各种材料的淬火硬度比较。钢材清单和设计考虑因素。

我们有了硬化　获得地点：材料硬度"。注释

我一直在问自己："我应该选择哪种材料才能获得这个零件所需的硬度？我在各种网站上搜索各种材料的硬度数据。　　然而，尽管许多网站都有关于 S45C 等典型钢材的信息，但我却找不到一份包括工具钢和不锈钢在内的详尽清单，最后我不得不将零散的信息拼凑在一起。

这篇文章是为那些和我过去遇到过同样问题的设计人员准备的。　　它按材料提供了一份主要钢材（从碳钢到合金钢、工具钢和不锈钢）通过淬火获得的硬度的综合列表，这是其他网站通常缺乏的。

此外，它不仅仅是数据，而是以这样一种方式编排：从仔细解释决定钢材最高硬度的基本原则开始，到如何参考可靠的 JIS 标准和制造商信息，您可以系统地学习在设计实践中真正有用的知识。　　读完本文后，您应该能够消除在材料选择方面的任何疑虑，并自信地给出热处理说明。

各种材料的淬火硬度对比一览

以下是机械设计中常用的主要钢材通过淬火可达到的硬度范围的综合比较列表。　　请利用这些信息了解每种钢的特性，并将其作为选择材料的第一步。

注释
¹ 淬火后的典型硬度 (HRC)：如果通过理想的快速冷却在表面获得近似 100% 的马氏体结构，该值是根据碳含量预计的近似硬度。这种情况非常脆、这种硬度本身很少在图纸中注明。

² 实际淬火和回火硬度范围 (HRC)：该值是实际产品在淬火和 "回火 "后的目标硬度范围，以实现硬度和韧性之间的平衡。设计人员应在图纸上标明这一硬度范围。

沉淀硬化不锈钢：SUS 630 并非通过淬火硬化，而是在固溶热处理后通过时效处理（沉淀硬化）硬化。　硬度由处理温度决定（如 H900 约为 480°C）。

碳含量在决定淬火硬度中的作用。

总之，是什么决定了淬火钢的最高硬度？上限主要取决于钢中的含碳量。

这是因为淬火是一种热处理，是将钢材从高温状态快速冷却以形成一种叫做马氏体的非常坚硬的内部结构的过程。这种马氏体微观结构的硬度取决于有多少碳原子被强行截留在其中因此，原始钢材的含碳量越高，所能达到的最高硬度也就越高。

例如，通用型 S45C（含碳量约为 0.451 TP3T）的理论最大硬度约为 63 HRC，而含碳量较高的 S55C（含碳量约为 0.551 TP3T）的理论最大硬度约为 65 HRC。

然而设计人员应注意的重要事项。有一个问题。　事实上，一旦碳含量超过约 0.61 TP3T，即使碳含量进一步增加，最大硬度也很难提高。　　如果仅仅因为硬度而选择昂贵的高碳钢，不仅得不偿失，而且可能会带来韧性（韧性）降低和脆性增加的缺点。

因此，选择正确材料的第一步就是要明白，在考虑部件所需的硬度时，碳含量是决定其潜力上限的最基本因素。

碳钢（如 S45C）的硬度和特性

碳钢通常也被称为 "S-C 材料"，是机械设计中使用最广泛的钢材，S45C 就是一例。

碳钢的主要优点是性价比高。　　由于它不含铬和钼等昂贵的合金元素，材料成本可以保持在较低水平。　　就 S45C 而言，通过适当的热处理，其表面硬度可达 HRC 55-60 左右，从而确保了许多机械零件所需的耐磨性。

另一方面，设计师也应注意到一些缺点。　　那就是低淬透性这就是问题所在。如上所述，不含合金元素的碳钢在部件深处的硬化能力较差。因此，尝试淬火厚壁零件（如直径较大的轴类零件）往往会导致表面淬火但中心变软。

因此碳钢被认为更适用于只对表面进行选择性硬化的应用，如感应淬火，而不是对整个部件进行淬火的 "区域淬火"。　低成本很有吸引力，但必须考虑部件的尺寸和所需的强度、应仔细考虑淬火性能是否不足。

合金钢的硬度和特性（SCM、SNCM）

为了弥补碳钢的低淬透性，人们开发了添加铬（Cr）、钼（Mo）和镍（Ni）等合金元素的合金钢。　典型的例子是 SCM 材料（铬钼钢）和 SNCM 材料（镍铬钼钢）。

合金钢的主要优势在于其出色的淬透性。　　添加的合金元素可减缓钢冷却时内部结构的变化。　　这样，即使在碳钢需要快速冷却的情况下，也可以通过温和的冷却方式（如用油缓慢冷却）将零件淬硬至芯部。

例如，SCM440 的含碳量几乎与 S45C 相同，但淬透性明显更好，因此被广泛用于需要高可靠性的较大截面零件、高强度螺栓和车轴。　它的另一个主要优点是冷却温和，可降低淬火开裂和变形等热处理风险。

