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第shi六期 碳钢丸的特性
发布shi间:2017/4/25 11:59:58

引 言                                                                                                        

    da多数的pen丸所yong的丸liaodushi碳钢丸。碳钢丸shi通过铸造的方法形成jin似qiu形的形状(糲u滞瑁┗蛲ü迅炙壳卸稳缓髆o圆的方法得到可接shou祅a蛐危锤智型瑁W钪仗几滞鑜iao的内bu强度絰i撸韒ian的氧化tie皮较脆,如图1所示(表层氧化tie皮的hou度特意增daliao)。

 

图1qiu形铸钢丸颗粒的jiemian图


    铸钢丸和钢切丸du分wei“常规硬度”和n哂捕取绷礁龅燃丁1?概shuliao规范AMS 2431中的一些yao求。从表1中可以看出,铸钢丸的平均蘪i縴aobi钢切丸高出50%。

    在制造过程中,碳钢丸的数量shi相当多的。其数量的刻度shi非常da的,因此计算需yao“取整数”。一个含有10立方米钢水的钢水包可以在一次浇注的过程謝ing纬赏鑜iao。1立方米钢tie的质量wei7.8吨。如果一粒丸liao的平均质量shi1hao克的话,name几穤hong觶hi内就可以制造出780yi个丸粒liao。如果钢丝的平均jiemian积shi1平方hao米的话,name10立方米钢丝的chang度wei10000千米。如果把这些钢丝切成1mm的chang度name需yao切100yi次。

    碳钢丸的性膞inㄓ捕取⑿巫础hi寸、韧性、抗mo损和低成本等各个方mian。本篇文zhangzhuyaojie绍能够实现以shang所需性能的一些因su。

表1 铸钢丸的yao求



脆性氧化tie皮

    碳竮hong械膖ie在空气中会发生氧化。tie和氧结合就会形成氧化tie。氧化tieshi一zhong易碎的、类似陶瓷的材liao,在撞ji中非常容易po碎。钢丸撞ji零件后其表mian的氧化皮会po碎成wu数个xi小的氧化物颗粒,这yang就在pen丸设bei謝ing纬蒬a气尘埃。当丸粒表层po碎后,丸粒表mian又会迅速氧化。name实約hi峁蛃hi(a)丸粒质量的减少shi不可避免的,(b)产生的氧化tie颗粒粉尘会产生爆炸。

 

图2. 铸钢丸颗粒的jiemian图显示表层氧化物中的化xue成分

    图2表示liao一个碳钢丸的表层情况。丸粒表层的氧化tie具有不同的化xue成分-FexOy。其中y和x的bizhi从内bu的1连xu变化到表mian的1.5。bizhiwei1shiweiFeO,bizhiwei1.33shiweiFe3O4,bizhiwei1.5shiweiFe2O3

    当丸liao在空气气氛的炉子中加reshi,其表mian的氧化层会越来越hou。机理就shitie原子往丸liao/氧化物界mian方向扩散er氧原子从相反的方向扩散。因此氧化层额waibushi氧饱和er内bushitie饱和。通过控制炉子中的气氛可以使氧化层的增hou的速度减少甚至变薄。po碎的氧化tie颗粒shi非常微小的,所以其mian积与体积bishi相当da的。例如,一个立方厘米的颗粒其表mian积wei10平方米。每个颗粒表mian不同区域的穤hi甲疟ズ虵e2O3到chuntie不等。氧化层的定义就shi和丸粒内bu成分shi化xue结合的方shi存在,所以最终的po碎颗粒shi从氧化层分离出来的xi小颗粒。由于da多数的微小颗粒bing未氧化chong分,因此weiliao达到化xue稳定会进一步发生氧化。进一步的氧化过程会放出re量,这有可能导zhipen丸设bei中的粉尘发生爆炸。

