金属材料学 第3章 机器零件用钢.ppt

第3章 机器零件用钢 根据钢的生产工艺和用途，可分 为：调质钢、低碳马氏体钢、超高强度 结构钢、渗碳钢、氮化钢、弹簧钢、轴 承钢和易削钢等。 3.1 概 述 一、机器零件用钢的性能要求 1、具有良好的冷热加工工艺性 如锻造、冲压、热处理、车、铣、刨、 磨等。 2、具有良好的力学性能 不同零件，对钢强、塑、韧、疲劳、耐 磨性等有不同要求。 一般为亚共析钢，低合金或中合金，优质 钢或高级优质钢。 二、机器零件用钢合金化特点 主加 元素 Cr、Mn、Si、Ni。 主要作用：淬透性和力学性能。 辅加 元素 Mo、W、V等 过热敏感性，回脆，淬透性。 最佳 范围 获得最佳性能称为极限合金化理论 结构钢常用范围为： 40CrNi 40Cr 40CrNiMo 40CrNi 40Cr 40CrNiMo 40CrNi 40Cr 40CrNi 40Cr 40CrNiMo 思考：以Mn代Ni，在性能上有什么差别？ 3、调质钢强韧化工艺的发展 正确 认识 性能 指标 AK是一次大能量冲击性能指标， 小能量多冲条件下工作的，很难正确 反映。有些重要零件应以断裂韧度KIC 来衡量。 由于服役条件差异，钢最佳综合性 能也不一定都是高温回火态好。零件 在承受冲击能量大时，钢强度应低些， 塑性和韧度宜高些；冲击能量较小时， 强度应高些。以达最佳配合。 综合 强化 工艺 如复合热处理，即热处理强化、表面 处理及形变强化工艺结合起来。如汽车转 向节园角处进行高频淬火处理后，疲劳寿 命提高了50倍 冷变 形 锻造 余热 淬火 如滚压、喷丸等冷变形方法的效果也比 较好, 能提高零件寿命 既能节约能源、简化工序，又能细化组 织，提高零件的强韧性。如柴油机连杆， 已普遍采用锻造余热淬火工艺 3.2.2 微合金非调质钢 一、 微合金元素对强韧化的贡献 非调钢组织：主要是F+P+弥散析出K。 主要强化作用：细化组织和相间沉淀。 微合金化元素： Ti、Nb、V 、N等元素， V是主要的。 多元适量，复合加入：Nb-V-N和Ti-V等 主要贡献是细化组织。 二、 获得最佳强韧化的工艺因素 相间 析出 沉淀强化 细化组织 工艺参数 是关键 细化组织和沉 淀析出要协调 控制轧制 控制冷却 决定各种强化机制的效果 相间沉淀析出示意图 三、 组织因素对强韧性贡献的大小 间隙型碳氮化合物沉淀析出的强化量 一般认为可提高150400 MPa，甚至可达 到600 MPa。 细化组织强化量大约在50 300 MPa， 脆化矢量为- 0.66/ MPa。 其它强化机制都不同程度地降低韧度 C、N原子的固溶强化，其脆化矢量分别 为0.72/ MPa、1.97/ MPa； Mn和Cr元素的脆化矢量为零； Si为0.53/ MPa。 铁素体中固溶C、N量极小，Mn和Si固溶 量有限。所以固溶强化相对是较小的。 在强化机制上，不同的成分和工艺是不同 的，所以使钢的组织、性能也有很大的差异。 Mn对非调质钢韧度的影响 V、Ti、Nb对 强度的影响 四 非调质钢的优化设计 通过合适的成分配比和工艺控制可达到同时提高 强度和韧度的目的。 + CU为冲击韧性,Rm为抗拉强度,D是珠光体片间距,fp是珠光体 体积分数,dr为奥氏体晶粒大小, Rmp 牌号 CSiMnCrVNbTi其他 27MnSiVS6(德) 0.260.701.500.100.02 S1000(法) 0.470.361.550.140.120.0650.03 Mo 30(俄) 0.300.551.00.600.20.17 1524MoV(美) 0.220.351.540.110.11 Mo NC33HFB(日) 0.330.241.460.060.010.01N AHF50B(日) 0.35 0.40 0.15 0.35 1.30 1.60 0.05 0.15 45VNbN(中) 0.440.140.790.100.110.02N 复合微合金化非调质钢典型成分 3.2.3 弹簧钢 一、弹簧的服役条件及性能要求 弹簧功能储能减振 弹簧类型 板簧，螺簧； 压簧、拉簧和扭簧等 典型的螺旋弹簧及板簧 压缩螺簧拉伸螺簧 扭转螺簧 单板弹簧 椭圆板簧 叠形板簧 卡簧（圈）基本形状 碟形弹 簧截面 扭杆弹簧 a)实芯扭杆b)串联式扭杆 板簧弯曲载荷 螺簧扭转应力 疲劳破坏 弹性减退 高的弹性极限e、屈强比s/b弹性 高的疲劳强度-1 避免早期疲劳破坏 有足够的塑性和韧性 不产生脆性断裂 足够的淬透性 保证e和整体强度 其他要求: 冶金质量、表面质量 思考题： 为什么弹簧要求有好的 表面质量，如表面不允许有 裂纹、折迭、严重脱碳等缺 陷? 二、常用弹簧钢及强化工艺 合金化： 含碳量在0.601.05,低合金弹簧钢在 0.400.74C。 ? + Si、Mn、Cr、V等合金元素. Cr和Mn主 要是提高淬透性， Si提高弹性极限， V提高 淬透性和细化晶粒. 60Si2Mn: Si、Mn复合,强化F,e， s/b可达到 0.80.9； Si / Mn 淬透性，Ms不过分,开裂倾向小; Si有效回稳性, 但脱C倾向; Si、Mn复合，脱碳和过热敏感性较硅钢、锰 钢为小. 常用硅锰板簧钢有60Si2Mn 、 55Si2Mn等 常用螺旋弹簧钢有50CrVA等。 50CrVA : Cr 、V均回稳性, 韧性好； V 细化晶粒, 过热敏感性; 含Si少,脱C敏感性, 热处理不易脱C; 常用于受应力高的螺旋弹簧及60HRC； 高接触疲劳强度以免过早失效 保证材质、组织； 一定韧度承受冲击，以免碎裂； 尺寸稳定性好保证精度； 一定耐蚀性大气、润滑油腐蚀。 关键因素 化学成分、冶金质量和加工工艺 二、轴承钢的冶金质量和合金化 冶金 质量 要求 纯净夹杂物要少：主要有各种 氧化物（如A12O3）和硅酸盐等； 危害程度依次递减：A12O3、球 状不变形夹杂、铝硅酸盐。 接触面小应力集中大 易产生裂纹材质纯净、组织均匀 氧化物夹杂数量对轴承钢疲劳寿命的影响 组 织 均 匀 碳化物细小均布。主要有三类K： K液析 结晶时枝晶偏析而存在 高温扩散退火，不允许液析严重； 带状K 轧制时二次碳化物偏析 高温扩散退火； 网状K冷却时在晶界析出正火 图 GCr15钢 淬火回火态 500 （回火隐晶马氏体碳化物） 图 网状碳化物 500 图 带状碳化物 500 图 碳化物液析 500 合金 化 高碳，加入Cr、Si、Mn等。如GCrl5、 GCrl5SiMn。 Cr含量 ? 组织 特点 经合适的热处理，应得到组织： 细小均匀的奥氏体晶粒度58级；M中 含0.50.6%C；隐晶M基体上分布细小均 匀的粒状K，体积分数约78%， 一般可 有少量AR。 负荷较小时,为提高-1，可设计M中 约含0.45%C，K体积分数约5%。钢中总 含碳量应 图 高碳铬轴承钢中马氏体含碳量与疲劳寿命的关系 图 GCr15轴承钢中未溶K量与疲劳寿命间的关系 三、高碳铬轴承钢的热处理 工艺特点是简单而要求高。 热 处 理 特 点 球化退火为最终淬火作组织准备 淬回火工艺参数对疲劳寿命有很大影响 一般采用保护气氛加热或真空加热 160保温3h或更长回火，硬度6266HRC 如要求消除AR 淬火后立即冷处理, 而后立即低温回火。 