其缺点是材料成本仍高于碳钢。　　不过，在现代设计中，为了确保热处理后的可靠性和性能，在需要更大、更强的部件时，使用合金钢在很多情况下是必不可少的。

工具钢（SK 材料）的硬度和特性

工具钢，顾名思义，是用于加工金属的模具和切削工具的钢材，具有极高的硬度和出色的耐磨性。

工具钢的碳含量非常高，还含有大量合金元素，如铬（Cr）、钨（W）和钼（Mo）。因此，淬火后的硬度非常高，超过 HRC 60。

典型的钢种是用于冷模的 SKD11，由于其淬火后尺寸变化极小的优异性能，被用作精密模具的标准材料。不过，这种钢虽然硬度极高，但韧性低且易碎，因此不适合用于受强烈冲击的场合。

此外，还有一些工具钢，如用于热模的 SKD61，即使在高温环境下也具有防止硬度下降的特性。

工具钢是用于特殊应用的昂贵材料，但其高硬度和耐磨性提供了其他钢材无法替代的卓越性能。　　在设计模具和夹具时，了解这些材料的特性非常重要。

不锈钢的硬度和特性

不锈钢以耐腐蚀性著称，但并非所有不锈钢都能通过淬火硬化。　淬火可以提高硬度，主要是在一种被称为 "马氏体 "的不锈钢中。

与普通奥氏体钢（如 SUS 304）不同，马氏体不锈钢含有碳元素。　　这意味着热处理可以诱导马氏体转变并提高硬度。

典型的钢种包括 SUS 420J2 和 SUS 440C。SUS420J2 可通过淬火硬化至硬度超过 HRC50，可用于要求耐腐蚀性和耐磨性的餐具、阀门零件和轴。　　另一方面SUS 440C 是不锈钢中硬度最高的一种材料，可达到 HRC 58 或更高。　由于其出色的耐磨性，它们被用于轴承球、内外圈和喷嘴等精密部件。

不过，应该注意的是，虽然马氏体不锈钢可以提高硬度，但在耐腐蚀性方面却不如奥氏体不锈钢。　　在选择材料时必须考虑工作环境，以及应优先考虑防锈性还是硬度。

充分利用淬火硬度的设计考虑因素

选择材料时考虑淬透性和质量效应。

在选择部件材料时，只看目标硬度来确定钢的等级是很危险的。应特别注意 "质量效应 "和相关的 "硬化性"。

什么是大众效应？

质量效应是指即使使用相同的钢材，淬火后的硬度也会因工件的尺寸（横截面积）而不同的现象。　　具体来说，部件越厚，中心的冷却速度就越慢。　　由于冷却速度的差异，表面已充分硬化，但内部尚未完全硬化原始 "状态。变成了

硬化性和评估方法

造成这种质量效应的一个主要因素是材料特有的 "淬透性"。　淬透性是指通过淬火 "深度淬透 "的能力。表示产品的硬化程度。　　有几种指标可以客观地评估这种淬透性。

乔明试验和淬透性曲线

最典型的评估方法是 JIS G 0561 中规定的 "Jominy 试验（一端淬火法）"。它是　　在这种试验中，先将按规定尺寸加工的圆棒试样加热，然后仅在一端面（一端）喷水冷却。

淬透性曲线（乔明尼曲线）"是试样距水冷边缘的距离与其硬度之间关系的曲线图。　　由于冷却速度最快，水冷端硬度最高，而从水冷端开始，冷却速度逐渐减慢，硬度也随之降低。硬度下降曲线越慢，材料的 "良好淬透性 "就越好。

例如，碳钢 S45C 的硬度在距离水冷边缘很短的距离内迅速下降，而合金钢 SCM440 则在相对较长的距离内保持较高的硬度和平缓的曲线。　　这表明 SCM440 的淬透性优于 S45C。

临界直径指标。

另一个实用指标是 "临界直径"。　　其定义为 "在零件中心能获得至少 501 TP3T 马氏体结构的最大直径"。　　这材料的临界直径较大，这意味着即使较厚的部件也能淬硬至芯部。

通过添加铬（Cr）、钼（Mo）和锰（Mn）等合金元素，可提高淬透性。　　因此对于设计人员来说，关键是要选择一种对部件最厚部分（主要壁厚）具有足够淬透性的材料，而且这种材料要有较大的临界直径，以防止由于质量效应造成内部强度不足。下面就是一个例子。

通过回火平衡硬度和韧性

通过淬火达到最高硬度的钢实际上非常脆，就像玻璃一样。　　在这种 "就地淬火 "状态下，它不能用于大多数机械零件，因为即使是最轻微的冲击也很容易使其破裂。

因此，淬火后总是需要进行 "回火 "处理。　　回火是将淬火钢重新加热到适当温度的一种热处理方法，它不仅能略微降低硬度，还能消除导致脆性的内部应变，恢复韧性或 "韧性"。

