外壳设计师告诉你什么叫热处理用合金钢

发布时间:2020-09-25 作者:admin 0
外壳设计师告诉你什么叫热处理用合金钢?
 
      上一节曾经提到,在肥粒铁基地中加入合金元素,可以改良在正常化状态使用的钢之性质,但是如果要更充分的发挥这一类合金钢的机械性质,以得到更高的硬度、强度和韧性,就应该实施淬火及回火处理,只是由于大型结构物可焊性的要求和不易实施热处理的特性,因此合金元素的作用主要是在固溶于肥粒铁,而达到强化的目的(这样的方式称为固溶强化)。
热处理用合金钢大多是应用于机械构成的零件,例如:曲柄轴、齿轮、强力螺栓、键、销等,这些组件注重强度,而且接合的方式也大多不使用焊接,因此假如能利用热处理,使这一类合金钢形成回火麻田散铁的组织而加以应用,就可以得到兼具强、韧的效果。热处理用合金钢就是在碳钢中加入合金元素,并且经由热处理而可以得到强韧性质的钢料,因此也称为强韧钢。

碳钢如果用于构造上有两个主要的缺点:一是硬化能较差、质量效果大,另一是回火时机械强度降低甚大。
前面提过,硬化能是指淬火后,距离淬火端硬度降低的程度。质量效果是指当尺寸较大的零件,在淬火时其中心部份得到硬化效果的难易程度。质量效果大的材料,淬火时中心的硬度降低甚快,这样的现象在碳钢比较显着。而如果碳钢中加入了特殊元素,恒温变态曲线(S曲线)就会右移,如此在相同的冷速下,中心也可以得到相当的硬度。因此加入适当的合金元素就可以使钢料容易得到淬火的效果,增高硬化能而减少质量效果。
其次,某些特殊元素不但可以改善硬化能,发挥淬火的效果,在回火处理时也可以减少硬度、强度受到的影响,即使回火到较高的温度,也可以得到强度及韧性高的组织。
现在我们已经暸解,在构造用合金钢中加入合金元素的目的,主要是增进硬化能及抵抗回火软化。在合金钢所加入的元素中,Cr、 Mn、Mo的效果较大,其次是Ni,由于Ni的价格较高,因此如果只为减小质量效果或增加硬化能,就不需要添加Ni,而添加价格较低且效果好的Mn、Cr、Mo。
合金元素对硬化能的影响,大致可以由硬化能倍数(multiplying factor)看出,硬化能倍数大的元素,增加钢的硬化能也愈大。许多合金元素如P、Si对于钢硬化能也有帮助,但是有其添加的限制,所以并不适合。
在钢中添加Si也可以减缓回火软化的现象,但是与Cr或Mo比较就可以发现,添加Cr或Mo除了使回火软化减缓之外,在较高温回火的情况下,还会产生二次硬化的现象,而使硬度能够再度上升。这种二次硬化的现象,在钨W、钒V等元素也有类似的现象,W、V是合金工具钢的重要元素,二次硬化的现象对于工具钢会产生特殊的切削效果,这一部份将在下一节详细说明。
热处理用合金钢,因其使用目的的不同,所添加的合金元素和合金含量也不同,常用的热处理用合金钢有:镍钢、铬钢、钼钢、镍铬钢、铬钼钢、镍铬钼钢等。要特别注意的是,即使在这里合金元素的种类与随后要说明的某些特殊钢(例如:不锈钢)类似,但含量较少,所以效果也不一样。
1Ni
钢中添加镍可以增加钢的强度,但是在淬火硬度上并没有很大的改善,同时在回火软化的抵抗性质上也并没有明显增加,加上镍的价格较高,因此单纯加镍的镍钢最近已不常用,Ni钢在钢料编号上是属于SAE 2XXX系,JIS对镍钢则不作规定。
Ni钢中镍的添加量约为3~5%,主要优点是可以增加钢的低温强度降低钢的转脆温度(Transition temp.),同时也可以作为渗碳用钢。
2Cr
