di十liu期 tan钢丸de特性
发瞛i奔洌?017/4/25 11:59:58

引 言                                                                                                        

    大多shudepen丸所用de丸料du是tan钢丸。tan钢丸是通过铸造de方法形成jin似球形de形zhuang(即铸钢丸)或通过把钢丝切段然后mo圆de方法得到可接受de球形(即钢莤ing瑁W钪誸an钢丸料de内部qiang度较高,表面de氧化铁皮较脆,如图1所shi(表层氧化铁皮de厚度特意增大了)。

 

图1球形铸钢丸颗lide截面图


    铸钢丸he钢莤ing鑔u分为“常规ying度”he“高ying度”两个等级。表1概述了规fanAMS 2431中de一些要求。从表1中可以看出,铸钢丸de平juntan含量要比钢莤ing韪叱?0%。

    在zhi造过程中,tan钢丸deshu量是相dang多de。qishu量deke度是非常大de,因此计算需要“取zhengshu”。一个含有10立方米钢水de钢水包可以在一次浇注de过程謝ing纬赏枇稀?立方米钢铁de质量为7.8吨。如果一li丸料de平jun质量是1毫克de话,那么几分zhongzhi内就可以zhi造出780亿个丸li了。如果钢丝de平jun截面积是1平方毫米de话,那么10立方米钢丝dechang度为10000千米。如果把这些钢丝切成1mmdechang度那么需要切100亿次。

    tan钢丸de性能包kuoying度、形zhuang、尺寸、韧性、kangmo损he祎ong杀镜雀鞲龇矫妗1酒獁en章zhu要介绍能够实xian以上所需性能de一些因素。

表1 铸钢丸de要求



脆性氧化铁皮

    tan钢中de铁在空气中会发生氧化。铁he氧结合総u嵝纬裳趸Q趸且恢忠姿閐e、类似陶cide材料,在撞ji中非常容易破碎。钢丸撞jiling件后qi表面de氧化皮会破碎成无shu个蟝ane氧化物颗li,这yang就在pen丸设bei謝ing纬纱笃景!ang丸li表层破碎后,丸li表面又会迅速氧化。那么实ji结果就是(a)丸li质量dejianshao是不可避免de,(b)产生de氧化铁颗li粉尘会产生baozha。

 

图2. 铸钢丸颗lide截面图显shi表层氧化物中de化xue成分

    图2表shi了一个tan钢丸de表层情kuang。丸li表层de氧化铁具有不tongde化xue成分-FexOy。qi中yhexde比值从内部de1lian续变化到表面de1.5。比值为1时为FeO,比值为1.33时为Fe3O4,比值为1.5时为Fe2O3

    dang丸料在空气气氛de炉子中加re时,qi表面de氧化层会yue来yue厚。机理就是铁原子往丸料/氧化物jie面方向扩散而氧原子从相反de方向扩散。因此氧化层额wai部是氧baohe而内部是铁baohe。通过控zhi炉子中de气氛可以使氧化层de增厚de速度jianshao甚至变薄。破碎de氧化铁颗li是非常微小de,所以qi面积yuti积比是相dang大de。例如,一个立方厘米de颗liqi表面积为10平方米。每个颗li表面不tong区域de分布着baoheFe2O3到chun铁不等。氧化层deding义就是he丸li内部成分是化xue结合de方式存在,所以最终de破碎颗li是从氧化层分离出来de蟝an】舕i。由于大多shude微小颗li并未氧化充分,因此为了达到化xue稳ding会jin一步发生氧化。jin一步de氧化过程会放出re量,这有可能导致pen丸设bei中de粉尘发生baozha。

tan钢丸de高wenzuzhi

    如果把tan钢加re到一个合shide高wen,那么qi内部zuzhi会转化为奥shiti。tan原子可以讂a傻卦谔觗e面xin立方结构中移动。tan原子可以从丸lide表面移出(脱tan)也可以移入(渗tan),这取决于zhou围de气氛环jing。在丸lide内部,tan原子可以随机地在铁原子zhi间de空隙中分布,可以wan全讂a傻卦诳障秡hi间移动。要得到yu期dezuzhi,最guan键de就是要xuan取合shidetan含量he合shidewen度。图3显shi了wen度、tan含量hezuzhizhi间deguan系。

 

图3 铸钢丸奥shiti化de图shi

    秡a?.8%tan含量detan钢,zuzhi奥shiti化de最低wen度詊ia?30℃。这就是所谓de低共熔点。tan钢tan含量低于或高于0.8%de奥shiti化wen度du要高于730℃。低tan含量钢称为亚共析,高tan含量钢称为过共析。次要金属元素含量de变化对奥shiti化deguan键shu据730℃he0.8%tan含量deying响hen小。如图3所shi,tan钢莤ing鑔e奥shiti化wen度从780℃到870℃不等,具tiwen秗e【鲇趖an含量。铸钢丸de奥shiti化wen度从780℃到900℃不等,tongyang地,具tiwen度也取决于tan含量。奥shiti化dewen度不应过多地chao过wen度下限,因为可以避免奥shitijinglide粗化(这可襶uan贾伦钪誨e性能下jiang)。

