1. 介绍
过去一个世纪, 8620 合金钢 在需要的行业中赢得了主力的声誉 案例固定, 高韧性组件—从汽车齿轮到重型机械轴.
最早开发于20世纪中叶, 8620 属于 SAE J403 命名系统 (通常与 ASTM A681 或者 AISI 分类) 作为 低合金, 渗碳级 钢.
其平衡的化学性质——碳含量适中，并添加了镍, 铬,
和钼——使 深渗碳 和随后的淬火/回火循环，产生 硬外壳 顶上 公爵, 坚韧的核心.
最后, AISI 8620 钢出现在需要的应用中 戴阻力 表面上不牺牲 冲击弹性 内部.
本文探讨了 8620 从多个有利角度——冶金, 机械的, 加工, 和经济——提供彻底的, 专业的, 和可靠的资源.
2. 化学成分 8620 合金钢
| 元素 | 典型范围 (wt %) | 角色 / 影响 |
|---|---|---|
| 碳 (c) | 0.18 - 0.23 | – 渗碳后提供淬透性 – 淬火期间形成马氏体组织 – 低核心碳确保坚韧, 延性核心 |
| 锰 (Mn) | 0.60 - 0.90 | – 在熔化过程中充当脱氧剂 – 促进奥氏体形成, 提高淬透性 – 增加拉伸强度和韧性 |
| 硅 (和) | 0.15 - 0.35 | – 用作脱氧剂和硫改性剂 – 增强强度和硬度 – 改善回火反应 |
| 镍 (在) | 0.40 - 0.70 | – 增加核心韧性和抗冲击性 – 加深均匀核心马氏体的淬透性 – 略微提高耐腐蚀性 |
铬 (Cr) |
0.40 - 0.60 | – 提高外壳的淬透性和耐磨性 – 形成合金碳化物，提高表面硬度 – 有助于回火稳定性 |
| 钼 (莫) | 0.15 - 0.25 | – 提高淬透性和硬度深度 – 提高高温强度和抗蠕变性 – 细化晶粒尺寸 |
| 铜 (铜) | ≤ 0.25 | – 作为杂质 – 略微提高耐腐蚀性 – 对淬透性或机械性能的影响最小 |
| 磷 (p) | ≤ 0.030 | – 增加强度但降低韧性的杂质 – 保持较低以避免核心脆化 |
| 硫 (s) | ≤ 0.040 | – 通过形成硫化锰来改善机械加工性的杂质 – 过多的S会导致热脆性; 控制以保持延展性 |
| 铁 (铁) | 平衡 | – 基础矩阵元素 – 携带所有合金添加剂并确定总体密度和模量 |
3. 物理和机械特性 8620 合金钢
下表总结了主要物理和机械性能 8620 正火状态下的合金钢 (核) 和表面硬化处理 (渗碳 + 淬灭 + 锻炼过的) 状况:
| 财产 | 归一化 (核) | 渗碳外壳 | 笔记 |
|---|---|---|---|
| 密度 (r) | 7.85 g/cm³ | 7.85 g/cm³ | 所有条件下碱基密度相同 |
| 导热率 (20 °C) | 37–43 W/m·K | 37–43 W/m·K | 低合金钢的典型 |
| 比热 (ₚ) | 460 j/kg·k | 460 j/kg·k | 热处理后数值变化可忽略不计 |
| 弹性模量 (e) | 205–210 GPa | 205–210 GPa | 基本保持不变 |
| 热膨胀系数 (20–100°C) | 12.0–12.5 × 10⁻⁶ /°C | 12.0–12.5 × 10⁻⁶ /°C | 不受表面处理的影响 |
抗拉强度 (UTS) |
550–650 MPA | 850–950 MPA | 核 (归一化) vs. 案件 (表面) 渗碳后 + 淬火 + 脾气 |
| 产生强度 (0.2% 抵消) | 350–450 MPA | 580–670 兆帕 | 标准化条件下的核心产量; Q 后的情况收益率&t |
| 伸长 (在 50 毫米规格) | 15–18％ | 12–15％ | 核心保留更高的延展性; 外壳稍低，但硬化层周围仍具有延展性 |
| 硬度 (HB) | 190–230 HB | - | 渗碳前正火硬度 |
| 表面硬度 (HRC) | - | 60–62 HRC | Q 后直接表面测量&t |
| 核心硬度 (HRC) | - | 32–36HRC | Q 后在表面以下约 5–10 毫米处测量&t |
有效表面深度 |
- | 1.5–2.0 毫米 (50 HRC) | 硬度下降到~的深度 50 HRC |
| Charpy V-Notch撞击 (20 °C) | 40–60 焦耳 | 核: ≥ 35 j; 案件: 10–15 j | 核心韧性保持高位; 案件比较难，不太棘手 |
| 旋转弯曲疲劳极限 (R = –1) | ~ 450–500 兆帕 | ~ 900–1,000 兆帕 | 表面硬化处理大大提高了抗疲劳能力 |
| 抗压强度 | 600–700 MPA | 900–1,100 MPA | 外壳压缩 ~3× 核心拉伸; 核心压缩 ~3× 核心拉伸 |
| 戴阻力 | 缓和 | 出色的 | 约 60 HRC 的表面硬度提供高耐磨性 |
笔记:
- 所有值均为近似值，取决于精确的加工参数 (例如。, 回火温度, 淬火介质).
