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導入: 鋼硬化における炭素の重要な役割
鋼は最も広く使用されている工学合金であり、その機械的特性は、熱処理によって根本的に制御されます。さまざまな熱処理プロセスの中で、水力学位相から流入冷却 - マルテンサイトを生産し、優れた硬度と強度を損なう微細構造。鋼の炭素含有量は、マルテンサイト形成、その最終的な構造、および結果特性を支配する単一の最も影響力のある要因です。この記事では、炭素とマーテンサイトをカバーする、実用的なメカニズムと機械的変化を融合した構造間の関係の包括的な、技術的なコンテンツを提供します。
マルテンサイト形成の基礎
マルテンサイトは、体中心の鉄骨構造(BCT)に対面中心の立方体(FCC)のアッステナイトからのせん断駆動変形、希釈性によって形成される転移性相です。 急速な焼入(炭素含有量に応じて1000°C/sの注文に対する冷却率)は、炭素原子の拡散を抑制し、鉄分裂の断層にそれらをトラッピングします。 これにより、炭素分裂は、炭素分裂を増加させる。
マルテンサイトの主な特徴は、そのクレンシャル(針状)形態学、高変位密度、およびツインまたは旋盤の微細なサブ構造を含みます。 モルフォロジー自体は、炭素含有量に依存します。 低炭素鋼(以下0.4%C)は、高炭素鋼(above 0.6 C)は、特徴的なジグザグパターンでプレートマルテンサイトを生成しながら、レースマルテンサイトを形成する傾向があります。 これらの違いは、直接変形および変形能力を調節する。
炭素含有管理がマーテンサイト変革をどのように推進するか
炭素を対物合金要素として
カーボン原子は、FCCアステナイト格子内の占有型インターステファルサイトを占めています。 焼入れ中に、カーボンは、セメントナイト(Fe3C)または他の炭化物を形成するのに十分な速度を拡散することはできません。 代わりに、それはトラップされ、重度の鉄骨の歪みを示唆しています。 正当性(c /a比)の程度は、約1.0から0%Cに約1.00から1.08に増加する。 過度の硬さについては、このサイトは、極端な硬さを欠損します。
炭素含有量とMs温度の関係は、重要で十分に確立されています。炭素の0.1%が増加すると、Msが約30〜40°C減少します。アンドリュースの式などの帝国式は、次のようになります。
Ms (°C) = 539 – 423(%C) – 30.4(%Mn) – 17.7(%Ni) – 12.1(%Cr) – 7.5(%Mo) + ...[
従って、0.8%Cの明白な炭素鋼に200°CのまわりのMsがあります、0.2%Cの鋼鉄は500°Cの近くMsがあります。マルテンサイトの終わり(Mf)の温度はMsの下の200-250°C、高炭素の鋼鉄Mfで保持されたausteniteに導く部屋の温度の下で落ちるかもしれませんが普通です。
重要な冷却率および堅牢性
マルテンサイトを形成するために、冷却率は、重大な冷却速度(CCR)を超えなければなりません。最小速度は、真珠石やバニチへの差異的な変化を回避します。 炭素含有量は、CCRに強く影響します。 炭素排出量は、連続冷却変換(CCT)の真珠石鼻を長期にシフトし、より遅いケニッチ(例えば、水ではなく油)で完全なマルテンサイトを達成するために容易になります。 しかし、非常に高い炭素(CCRは、実際に銅や銅、銅、銅、銅、銅、銅、銅、銅、銅、銅、銅、銅、銅、銅、銅、銅、銅、銅、銅、銅、銅、銅、銅、銅、銅、銅、銅、銅、銅、銅、銅、銅、銅、銅、銅、銅、銅、銅、銅、銅、銅、銅、銅、銅、銅、銅、銅、銅、銅、銅、銅、銅、銅、銅、銅、銅、銅、銅、銅、銅、銅、銅、銅、銅、銅、銅、銅、銅、銅、銅、銅、銅、銅、
| Carbon Content (wt%) | Typical Ms (°C) | Hardenability | Preferred Quenchant |
|---|---|---|---|
| 0.05 – 0.25 | 450 – 500 | Low | Water |
| 0.30 – 0.50 | 350 – 450 | Moderate | Water (small sections) or oil |
| 0.60 – 0.80 | 200 – 350 | High | Oil or polymer |
| 0.90 – 1.20 | 100 – 200 | Very high | Oil or martempering |
注:合金の添加は、これらの範囲を大きく変更することができます。詳細は、[]を参照してください。ASM Internationalの熱処理リソース。
マルテンサイトの炭素含有量と機械的特性
硬度および強さ
炭素焼入れ型マルテンサイト硬度は、約0.8%Cまでの炭素含有量とほぼ線形です。古典的な式は次のとおりです。
硬度(HRC) ≈ 60√(%C) + 20(炭素含有量が0.8%まで)
従って、0.2%C硬度は約47 HRCです。0.8%Cでは、約67 HRCに達する。0.8%Cを超えて、追加の炭素が溶液に残っているが、高炭素のマルテンサイトのための約1,000 MPaから増加する、高炭素のマルテンサイトに比べ、高炭素のマルテンサイトに比べ2,500 MPa以上を増加させる。
延性および靭性
