熱處理 - 雙合鑫熱處理 -- 七.質量效果與硬化能
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熱處理

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七.質量效果與硬化能

質量效果與硬化能

質量效果(Mass effect)

淬火的效果會因處理件的大小而異,此種效果稱質量效果。質量效果與硬化能互為因果關係,質量效果大都是起因於硬化能小;而硬化能良好的鋼材,則其質量效果小,淬火硬化的深度較大。

圖1 AISI 1040與4140其質量效果之差異


圖2 淬火後斷面硬度的變化


表1 JIS機械構造用鋼的質量效果
(能確保JIS的機械性質之最大直徑(mm))


表2 確保JIS鋼鐵手冊之機械性質之最大直徑(mm)和DI(inch)
(JIS 標準尺寸:O25)

硬化能試驗


圖3 端點淬火(Jominy)試驗

硬化能及其計算

硬化能(Hardenability)
鋼材的淬火硬化分為淬火硬度和淬火硬化深度。
淬火硬度=f(C%)
淬火硬化深度=f(C%,合金元素,結晶粒度)
淬火硬化深度並稱為硬化能,以DI表示之。
DC:處理件的中心恰好淬成50%的麻田散鐵組織時之直徑,稱為臨界直徑。
DI:淬火硬化至心部的最大直徑,稱為理想臨界直徑

★選擇鋼種應在硬化能(DI值)的基本上,同時注意價格要便宜。
表Ⅰ~ Ⅳ 為硬化能計算用的數表。
表4 為AISI鋼及JIS合金鋼的硬化能(DI值),DI值愈大時大致上硬化能愈好。

★ DI值的計算方法
表格的使用方法如下:
1. 由數表Ⅲ(鋼的C%和結晶粒度),查出數字。
2. 由數表Ⅰ、Ⅱ查出各合金元素的數字,並將其總和。
3. 再從數表Ⅳ換算成DI值。

※例題
AISI 8740鋼,結晶粒度7,依表計算DΙ值為4.35。
詳如下表

硬化能計算用數表(A255-67)

如何求出鋼材淬火後中心的硬度

當已知鋼材之硬化能曲線及其淬火液之冷卻能時,可利用圖8求出該已知直徑鋼棒之中心硬度。

※例題
某鋼棒直徑為 1〞﹐在充分攪拌油中淬火,油之冷卻 能H=0.5, 試求其中心硬度。

解答
參考圖7,從縱座標上找上1〞之點,作與橫軸平行線交H=0.5之曲線於一點,再從該點作橫軸垂直線交橫軸於5/16〞處,此表示直徑1〞圓棒以H=0.5之油淬火時,中心硬度與硬化能曲線之淬火端5/16〞處相同,今已知硬化能曲線(如圖8所示),5/16〞處硬度為HRC52,則該1〞圓棒之中心硬度亦為HRC52。

如何求出構造用鋼淬火後中心及表面的硬度

※例 將SAE 8640,直徑2〞之圓棒作油淬火(H=0.35)時,求出中心硬度之方法說明如下。

1.由圖先求出直徑2〞(A)點之橫線與油淬火(H=0.35)之中 心硬度線之交點(B),再求出通過(B)點之縱線與8640鋼之Jominy曲線之交點(C),由(C)點則可求出其硬度(D),即得HRC40。
2.同法可求出表面硬度為HRC46。
3.如為水淬火時,則可得中心部硬度HRC47,表面硬度HRC56。
如此應用Jominy曲線於熱處理前即可推測淬火硬度。


圖9 各種構造用鋼之Jominy曲線與圓棒淬火硬度之計算圖

如何依要求硬度,選擇鋼種。

※例題 某零件為 2吋(約50mm)直徑的圓棒,表面要求 HRC50,如何選擇鋼種?
◎今以SCr440H為例,符合要求嗎? ANS:不符合。


圖10 棒徑-各部位-Jominy距離的關係

表5 SCr440H鋼(直徑2inch),油淬火時斷面各部位的硬度

以上數據作圖,即為斷面的硬度分佈曲線(亦即U形曲線)。
以上為圓棒鋼材,如為板材則Jominy距離(水冷端距離)應補正如下:

