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H_RC40。
2.同法可求出表面硬度為H _RC46。
3.如為水淬火時，則可得中心部硬度H _RC47，表面硬度H_RC56。
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(σ _B﹐ 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。
σ _B ＝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。

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。

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。

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。

• 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。