- 标准化性能代表未渗碳, 退火状态. 渗碳情况值反映了典型的气体渗碳 (0.8–1.0 % C案), 油/淬火 + 脾气 (180 °C) 周期.
- 疲劳和冲击值采用标准测试样本; 实际组件可能因残余应力和几何形状而有所不同.
4. 热处理和表面硬化 8620 合金钢
常见的热处理循环
奥斯丁化
- 温度范围: 825–870°C, 取决于截面尺寸 (对于较厚的截面更高，以确保完全奥氏体化).
- 保持时间: 30–60分钟, 确保均匀的奥氏体晶粒形成.
- 考虑因素: 温度过高或保持过度会导致晶粒粗化, 降低韧性.
淬火
- 中等的: 中等粘度油 (例如。, ISO 32–68) 或聚合物基淬火剂以减少变形, 特别是在复杂的几何形状中.
- 目标核心硬度: 回火后 ~32–36 HRC.
回火
- 温度范围: 160对于渗碳零件 –200 °C (保存硬盒), 或 550–600 °C 以满足完全硬化的要求.
- 保持时间: 2–4小时, 其次是空气冷却.
- 结果: 平衡硬度与韧性——高温回火 (550 °C) 产生更具延展性的核心但更柔软的表面.
渗碳程序
包装化石
- 程序: 将零件装入木炭包装中，在 900–930 °C 下放置 6–24 小时 (取决于所需的渗层深度), 然后淬火.
- 优点/缺点: 低成本设备, 但情况均匀性可变且失真较大.
煤炭化学
- 程序: 可控气氛炉引入含碳气体 (甲烷, 丙烷) 920–960°C; 渗层深度通常在 4-8 小时内达到 0.8-1.2 毫米.
- 优势: 精确的碳势, 最小的失真, 可重复的表面深度.
真空渗碳 (低压渗碳, LPC)
- 过程: 低压渗碳, 920–940 °C 的高纯度工艺气体, 随后进行快速高压气淬.
- 好处: 出色的外壳均匀性 (±0.1 mm), 减少氧化 (“白层”最小化), 和严格的失真控制, 设备成本较高.
渗碳过程中的微观结构变化, 淬火, 和回火
- 化石: 引入碳梯度 (表面 ~0.85–1.0% C 至核心 ~0.20% C), 形成奥氏体表层.
- 淬火: 将渗碳外壳转变为 马氏体 (60–62 HRC), 而核心转换为 混合马氏体-回火马氏体或贝氏体 (取决于淬火严重程度).
- 回火: 减少残余应力, 转变残留奥氏体, 并允许碳化物沉淀 (fe₃c, 富铬碳化物) 提高韧性.
理想的回火周期 (180–200 °C 2 小时) 产生一个案例 细小的碳化物分布 和延展性核心.
表面硬化与整体硬化的优点
- 表面硬度 (60–62 HRC) 抗磨损和抗点蚀.
- 核心韧性 (32–36HRC) 吸收冲击力并防止灾难性的脆性破坏.
- 残余应力管理: 适当的回火可减少淬火引起的应力, 从而实现最小的零件变形和较高的疲劳寿命.
变形控制和残余应力管理
- 淬火介质选择: 石油与. 聚合物与. 气体淬火——每种都会产生不同的冷却曲线.
聚合物淬火剂 (例如。, 5–15% 聚亚烷基二醇) 相对于油通常可以减少翘曲. - 治具设计: 淬火过程中均匀的支撑和最小的约束减少了弯曲或扭曲.
- 多个回火步骤: 第一次低温回火稳定马氏体, 随后进行高温回火以进一步降低残余应力.
