[工材]第十一週筆記

以下為上週複習

碳鋼的兩大缺點：

1. 質量效果大：大部件難以完全淬火
2. 回火軟化抵抗小

特殊元素對硬化能的影響：

• 硬化能

• 影響硬化能之因素：內在、外在

  1. Jominy Test : Jominy Curve，定性硬化能之大小(是規範)
  2. 化學成份對硬化能的影響：
     • Ideal Quench
     • $D_I=D_{IC}\cdot f_{Mn}\cdot f_{Mo}\cdot f_{Cr}...$
     • $\gamma -Fe$ grain size

  以下為這週內容

  3. 硬化能對鋼的TTT圖之影響

特殊元素對回火軟化的抵抗性

• 不會產生碳化物之元素
• 會產生碳化物之元素：
  $Cr$,
  $Mo$,
  $W$,
  $V$等

熱處理中合金鋼之種類與用途

熱處理用中合金鋼(強韌鋼)

硬化能對鋼的TTT圖之影響

以下會做的事情是：逐漸增加合金量，然後看看TTT曲線會怎麼變化。首先是只加一點點:

1.

$\mathrm{碳}\mathrm{鋼}，0.37\mathrm{\%}Mn$

注意這是一塊高碳鋼，本來TTT的鼻部是在y軸之後，所以正常狀況下，這塊碳鋼根本不可能淬火得到100%的麻田散鐵。不過加了合金之後就會有神奇的事情發生！繼續加入Mn：

2.

$\mathrm{高}\mathrm{錳}\mathrm{鋼},1.85\mathrm{\%}Mn$

那個A是開始初析肥粒鐵的曲線。

可以發現鼻部退後了！而且結束的曲線明顯出現凹陷。事實上，結束曲線凹陷的部分，對應到的恰好是變韌鐵變態，而上方是一般的波來鐵變態。繼續增加合金：

3. 鉻鋼,

$0.45\mathrm{\%}Mn+1.97\mathrm{\%}Cr$

連變韌鐵變態的開始曲線都開始延後。這裡可以觀察到波來鐵變態與變韌鐵變態的不同：

• 波來鐵大致上是「晚開始，早結束」
• 變韌鐵大致上是「早開始，晚結束」

下一張圖可以更清楚地看見這個效應。繼續增加：

4.

$\mathrm{三}\mathrm{合}\mathrm{金}\mathrm{鋼},0.78\mathrm{\%}Mn+1.79\mathrm{\%}Ni+0.8\mathrm{\%}Cr+0.33\mathrm{\%}Mo$

波來鐵變態跟變韌鐵變態的差距越來越大，而且鼻部越後。可以注意到一件事情：本來這是一塊在常溫不可能發生麻田散變態的碳鋼，現在TTT曲線的鼻部已經被延後至大約20秒左右！性質可以說是非常顯著的改善。然後比較一下波來鐵變態的始末與變韌鐵變態的始末(看上下兩條紅線)：

然後，前面學過「合金越多，臨界淬火直徑越大」。所以，用臨界淬火直徑可以推測TTT圖。如果臨界淬火直徑提升比例很多，就可以猜測TTT曲線會接近(d); 反之，如果提升比例不大，就可以猜TTT接近前面的( c )(b)或(a)。

特殊元素對回火軟化的抵抗性：

• 不會產生碳化物之元素：

  $Mn$,
  $Si$,
  $Ni$等。不生成碳化物，而是直接固溶在
  $\alpha -Fe$中:

  大致上是加越多越硬。

  SiMn唸起來跟Simon有87%像

• 會產生碳化物之元素：

  $Cr$,
  $Mo$,
  $W$,
  $V$等

  原理就是產生碳化物再固溶。

  West Virginia CriMe

  但是有一個地方跟剛剛不太一樣！這裡可以發現回火到一定溫度的時候，不但硬度不會變軟，在500度做右的時候反而硬度會變高(高出來的那個峰)。

  然後看看溫度，500度左右。這個溫度好像跟高溫回火脆性的溫度有87%像，實際上成因也是87%像，就是金屬碳化物析出。不過他不會聚集在晶界，而是以奈米級在晶粒中析出，所以就會讓之後形成的麻田散鐵變硬了，這個效應就叫做「二次硬化」。不過神奇的事情就是韌性不會因為這樣而變差，因為結構還是一樣的東西。