碳钢丸的高温组织

    如果把碳钢加re到一个合适的高温,name其内bu组织会转化wei發v咸濉L荚涌梢宰杂蒬i在tie原讁ong膍ian心立方结构中yi动。碳原子可以从丸粒的表mianyi出(脱碳)襜u梢詙i入(渗碳),这取决于周wei的气氛环境。在丸粒的内bu,碳原子可以sui机di在tie原子zhi间的空隙中穤hi迹梢詗an全自由di在空隙zhi间yi动。yao得到预期的组织,最关键的就shiyao选取合适的蘪i亢秃鲜实奈露取M?显示liao温度、蘪i亢妥橹痾hi间的关系。

 

图3 铸钢丸發v咸寤耐际近/span>

    对于0.8%蘪i康奶几郑橹lv咸寤淖畹臀露葃uewei730℃。这就shi所谓的低共熔点。碳钢蘪i康陀诨蚋哂?.8%的發v咸寤露萪uyao高于730℃。低蘪i扛殖苭ei亚共析,高蘪i扛殖苭ei过共析。次yao金属yuansu含量的变化对發v咸寤墓丶?30℃和0.8%蘪i康挠跋旌苄 H缤?所示,碳钢切丸的發v咸寤露que?80℃到870℃不等,具体温秗e【鲇谔ji俊V滞璧陌lv咸寤露que?80℃到900℃不等,同yangdi,具体温度也取决于蘪i俊0lv咸寤奈露炔粂ing过多dichao过温度下限,因wei可以避免發v咸寰Я5腸u化(这可以导zhi最终的性能下降)。

    發v咸寤谔几滞璧闹圃旃讨衧hi一个重yao环jie。铸钢丸只需一次發v咸寤T诖慊鹩不蛃ui后的回火前,淬火状态的丸liao通常需yao發v咸寤ong于制造钢切丸的钢丝则需yao几次發v咸寤8炙梢猿謝udi浇注成横jiemian积dayuewei10000mm2的圆形棒材。然后棒材襶un仍姆絪hi进xing多重缩减,zhi到其横jiemian积wei100mm2zuoyou。这也意味着棒材的shenchanglv达到liao10000%,yao达到这me高的shenchanglv就需yao在每次re轧后进xing發v咸遄酝嘶稹e轧后的棒材sui后通过冷拔的工yi达到所需的zhijing。经过多次冷拔后,横jiemian积wei100mm2的棒材可以拉chang至横jiemian积wei1 mm2,在这个过程中棒材的shenchanglv又wei10000%,er且又经过liao發v咸寤墓獭T诶浒蔚墓讨斜匦虢鴛ing几次發v咸寤哪康木蛃hiyao保硓hi舨牡难诱剐浴Ⅻ/span>

    通过shangshu的lunshu可zhi,接jin于共析温度下的碳钢geng适合转化wei丸liao。weiliao發v咸寤谔几zhi闹馗醇觬e过程謝ing鑩ao较低的温度。加萹ue锏降慕系臀露萣i絰i呶露萭eng快且成本geng低。另wai一个好chu就shi在较低發v咸寤奈露认拢鑜iao表mian的氧化程度可以降低,因此氧化层的hou度可以控制在最小化。


碳钢丸的低温组织

    在高温下tie和碳原子合适的结合就成weiliao發v咸濉T诘臀孪拢荚颖黄壤鋛ue,sui后形成的组织形shi取决于从發v咸遄刺吕鋛ue的速lv。


缓慢di冷que    

    如果發v咸謇鋛ue的速度相对缓慢,name就留给碳原子足够的shi间进xing迁yi,极duan的例子就shiwan全分离出去。然后da多数的tie原子就自ji形成liaotiesu体,即chuntie的体心立方结构。剩余的tie原子就和碳原子形成liao高度shouyueshu的结构,即每一个碳原子结合三个tie原子。这zhong三bi一的bilv形成liao化xue表达shiFe3C,一zhong类似陶瓷的脆性物体即所谓的渗碳体。渗碳体层和tiesu体层的交替hun合就形成liao珠光体的结构,如图4所示。珠光体shi由较软易延展的tiesu体和较硬易脆的渗碳体hun合er成。zuowei一zhong结合体,这zhong结构具有chong穤hi难诱剐钥梢詚hi持钢丝制zuo过程中的da量冷zuo加工。

 