5. 耐腐蚀及环保性能
大气和水中腐蚀
作为 低合金钢, 8620 在大气条件下表现出中等的耐腐蚀性. 然而, 未受保护的表面 可以氧化 (锈) 在潮湿环境中数小时内.
在水性或海洋环境中, 由于氯化物的侵蚀，腐蚀速度加快.
典型的调质表面 (32 HRC) 在 3.5% nacl at 25 °C 显示 ~0.1–0.3 毫米/年均匀腐蚀.
最后, 保护涂料 (磷酸盐, 画, 或电镀锌/镍) 通常在腐蚀性环境中使用之前.
应力腐蚀开裂敏感性
8620渗碳后的适度韧性有助于抵抗 应力腐蚀开裂 (SCC) 优于高碳钢, 但在富含氯化物或腐蚀性环境以及拉应力下需要小心.
测试表明 薄渗碳截面 (< 4 毫米) 如果没有充分锻炼，会更容易受到伤害. pH 控制抑制剂和阴极保护可减轻关键应用中的 SCC.
防护涂层和表面处理
- 磷酸盐转化膜: 磷酸铁 (磷酸铁₄) 应用于 60 °C 10 分钟产生 2–5 µm 层, 提高油漆附着力和初始耐腐蚀性.
- 粉末涂料 / 湿画: 环氧聚酯粉末在以下温度下固化 180 °C 提供 50–80 µm 的屏障保护, 非常适合户外或轻度腐蚀性环境.
- 电镀 锌或镍: 薄的 (< 10 µm) 酸洗后施加的金属层——锌提供牺牲保护, 而镍增强了耐磨性和耐腐蚀性.
高温氧化和结垢
在上述连续服务中 300 °C, 8620 可以形成厚厚的氧化物 (规模) 层数, 导致体重减轻高达 0.05 mm/年 400 °C.
添加钼在一定程度上提高了抗氧化性, 但适合长时间高温使用 (> 500 °C), 首选不锈钢或镍基合金.
6. 可焊性和制造 8620 合金钢
预热, 间通, 和焊后热处理建议
- 预热: 150焊接前 –200 °C 可降低热梯度并减慢冷却速度，以防止热影响区出现马氏体 (haz).
- 间值温度: 多道焊接保持 150–200 °C，以最大限度地降低热影响区硬度.
- 焊后热处理 (PWHT): 550–600 °C 2–4 小时的去应力回火可确保热影响区韧性并降低残余应力.
常见的焊接过程
- 屏蔽金属电弧焊接 (Smaw): 使用低氢电极 (例如。, E8018-B2) 焊缝金属的抗拉强度为 500–550 MPa.
- 气金属电弧焊接 (GMAW/MIG): 药芯焊丝 (ER80S-B2) 或实心线 (ER70S-6) 产生飞溅最少的高质量焊缝.
- 气钨电弧焊接 (gtaw / turn): 提供精确的控制, 特别适用于薄切片或不锈钢覆盖层.
焊缝金属选择
优选的填充金属包括 8018 或者 8024 系列 (Smaw) 和 ER71T-1/ER80S-B2 (田).
这些具有匹配的淬透性和回火特性, 确保焊后热处理后焊缝和热影响区不会变脆.
7. 应用和行业用例
汽车组件
- 齿轮和小齿轮: 渗碳案例 (0.8–1.2 毫米深度) 具有核心应力消除屈服 表面耐磨性 和 核心减震—传输的理想选择.
- 转向轴和轴颈: 受益于高疲劳寿命和韧性, 确保转向系统的安全.
重型机械和建筑设备
- 滚轮轴和衬套: 表面硬度高 (> 60 HRC) 对抗恶劣条件下的磨料磨损.
- 铲斗销和铰链销: 核心韧性可防止高冲击载荷下的灾难性故障.
石油和天然气钻井工具
- 钻铤和接头: 要求抗旋转弯曲疲劳; 8620渗碳表面减少了钻井泥浆环境中的磨损.
- 联轴器和螺纹连接: 受益于高压服务的耐腐蚀涂层和表面硬化螺纹.
轴承, 叉车桅杆, 和枢轴
- 轴承座圈: 渗碳 8620 在高转速条件下可抵抗点蚀和剥落.
- 桅杆滑块: 高核心延展性吸收冲击, 同时硬化表面减少磨损.
8. 与其他渗碳合金的比较
当指定渗碳级钢时, 工程师经常评估多种合金以平衡 成本, 机械性能, 硬度深度, 和 韧性.