  然後看看實驗數據，是不是真的有性質有變好

  衝擊值一樣的時候，抗拉強度比碳鋼多了大約50%，真的是太精美了。整體性質變化的趨勢大致會像這樣：

  不過吳表示這張什麼都沒說清楚，參考就好。

最後，有一個觀念：合金鋼的microstructure跟碳鋼完全一樣。

熱處理中合金鋼之種類與用途

合金與他們的產地用途

Fantantic Alloys：

and How to Use Them：

然後補充一些八卦：

• 8XXX跟9XXX二戰時候的緊急用鋼
• SNCM630連空冷都可以得到麻田散鐵，就是傳說中的風硬鋼
• $Cr$會讓回火脆性變高，
  $Ni-Cr$系會有回火脆性(成因就是之前回火脆性的原因)。
• 但是加
  $Mo$可以顯著改善這個問題。

剩下細節看課本～

工具鋼(Tool Steel)

工具鋼

• 碳工具鋼

  • $C$: 0.6% ~ 1.5%, Si 0.35%, Mn 0.5%
  • 球化處理：由正常化組織變成球狀波來鐵。
  • 淬火、回火：獲得最高硬度為目標。即：含C量為0.6%之Martensite內分佈多數小顆粒
    $F{e}_{3}C$為佳。

• 合金工具鋼

  • 切削用：
    $Cr$鋼,
    $Ni$鋼,
    $Cr-W-V$鋼
  • 耐衝專用：SKS4, SKS41, SKS43, SKS44
  • 耐磨(常溫用)：低溫用die, 有SKS3, SKD1, SKD11, SKD21
  • 熱加工用：高溫用die–-SKD6, SKD61, SKD62, SKT3, SKT4

• 高速鋼

  • 高速鋼的種類：
    $W$系,
    $Mo$系(1%
    $Mo$約等於2%
    $Mo$)
  • 高速鋼的性質
  • 高速鋼之熱處理
    • 鍛造作業
    • 熱處理
    • 淬火
    • 回火
      • 第一次回火
      • 第二次及之後的回火

• 工具用硬質合金

  • 鑄造合金：Stellite(
    $Co-Cr-W-C$合金)
  • 燒結硬質合金：
    $WC+Co$,
    $Wc+TiC+W$
    • $Wc-Co$系用來切鑄件、非鐵金屬等，以Widia(賽金剛)為代表。
    • $WC-TiC-Co$系多用來切鋼鐵材料。

要做工具一定要比別人硬，所以通常都是高碳鋼。有碳工具鋼、合金工具鋼、高速鋼等等。依照用途來分的話，有下面幾種用途：

SK -> 錫侃

$$碳工具鋼
SKS, SKD, SKT -> 合金工具鋼
SKH -> 高速鋼

那麼成為工具鋼有什麼條件？第一個當然是強度要大，然後要可以耐各種東西：耐磨、耐氧化、耐高溫，必要時要能夠抵抗一些奇奇怪怪的性質(比如說酸)。

碳工具鋼

範圍在C = 0.6% ~ 1.5%。主要是C > 0.8%的高碳鋼。

好處：價格便宜、淬火簡單
缺點：回火軟化抵抗差、高溫硬度低、切削耐久性小

然後一定要用全靜鋼。聽起來也很有道理。

之前有學過，過共析鋼的雪明碳鐵是「網狀雪明碳鐵」組織，對強度不利。所以改善網狀雪明碳鐵就是一個重要的目標。這裡動一點手腳：

1. 把它加熱到A1上一點點
2. 保溫。這時候網狀雪明碳鐵就會(有點像是網子破掉)變成球
3. 用很慢很慢的速度冷卻，波來鐵就會聚在雪明碳鐵周遭(「成核」「生長」嘛)。然後就變成球化了。

4. 然後再加熱到最佳淬火溫度，因為雪明碳鐵含碳量6.67%, 但是但是
   $\gamma$是0，所以這時候就會擴散到
   $\gamma$基底中，這時候含碳量就會變多。
5. 淬火下去之後，就會有裡面夾雜有(還沒用完的)球狀雪明碳鐵的碳鋼。