图4 珠光体的图示


    缓慢冷que的碳竮hi奈⒐圩橹【鲇谔嫉暮浚?表示liao它们zhi间的关系。对于亚共析钢和钢切丸,缓慢冷que的组织由具有较软tiesu体的珠光体组成,其中tiesu体的含量sui譸anji康募跎賓r增加。对于过共析钢和铸钢丸,缓慢冷que的组织由具有脆性初生渗碳体的珠光体组成,其中脆性初生渗碳体的含量sui譸anji康脑黾觘r增加。幸运的shi,铸钢丸在其制造的任何环jiedu不需yao缓慢冷que。

 

图5 缓慢冷que的碳钢组织的图示

快速di冷que

    如果發v咸宓睦鋛ue速度很快,name对于碳原子来说就没有足够的shi间在晶格zhi中迁yi,就wu法形成珠光体或渗碳体。

    在远低于730℃临界温度(如图3所示)下进xing淬火后组织结构会发生非常da的变化。在室温下,發v咸逄几帜赽uyong有非常da的能量,可以“爆炸”成马氏体。zhen状的马氏体会在每个發v咸寰ЯV械娜魏蝒rshi四个方向中任意一个方向以声音的速度成核,然后繁殖。sui着zhen状马氏体互相挤压襶ue耙Ш希辒a的微观ying力就会形成。shou限制的马氏体组织难以变形,因此就形成liao高硬度。相ying的脆性可以通过回火的工序减小。在几百she氏度的温度下,非常有限的碳原子可以迁yi至gengwei舒适的位置,相ying的微观ying力也会得到减小。最终得到的组织就称wei回火马氏体。回火增加liao材liao的韧性和可变形性。

    马氏体的晶体结构和tiesu体的体心立方结构几乎相同。立方结构的三个bian缘的chang度相同。在淬火状态的發v咸逯校荚又荒艹鯾ian詃i械囊桓鰖uo“摇bai”的运动,如图6所示,同shi,mian心立方的發v咸遄涑蒷iao由tie原子构成的体心立方的结构。碳原子bitie原讁ou。玸hi它们葃un粂ao分离出去以找到bi较合适的縵han洹U鈠hong晶体结构称zhiwei体心四方结构。因wei碳原子仅在三个方向中的一个方向把tie原子tui离出去,因此其中的一个bianc相较于另wai两个biana变da。

    在四方结构中,c和a的bilv会sui譸anji康脑黾觘r增加,如图7所示。当材liao的四方形增加shi,name硬度也相yingdi增加。

 

图6 钢tie中扭曲排列的碳原子

 

图7 马氏体的四方性sui譸anji康脑黾觘r增加


快速冷萩u粱鼗鹞露屈/span>

    把淬火發v咸遄刺奶几志矍蛉垩蝐hu理后会生成一zhongjie于马氏体和珠光体zhi间的组织,即所谓的贝氏体。da量的碳原子迁yizhi后,渗碳体的微小颗粒会在tiesu体的ju阵謝ing纬伞T谇卸蝯hi前,把淬火状态的發v咸甯炙拷鴛ing熔铅工yi已经成weiliao钢切丸制造的最zhuyao的工序。图8说明liao传统的“冷淬火”和“萹ue慊稹眤hi间的差异。

 

图8 通过冷淬或淬火的方法进xing發v咸遄泓/span>


冷zuo加工

    碳竮hi睦鋤uo加工可以增加其硬度,当同shi也降低liao其延展性。当冷zuo软化导zhi硬度开始下絛i埃捕que锏絣iao最dazhi。在使yongzhi前,铸钢丸没有冷zuo加工。然er,钢切丸在拉拔和钝化的制zuo过程中已经shou到liao相当多的冷zuo加工zuoyong。在钢丝拉拔的间隙需yao对钢丝进xingchu理以保持其延展性。在把钢丝切成圆zhu体的过程中在其剪切的表mian会存在da量的塑性变形。这会导zhi緕hi康睦鋤uo硬化襶ue跋啾洹Ⅻ/span>

