本文探讨 SLS 和 MJF 打印部件的各种后期处理操作、应用及优缺点 SLS 和 MJF 是基于粉末的 3D 建模技术，用于从热塑性塑料和弹性体中创建部件。与许多其他制造方法一样，在...
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钢是地球上必不可少的标志性金属之一。通过铁和碳的组合，可产生一种结实耐用、功能多样、使用广泛的合金…… 从建筑物、基础设施、水上船只、汽车、机械设备、电器用品到简单的餐具如叉子和勺子，钢的应用几乎无处不在。这归因于钢的诸多理想特性，其中之一就是硬度，即材料抵抗压痕、冲击或磨损引起变形的能力。然而，对于某些特定的工程应用，如承重结构和发动机部件，钢的天然硬度并非总能符合需求。因此，人们开发了多种方法来显著提高钢的硬度及其他特性，这些方法被称为钢淬火。 钢淬火通常是在成品而非原材料上进行。在CNC加工中，钢淬火是对已加工部件进行的一种后续处理。这么做有以下几个原因，首先，淬火整块钢材不经济，因为在加工过程中会去除大部分材料。此外，淬火后的钢材更难加工，因为工件的硬度使得工具的穿透变得更加困难。 钢的内部结构及其硬度 我们所见的钢材并非都有相同的成分。确切地说，不同的用途需要不同的钢材成分。钢材的差异归结于其内部结构。随着对更高强度承重金属需求的增加，钢淬火变得必不可少。基本形式的钢材强度和硬度相对较低。然而，通过改变其内部结构，可以显著提高其强度和硬度。钢淬火是指通过一系列工艺过程，促使特定内部结构形成。钢的内部结构包括： 马氏体 这是钢硬度更高的内部晶体结构形式。奥氏体铁的快速冷却形成马氏体。由于其快速冷却速率，碳被固溶在固体中导致零件变硬。它非常硬且脆。马氏体具有针状锥形的微观结构，看起来像透镜状板块或片状，这些板块将母相的晶粒分割并细分，始终接触但永不交叉。这种结构存在于许多合金系统中，包括Fe-C、Fe-Ni-C等。 奥氏体 奥氏体是继马氏体之后第二硬的钢内部结构。它指的是铁合金中的γ-铁。通常在1500 ºC以下和723 ºC以上出现。 珠光体 珠光体与马氏体不同，因为珠光体结构是通过缓慢冷却形成的。它是铁素体和渗碳体的层状排列。在723 ºC时，γ-铁从其面心立方结构转变为α-铁，迫使铁碳化物（渗碳体）从溶液中析出。 钢淬火方法 钢淬火有多种方法可供选择，包括热处理、机械处理、化学处理，或它们当中两种或多种的组合。热处理通常是更常见的钢淬火方法，通常包括三个主要阶段：加热钢材、保持特定温度和冷却。通常涉及将金属加热到足够高的温度，以引发内部结构的变化，从而使金属更易于加工，例如改变其形状。钢淬火的各种方法包括： 冷加工 冷加工通常会改变钢材或金属的性质。这种钢材淬火方法是在金属的熔点以下温度进行金属的变形。屈服强度、抗拉强度和硬度等性能会增加，而塑性和材料的变形能力则会减少。在塑性变形过程中，位错的积累和缠结是一种重要的强化机制。虽然冷加工过程中约90%的能量会以热的形式散失，但剩余的能量存储在晶格中，从而增加了其内部能量。 固溶合金淬火 固溶强化是将合金元素添加到基础金属中以形成固溶体的过程。在固化过程中，由于合金原子存在于基础金属的晶格中，金属会硬化。溶质原子与溶剂原子之间的大小差异影响固溶化的效果。如果溶质原子大于溶剂原子，则会产生压缩应变场。另一方面，如果溶剂原子大于溶质原子，则会产生拉伸应变场。晶格变形成四方结构的溶质原子会导致快速硬化。钢中的渗碳体就是一个明显的例子。 淬火和回火 在淬火过程中，也称为马氏体转变，钢材被加热到超过临界温度，进入奥氏体区域，并保持在该温度下一段时间，然后迅速冷却，通常是用水、油或熔融盐进行淬火。对于亚共析钢而言，加热温度通常高于奥氏体溶解线的极限温度30-50 ºC。对于过共析钢，加热温度则高于共析温度。淬火过程引起马氏体转变，显著提高钢的硬度。然而，经淬火处理的钢材也会变得非常脆。因此，必须进行回火以缓解内部应力并降低脆性。在淬火中，若冷却速度足够快以确保完全形成马氏体，则可达到更大硬度。 表面（外壳）淬火 顾名思义，表面淬火创造了一个硬的表面，以抵抗在曲轴、轴承等应用中的磨损。这种钢淬火的方法通常涉及以下三种途径之一： 感应和火焰淬火 感应和火焰淬火是一种表面差异热处理方法。在这种方法中，表面迅速加热，以防止材料的中心受到影响。随后，材料经历更迅速的淬火过程，从而在表面形成高含量的马氏体结构。 扩散淬火（氮化处理） 这是一种表面区域的成本改变方法。通过让选定的气体与钢反应并扩散进入钢中，细小颗粒被分散在表面。在此过程中，钢经过热处理以形成回火马氏体结构，然后在约550 ºC的氨环境中暴露12-36小时。小合金元素如铝或铬有助于形成细小的氮化物分散相，显著提高表面硬度和耐磨性。与马氏体相比，这种氮化物的组成在硬度方面表现出更显著的优势。 渗碳 渗碳处理是一种工艺，将钢置于高温且富含碳的环境中。这种碳环境可以由优质煤或解离的天然气产生。碳原子会扩散到金属的亚表面，形成高碳层，随后经过淬火处理，形成硬度高、耐磨的马氏体表面。 钢硬度测试 硬度没有一个特定的测量单位，而是通过指数来描述。这些指数的具体使用取决于所采用的测试方法。一些常见的硬度测试方法包括： 布氏硬度测试 在这个测试中，将一个已知直径的钢球作为载荷施加在材料表面上。然后使用下表中的公式计算布氏硬度数值（BHN）。测量所形成印痕的直径，结合钢球的直径，即可计算出BHN。 维氏硬度测试 在维氏硬度测试中，采用一个方形基底的金刚石锥体作为载荷。这个载荷施加在材料表面大约30秒。计算金字塔印痕的面积后用于计算金属的硬度。 努氏显微硬度测试 这种硬度测试专门用于薄片或脆性材料。使用金刚石锥压头在材料上制造一个非常小的凹痕，然后使用显微镜观察和测量这个凹痕，用于计算材料的硬度。 洛氏硬度测试 洛氏硬度测试旨在测量钢材在热处理前后的硬度差异。穿透器可以是钢球或金刚石锥穿透器器。通过确定穿透深度来测量硬度。通常施加两个载荷：一个小载荷造成初始印痕，一个大载荷造成主要穿透。 测试压头布氏10毫米的钢球或钨碳合金维氏金刚石锥体努氏金刚石锥体洛氏金刚石圆锥体 可以淬火的钢种类 美国钢铁协会（AISI）将钢铁分为四大主要类别： 碳钢 合金钢 不锈钢 工具钢 钢的基本元素是铁和碳。然而，不同量的碳及其他合金元素的变化决定了每个分类的性质。钢中的碳含量决定其淬火性能和更大可达到的硬度。特别是在淬火过程中，碳能促进马氏体的形成，这一点尤为显著。 碳钢(UNS...
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