图 回火 温度对 GCr15钢 力学性能 的影响 图 轴承钢深冷处理温度对残留奥氏体量的影响 1- GCr15，850淬火；2-Cr15SiMn，830淬火 1- GCr15，850淬火 2-Cr15SiMn，830淬火 思考题: 轴承钢在淬火热处理后,硬 度检验时不允许有明显的软点, 为什么? 如出现软点,可能有哪些因 素造成的? 3.2.5 低碳马氏体钢 基 本 性 能 抗拉强度b ，11501500MPa ； 屈服强度s , 9501250 MPa ； 40% ；伸长率，10% ； 冲击韧度AK6J 。 这些性能指标和中碳合金调质钢性能相当， 常规的力学性能甚至优于调质钢。 没有独立钢类，有专门开发的低碳M钢。 低碳结构钢采用淬火+低回工艺，可得到位 错板条M 强度、韧度和塑性的最佳配合 1 成分工艺特点 0.150.25%C，以保证淬火后获得板M + Cr、Mo、Si、Mn、V等 淬透性等性能 15MnVB、20SiMn2MoV等是我国研制开发的 零件断面尺寸，心部可 能淬不透，综合性能 应根据零件的尺寸大小来 选择相应淬透性的钢 成 分 特 点 工 艺 特 点 高温加热 较长t保温 高速冷却 2、低碳马氏体结构钢及应用 应 用 在矿山、汽车、石油、机车车辆、农业机械等 制造工业中得到了广泛的应用 实 例 石油钻机吊环(卡) 20SiMn2MoV代35钢 材料 工艺 重量kg b /MPa AK /J 35 正火 137.4 550 50 20SiMn2MoV 淬火 29 1600 110120 局 限 性 工作温度200;强化后难以进行冷加工焊接 等工序; 只能用于中小件;淬火时变形大,要求严 格的零件慎用. 吊卡实物外形 3.3 表面强化态钢 零件在滑动、滚动、接触 应力、摩擦等工况下工作 磨损和接触疲劳 是主要失效形式 表面应具有高硬度、高接 触疲劳抗力和良好耐磨性， 而心部有一定塑韧性 渗碳钢、渗氮 钢、感应加热淬 火钢等 这类钢适宜制造表面和心部性能要求不同的零件，通 过某种工艺使零件表面硬度高耐磨而心部具有较好强韧 性配合以满足要求。典型零件有齿轮、凸轮等 各种类型的齿轮 3.3.1 合金渗碳钢 1、渗碳钢的合金化 一般含碳量在 0.120.25 保证得到强韧 性好的板条M 常用合金 化元素 Mn、Cr、Ni主要淬透性 Ti、V、W、Mo细化晶粒 渗碳层性能: 表层碳量、表层浓度梯度和渗层深度 渗碳层深度根据零件需要确定。原则上，渗碳层深度 应大于零件的最大切应力深度。 合金元素对渗碳层表面含碳量和渗碳层厚度的影响 合金 元素 碳扩扩 散系数 表层层 碳量 渗层层 深度 浓浓度 梯度 淬透性 晶粒 长长大 倾倾向 含量范围围 质质量分数 % Ti V 变变陡不定 0.12 0.30 W Mo Cr 变变陡 0.41.2 0.20.6 2 Mn影响小平缓缓 2 Ni平缓缓影响小 4 Si平缓缓影响小 0.8 表 合金元素对渗碳工艺和渗碳层性能的影响 心部强度 渗层厚度 表层强度 外应力 强 度 距离 表面碳浓度太高 渗层太浅 渗碳零件受力与渗层厚度的关系 2、常用渗碳钢及热处理 按淬透性可分为低、中和高淬透性钢三类。 20Cr钢：不宜渗碳后直接淬火。20CrV钢可 20CrMnTi 钢特点: Cr、Mn复合，淬透性好，D油约40mm； 较高耐磨性和强韧度，特别是低温韧度较好； 渗碳工艺性较好，晶粒长大倾向小，可直接 淬火，变形也比较小。 广泛制造汽车、拖拉机变速箱齿轮，离 合器轴和车辆上的伞齿轮及主动轴等。 渗碳后的热处理工艺有直接淬火一次淬火二 次淬火 .