    在一些规范中会yao求丸liao有两个硬度等级。高硬度的钢切丸可以通过控制蘪i俊⒗鋤uo硬化和rechu理的方shi得到。er铸钢丸的硬度可以通过控制蘪i亢突鼗鹞露鹊姆絪hi得到。

丸liao形状

    当把钢水pen成雾状shi,可以得到一zhongjin似qiu形的形状。qiu形具有最小的mian积和体积的bilv。因此,如果液滴shiqiu形的shihou,nameqiu形液滴的表mian能shi最小的。

    把钢丝切段后的圆zhu体变成qiu体的过程yaogengwei复杂。钝化就shi把圆zhu体的颗粒转变weijin似qiu体。在把钢丝切段后的颗粒pen向坚硬物体shi,塑性变形和侵蚀的联合zuoyong会导zhi其形状发生变化。

    规范SAE J441yao求制造钢切丸的钢丝的zhijingyao和钢切丸的chi寸一zhi。例如,制造型号weiSCW/CW-41钢切丸的钢丝zhijingying该wei0.041英寸。0.041英寸相当于1.0mm。如果一个1mmzhijing和1mmchang的圆zhu体只通过塑性变形的方shi转变weiqiu体,nameqiu体的zhijingwei1.144mm。这个形状转变的过程如图9所示。

图9 从圆zhu体到qiu形的形状变化


    在实約hi榭鲋校智型璧亩刍痾huyaoshou到塑性变形的zuoyong,但同shi也会shou到轻微的腐蚀zuoyong。sui着钝化程度的增加,以shang两zhongzuoyongdu会sui着钝化的过程er增加。目前可以把钝化后的等级分wei钝化的、shuang倍钝化的和qiu形钝化的三个等级。sui着钢切丸的形状接jin于qiu形,形状变化带来的塑性变形和侵蚀的zuoyong会越来越da。两zhongzuoyong的zhanbijiang在一定程度shangshou到钢切丸的冶金性能的影响。侵蚀的zuoyong可以在钝化的每个阶段对同yang数量的钢丸颗粒称重得到。从经验shang来讲,对于钝化的钢切丸其质量损失yuewei1~2%,对于shuang倍钝化的钢切丸wei2~3%,对于qiu形钝化的钢切丸wei3~5%。


铸钢丸和钢切丸的chi寸穤hi稽/span>

    在理想情况下,钢丝可以切硈hang嗤脑瞶hu体,每个圆zhu体经过相同的钝化后得到的chi寸也shi相同的。但在实約hi榭鱿拢杂谝慌智型瑁鋍hi寸会存在一个正态穤hi肌H籩r钢切丸的正态穤hi纪ǔ=闲。虼薺ueda多数的钢切丸du具有相似的chi寸。铸钢丸chi寸的变化性在shang一期的文zhang中已经jie绍liao。一批铸钢丸的chi寸穤hiji驼zhi枷嗨啤5玸hisui后的筛分工序会把铸钢丸分wei不同的chi寸等级。在一zhong给定型号的铸钢丸中,其chi寸穤hi糺in似于xian型。


新丸liao

     和铸钢丸的chi寸变化性较da相bi,钢切丸的chi寸相对一zhi,这也shi通常所说的钢切丸的一dayoushi。图10采yong图示的方shi说明liao新的钢切丸和新的铸钢丸zhi间chi寸穤hi嫉牟钜臁Ⅻ/span>

 

图10 铸钢丸和钢切丸chi寸穤hi嫉牟钜朦/span>

如图10所示,铸钢丸shi均yunxian性的chi寸穤hi肌5谑导shi榭鱿拢岽嬖谝恍┱幕蚋旱男眑v祅a鷛ian。


使yong后的丸liao

    一旦丸liao打ji零件后,其质量一定会有所降低。因此chi寸穤hi家不岱⑸浠T谑导噬讨校ǔ;岫ㄆ赿i往设bei里mian补chong新的丸liao以补偿丸liaomo损和po损带来的质量损失。这謟hi筩hong会gai变丸liao的chi寸穤hi肌Ⅻ/span>

    ju一个简dan的模型wei例,一批丸liao由于mo损的原因损失liao10%的chi寸,zhi后加入10%的新丸liao。现在就得到liao一个shuang峰的丸liaochi寸穤hi纪夹危缤?1所示。这shi使yong后的丸liaochi寸的正态穤hi迹ㄆ骄鵦hi寸wei0.9)和新丸liao的正态穤hi迹ㄆ骄鵦hi寸wei1.0)的叠加。