碳钢中加入1%铬左右,可以增加钢的硬化能和回火软化抵抗性,铬钢一般是由830℃~880℃淬火于油中,再回火于550℃~650℃附近,由于这种钢料在回火时容易产生材质变脆的现象(称为回火脆性),所以在回火之后必须冷却于水中或油中以避免产生回火脆性,这类钢的直径如果大于60mm,就不容易得到充分的淬火效果。铬钢在钢的编号上属于SAE 5XXX系,JIS编号为SCrxx。
铬钢经热处理淬火、回火后,硬度高、耐磨而且耐冲击,主要的用途有:挖土机重机械的钢齿、机斗、碎石机械等。
3Mo
Mo的硬化能效果很大,因此淬火硬化的有效距离很大。Mo对于回火时软化的抵抗性也很好,因此可以经过高温回火,而得到极佳的强度和韧性。
钼钢含Mo量约0.2%~0.3%,另外含有少量Mn等元素,焊接性好,在钢料编号上属于SAE4XXX系,主要用途有:手工具、小型机械零件、螺栓等。
4Ni-Cr
钢中加铬可以增加硬化能,但是Cr含量在超过1%以上时,效果就不会再增加,因此如果需要更好的硬化能,添加Ni是一种方法,因为Ni能有效的增加肥粒铁的强度和韧性。
Ni-Cr钢的镍含量约1%~3. 5%,铬含量约0.5%~1.0%。另外,由于铬及镍加入钢中,还有防腐蚀的效果,当铬、镍含量更高时,最主要的效果就变成以防蚀为主,而不是硬化能。在耐蚀钢中,含铬18%、镍8%的高合金钢,我们称为18-8钢,就是一种常用的不锈钢。
Ni-Cr钢在钢料编号上属于SAE3XXX及SAE43XX系,JIS编号为SNCXX,在构造用合金钢中,Ni-Cr钢是其中较为常用的,通常用于制造曲柄轴、连杆、齿轮等。
5Cr-Mo
含有铬和钼的合金钢硬化能大、回火抵抗性高,而且较不会产生回火脆性,所以是一种用途很广的材料。
Cr-Mo钢是在含Cr量1%的钢料中,再添加0.15%~0.30%的Mo,某些场合可以替代Ni-Cr钢,在钢料的编号上是属于SAE41XX系,JIS编号为SCMXX。
Cr-Mo钢使用的场合,例如:汽车曲轴、锻造或机制的轴、轴环和叶轮等。
6Ni-Cr-Mo
Ni-Cr-Mo钢是综合Ni、Cr、Mo三种合金元素的优点,其中添加元素分别为0.4%~3.5%Ni、0.4%~3.5%Cr、0.15%~0.70%Mo。Ni-Cr-Mo钢具有极佳的硬化能,淬火有效直径可以达200mm,淬火效果很好,此外Ni-Cr-Mo钢对于回火软化的抵抗性大,又因Mo可以显着改善Ni-Cr钢高温回火脆性的缺点,因此能回火至相当的高温,而得到优良的强韧性,所以Ni-Cr-Mo钢可以说是构造用合金钢中最优秀的。
Ni-Cr-Mo钢质量效果小,从淬火温度以空气冷却也可以淬硬,
因此又称为 自硬性钢 (self hardening steel)或 风硬性钢 (air hardening steel),一般由850℃~950℃冷却于空气中或淬火于油中,再回火于550℃~650℃,如果含Mo量高,回火后不须急冷。Ni-Cr-Mo钢也适于大型零件,其钢料编号为SAE 8XXX,JIS编号为SNCMXX,用于大型轴、曲柄轴、高强度螺栓,以致于中小型轴或内燃机连杆等。
 
表2 碳钢与典型镍铬钼钢机械性质的比较

钢种 主 要 成 分 (%) 热处理 抗拉强度kg/mm2 冲击值kg-m /mm2 Brinell硬度
C Ni Cr Mo Mn
碳钢 0.40~
0.50
-- -- -- 0.40~
0.85
淬火
回火
>70 >8 201~ 269
S30NiCrMo2钢 0.25~
0.35
2.50~
3.57
2.50~
3.50
0.50~
0.70
0.35~
0.60
淬火
回火
>110 >8 302~ 352