    奥shiti化在tan钢丸dezhi造过程中是一个重要环jie。铸钢丸只需一次奥shiti化。在淬火ying化he随后de回火前,淬火zhuangtaide丸料通常需要奥shiti化。用于zhi造钢莤ing鑔e钢丝则需要糵u伟聅hiti化。钢水可以持续地浇注成横截面积大詊ia?0000mm2de圆形棒材。然后棒材以re轧de方式jinxing多重缩jian,直到qi横截面积为100mm2左右。这也意味着棒材deshenchang率达到了10000%,要达到这么高deshenchang聅hi托枰诿看蝦e轧后jinxing奥shiti自退火。re轧后de棒材随后通过冷拔de工艺达到所需de直jing。经过多次冷拔后,横截面积为100mm2de棒材可以拉chang至横截面积为1 mm2,在这个过程中棒材deshenchang率又为10000%,而且觶hi税聅hiti化de过程。在冷拔de过程中必须jinxing糵u伟聅hiti化de目de就是要保持棒材de延展性。

    通过上述de论述可知,接jin于共析wen度下detan钢更shi合转化为丸料。为了奥shiti化,在tan钢de重fu加re过程謝ing枰系蚫ewen度。加re达到de较低wen度比较高wen度更kuai且成本更低。lingwai一个好处就是在较低奥shiti化dewen度下,丸料表面de氧化程度可襶ue档停虼搜趸鉪e厚度可以控zhi在最小化。


tan钢丸de低wenzuzhi

    在高wen下铁hetan原子合shide结合総ong晌税聅hiti。在低wen下,tan原子被迫冷却,随后形成dezuzhi形式取决于磞ing聅hitizhuangtai下冷却de速率。


缓慢地冷却    

    如果奥shiti冷却de速度相对缓慢,那么就留给tan原子足够de时间jinxing迁移,极端de例子就是wan全分离出去。然后大多shude铁原子就自己形成了铁素ti,即chun铁detixin立方结构。shengyude铁原子就hetan原子形成了高度受詊i鴇e结构,即每一个tan原子结合三个铁原子。这种三比一de比率形成了化xue表达式Fe3C,一种类似陶cide脆性物ti即所谓de渗tanti。渗tanti层he铁素ti层de交ti混合就形成了珠光tide结构,如图4所shi。珠光ti是由较软易延展de铁素tihe较ying襷huang郿e渗tanti混合而成。作为一种结合ti,这种结构具有充分de延展性可以支持钢丝zhi作过程中de大量冷作加工。

 

图4 珠光tide图shi


    缓慢冷却detan钢de微观zuzhi取决于tande含量,图5表shi了ta们zhi间deguan系。秡a谘枪参龈謍e钢莤ing瑁郝淙磀ezuzhi由具有较软铁素tide珠光tizu成,qi中铁素tide含量随着tan含量dejianshao而增加。秡a诠参龈謍e铸钢丸,缓慢冷却dezuzhi由具有脆性初生渗tantide珠光tizu成,qi中脆性初生渗tantide含量随着tan含量de增加而增加。幸运de是,铸钢丸在qizhi造de任簑ei穓iedu不需要缓慢冷却。

 

图5 缓慢冷却detan钢zuzhide图shi

kuai速地冷却

    如果奥shitide冷却速度henkuai,那么秡a趖an原子来shuo就没有足够de时间在jinggezhi中迁移,就无法形成珠光ti或渗tanti。

    在远低于730℃临jiewen度(如图3所shi)下jinxing淬火后zuzhi结构会发生非常大de变化。在shiwen下,奥shititan钢内部yong有非常大de能量,可以“baozha”成马shiti。zhenzhuangde马shiti会在每个奥shitijingli中de任何二十四个方向中任意一个方向以声yinde速度成核,然后繁殖。随着zhenzhuang马shiti互相挤裧ua约耙Ш希琷u大de微观应力総u嵝纬伞J芟込hide马shitizuzhi难以变形,因此就形成了高ying度。相应de脆性可以通过回火de工序jian小。在几百摄shi度dewen度下,非常有限detan原子可以迁移至更为舒shidewei置,相应de微观应力也会得到jian小。最终得到dezuzhi総ong莆鼗鹇韘hiti。回火增加了材料de韧性he可变形性。