 

图11 新的钢切丸和新旧hun合的钢切丸的chi寸穤hi稽/span>


    如果持xudi添加新的钢切丸jiang会产生穤hi糶eng广的、多峰的chi寸穤hi肌H绻渌膒en丸参数没有发生变化,name这zhong复合的钢切丸jiang会逐渐di产生geng高的覆盖lv和geng低的pen丸强度。

    对于一批设bei中的铸钢丸来说,mo损和po碎jiang会带来相ying的chi寸穤hi嫉谋浠U庵zhi浠梢允箉ong下mian的非常简化的模型来说明。假设(a)一批铸钢丸具有一zhi的、xian性的chi寸穤hi挤秝eiwei最小chi寸0.8和最dachi寸1.2(任意dan位),(b)有10%的chi寸损失bing加入10%的新丸liao予以补chong。补chong后丸liao的chi寸穤hi蓟岱⑸浠hi寸较da的丸liaobu分(1.16~2.0)mo损liao10%,所以这bu穤hi母舕v仍wei零。已经mo损的丸liaobu分会取代接下来的最dabu分,反过来也会替代较小chi寸的bu分。图12给出liao在chi寸wei1.16和0.8zhi间的均yunxian性穤hi嫉耐鑜iaomo损后最终结果。原始chi寸在0.8以shang的丸liao假设mo损后低于0.8,可以通过筛穤hi姆椒ǚ掷氤鋈ァⅫ/span>

    对于如图12所示的理lun模型,新的铸钢丸的平均chi寸wei1.0,10%mo损后(新钢丸添加前)降wei0.98。仅仅只有2%的降低,这对于pen丸的覆盖lv和pen丸强度的影响很小。添加10%新丸liao后的chi寸穤hi既缤?3所示。可以发现chi寸穤hi疾辉诰鵼un。添加新丸liao后的hun合丸liao的平均chi寸wei0.982,所以覆盖lv和pen丸强度shou到的影响也很小。如果丸liao持xudimo损和添加,name丸liao的平均chi寸会越来越小,name对于pen丸效果的影响也会越来越da。一zhong降低这zhongchi寸减小效ying的方法就shi所补chong的新丸liao的平均chi寸yao等于丸liao中较dabu穤hi耐鑜iaochi寸(例如1.18)。

 

图12 铸钢丸mo损后的chi寸理想变化

 

图13 在使yong后的均yunchi寸的丸liao中添加10%新丸liao后的chi寸穤hi稽/span>

蘻hi邳/span>

    zuowei一zhong固体的pen丸jie质,碳钢丸pen丸的效果huaishi相当明显的。通过控制化xue成分、rechu理和制造技shu可以得到所需yao的硬度、韧性、延展性、jinqiu体形状和低的成本。采yong两zhonggen本不相同的技shu得到的丸liao-铸钢丸和钢切丸萩hun梢源锏酵瑈ang的pen丸强化效果,这一点的确令人感到吃惊。

    铸钢丸和钝化后的钢切丸在几乎每一方miandu有不同,即在蘪i俊⑿巫础hi寸穤hiji鸵苯鹱橹确絤ian。如果钢丝切段后的圆zhu体yaomo成qiu体,name钢丝需yao具有较好的延展性。这就需yao使yong亚共析的成分。铸造的显微结构相bi于锻造较弱,因此铸钢丸就需yao过共析钢纁u芺ei,因wei过共析钢相bi于亚共析钢gengwei坚硬。

    本文在lunshu丸liaochi寸方mian的模型du非常的简dan,因此需yaoda家格wai的注意。然er,这些模型能够突出丸liaomo损后chi寸的变化对覆盖lv和pen丸强度变化的影响。