机械制造结构钢PPT课件.ppt

Chapter3机械制造结构钢 1 主要内容 3 1调质钢3 2低温回火状态下使用的结构钢3 3高合金超高强度结构钢3 4轴承钢3 5渗碳钢和氮化钢3 6其他机械制造结构钢非调质结构钢弹簧钢易削钢高锰钢 2 基本要求 了解各类钢的服役条件 对钢的基本性能要求 掌握常用调质钢 弹簧钢 渗碳钢 滚动轴承钢等的典型牌号 重点 各类钢的化学成分特点 合金元素的作用 强韧化机制及热处理特点 教学要求 Chapter3机械制造结构钢 3 一 应用背景机械制造结构钢也称机器零件用钢 是在优质碳素结构钢的基础上发展起来的 用于制造各种机械零件所用的钢种 故此得名 各种齿轮 轴 杆 类 弹簧 轴承及高强度结构件等 广泛应用在汽车 拖拉机 机床 工程机械 电站设备 飞机及火箭等装置上 引言 Chapter3机械制造结构钢 4 拨叉 变速齿轮 变速箱 3 0引言 Chapter3机械制造结构钢 5 连杆 3 1调质钢 轴 Chapter3机械制造结构钢 6 电气机车大轴 磨床主轴 3 1调质钢 Chapter3机械制造结构钢 7 汽轮机转子 汽轮机转子 AETC公司 3 1调质钢 8 叶轮 转子 3 1调质钢 9 某军舰汽轮机主轴 3 1调质钢 Chapter3机械制造结构钢 10 齿轮 曲轴 汽车万向节 连杆 3 0引言 Chapter3机械制造结构钢 11 弹簧 拉力弹簧 离合器弹簧 蝶形弹簧 3 0引言 板弹簧 Chapter3机械制造结构钢 12 滚珠 滚珠轴承 3 0引言 Chapter3机械制造结构钢 13 履带 铁轨分道叉 破碎机颚板 挖掘机斗齿 3 0引言 Chapter3机械制造结构钢 14 3 0引言 Chapter3机器零件用合金结构钢 二 服役条件主要是承受拉伸 压缩 扭转 剪切 弯曲 冲击 疲劳 摩擦等力的作用 或者是它们中的多种载荷的交互作用 服役环境是大气 水和润滑油 温度在 50 100 范围之间 机器零件要求结构紧凑 运转快速准确以及零件间有合适的公差配合等 由此便决定机器零件用钢在性能上要求与工程构件用钢有所不同 3 0引言 Chapter3机械制造结构钢 15 三 对钢的性能要求足够的强度 塑性和韧性 保证机器零件体积小 结构紧凑及安全性好 良好的疲劳性能与耐磨性等 使用状态通常为淬火 回火态 即强化态 通过热处理强化以充分发挥钢材的性能潜力 对其它工艺性能 如冶炼性能 浇注性能 可锻性能等 也有要求 但一般问题不大 机器零件用钢通常以力学性能为主 工艺性能为辅 3 0引言 Chapter3机械制造结构钢 16 3 1调质钢 结构钢在淬火 高温回火后具有良好的综合机械性能 即有较高的强度 良好的塑性和韧性 这类钢称为调质钢 主要用于制造轴 齿轮类零件 Chapter3机械制造结构钢 17 一 化学成分特点碳中碳 碳含量一般在0 3 0 5 钢中的碳保证有足够多的碳化物体积分数以获得高的强度 碳含量过低时 淬硬性不够 碳含量过高则韧性下降 3 1调质钢 Chapter3机械制造结构钢 18 2 合金元素主加合金元素 Cr Mn Si Ni 辅加合金元素 Mo W V Ti Al B等 重要的调质钢 一般都含有多种合金元素 Chapter3机械制造结构钢 3 1调质钢 19 合金元素的作用 提高淬透性 Cr Mn Si Ni溶于 相 起固溶强化作用 Cr Mo W V等阻碍 相的再结晶 也可阻碍碳化物在高温回火时的聚集长大 使钢保持高硬度 加入Mo W来防止回火脆性 V Ti Al起细化晶粒的作用 Chapter3机械制造结构钢 3 1调质钢 20 二 对淬透性的要求 调质零件上马氏体层的厚度应根据零件在工作时经受应力的类型及大小来确定 并据此来确定对淬透性的要求 例如 某些轴类零件 它们承受弯曲力 表面受到最大的张应力 随着离表面的距离增大 应力逐渐减低 所以只要求在淬火轴的1 2半径处达到80 马氏体即可 例如 某些重要的销钉或螺栓 在工作时 整个截面上受到大的剪切力或拉力 因此要求零件在整个截面上淬成马氏体 需要根据淬透性曲线来选择钢种 Chapter3机械制造结构钢 3 1调质钢 21 三 热处理特点1预备热处理为了便于切削加工和改善钢件因热加工不当而造成的粗晶组织和带状组织 需要进行预备热处理 合金含量较少的钢在轧制和锻造后的组织多半是珠光体 对此类钢一般采用在AC3线以上加热进行正火 3 1调质钢 Chapter3机械制造结构钢 22 合金含量较多的钢在轧制和锻造后的组织多为马氏体组织 对此类钢一般采用在AC3线以上加热进行正火 随后再进行一次高温回火 使马氏体型钢的强度由HB380 550降至HB207 240 