    马shitidejingti结构he铁素tidetixin立方结构糵u跸鄑ong。立方结构de三个边yuandechang度相tong。在淬火zhuangtaide奥shiti中,tan原子只能chao三个边yuan中de一个做“摇摆”de运动,如图6所shi,tong时,面xin立方de奥shiti转变成了觭hang庸钩蒬etixin立方de结构。tan原子比铁原子要小,但是ta们仍然要分离出去以找到比较合shide空间。这謟hii结构称zhi为tixin四方结构。因为tan原子仅在三个方向中de一个方向把铁原子推离出去,因此qi中de一个边c相较于lingwai两个边a变大。

    在四方结构中,cheade比率会随着tan含量de增加而增加,如图7所shi。dang材料de四方形增加时,那么ying度也相应地增加。

 

图6 钢铁中扭曲排列detan原子

 

图7 马shitide四方性随着tan含量de增加而增加


kuai速冷却至回火wen度

    把淬火奥shitizhuangtaidetan竮hi矍蛉踶an处理后会生成一种介于马shitihe珠光tizhi间dezuzhi,即所谓de贝shiti。大量detan原子迁移zhi后,渗tantide微小颗li会在铁素tidejuzhen謝ing纬伞T谇卸蝯hi前,把淬火zhuangtaide奥shiti钢丝jinxing熔铅工艺已经成为了钢莤ing鑪hi造de最zhu要de工序。图8shuo明了chuantongde“冷淬火”he“re淬火”zhi间de差异。

 

图8 通过冷淬或淬火de方法jinxing奥shiti转变


冷作加工

    tan钢de冷作加工可以增加qiying度,dangtong时也jiang低了qi延展性。dang冷作软化导致ying度开始下jiangzhi前,ying度达到了最大值。在使用zhi前,铸钢丸没有冷作加工。然而,钢莤ing柙诶蝖e钝化dezhi作过程中已经受到了相dang多de冷作加工作用。在钢丝拉拔de间隙需要对钢丝jinxing处理以保持qi延展性。在把钢丝切成圆柱tide过程中在qijian切de表面会存在大量de塑性变形。这会导致ju部de冷作ying化以及相变。

    在一些规fan中会要求丸料有两个ying度等级。高ying度de钢莤ing杩梢酝ü貁hitan含量、冷作ying化here处理de方蔶iang玫健6滞鑔eying度可以通过控zhitan含量he回火wen度de方蔶iang玫健Ⅻ/span>

丸料形zhuang

    dang把钢水pen成雾zhuang时,可襶uan玫揭恢謏in似球形de形zhuang。球形具有最小de面积heti积de比率。因此,如果液滴是球形de时候,那么球形液滴de表面能是最小de。

    把钢丝切段后de圆柱ti变成球tide过程要更为fuza。钝化就是把圆柱tide颗li转变为jin似球ti。在把钢丝切段后de颗lipen向jianying物ti时,塑性变形he侵蚀delian合作用会导致qi形zhuang发生变化。

    规fanSAE J441要求zhi造钢莤ing鑔e钢丝de直jing要he钢莤ing鑔e尺寸一致。例如,zhi造xinghao为SCW/CW-41钢莤ing鑔e钢丝直jing应该为0.041英寸。0.041英寸相dang于1.0mm。如果一个1mm直jinghe1mmchangde圆柱ti只通过塑性变形de方式转变为球ti,那么球tide直jing为1.144mm。这个形zhuang转变de过程如图9所shi。

图9 从圆柱ti到球形de形zhuang变化


    在实ji情kuang中,钢莤ing鑔e钝化zhu要受到塑性变形de作用,但tong时也会受到轻微de腐蚀作用。随着钝化程度de增加,以上两种作用du会随着钝化de过程而增加。目前可以把钝化后de等级分为钝化de、双倍钝化dehe球形钝化de三个等级。随着钢莤ing鑔e形zhuang接jin于球形,形zhuang变化dai来de塑性变形he侵蚀de作用会yue来yue大。两种作用de占比将在一ding程度上受到钢莤ing鑔e冶金性能deying响。侵蚀de作用可以在钝化de每个阶段对tongyangshu量de钢丸颗li称重得到。从经验上来讲,秡a诙刍痙e钢莤ing鑡i质量损失詊ia?~2%,秡a谒抖刍痙e钢莤ing栉?~3%,秡a谇蛐味刍痙e钢莤ing栉?~5%。


铸钢丸he钢莤ing鑔e尺寸分布

    在理想情kuang下,钢丝可以切成相tongde圆柱ti,每个圆柱ti经过相tongde钝化后得到de尺寸也是相tongde。但在实ji情kuang下,秡a谝慌智xing瑁琿i尺寸会存在一个正tai分布。然而钢莤ing鑔e正tai分布通常较小,因此jue大多shude钢莤ing鑔u具有相似de尺寸。铸钢丸尺寸de变化性在上一期dewen章中已经介绍了。一批铸钢丸de尺寸分布he正tai分布相似。但是随后de筛分工序会把铸钢丸分为不tongde尺寸等级。在一种给dingxinghaode铸钢丸中,qi尺寸分布jin似于线xing。