细晶粒钢可用直接淬火. 18Cr2Ni4WA、20Cr2Ni4A：高淬透性渗碳钢。 由于合金元素多，所以工艺可变程度大，获得 的组织性能也较复杂。 18Cr2Ni4WA可作为调质钢，低碳马氏体钢， 也可作为渗碳钢。渗碳和淬火工艺较复杂。主 要用于要求高综合力学性能和高耐磨性的重要 件，如航空发动机齿轮等。 3.3.2 氮化钢 服役条件： 有些零件工作时载荷不大，基本上无冲 击力；有摩擦，但比齿轮等零件的磨损要轻， 同时也受到交变的疲劳应力。这一类零件重 要的要求是能保持高的精度。常采用氮化钢 进行渗氮处理。 氮化钢：多为碳含量偏低的中碳铬钼铝钢 。 国内外广泛使用的氮化钢是38CrMoAl钢，获得 最高氮化层硬度，达到9001000HV。仅要求高 疲劳强度的零件，可采用不含铝的CrMo型氮化 钢，如35CrMo、40CrV、40Cr等，其氮化层的 硬度控制在500800HV。 工艺：氮化前，要经过调质热处理以得到稳 定的回火索氏体组织，以保证零件最终的使用性 能和使用过程中的尺寸稳定性，同时也为获得好 的氮化层作组织准备。 合金元素对氮化层深度和表面硬度的影响 （550氮化24h） 思考题: 某精密镗床主轴用38CrMoAlA 钢制,某重型齿轮铣床主轴用 20CrMnTi制造,某普通车床主轴 用40Cr钢制造.试分析比较说明它 们各自应采用什么样的热处理工 艺及最终的组织和性能特点 3.3.3 低淬透性钢 感应加热淬火与渗碳和氮化相比，特点有： 不改变表面化学成分，表面硬化而心部仍 然保持较高的塑性和韧度； 表面局部加热，零件的淬火变形小； 加热速度快，可消除表面脱碳和氧化现象； 在表面形成残余压应力，提高疲劳强度。 与渗碳相比，感应加热淬火工艺常用于轻负 荷工件或需要局部淬硬的轴类零件，其耐磨性 和疲劳抗力不如渗碳工艺。 概念是指淬透性比一般碳素钢的淬透性还要低 专门用于中、小模数（m=38）的齿轮应用 特点得到沿着轮廓分布硬化层 “仿形硬化” 感应加热淬火钢主要有中碳低淬透性调质 钢和低淬透性钢。这里介绍低淬透性钢 硬化层分布(右为仿形硬化) 降低钢淬透性措施:Mn、Si; 加入Ti 国家标准有55 Ti 、 60 Ti 、 70 Ti等. 3.4 高锰耐磨钢 一、高锰铸钢的化学成分及性能 特点：高碳、高锰。铸件使用。 常用高锰铸钢为ZGMn13型。铸态组织一般是 奥氏体、珠光体、马氏体加碳化物复合组织，力 学性能差，耐磨性低，不宜直接使用。经过水韧 处理（即固溶处理）后的显微组织是单相奥氏 体，软而韧。 二、高锰钢的热处理 1、水韧处理加热T应Acm，一般为1050 1100，在一定保温时间下，K全部溶入A中 2、高锰钢导热性较差，仅为碳素钢的1/4 1/5，热膨胀系数比普通钢大50%，而且铸件尺 寸往往又较大，所以要缓慢加热，以避免产生 裂纹； 13%Mn合金钢的垂直截面相图 3、铸件出炉至入水时间应尽量缩短，以 避免碳化物析出。冷速要快，常采用水冷。 水冷前水温不宜超过30，水冷后水温应小 于60； ？ ？ 4、水韧处理后不宜再进行250350的回 火处理，也不宜在250350以上温度环境中 使用。 ？ ？ 三、高锰钢的耐磨性及应用 耐 磨 机 理 大形变在A基体中产生大量层错、 形变孪晶、和马氏体而硬化。表面 硬度从原来200HB左右可到500HB以 上，硬化深度可达1020mm，而心部仍 保持A，所以能承受较大冲击载荷而不 破裂。在表层逐渐被磨掉的同时，硬化 层不断地向内发展 “前赴后继”。 在低应力和低冲击载荷下，耐磨性往 往不一定好。 