可以顺利地进行切削加工 2最终热处理 1 淬火将钢件加热至AC3线以上进行淬火 淬火温度由钢的成分来决定 淬火介质根据钢件尺寸大小和钢的淬透性加以选择 Chapter3机械制造结构钢 3 1调质钢 23 2 回火根据所要求的性能来决定回火温度 高温回火时应考虑回火脆性问题 3 表面处理某些零件除了要求较高的强 韧 塑性配合以外 往往还要求某些部位 如轴类零件的轴颈或花键部分 有良好的耐磨性 为此 经调质处理后 在局部部位进行高频感应表面淬火 3 1调质钢 Chapter3机械制造结构钢 24 四 机械性能 1硬度回火索氏体的硬度取决于铁素体的硬度和碳化物的弥散强化作用 并可用下式表示 H HF S 式中 H为钢高温回火后的硬度 HF为铁素体的硬度 为碳化物的强化系数 S为碳化物颗粒的总表面积 上式说明 铁素体的晶粒大小 合金元素在铁素体中的固溶程度 碳化物的数量和弥散程度与硬度有着密切的关系 Chapter3机械制造结构钢 3 1调质钢 25 2回火温度与综合机械性能的关系 当调质钢淬火成马氏体 在450 650 温度范围内回火时 随着回火温度的升高 硬度 抗拉强度 屈服强度等不断降低 而延伸率 断面收缩率及冲击韧性等不断上升 Chapter3机械制造结构钢 3 1调质钢 26 3韧性 1 合金元素对韧性的影响碳 降低冲击韧性在保证钢的硬度及强度的前提下 应把钢中碳含量限制在较低范围内 锰 加入量 2 钢的冲击韧性有所改善 能稍降低韧脆转化温度 但含量 2 后 冲击韧性恶化 韧脆性转化温度升高 镍 改善钢的冲击韧性 使韧脆转化温度下降 硅 降低韧性 韧脆性转化温度升高 磷 对冲击韧性危害甚大 提高韧脆转化温度 降低冲击值 高级优质钢中的含磷量限制在 0 035 为了进一步改善钢的韧性 甚至把含磷量降低到0 02 以下 3 1调质钢 Chapter3机械制造结构钢 27 2 高温回火脆性 回火脆性与冷却速度关系冷却速度愈慢 室温冲击韧性愈低 韧脆转化温度愈高 3 1调质钢 Chapter3机械制造结构钢 表3 1 28 回火脆性与回火保温时间的关系在350 600 等温回火保温时间愈长 室温冲击韧性愈恶化 韧脆转化温度愈高 如教材图4 8 回火脆性与化学成分的关系碳素钢对高温回火脆性是不敏感的 铬 锰 镍 硅强烈促进回火脆性倾向 钼 钨降低高温回火脆性 稀土元素降低高温回火脆性 3 1调质钢 Chapter3机械制造结构钢 29 避免或减轻回火脆性的措施尽可能缩短回火保温时间 回火后采用快冷 采用含钼 钨钢种 并尽可能降低钢中的磷 锡 锑含量 对已感受回火脆性的钢 用重新加热到650 后快冷的方法来恢复 3 1调质钢 Chapter3机械制造结构钢 30 4机械性能碳素调质钢与合金调质钢相比 经淬火 回火到相同抗拉强度和硬度时 屈服强度和延伸率相近 但断面收缩率稍低 图4 7 不同成分的合金调质钢经淬火 回火到相同抗拉强度时 屈服强度 延伸率和断面收缩率相近 只要淬透性相当 可以互换 31 五 常用调质钢的成分 热处理 机械性能和用途 表3 2常用调质钢的成分和用途 Chapter3机械制造结构钢 3 1调质钢 32 表3 3常用调质钢的热处理和机械性能 Chapter3机械制造结构钢 3 1调质钢 33 典型调质钢及其应用 低淬透性碳素调质钢 45钢 45B钢 用于截面尺寸较小或不要求完全淬透的零件 低淬透性合金调质钢 40Cr 45Mn2 40MnB 35SiMn等 油淬临界直径最大为30mm 40mm 通常用于制造一般尺寸的重要零件 3 1调质钢 Chapter3机械制造结构钢 34 中淬透性合金调质钢 35CrMo 40CrMn 40CrNi 42CrMo 40CrMnMo等 油淬临界直径最大为40mm 60mm 主要用于制造截面较大的零件 例如曲轴 连杆 汽轮机转子 叶轮等 3 1调质钢 Chapter3机械制造结构钢 35 高淬透性合金调质钢 34CrNi3MoV 37CrNi3 40CrNiMoA 25Cr2Ni4WA等 油淬临界直径最大为60mm 100mm 主要用于制造大截面 重载荷的重要零件 如航空发动机轴 汽轮机主轴 叶轮等 3 1调质钢 Chapter3机械制造结构钢 36 3 2低温回火状态下使用的结构钢 37 一 低温回火钢的显微组织及力学性能1显微组织及强度回火马氏体 碳在 相过饱和 固溶强化 Fe2 4C与基体共格 沉淀强化 马氏体相变强化 含碳量在0 2 0 5 时 抗拉强度与碳含量呈线性增加关系 Rm 2880C 800MPa 38 2回火脆性淬火钢在250 350 范围内有低温回火脆性 含杂质元素极低的超纯钢不产生低温回火脆性 图4 9 锰 铬加剧低温回火脆性 