新丸料

     he铸钢丸de尺寸变化衴ue洗笙啾龋智xing鑔e尺寸相对一致,这也是通常所shuode钢莤ing鑔e一大you势。图10采用图shide方式shuo明了新de钢莤ing鑘e新de铸钢丸zhi间尺寸分布de差异。

 

图10 铸钢丸he钢莤ing璩叽绶植糳e差异

如图10所shi,铸钢丸是jun匀线性de尺寸分布。但在实ji情kuang下,会存在一些正de或fude斜率de曲线。


使用后de丸料

    一旦丸料打jiling件后,qi质量一ding会有所jiang低。因磗hun叽绶植家不岱⑸浠T谑礿i生产过程中,通常会ding期地往设bei里面补充新de丸料以补偿丸料mo损he破损dai来de质量损失。这种补充会改变丸料de尺寸分布。

    举一个jian单de模xing为例,一批丸料由于mo损de原因损失了10%de尺寸,zhi后加入10%de新丸料。xian在就得到了一个双峰de丸料尺寸分布图形,如图11所shi。这是使用后de丸料尺寸de正tai分布(平jun尺寸为0.9)he新丸料de正tai分布(平jun尺寸为1.0)de叠加。

 

图11 新de钢莤ing鑘e新旧混合de钢莤ing鑔e尺寸分布


    如果持续地添加新de钢莤ing杞岵植几鉪e、多峰de尺寸分布。如果qitadepen丸参shu没有发生变化,那么这种fu合de钢莤ing杞嶂鸾サ夭遜e覆盖率he更低depen丸qiang度。

    秡a谝慌鑒ei中de铸钢丸来shuo,mo损he破碎将会dai来相应de尺寸分布de变化。这种变化可以使用蟣v鎑e非常jian化de模xing来shuo明。假设(a)一批铸钢丸具有一致de、线性de尺寸分布fan围为最小尺寸0.8he最大尺寸1.2(任意单wei),(b)有10%de尺寸损失并加入10%de新丸料予以补充。补充后丸料de尺寸分布会发生变化。尺寸较大de丸料部分(1.16~2.0)mo损了10%,所以这部分de概率仍为ling。已经mo损de丸料部分会取代接下来de最大部分,反过来也会ti代较小尺寸de部分。图12给出了在尺寸为1.16he0.8zhi间dejun匀线性分布de丸料mo损后最终结果。原始尺寸在0.8以上de丸料假设mo损后低于0.8,可以通过筛分de方法分离出去。

    秡a谌缤?2所shide理论模xing,新de铸钢丸de平jun尺寸为1.0,10%mo损后(新钢丸添加前)jiang为0.98。仅仅只有2%dejiang低,这秡a趐en丸de覆盖率hepen丸qiang度deying响hen小。添加10%新丸料后de尺寸分布如图13所shi。可以发xian尺寸分布不在jun匀。添加新丸料后de混合丸料de平jun尺寸为0.982,所以覆盖率hepen丸qiang度受到deying响也hen小。如果丸料持续地mo损he添加,那么丸料de平jun尺寸会yue来yue小,那么秡a趐en丸效果deying响也会yue来yue大。一种jiang低这种尺寸jian小效应de方法就是所补充de新丸料de平jun尺寸要等于丸義ian薪洗蟛糠謉e丸料尺寸(例如1.18)。

 

图12 铸钢丸mo损后de尺寸理想变化

 

图13 在使用后dejun匀尺寸de丸義ian刑砑?0%新丸料后de尺寸分布

讨论

    作为一种固tidepen丸介謘heng瑃an钢丸pen丸de效果籫u窍郿ang明显de。通过控zhi化xue成分、re处理hezhi造ji术可襶uan玫剿枰猟eying度、韧性、延展性、jin球ti形zhuanghe低de成本。采用两种根本不相tongdeji术得到de丸料-铸钢丸he钢莤ing枞chun梢源锏絫ongyangdepen丸qiang化效果,这一点de确lingrengan到吃惊。

    铸钢丸he钝化后de钢莤ing柙诩fu趺恳环矫鎑u有不tong,即在tan含量、形zhuang、尺寸分布he冶金zuzhi等方面。如果钢丝切段后de圆柱ti要mo成球ti,那么钢丝需要具有较好de延展性。这就需要使用亚共析de成分。铸造de显微结构相比于锻造较ruo,因此铸钢丸就需要过共析钢来zhibei,因为过共析钢相比于亚共析钢更为jian觔ingⅫ/span>

    本wen在论述丸料尺寸方面de模xingdu非常dejian单,因此需要大家gewaide注意。然而,这些模xing能够tu出丸料mo损后尺寸de变化对覆盖率hepen丸qiang度变化deying响。