板材的場合:
(1)水淬火時-----圓棒的Jominy距離 X 1.82-1(單位1/16inch)
(2)油淬火時-----Jominy距離 X 2(單位1/16inch)

圖表16 SCM 440 H(SCM 4 H)的硬化能帶

如何依要求強度,選擇完全淬火硬化鋼

選擇程序如下:
求出所要抗拉強度(σB﹐ kg/mm2)之相對的回火硬度(THRC) ----------------------------如①式。
由此推定淬火硬度(QHRC) --------如②式。
為了確保上式之硬度所需之C%----如③式。

再由質量效果來決定鋼種,且依SC→ SMn→ SMnC → SCr→ SCM→ 順序選擇鋼種即可。
σB =3.2 × THRC-----①
QHRC =THRC + 5 ------②
QHRC =30 + 50%C -----③ 90%麻田散鐵

※例題 要求相當於降伏點強度200000psi① 的情況時必要的回火硬度HRC48②,故淬火硬度為HRC53③,因此所要 的含碳量0.40%④。

圖13 滿足所要的抗拉強度(或降伏強度)之硬度和最低C%

如何選擇符合要求性能的便宜鋼材

附錄 鋼材選用原則

各種製品依照其使用條件,對鋼材所要求的性質也完全不同,在鋼材的選擇時必要考慮幾個基本原則,茲舉例說明之。

1.機械性質

  • 選擇只具能充分承受使用中之最大荷種的鋼種,這是最基本的要求。
  • 承受重負荷、動負荷時⇒能得高韌性強度的強韌鋼。
  • 必須具耐磨特性時⇒能得高韌性強度的強韌鋼。
  • 極具耐磨亦耐衝擊荷重時⇒滲碳用鋼。
  • 必須重視耐疲勞性用途時⇒非金屬雜質少的脫氧鋼。
  • 特別要求轉動疲勞時⇒脫氧的滲碳用鋼。

強韌性

強度和伸長都大,亦即韌性強,稱為高強韌 性。機械構造用合金鋼原則上都是淬火回火後使用,一般回火溫度愈低強度、硬度愈高,隨回火溫度愈高則伸長率增加而強度下降。

強韌性依鋼種有顯著不同,但即使同一鋼種經由改變熱處理條件,亦可作相當程度的調節。

耐衝擊性

一般而言,強韌鋼其耐衝擊性也高,但是因鋼種而從回火的特性溫度範圍待冷,則其衝擊值極低,有所謂顯著的回火脆性,必須注意。

耐磨性

鋼材具同一硬度時,含碳量愈高者耐磨耗性愈大,同等及的含碳量則硬度愈高耐磨性愈佳。

耐疲勞性

含無塑性變形的非金屬雜質,鋼材之耐疲勞性顯著劣化。雖與後述的硬化能相關,但如淬火不完全則耐疲勞性會惡化。

滲碳鋼施以適當的滲碳淬火回火處理時,表面殘留壓縮力,可有效改善耐疲勞性。

 

2.硬化能

  • 斷面大的製品使用低硬化能的鋼種,則無法充分淬入心部,得不到所要求的強度之外,由於耐衝擊或耐疲勞性降低,有時會發生預想不到的事故。有必要充分檢討使用條件,選擇適當硬化能的鋼種。
  • 承受重負荷之大斷面的製品⇒使用硬化能特別好的鋼種。
  • 精密製品之最大的淬火變形問題之場合⇒使用變態溫度低之具有自硬性的鋼種。
  • 量產時,要求批次間之硬化能偏差小的場合⇒使用保證硬化能的H鋼。
  • 硬化能略可由鋼的化學成分和結晶粒度來決定,鋼中所含合金元素幾乎大部分具有改善硬化能的效果。C、Mn、Cr、Mo等添加少量就有顯著提高硬化能的重要元素。
  • 水淬火較油淬火具有淬入效果,但相對地也較具淬火變形和淬火破裂的危險性。所以,對於鋼種和使用條件應進行適當地淬火作業,是很重要的。熱處理後鋼材內外的機械性質相異之現象稱為質量效果。因此,硬化能大,可充分淬入深處的鋼種,其質量效果小。

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