Mn 2 淬火态也可得到沿晶淬断 低温回火脆化倾向进一步加剧 钼改善低温回火脆性 但不能消除 硅 铝将低温回火脆化范围推向350 以上 39 二 低碳马氏体结构钢1显微组织和性能C 0 3 时 淬火马氏体为位错型的板条马氏体 具有高强度和良好韧性 低温回火后综合力学性能优于中碳调质钢 并且冷脆倾向小 有低缺口敏感度 40 2与中碳调质钢相比的优点冷变形性能好 例如 做高强度螺栓 可冷镦变形 比热锻的螺栓精度高 表面质量好 生产率高 减少切削量 节约钢材 41 三 低合金超高强度结构钢以调质钢为基础发展起来的 用做飞机起落架 飞机机身大梁 火箭发动机外壳 火箭壳体 高压容器等 碳 0 27 0 45 加入铬 锰 硅 镍 钼 钒等 保证足够高的淬透性 高强度 抗拉强度1500 2300MPa 随强度提高 缺口敏感性增大 如图4 10 脱碳倾向较大 热处理变形较大 不易矫直 焊接性能不好 42 3 3高合金超高强度结构钢 43 一 马氏体时效钢中合金元素作用1镍主加元素 保证马氏体的形成 从而增加基体的强度 有利于马氏体中析出沉淀相 2钴降低残余奥氏体含量 随着镍含量的增加 MS点会下降 因此要控制镍的加入量 加入钴能升高MS点 钴和钼复合加入 使沉淀强化效应进一步加强 协同效应 如图4 11 44 45 3合金元素钛 铝 钼 铌加入合金元素钛 铝 钼 铌等 以形成金属间化合物Ni3Al Ni3Ti Ni3Mo和Fe2Mo相等沉淀硬化相 杂质元素碳 与钼 钛 铌形成稳定碳化物在晶界析出 使韧性和缺口强度降低 并减少合金元素含量 使强化效应减少 若固溶于马氏体中 降低马氏体塑性 氮 形成TiN和NbN 是裂纹源 46 4杂质元素硅 对韧性有害 Si总量控制 0 1 硫 磷 含量控制很低 铬 锰 部分代替镍 硼 锆 钙 镁和稀土元素 改善性能 见表4 4 47 二 马氏体时效钢的热处理和性能固溶处理 随后空冷至室温 合金冷却时转变为马氏体 由于合金含量很高 淬透性极高 因而常常在空气中冷却 固溶处理后其硬度在HRC28 32 很容易进行进一步的机械加工 时效硬化 通过480 时效3 6h来完成的 由于时效过程中形成金属间化合物Ni3Al Ni3Ti Ni3Mo和Fe2Mo相等沉淀硬化相 此时硬度HRC52 引起很小的尺寸变化 可以作为产品的最终热处理 48 49 马氏体时效钢的性能特点 在高强度水平下还具有优越的塑性 韧性和缺口强度 比许多常用合金结构钢有较好的氢脆和应力腐蚀抗力 低加工硬化指数 高冷变形能力 在固溶处理和时效以后均可进行焊接而不需要预热 这类钢的高合金度和生产工艺极其严格 使得钢的生产成本很高 50 马氏体时效钢的应用 航空 航天的重要构件 大型火箭发动机壳体 空间运载工具的扭力棒悬挂体 火箭发动机零件 直升飞机的柔性转动轴 飞机起落架部件 旋转机翼式飞机的铰链结合部件 水翼艇及潜艇的零部件 制造高压容器 螺栓 紧固件和机枪弹簧 枪管 喷油泵零件 低温服役零件等 51 3 4轴承钢 52 特大型轴承 大型圆锥滚子轴承 离合器分离轴承 各类标准轴承 四列圆锥滚子轴承 轮毂轴承 Chapter3机械制造结构钢 53 一 滚动轴承的工作条件滚动轴承的作用是支撑轴 滚动轴承通常由内套 外套 滚动体 如滚珠 滚轮 滚针 和保持架四部分组成 其中除保持架用低碳钢 08钢 薄板冲制而成 其余三个部分均由轴承钢制造 滚动轴承内外套圈与滚动体之间呈点或线接触 承受很大的压应力 高达1800MPa 5000MPa 和交变载荷 Chapter3机械制造结构钢 54 滚动体与套圈之间不但有滚动摩擦 而且有滑动摩擦 有时在强大的冲击载荷作用下 轴承也可能产生破碎 对在特殊条件条件下工作的轴承 常与大气 水蒸气及腐蚀介质相接触 进而产生腐蚀 滚动轴承损坏的正常形式是 疲劳剥落 即接触疲劳破坏 Chapter3机械制造结构钢 55 二 对滚动轴承钢的性能要求 1高的淬硬性和必要的淬透性 2高的耐磨性 3高的接触疲劳性能 4高的弹性极限和一定的冲击韧性 5尺寸要精确而经久稳定 6一定的抗腐蚀能力 7良好的工艺性能 Chapter3机械制造结构钢 56 三 化学成分特点1高碳保证有高的硬度和耐磨性 含碳量一般为0 95 1 15 属于过共析钢 一部分存在于马氏体基体中以强化马氏体 另一部分形成足够数量的碳化物以获得所要求的耐磨性 过高的碳含量会增加碳化物分布的不均匀性 且易生成网状碳化物而降低其性能 Chapter3机械制造结构钢 57 2主加合金元素铬提高钢的淬透性和耐腐蚀性能 部分铬形成的合金渗碳体 Fe Cr 3C在淬火加热时溶解较慢 可减少过热倾向 经热处理后可以得到较细的组织 