マルテンサイトは、その超飽和格子、高内部のストレス、および結束地域の存在による本質的に脆性です(特に高炭素鋼)。 低炭素のプレートのマルテンサイトでは、低炭素の溶融の低下に耐え、1%未満の高炭素のプレートのマルテンサイトから10〜10%の低下を折る。 影響力もふくらみ、ほぼ非強化高炭素のマルテンサイトを作る。 このトレードオフは、ダシリティを回復するためにいくつかのステップを強制します。
保存されたアウステンタイト
高温下降に austenite を安定させる高炭素含有量は、Mf 温度が周囲に落ちる可能性があることを意味します。その結果、 austenite の分裂は焼戻し後に未変形のままです。例えば、1.0%C 鋼は 10-30% のアッステナイトを保持する可能性があります。この軟化フェーズは、全体的な硬度を削減し、寸法の不安定性を引き起こす可能性があります。サブゼロ処理(低温処理)または複数の焼戻しサイクルは、このような材料を添加するために使用して、以下のものがあります。[F] 温度は、または、または、または、または、または、または、または、または、または、または、または、または、または、または、または、または、または、または、または、または、または、または、または、または、または、または、または、または、または、または、または、または、または、または、または、または、または、または、または、または、または、または、または、または、または、または、または、または、または、または、または、または、または、または、または、または、または、または、または、または、または、または、または、または、または、または、
実用的な処理のインプリケーション
焼入れ媒体の選択
- [低炭素鋼鉄(0.02-0.3% C):]はCCRに達するために速い冷却(例えば、氷結の塩水または水)を要求します;さらに、完全なマルテンサイトは薄いセクションでしか達成されるかもしれません。多くの場合、これらは表面カーボンを高めるために浸炭のために使用されます。
- [中炭素鋼(0.3-0.6% C):]]水焼入れは一般的ですが、油は改良された硬化性合金に使用することができます。 シャフトやギアなどの構造成分のバランスの取れた特性を達成するために調整が不可欠です。
- [高炭素鋼(0.6-1.2%C):]油焼入れは、熱衝撃から割れることを避けるために典型的なものです。マーテンパリング(減衰変異)は、歪みを軽減するのに役立ちます。切削工具、ダイス、ベアリング、およびばねに使用されます。
緩和応答
気化の玄関ひたすサイトは転写炭化物(低炭素のεカルビド、より高いカーボンの内面活性炭)、変位の回復および残りの圧力の減少を引き起こします。気化の間の焼戻しの硬度は炭化物を形作るためによりスーパー飽和炭化物が利用できるのでより高い炭素鋼のための掃除人です。但し、二次硬化はCr、Mo、V (eg.、H13-C)のような強い炭化物元を含んでいる合金鋼鉄で起こります。多重なる用具は500-00°Cを変形させるとき鋼鉄を変形させます。
要素と炭素との相互作用の合金化
合金化要素の追加は、複数の方法でマルテンサイト変換を変更します。
- ニッケルとマンガン:[より低いMsの温度、増やす傾向を増やす アステンタイト。
- クロムとモリブデン:[ 硬化性を高め、高炭素鋼の油焼入れを可能にしました。 また、焼戻し中に炭化物形成を促進します。
- バナナとチタン:[] ピングレイン境界とファインマルテンサイトパケットサイズを精製するファインカーバイドを形成します。
- シリコン:]] 焼戻し中に柔らかくなると、ばね鋼に有益です。
合金効果の詳細な議論については、 ] を参照してください。 難燃性に関する総Materiaの記事 を参照してください。
用途に適した炭素含有量を選ぶ
エンジニアはサービス要件に合わせてカーボンコンテンツをテーラー:
- [低炭素(0.05-0.25%C) - ケース硬化鋼:[コアは、厳しいまま; 表面は0.8-1.0%Cに浸され、硬い、耐摩耗性ケースを生成するために焼入されます。例:浸炭ギア、カムシャフト、スタンピング。
- 中炭素(0.3-0.5% C) - 焼入れおよび強化鋼:[]] アクスル、ロッド、ボルト、および機械部品を接続するための強度、靭性、および疲労抵抗を提供します。
- 高炭素(0.6-1.2%C) - 耐摩耗性と工具鋼:] - 焼入れ後、焼戻し、慎重に応力緩和に耐え、最大の硬度を提供します。 金型、ナイフ、かみそり、冷間成形工具、スプリングワイヤに使用されます。
- 超高炭素(1.2-2.0% C) – 特殊用途:[ 極端な脆性のためにまれに使用; 粉末冶金または高摩耗成分のための専門熱処理を介して処理することができる。
コンテンツ
鋼の炭素含有量は、マルテンサイト形成、その結晶構造、および機械的特性を制御するマスター変数です。 Ms温度と重要な冷却率をシフトして硬度、延性を予測し、そして持続するアッステナイト、カーボンの役割は、熱処理と設計エンジニアのための基礎です。 カーボン、合金化要素とクエンシングパラメータ間のインタープレイを理解することにより、メーカーは一貫して最適化された性能で鋼を届けることができます。ただし、目標がラッシのブレードや、車両の調整、および調整の調整のための重要な機能が、重要な機能的な機能を備えています。
現代の熱処理技術に関するさらなる読書については、 ] 工業用加熱雑誌の技術的なライブラリ] および [] ASTM International[ の関連規格を参照してください。