 的轴。工程分析表明,抗扭强度接近170MPa (25ksi) , 抗弯强度则达到 550MPa (80ksi) 。其他几个零件在同一家工厂生产,也是采用 4140H 钢制造,现在希望知道用 4140H 钢制造这根轴是否具有足够的淬透性。

     由于扭转时的切应力大约是弯曲时的一半,首先考虑弯曲的情况。在弯曲过程中,心部的应力接近于零,所以钢的心部不需要完全淬透。这是很有帮助的,因为淬火应力的分布将减少产生淬火裂纹的危险,而在回火后,能够在轴的外部部分存在压应力。

    为了承受弯曲过程中550MPa (80ksi) 的疲劳载荷,要求最小硬度是35HRC。对于这个例子,假设淬火状态组织至少含有80%的马氏体,通过对淬火状态进行回火应能获得35HRC。根据类似零件的经验,可以知道 80%马氏体组织应该出现在轴的 3/4 半径位置。

    由于4140H钢中碳的最小质量分数是0. 37%,在图49 中的80%马氏体组织上首先找到对应于0. 37%C的淬火状态的硬度。如图49 中顶部的图(和图1 d)相同)所示,这个淬火状态的硬度是45HRC。


▲图49  在钢的截面上使用淬透性数据图例


    重新描述前面的问题(4140H 钢是否适用于这 个零件?) : 在一根

Φ44. 45mm (Φ1. 75in) 轴的3/4半径处,淬火状态的 4140H 钢能否提供最低要求硬度45HRC? 为了回答这个问题,进入图49 中间的图表,在Φ44. 45mm (Φ1. 75in) 处做水平线与3/4 半径对应的曲线相交于一点,这个交点位于试样末端淬火距离6. 5/16in 的位置。最后做垂直线到底部图表上,与4140H钢的最低淬透性曲线相交于一点,该交点处的硬度为 49HRC。由于 49HRC>45HRC,因此用 4140H钢制造该零件有足够大的淬透性。


十三、淬透性极限和 H 钢



    淬透性带是描述许多等级的碳和合金钢的淬透性范围的末端滓火曲线(根据许多历史数据绘制)。淬透性带也可以在H钢的技术规范中采用,H钢是具有指定淬透性带的钢种。这些钢种是在化学成分符号之后,或者在统一编号系统(UNS) 名称之前用一个字母 H 命名。

    H 型钢有供应商保证在规定的化学成分范围内满足淬透性要求。图50 比较了四种钢的淬透性带,H 钢的淬透性比较紧凑。化学成分类似的钢种的淬透性带比较宽。表9 中 列出了 H 钢的末端淬火淬透性带。

  

▲图50  H钢的淬透性带与化学成分类似的钢的淬透性带比较


▼表9  H 钢的末端淬火淬透性带数据
(保存图片,放大查看)


    当规定使用 H 钢时,钢铁制造商将在交货单上,或者通过其他方式给出包含炼钢炉号在内的淬透性特性。这个炉号的淬透性通过在末端淬火试样上规定的参考点硬度,或者在规定的末端淬火距离处的硬度来表示。20HRC以下的读数不做记录。在铸造或者锻造的末端淬火圆棒上测定炉号淬透性。

    图51 所示,为六个 H 钢系列最小淬透性曲线之间的差异,在每一个H钢系列中,合金含量基本不变,可以观察到碳的质量分数对淬透性的影响范围是0. 15%~0. 60%.末端淬火试样上的任何曲线的垂直位置之间,也就是说,对于任何一个冷却速度,可以看出碳对硬度的影响。这种影响变化显著,取决于合金元素的类型和数量。例如,在图51 d~f中,三个钢系列中碳的质量分数从0. 35%增加到

0. 50%, 引起了四个不同末端淬火位置处硬度的增加(使用洛氏硬度C标尺), 见表10。

▼表10 含碳量增加对硬度的影响



▲图51  六种 H 钢系列含碳量对
最小末端淬火淬透性带的影响
(每条线上的数字表示钢的含碳量)