碳化物能以细小质点均匀分布于钢基体组织中 既可提高钢的回火稳定性 又可提高钢的硬度 进而提高钢的耐磨性和接触疲劳强度 适宜的铬含量为0 40 1 65 Chapter3机械制造结构钢 58 当铬含量高于1 65 以后 则会使残余奥氏体增加 使钢的硬度和尺寸稳定性降低 同时还会增加碳化物的不均匀性 降低钢的韧性 3加入硅 锰 钒等以进一步提高淬透性 大型轴承用钢中还需加入更多的合金元素以提高淬透性 通常加入Mn Si提高淬透性 适量的Si 0 40 0 60 还能明显地提高钢的强度和弹性极限 Chapter3机械制造结构钢 59 加入V一部分溶于奥氏体 提高淬透性 另一部分形成碳化钒VC 提高钢的耐磨性并防止过热 通常无铬钢中都含有钒 4降低S P含量 减少氧化物 硅酸盐夹杂物的数量 提高冶金质量 由于轴承钢的接触疲劳性能对钢材的微小缺陷十分敏感 所以要求S 0 02 P 0 027 一般采用电渣重熔 电炉冶炼及真空冶炼等技术以减少夹杂物数量 Chapter3机械制造结构钢 60 四 对滚动轴承钢的原始组织要求 1原始组织必须无缩孔 皮下气泡 白点和过烧 2严格控制非金属夹杂物 3严格控制疏松级别 4改善碳化物不均匀性 网状 带状和液析 Chapter3机械制造结构钢 61 五 热处理特点1预先热处理通常采用球化退火 GCr15钢的球化退火加热温度范围为770 810 790 被认为是最适宜的加热温度 加热温度过高 奥氏体中未溶碳化物量过少 奥氏体成分进一步均匀化 冷却后得到的是粗片层珠光体 或有大块聚集碳化物 这是不合格的过热组织 加热温度不足 片状珠光体溶解得不充分 奥氏体成分很不均匀 冷却过程中碳化物沿着原片层析出 或呈细小的链状特征 Chapter3机械制造结构钢 62 碳化物的弥散度取决于冷却速度 冷却速度越大 弥散度越大 其硬度也越高 球化退火冷却方式有两种 一种是连续冷却 按冷却速度20 30 h冷到650 出炉 或者在700 等温2 4h 再炉冷到650 出炉 Chapter3机械制造结构钢 63 2最终热处理通常采用淬火 低温回火 对GCr15钢 淬火加热温度为820 840 温度过高会引起过热 晶粒长大 使钢的韧性和疲劳强度下降 且易淬裂和变形 温度过低 则奥氏体中溶解的铬和碳的含量不够 钢淬火后硬度不足 马氏体中的碳含量在0 45 0 5 时 轴承钢既具有高硬度 又有良好的韧性 还具有最高的接触疲劳寿命 Chapter3机械制造结构钢 64 Chapter3机械制造结构钢 65 轴承零件淬火后一般要满足以下要求 1 细小均匀的奥氏体晶粒 5 8级 2 显微组织是隐晶马氏体基体上分布着均匀细小的碳化物 未溶碳化物数量应占7 8 左右 残余奥氏体量不大于8 左右 固溶体的碳含量在0 50 0 60 之间 3 淬火组织硬度为HRC64 66 4 零件表面不应有氧化脱碳及软点 Chapter3机械制造结构钢 66 淬火后应立即回火 以消除内应力 提高韧性 稳定组织和尺寸 回火温度一般为 150 160 保温时间为2 4h 为使回火性能均匀一致 回火温度也要严格控制 最好在油中进行 淬火及回火后的组织为极细的回火马氏体 均匀分布的细粒状碳化物以及少量的残余奥氏体 硬度为HRC62 66 Chapter3机械制造结构钢 67 轴承在淬火及回火后的磨削加工过程中 还会产生磨削应力 通常还要进行一次附加回火 回火温度为120 150 回火时间为2 3h 以稳定组织和尺寸 对于精密轴承 为了保证能长期存放和使用中不变形 在淬火后要立即进行 冷处理 以使钢中未转变的残余奥氏体进一步发生转变 再在磨削加工后进行附加回火 温度为120 150 时间为5 10h Chapter3机械制造结构钢 68 六 滚动轴承钢的应用实例 1常用轴承钢根据其合金元素的种类分为两类 铬轴承钢典型代表是GCr15 使用量占轴承钢的绝大部分 由于淬透性不是很高 因此多用于制造中小型轴承 Chapter3机械制造结构钢 69 添加Mn Si Mo V的轴承钢 在铬轴承钢中加入Mn Si可提高淬透性 如GCr15SiMn钢等 主要用于制造大型轴承 为了节约Cr 可以加入Mo V 得到不含铬的轴承钢 如GSiMnMoV GSiMnMoVRE钢等 其性能和用途与GCr15相近 Chapter3机械制造结构钢 70 Chapter3机械制造结构钢 71 高碳铬轴承钢也可用于制造精密量具 冷冲模 机床丝杠等耐磨件 滚珠丝杠副 丝杠 Chapter3机械制造结构钢 72 2其它类型的轴承钢渗碳轴承钢 轧钢机械 矿山挖掘机械 建筑机械等一些受冲击负荷较大的机械使用的轴承 不仅要求其表面硬度高 耐磨性好 具有较高的接触疲劳强度 