设计人员需要了解硬度和韧性之间的权衡关系，并根据零件的性能要求找到最佳平衡点。

例如，对耐磨性要求最高的工具进行 "低温回火"，硬度几乎不会降低。　　另一方面，对于轴和齿轮等容易受到冲击的零件，则采用 "高温回火（回火）"，在一定程度上牺牲硬度的同时显著提高韧性。

需要特别指出的是，有一个危险的温度范围，即 "回火脆性"，在这个温度范围内，韧性会明显降低。　　除非有特殊原因，否则必须避免在约 250-350°C 和约 450-550°C 的温度范围内回火。设计者需要在安全温度范围内实现硬度和韧性之间的最佳平衡。

如何参考图纸说明和 JIS 标准

图纸是将设计者的意图准确传达给制造现场并生产出符合预期质量的零件的最终交付成果。热处理指示不明确会直接导致零件出现缺陷。

绘图说明基础

图纸上有几种表示硬度的方式。

首先是硬度应始终在一定范围内指定，例如 "HRC 48-52"，而不是 "HRC 50 "这样的单一数值。本文开头列出了这一范围。实用淬火和回火硬度范围很有帮助。

表中显示的是每种材料的范围。一般目标硬度范围是。　　根据部件的应用和性能要求（如耐磨性或韧性是否重要），在这些范围内设定具体的目标值。一般情况下，HRC 的范围为 4 到 5 点，允许热处理过程中无法避免的细微变化，并能进行实际的质量控制。下面就是一个例子。

下一个明确说明处理方法。一定要说明 "淬火和回火"，而不仅仅是 "淬火"。客户会被告知，回火工艺是确保韧性的关键。(在实际的一次性图纸或原型图纸中，即使没有提到 "回火"，也会将淬火和回火作为一套工序进行）。

尤其是表面硬化，如感应淬火　重要的是要在图中清楚地标明淬火范围，并标明 "表面硬度 "和 "有效淬火层深度"。就是这样。　　有效硬化层深度 "是指从表面开始保持特定硬度的深度，是保证部件性能的一种高度可靠的专业指示方法。

如何使用可靠的信息来源

如果需要本文未列出的材料或更详细的数据，可以参考以下资料来源

如何使用 JIS 标准

这些说明的依据是 JIS（日本工业标准）。例如，JIS G 4051 规定了用于机械结构的碳钢。　　任何人都可以在 JISC（日本工业标准委员会）网站上免费注册查看 JIS 标准。重要的是要养成经常查阅主要信息的习惯，以此作为设计的基础。

• JISC（日本工业标准委员会）网站：. https://www.jisc.go.jp/

请参考钢材制造商的技术文件。

JIS 标准规定了一般要求，而各钢铁制造商发布的技术文件则包含有关其产品的更详细数据（如详细的回火曲线、CCT 图、疲劳强度数据等）。　　特别是对于制造商特定的改性钢种（如大同特殊钢的 DC53），制造商的文件是唯一的信息来源。就会出现这种情况。　　在设计关键部件时，一定要获取并仔细检查材料制造商的官方技术数据。

• 大同钢铁公司：：https://www.daido.co.jp/
• Prote Material 公司（前身为日立金属公司）：https://www.proterial.com/
• JFE 钢铁公司：https://www.jfe-steel.co.jp/
• 神户制钢有限公司https://www.kobelco.co.jp/
• 山阳特殊钢有限公司https://www.sanyo-steel.co.jp/

了解淬火硬度，优化设计。

本文介绍了钢的淬火硬度，从基本原理到不同材料的具体数据以及设计注意事项。最后，它总结了机器设计师需要记住的一些要点。

• 钢的最大硬度主要由碳含量决定。
• 当碳含量超过约 0.61 TP3T 时，硬度达到最大值。
• 合金元素可提高部件核心部位的硬度（淬透性）。
• 碳钢（如 S45C）成本效益高，但淬透性低。
• 合金钢（如 SCM440）具有极佳的淬透性，适用于大型和关键零件。
• 工具钢（如 SKD11）具有极高的硬度和耐磨性
• 在不锈钢中，马氏体钢（SUS420J2、SUS440C 等）是通过淬火硬化的。
• 元件尺寸大，难以硬化到核心部分（质量效应）。
• 根据零件的最大壁厚选择淬透性合适的材料，同时考虑质量效应。
• 零件在淬火后会变脆，必须进行回火处理，使其具有韧性。
• 硬度和韧性之间需要权衡。
• 避免在可能出现回火脆性的危险温度范围内加工。
• 图纸应清楚标明热处理方法和硬度 "范围"。
• 规定 "有效硬化层深度 "是保证表面硬化性能的关键。
• JIS 标准是设计所依据的可靠信息来源

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