以下, 我们比较 8620 合金钢——最广泛使用的表面硬化钢种之一——具有三种常见的替代品: 9310, 4140, 和 4320.
| 标准 | 8620 | 9310 | 4140 | 4320 |
|---|---|---|---|---|
| 合金含量 | 中镍/铬/钼 | 高镍 (1.65–2.00％), 高钼 | 铬/钼, 没有镍, 较高的C | 类似于 8620, 更严格的 S/P 控制 |
| 表壳深度 (到 50 HRC) | ~ 1.5–2.0 毫米 | ~ 3–4 毫米 | N/A。 (淬透至 ~40 HRC) | ~ 1.5–2.0 毫米 |
| 核心韧性 (问&t) | UTS 850–950 兆帕; 夏比 35–50 J | UTS 950–1,050 兆帕; 夏比 30–45 J | UTS 1,000–1,100 兆帕; 夏比 25–40 J | UTS 900–1,000 兆帕; 夏比 40–60 J |
| 表面硬度 (HRC) | 60–62 HRC (渗碳) | 62–64HRC (渗碳) | 40–45HRC (整体硬化) | 60–62 HRC (渗碳) |
可加工性 (归一化) |
约 60–65% 1212 | 约 50–60% 1212 | 约 40–45% 1212 | 约 55–60% 1212 |
| 失真控制 | 缓和, 推荐使用多淬火淬火 | 适合 LPC 或气淬 | 大截面的畸变较高 | 比 8620 在大型焊件中 |
| 成本 (原材料基础) | 基价 | +15–25%以上 8620 | 类似于 8620 | +5–10%以上 8620 |
| 典型的用例 | 汽车齿轮, 轴, 通用零件 | 航空航天齿轮, 风力涡轮机小齿轮 | 曲轴, 死亡, 重型机械零件 | 油田设备, 大型焊接件 |
选择正确的合金
在这些渗碳合金之间进行选择时, 考虑:
外壳深度要求:
- 如果 深案 (> 3 毫米) 是必不可少的, 9310 或者 LPC处理 8620 成为候选人.
- 适用于中等渗层深度 (1.5–2.0 毫米), 8620 或者 4320 更经济.
核心力量和韧性:
- 8620 满足 UTS 的大多数中等负载需求 ~ 900 核心 MPa.
- 9310 或者 4320 增强大截面或焊接组件的韧性.
彻底硬化与. 案例硬化:
- 当一个 统一 HRC 40–45 就足够了, 4140 通常更具成本效益, 消除渗碳步骤.
- 如果 戴阻力 工作表面至关重要, 8620/9310/4320 提供卓越的表面硬度.
成本和可用性:
- 在大批量汽车应用中, 合金钢 8620 因其而占据主导地位 性价比 平衡.
- 9310 是合理的 航天 和 防御 性能取代原材料成本.
可焊性和制造需求:
- 4320的 更严格的杂质控制使其更适合 大型焊接结构.
- 8620 比焊接更容易 9310, 由于淬透性较高，需要更严格的预热和层间控制.
9. 结论
8620 合金钢继续名列前茅 最通用的表面硬化 可用钢材.
从其平衡 低碳, 多合金化学 以其经过验证的性能 渗碳, 淬灭, 并经过锤炼 状况,
8620 满足现代工业的严格要求——汽车, 航天, 重型机械, 石油和天然气, 及以后.
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常见问题解答 – 8620 合金钢
为什么是 8620 适合渗碳的钢?
8620 核心的碳含量相对较低 (大约. 0.2%), 保持延展性, 而其合金元素可实现高达 60–62 HRC 的深度表面硬化.
这使其成为在不牺牲核心强度的情况下实现表面耐磨性的理想选择.
热处理通常应用于哪些领域 8620 合金钢?
典型的处理方法包括渗碳, 然后进行淬火和回火. 此过程使表面层变硬，同时保持较软的状态, 更具延展性的核心.
也可在渗碳之前使用正火和退火，以改善机械加工性或晶粒细化.7.
是 8620 易于加工和焊接?
在退火状态, 8620 表现出良好的机械加工性. 然而, 应限制渗碳后加工以避免刀具磨损.
可以在退火或正火状态下进行焊接，但需要预热和焊后消除应力以防止开裂.
标准涵盖哪些内容 8620 合金钢?
通用规格 8620 包括:
- ASTM A29 / A29M – 一般要求
- SAE J404 – 化学成分
- AMS 6274 / AMS 6276 – 航空航天质量等级