还要求心部有一定的韧性 足够的强度和硬度 可以选用渗碳钢制造 渗碳轴承钢 采用合金结构钢的牌号表示方法 另在牌号头部加符号 G 例如 G20CrNiMo Chapter3机械制造结构钢 73 可用于制造轴承钢的渗碳钢 如20Mn 20NiMo 12Cr2Ni4A 20Cr2Ni4A 20Cr2Mn2MoA等 并发展了一些新钢种 如G10CrNi3Mo G20CrMo G20Cr2Mn2Mo G20CrNiMo G20CrNi2Mo及G20Cr2Ni4等 用渗碳轴承钢制造轴承 加工工艺性能好 可以采用冷冲压技术 提高材料的利用率 再经渗碳 淬火及回火处理后 在零件的表面形成有利的残余压应力 提高轴承的使用寿命 Chapter3机械制造结构钢 74 高碳铬不锈轴承钢和高温轴承钢 采用不锈钢和耐热钢的牌号表示方法 牌号头部不加符号 G 例如 高碳铬不锈轴承钢 9Cr18 和高温轴承钢 10Cr14Mo 不锈轴承钢 对于在酸 碱 盐等腐蚀介质中使用的轴承 要求具有良好的化学稳定性 故而常采用高碳高铬不锈钢制造 如9Cr18等 Chapter3机械制造结构钢 75 水下轴承 外球面轴承 Chapter3机械制造结构钢 76 高温轴承钢 燃汽轮机 航空及航天工业用轴承的工作温度已超过300 以上 因此对所用轴承的材料要求有足够的高温硬度 高温强度 耐磨性 抗氧化性及一定的腐蚀性能 良好的尺寸稳定性和高温下的寿命 GCr15轴承钢的最高工作温度不超过180 含抗回火稳定性元素Si Mo V Al的低合金轴承钢的工作温度也不能超过260 因此在更高温度下使用的轴承必须采用高温轴承钢 Chapter3机械制造结构钢 77 超高温轴承 高温 耐腐蚀 自润滑轴承 Chapter3机械制造结构钢 78 常用的高温轴承钢有Cr4Mo4V Cr14Mo4 Cr15Mo4 GCr18Mo W6Mo5Cr4V2等 这类钢的成分特点是含有大量的W Mo Cr V等碳化物形成元素 淬火后可获得高合金化的高碳马氏体 具有良好的回火稳定性 并在高温回火后产生二次硬化现象 能在高温下保持高硬度 高耐磨性和良好的接触疲劳强度 Cr4Mo4V钢是航空发动机上最常用的高温轴承钢 这种钢在热处理和性能上具有高速钢的特点 但含合金元素含量略少 故高温硬度不如高速钢 但这种钢的加工性能好于高速钢 Chapter3机械制造结构钢 79 3 5渗碳钢和氮化钢 Chapter3机械制造结构钢 80 一 渗碳钢的服役条件及对性能要求 有一些机器零件 在工作时整体受到周期性变化的扭转或弯曲力作用 并且零件与零件表面之间还有相对的摩擦 并有高的接触应力 这些零件对材料的机械性能要求 1 表面具有高的弯曲 接触疲劳强度和高的耐磨性 2 心部具有高强度和韧性 Chapter3机械制造结构钢 81 二 渗碳钢的化学成分特点1低碳一般在0 12 0 25 主要目的是为了保证心部有良好的韧性 2合金化常加入的合金元素有Mn Cr Ni Mo W Si V Ti B等 1 提高钢材的淬透性 提高机件的强度和韧性 V Ti可以细化奥氏体晶粒 Chapter3机械制造结构钢 82 2 对渗碳的影响碳化物形成元素 a 增大钢表面吸收碳原子的能力 b 增大渗碳层表面碳浓度 c 阻碍碳在奥氏体中的扩散 前两因素加速渗碳 有利于渗碳层的加厚 而后一因素不利于渗碳层的加厚 总的效果 铬 锰 钼等元素加大渗碳层的厚度 钛减小渗碳层的厚度 Chapter3机械制造结构钢 83 非碳化物形成元素 与碳化物形成元素的作用相反 总的效果 镍 硅 铜等元素减慢渗碳 不利于渗碳层的加厚 碳化物形成元素含量过多 将在渗碳层中产生许多块状碳化物 造成表面脆性 所以合金元素的含量要适当 锰是一个较好的合金元素 既可以加速渗碳层增厚 又不过多提高渗碳层的含碳量 Chapter3机械制造结构钢 84 对于一般零件 1 渗碳层的含碳量限制为0 8 1 1 2 渗碳层的深度控制在0 6 2 0mm 85 图3 2沿钢的渗碳层深度 碳的浓度分布1 碳钢2 以碳化物元素合金化的钢3 以非碳化物元素合金化的钢 Chapter3机械制造结构钢 86 图3 3925 渗碳时 合金元素对渗碳层深度的影响 Chapter3机械制造结构钢 87 三 渗碳钢的热处理特点1预先热处理合金渗碳钢零件 在机械加工前的预先热处理通常分两步进行 第一步 正火 退火 对P型钢 第二步 高温回火 对M型钢 Chapter3机械制造结构钢 88 正火的目的 细化晶粒 减少组织中的带状程度并调整好硬度 便于机械加工 经过正火后的钢材具有等轴状晶粒 对珠光体型钢通常用在800 左右的一次退火代替正火 可得到相同的效果 即既细化晶粒又改善切削加工性能 