這樣得到的東西就叫做球狀雪明碳鐵，因為他的雪明碳鐵就是球狀的(聽起來像廢話)。

其實還有很多種方法，像這樣：

上面說的過程是第四個。

合金工具鋼

吳：因為太沒有重點，所以看我畫線的地方就好。

最右邊那欄：F=爐冷, L=液體冷, W=水冷, A=空冷, H=高溫

這裡注意「熱加工用合金鋼」通常是用中碳鋼。SKD是「模具用合金鋼」。D就是Die的意思。

高速鋼：加入W, Mo

國中就有學過鎢是很硬的金屬，高速鋼就是加這個東西。

最一般形是

$18-4-1$鋼，0.8%

$C$, 18%

$W$, 4%

$Cr$, 1%

$V$。二戰時因為鎢短缺，發現Mo可以取代Mo, 1%Mo效果約等於2%W,所以有開發出Mo系高速鋼(6-6-4-1)。

高速鋼的種類：

$W$系,

$Mo$系(1%

$Mo$約等於2%

$W$)

高速鋼的性質：

可以發現他的淬火溫度真的是太精美了！1300度！而且加工時還要注意不能超過融點，不然什麼球化組織都會被破壞，變成「焚鋼」。不過這有一點補救方法，就是加

$Co$，雖然

$Co$很貴，但是反正高速鋼都很貴了。

高速鋼之熱處理

• 鍛造作業：高速鋼高溫仍然很硬的理由是因為有海量的碳化物可以在高溫時自動產生二次硬化的效果：
  

  

  原理都差不多，都是碳化物析出。析的好(可以固溶)就變硬，析不好就變雜質

$W$,

$V$都會形成碳化物，然後

$W$,

$V$的碳化物又會形成複碳化物(比如

$(W,V{)}_x{C}_y$) ，所以就有海量的Carbite讓鋼鐵變硬。

• 熱處理：高速鋼高溫時依然削鐵如泥，原因是因為二次硬化。為了要做到這種效果，要讓超多的碳化物溶進去，所以淬火溫度才會那麼高。 通常過程是這樣：

  

• 淬火：因為要達到高溫，所以不會一次加熱到淬火溫度，而是會預熱幾次，確定每個部分都有達到一預期的溫度。

• 回火：因為淬火之後，會得到60~70%麻田散鐵, 20~30%殘留沃斯田鐵(超多), 5~15%未固溶碳化物，外加超級高的殘留應力，所以一定要回火而且至少兩次。

  
  • 第一次回火之後，把
    $V$,
    $W$的Carbite均勻的溶到RA中之後再淬成Martensite。這很一般。
  • 第二次及之後的回火，是為了
    • 讓前一次新產生的麻田散鐵可以做二次硬化。
    • 但是又怕前一次二次硬化完的麻田散鐵軟掉，所以回火的時間不能太長，但是又需要回火，所以只好反覆做很多次(而不是做一次長時間的回火)。

工具用硬質合金

工具用鑄造合金

Stelite在這裡

既然那麼想要Carbite，為什麼不一開始就用一堆Carbite下去鑄造？

可以，但是要考慮一些事，如果要把一堆Carbite結合在一起，要找到把它們黏在一起的東西。不過一般的膠高溫的時候都會燒光光，所以一定要用金屬。

那要用什麼呢？後來發現

$Co$的效果不錯。所以這東西就做出來啦～叫Stellite, 是

$Co-Cr-W-C$合金，成分以

$Co$ 40% ~ 50%為質地(而不是鋼鐵)，

$Cr$ 15%~33%，微組織跟白鑄鐵(後面會提到)一樣。

燒結用硬質合金

Widia在這裡

更懶人的做法，把一堆

$WC$跟

$TiC$跟

$Co$粉混在一起，然後高溫燒結，這樣就跟充滿碳化物的

$Co$有87%像。不意外他會有很多亂七八糟的種類：

• Wc-Co系用來切鑄件、非鐵金屬等，以Widia(賽金剛)為代表。
• WC-TiC-Co系多用來切鋼鐵材料。

不過因為太脆了，所以不會整塊工件都用他做，通常是表面Coating一層，或是黏一片上去。

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(我肚子餓好餓)