    在图51 的水平坐标线上可以看到含碳量对淬透性的影响。如果用曲线的拐点来预估50%马氏体转变的位置,则 8650与8630钢含碳量对淬透性的影响可以表示为+4/16in, 也就是说,拐点从5/16in 位置转移到 9/16in 的位置。类似地,当名义碳的质量分数为0. 35%~0. 50%时,在51xx系列钢中碳淬透性的影响较小(2/16in) , 在41xx系列钢中较大(6/16in) 。
    在淬火速度方面,考虑到淬火和淬透性的联合影响,要求达到45HRC的冷却速度(或淬火速度)受质量分数为0. 15%的C与合金化元素组合的影响而不是受到其他组合的影响。例如,在w (Cr) =0. 75%和w (Mo) =0. 15% (以41xxH系列钢为例)的钢中,w (C) 增加0. 15%, 淬火速度要求就较低,或者获得45HRC的临界冷却速度可从25℃/s降低到4. 6℃/s (45°F/s到8. 3°F/s)。同样,在w (Cr) =0. 75%和无钼元素(51xxH系列钢)的钢中增加相同的碳的质量分数,冷却速度可从47℃/s降低到21℃/s (85°F/s到37°F/s)。
    碳和合金元素含量对冷却速度影响的实际意义是值得考虑的。对一根Φ50mm (Φ2in) 的4150H钢圆棒进行油淬,无搅拌,在1/2半径处可以获得45 HRC的硬度。在同样直径的 4135钢圆棒中,为了在1/2半径处获得同样的硬度,则需要水淬并强烈搅伴。比较Φ32mm (Φ11/4in) 5135钢和5150钢,在135钢圆棒1/2半径处获得45HRC硬度需要水淬并搅拌;同样的要求在5150钢圆棒上使用油淬、中等

搅拌,就可以实现。因此,增加或减少含碳量或添加某种合金化元素,如质量分数为0. 15%的Mo, 可以在要求的淬冷烈度和横截面尺寸下获得希望的结果。

    图52 所示,为如何根据理想临界直径对钢种进行评价:假设在理想淬火条件下,将横截面的心部淬硬到50%马氏体组织,通过碳和合金元素的含量对这一过程的影响进行评价。理想淬火是指热量从钢件表面释放出去热量的速度和它从内部被传递到表面。的速度相同。通常,硬度和含碳量之间的关系在实际应用中是很重要的,但是,用于这种评定方法中却是模糊的,因为钢被认为具有恒定的微观结构。

硬度是随着含碳量的降低而不断下降的。


▲图52  含碳量对每种牌号以最低
化学成分计算的临界直径的影响


十四、根据末端淬火试验位置对 H 钢进行分类


    由表11可见,位于H 钢末端淬火试样硬度带的下限上,六个不同的硬度水平被指定为淬火态硬度:55HRC、50HRC, 45HRC、40HRC、35HRC 30HRC。最后两个硬度水平主要用于渗碳零件的心部硬度。表中包含了已经建立带的大部分钢,而且已被绘入图33 和图34, 这样做减少了需要查,阅的图表的数量,而在过去,为了选择一种钢,这些图表是必需的。在下面的例子中介绍了图33 和表11 的使用方法。



▼表11  按照各种末端淬火距离的最小硬度对 H 钢进行分类
(保存图片,放大查看)


    例:选择一种在Φ38mm (Φ11/2in) 横截面的1/2半径处等效硬度是45HRC的钢。分析:需要选择一种钢,在用这种钢制成的零件的1/2半径处将淬硬到45HRC, 这个零件有一个重要的横截面等效于Φ38mm (Φ11 /2in) 圆棒。
    1) 为了防止畸变,假设在油中淬火,搅拌速度为60m/min (200ft/min) (H=0.5),并且在无氧化气氛中加热到奥氏体化温度。所以,图33 )c所示的1/2半径图表可用。
    2) 选择钢种。首先,在竖直轴上找到38mm并做水平线,与搅拌速度为60m/min (200ft/min) 的油淬曲线(曲线5) 相交于一点,通过该交点做水平轴的垂线,即可确定末端淬火圆棒上和Φ38mm圆棒的1/2半径处冷却速度相同的位置,这个位置位于至圆棒淬火端的等效距离为6. 5/16in处。然后,在表21 中查找各种 H 钢末端淬火圆棒上45HRC 的位置,发现 8640、8740、5150和94B30钢的末端淬火距离在6. 5/16in处将达到 45HRC。如果其他的淬透性不能满足要求,那么在7/16in处达到45HRC 的钢包括4137、8642、6145和50B40钢。9261钢也
属于这类钢,但是不可以选用,因为它仅作为一种弹簧钢使用,淬火态时,其硬度必须高达50~55HRC。因此有八种钢可用,它们能满足淬透性要求。选择者可根据这些钢的其他特性,如机械加工性、可锻性、气割性、畸变情况、可用性和成本等做出决定,并最终决定哪一种钢最适合作为所需制造工件的材料。


end

文章来源:节选自美国热处理手册A卷

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