对马氏体型钢 则必须在正火之后 再在Ac1以下温度进行高温回火 以获得回火索氏体组织 这样可使马氏体型钢的硬度由HB380 550降低到HB207 240 以顺利地进行切削加工 Chapter3机械制造结构钢 89 2最终热处理 1 渗碳在机械加工到只留有磨削余量时 进行渗碳处理 Chapter3机械制造结构钢 90 渗碳温度 910 930 钢表面的固溶碳极限是由奥氏体在渗碳温度时对碳的饱和溶解度决定的 如超过碳在奥氏体中的极限溶解度 在表面层中就会出现碳化物 渗碳扩散层的厚度决定于 1 碳在奥氏体中的极限溶解度 2 碳在奥氏体中的扩散速度 3 扩散的时间 Chapter3机械制造结构钢 91 2 淬火和低温回火 图3 420CrMnTi钢齿轮的热处理规范 采用这种工艺的零件通常只要求表面高硬度和耐磨性 而对基体性能要求不高 主要用于渗碳后不容易过热的钢种 Chapter3机械制造结构钢 92 淬火和低温回火后的组织 零件的渗碳表面 高碳回火马氏体加细小的碳化物 硬度高 60 62HRC 耐磨性高 零件的非渗碳表面和基体部分 心部 低碳回火马氏体 淬透性高的钢种 低碳回火马氏体加贝氏体 40 48HRC 淬透性中等的钢种 低碳回火屈氏体 25 40HRC 淬透性小的钢种 这些组织使零件具有更好的强硬度与韧塑性的配合 心部的冲击韧性一般都高于700kJ m2 Chapter3机械制造结构钢 93 渗碳后先进行空冷 即正火处理 使组织细化 而后再按渗碳后的表面成分进行淬火并低温回火 当要求表面高硬度 高耐磨性外 对基体性能有较高要求时 可采用这种工艺 主要用于渗碳后容易过热的钢种 如20Cr 20Mn2等 Chapter3机械制造结构钢 94 渗碳空冷后 进行两次淬火 当对零件表面和基体性能的要求都很严格时 可用这种工艺 第一次按钢的基体成分加热淬火 加热温度较高 870 左右 目的是细化心部组织并消除表面渗碳层中的网状渗碳体 第二次按高碳钢的成分进行 表面 淬火 目的是使表面获得细小的马氏体加粒状碳化物组织 以满足表面高性能的要求 最后进行低温回火起消除应力 稳定组织和稳定尺寸的作用 Chapter3机械制造结构钢 95 这类热处理工艺主要用于航空发动机齿轮的热处理 航空发动机齿轮 可达GB10095 884级 Chapter3机械制造结构钢 96 四 渗碳钢及其应用碳素渗碳钢 15 20合金渗碳钢 1 低淬透性合金渗碳钢典型钢种 20Cr 20Mn2等 抗拉强度通常为800 1000MPa 通常只用于制造受冲击载荷较小的 且对于心部要求不高的小型渗碳件 如小齿轮 活塞销 套筒 链条等 Chapter3机械制造结构钢 97 2 中淬透性合金渗碳钢典型钢种 20CrMnTi 20Mn2TiB 20MnVB等 抗拉强度通常为1000 1200MPa 大量用于制造承受高速 中载并要求抗冲击和耐磨损的零件 特别是汽车 拖拉机上的重要齿轮及离合器轴等 Chapter3机械制造结构钢 98 3 高淬透性合金渗碳钢典型钢种 12Cr2Ni4A 15CrMn2SiMo 18Cr2Ni4WA 20Cr2Ni4A等 抗拉强度通常高于1200MPa 这类钢含有较多的Ni 使钢具有很好的韧性 特别是低温冲击韧性 因此主要用于制造大截面 高载荷的重要齿轮和耐磨件 如飞机 坦克中的重要齿轮及曲轴等 Chapter3机械制造结构钢 99 这类钢由于含有较多的Cr和Ni等合金元素 渗碳后表层的C含量又很高 这样就导致了马氏体转变温度大幅度下降 若渗碳后直接淬火 渗碳层中将保留大量的残余奥氏体 使表面硬度下降 因此必须设法减少残余奥氏体的数量 100 为了减少残余奥氏体的数量 通常可以采用下面的三种方法 第一种方法 淬火后进行冷处理 60 100 使残余奥氏体继续转变为马氏体 Chapter3机械制造结构钢 101 第二种方法 渗碳及正火后进行一次高温回火 600 620 使碳化物从马氏体和残余奥氏体中进一步析出 高淬透性钢在正火时就可形成马氏体 随后再加热到较低温度 Ac1 30 50 淬火时 这些碳化物不再溶入奥氏体中 故减少了奥氏体中碳及合金元素含量 使马氏体转变温度有所升高 淬火后残余奥氏体数量减少 最后再进行低温回火 以消除内应力并提高渗层的强度和韧性 若将上述两种减少奥氏体的方法同时采用 效果更好 Chapter3机械制造结构钢 102 第三种方法 在渗碳后进行喷丸强化 可以有效地使渗层中的残余奥氏体转变为马氏体 渗碳钢还可以用来制造轴承 本溪钢铁集团1500热轧线主减速机一轴和二轴用轴承套圈和滚子选取了渗碳钢G20Cr2Ni4A Chapter3机械制造结构钢 103 表3 7典型渗碳钢的成分 