应 用 广泛应用于承受大冲击载荷、 强烈磨损的工况下工作的零件，如 各式碎石机的衬板、颚板、磨球， 挖掘机斗齿、坦克的履带板等。 保险箱 ? 思 考 题 高锰钢经水韧处理能得到全部A， 而缓冷却得到大量M。为什么? 3.5 零件材料选择基本原则 一、选择材料的基本原则 1、材料使用性能要求 最大限度发挥材料潜力 2、材料的工艺性能 加工工艺性能良好 3、经济性 涉及材料的价格、加工成本、国家资 源情况等,零件的总成本与零件寿命的关系 4、其它因素 材料毛坯的选择、生产设备的可能 性、环境协调性等 二、零件的加工工艺路线 基本上可分为三类： （1）性能要求不高的零件 一般是铸铁和碳钢制造。其工艺路线比较简 单：毛坯正火（退火机械加工零件。如直 接用型材加工，则不需要进行热处理。 （2）性能要求较高的零件 合金钢制造的轴、齿轮等零件。工艺路线： 毛坯 预先热处理机械粗加工最终热处理 （淬火回火或渗碳淬火等)精加工。 （3）要求高的精密零件 一般用于精密丝杆、主轴等。工艺路线 为：毛坯 预先热处理 机械粗加工 热处理 半精加工 氮化处理 精加工 去应力退火 零件。 三、选择材料的基本思路及方法 分析零件 工作条件 确定主要失效抗力指标 作为选材的基本依据 考虑工 艺措施 考察经济性 和生产成本 选择材料 注 意 要合理引用手册上材料的力学性能数据 ； 尽量选用简化加工工艺的材料 ； 零件材料选择要考虑零件的综合成本 四、典型零件材料选择与工艺分析 1、齿轮类零件 不同机械的齿轮，其工作条件差别很大，所 以在选择材料和热处理工艺上也有很大不同。 机 床 齿 轮 载荷不大，工作平稳，一般无大的冲击力， 转速也不高。常选用调质钢制造，如45、40Cr、 42SiMn等钢， 热处理工艺为正火或调质，高频感应加热淬火 一般工艺路线为： 备料 锻造 正火 粗加工 调质处理 半精加工 高频淬火+ 回火 磨削 汽 拖 齿 轮 汽车、拖拉机上的变速箱齿轮属于重载荷齿 轮。一般都采用渗碳钢，如20Cr、20CrMnTi等， 进行渗碳热处理。 一般工艺路线为： 备料锻造 正火 粗加工 渗碳+淬火 +回火 喷丸 磨削 重 载 齿 轮 航空发动机齿轮和一些重型机械上的齿轮承 受高速和重载，一般多采用高淬透性渗碳钢， 如12CrNi3A、18Cr2Ni4WA等钢。 工艺路线较复杂： 备料 模锻 正火+高温回火 机械加工 渗碳 高温回火 机械加工 淬火+回火 精加工 检验。 2、轴类零件 轴是各类机械中最基本零件，也是关键 零部件。它直接影响精度和使用寿命。 各种轴的尺寸差别很大，一般钟表的轴 直径在0.5mm以下，而汽轮机转子轴直径 可达1m以上。 服役条 件主要 共同点 传递扭矩，交变性，有时会承受 弯曲、拉压负荷； 都有轴承支承，轴颈处受磨损， 需要较高的硬度，耐磨性好； 大多数承受一定的冲击和过载。 主要失 效方式 断裂、疲劳断裂和过量磨损。轴 类零件主要是按强度来选材的，并考 虑一定韧度和耐磨性。 目前常用轴的材料及工艺如下： （1）轻载主轴。如普通车床主轴，负荷小，冲 击力不大，磨损也不严重，一般采用45钢， 整体经正火或调质处理，轴颈处高频感应加 热淬火。 （2）中载主轴。如铣床，中等负荷，有一定冲 击力，磨损也较重，一般用40Cr等制造，进 行调质处理，轴颈处高频感应加热淬火。如 冲击力较大，也可用20Cr等钢进行渗碳淬火 （3）重载主轴。如组合机床的主轴，负荷较 大，冲击力大，磨损严重，可用20CrMnTi 钢制造，渗碳淬火。 （4）高精度主轴。如精密镗床的主轴，虽然负 荷不大，磨损也不严重，但是精度要求很 高，一般可用