Chapter3机械制造结构钢 104 表3 8典型渗碳钢的热处理和机械性能 Chapter3机械制造结构钢 105 碳氮共渗用钢大多沿用如上所述的渗碳钢 但对碳氮共渗钢而言还要更加注意表面残余奥氏体含量以及力求使碳和氮原子同时渗入等问题 通常碳氮共渗用钢常加入Cr Mo B等元素而不用Ni合金化 对Mn的含量也宜加以限制 为了提高碳氮共渗温度而不降低氮的浓度 可加入0 2 Al Al能促进氮的渗入 并使碳氮共渗温度提高到875 880 典型的钢号为20Cr2MoAlB Chapter3机械制造结构钢 106 具有较高的疲劳强度和耐磨性 较强的对水 油等介质的耐腐蚀能力 零件的变形量很小 生产周期长 成本高 尺寸精度要求高的机器零件 如镗床 磨床的主轴 主轴套筒 蜗杆 柴油机上的曲轴等 往往采用氮化处理 Chapter3机械制造结构钢 五氮化钢的特点及应用 107 六 氮化钢的合金化 1合金元素对氮化的影响氮化物形成元素 铝 钛 铌 钒 钼 铬 钨等能在 相中形成微细的氮化物颗粒 对 相起强化作用 铝 钛 铌 钒是最有效的元素 其次是铬 钼 钨等元素 阻碍氮原子向内部扩散 减少氮化层的层深 非氮化物形成元素 镍 硅 铜等阻碍氮原子的吸收 降低表面氮浓度 减少氮化层的深度 Chapter3机械制造结构钢 108 不同氮化钢的氮化层深度与硬度的关系 Chapter3机械制造结构钢 3 5氮化钢 109 图3 7Fe N相图 3 5氮化钢 Chapter3机械制造结构钢 110 图3 8合金元素对氮化层深度和表面硬度的影响 3 5氮化钢 Chapter3机械制造结构钢 111 2钢的淬透性和淬火工艺氮化钢在氮化以前要进行调质处理 因此就必须考虑钢的淬透性和其它淬火工艺性能 铝是非碳化物形成元素 铝的存在并不增加钢中碳化物的溶解温度 铬 钼是增大钢淬透性的重要元素 钛 铌 钒等强碳化物形成元素存在时 需要提高淬火温度 使含钛 铌 钒的碳化物溶于奥氏体中 增大钢的淬透性 要使氮化过程中扩散进入 相的氮原子能与钒 钼 铬 铝等原子形成超细微的氮化物 对 相基体起有效的硬化作用 那么 在调质处理淬火时 首先要使这些元素较多地溶入奥氏体 淬火成马氏体时使这些元素被保留在马氏体中 Chapter3机械制造结构钢 3 5氮化钢 112 3合金元素与回火铬 钼 钒元素溶入马氏体中时 分别能使钢在400 500 500 600 550 650 回火时保持高的强度 钼可使钢在510 580 氮化长期保温和随后炉冷时 不致产生回火脆化 Chapter3机械制造结构钢 113 七 氮化钢的热处理 淬火 高温回火 氮化氮化温度 510 570 氮化层的厚度一般是0 3 0 5mm 氮化层表面形成 相 Fe4N 和 相 Fe2 3N Chapter3机械制造结构钢 114 八 氮化处理后的性能 1表面硬度要求高耐磨性的零件 表面硬度高达HV900 1000 仅要求高疲劳强度的零件 表面硬度可以为HV500 800 提高零件疲劳强度和耐磨性的原因 表面形成高硬度的 Fe4N和 Fe2 3N相 渗入的氮原子与氮化物形成元素形成弥散的合金氮化物 表面渗入氮原子后体积膨胀 在表面产生残余压应力 2心部硬度在氮化处理前零件经受调质处理 零件硬度为HV200 300 为回火索氏体组织 经氮化处理后 心部还具有良好的综合机械性能 Chapter3机械制造结构钢 115 九 典型氮化钢种及应用 广泛应用的氮化钢主要是38CrMoAlA 38Cr2WVAlA 35CrMo 40CrV等 经调质和表面氮化处理后 38CrMoAl钢表面可获得最高氮化层硬度 达到HV900 1000 仅要求高疲劳强度的零件 可采用不合铝的Cr Mo型氮化钢 如35CrMo 40CrV等 其氮化层的硬度控制在HV500 800 Chapter3机械制造结构钢 116 超精密镗床 防震镗杆 3 5氮化钢 Chapter3机械制造结构钢 117 真空隔离闸板阀 阀杆 3 5氮化钢 Chapter3机械制造结构钢 118 RN2 25 6氮化炉 3 5氮化钢 Chapter3机械制造结构钢 119 3 6其他机械制造结构钢 Chapter3机械制造结构钢 120 3 6 1非调质结构钢 不经过调质处理 只经过锻造或控轧控冷即达到调质钢要求的强度和韧性水平的新型合金结构钢 减少热处理费用 降低生产成本 简化生产工序 缩短生产周期 减少氧化脱碳 热处理变形及废品 121 一 铁素体 珠光体型中碳微合金非调质结构钢在中碳锰钢基础上加入钒 0 12 或铌 0 06 和钒复合微合金化 屈服强度 500 650MPa 伸长率 12 23 冲击值 40 72J 钒微合金化 35MnVN 32Mn2SiV等 冲击韧性较低 用于制造汽车 拖拉机的曲轴 连杆等受冲击力小的部件 铌和钒复合微合金化 35MnVNb 38MnSiVNb 45CrMnVNb等 用于制造汽车 拖拉机上传动的联轴节臂 前轴和联动节等 122 二 低碳贝氏体和马氏体型合金非调质结构钢成分特点 低碳 加入Mn Mo Nb B等 显微组织和力学性能取决于钢的成分 热加工制度和冷却速度 123 3 6 2弹簧钢 124 一 弹簧的工作条件弹簧的主要作用是吸收冲击能量 缓和机器的振动和冲击作用 或储存能量使机件完成事先规定的动作 保证机器和仪表的正常工作 弹簧按其外形可分为板弹簧和螺旋弹簧 板弹簧主要用于机车 汽车 拖拉机上 起着车轮和车架之间联结的作用 受力则以反复弯曲应力为主 提高板簧的使用寿命主要提高其疲劳强度 螺旋弹簧不管是受压或受拉 其承受的应力主要是扭转应力 螺旋弹簧的主要破坏方式是疲劳 Chapter3机械制造结构钢 125 二 对弹簧钢的性能要求1具有高的强度极限 特别是弹性极限 还要求有高的屈强比 以提高强度的利用率 2具有高的疲劳极限 疲劳性能对于表面状态很敏感 所以要求弹簧钢的表面不应有裂纹 折叠 斑疤 发裂 气泡 夹杂和压入的氧物铁皮等 这就要求注意冶金质量 在热处理过程中 尽量预防表面缺陷和减轻表面脱碳 采用喷丸处理可显著改善弹簧的表面状态 大大提高弹簧的使用寿命 3具有较好的工艺性能具有一定的塑性和淬透性 过热敏感性要小 不易脱碳 弹簧钢在卷成型以前要有一定的塑性 以便于成型 Chapter3机械制造结构钢 126 三 化学成分特点1碳含量碳素弹簧钢 一般为0 60 1 05 合金弹簧钢 0 45 0 70 碳含量过低 达不到高强度的要求 碳含量过高 钢的脆性很大 Chapter3机械制造结构钢 127 2加入Si Mn提高淬透性 固溶强化铁素体 提高钢的回火稳定性 Si提高弹性极限 含量高时增大C石墨化倾向 且在加热时易于脱碳 3加入Cr W V Nb细化晶粒和防止脱碳 从而提高弹簧的弹性极限和屈服极限 Chapter3机械制造结构钢 128 四 热处理特点1冷成形弹簧通过冷变形或热处理 使钢材具备一定性能之后 再用冷成形方法制成一定形状的弹簧 冷成形的弹簧在冷成形之后要进行200 400 的去应力退火 由于冷成形弹簧在成形之前 钢丝已具备了一定的性能 即已处于硬化状态 所以通常只能制造小型弹簧 Chapter3机械制造结构钢 129 2热成形弹簧一般用于制造大型弹簧或形状复杂的弹簧 钢材在热成形之前并不具备弹簧所要求的性能 在热成形之后 进行淬火及中温回火 以获得所要求的性能 在成形及热处理过程中 要特别注意防止表面产生氧化脱碳及伤痕 弹簧在热处理后通常还要进行喷丸处理 使表面强化并在表面产生残余压应力以提高疲劳强度 Chapter3机械制造结构钢 130 五 典型弹簧钢及应用 表3 4 1碳素弹簧钢65 70 75和85钢 淬透性低 用于制造小截面尺寸弹簧 65Mn为高锰碳素弹簧钢 和其他碳素弹簧钢比较 具有稍高的淬透性 脱碳倾向小 但容易过热并有回火脆性的倾向 故使用于制造截面尺寸稍大的普通弹簧 Chapter3机械制造结构钢 131 2合金弹簧钢60Si2Mn主要用于制造汽车 拖拉机和机车上的板簧 10 12mm厚 和螺旋弹簧 直径为20 25mm 等 淬透性和性能高于65Mn 50CrV主要用于制造350 400 下承受重载的大型弹簧 如阀门弹簧 高速柴油机的汽门弹簧等 Chapter3机械制造结构钢 132 各式汽车板簧 各类汽车用变截面钢板弹簧 12 14 16Ton车轴用钢板弹簧 133 表3 4典型弹簧钢的成分和用途 Chapter3机械制造结构钢 134 表3 5典型弹簧钢的热处理和机械性能 Chapter3机械制造结构钢 135 3 6 3易削钢 136 Chapter3机械制造结构钢 137 切削加工性是钢的重要工艺性能之一 自动机床的广泛应用 对高强度钢的切削加工性能提出了新的要求 即要求提高切削加工速度 提高机械加工的生产率 延长刀具寿命 降低成本 为此发展了易切削钢 这类钢也称为自动机钢 钢的切削加工性受材料的硬度和组织状态影响 还与非金属夹杂物或金属间化合物的数量 形态 性能 分布等有关 Chapter3机械制造结构钢 138 一 合金元素钢中加入一定量的S P Se Te Pb Ca等 形成MnS MnTe PbTe CaS CaO SiO2 2CaO Al2O3 SiO2等 或Pb的金属夹杂物 热轧时 夹杂物沿轧向伸长 呈条状或纺锤状 破坏钢的连续性 减少切削时对刀具的磨损 3 7特殊用途钢 Chapter3机械制造结构钢 13