学习情境六 工业用钢ppt课件

学习情境六工业用钢,1,重点内容,学习目的,通过本章的学习，了解钢铁中的元素及其作用，掌握常用材料的牌号、性能、用途及热处理。,1.熟悉常用热处理的工艺参数及工序位置的制定。,2.掌握常用材料的牌号、性能、用途及热处理。,2,金属材料的分类,金属,钢铁,铸铁,钢,白口铸铁、灰铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁、蠕墨铸铁,非合金钢（碳钢）,碳素结构钢、优质碳素结构钢、碳素工具钢、铸钢,合金钢,合金结构钢,易切削钢、渗碳钢、调质钢、滚动轴承钢、弹簧钢、超高强度钢,合金工具钢,量具刃具钢合金模具钢高速钢,冷作模具钢热作模具钢,特殊性能钢,非铁金属,低合金钢,不锈钢、耐热钢、耐磨钢,铜、铝、钛、锌、，轴承合金，硬质合金,低合金高强度结构钢、耐候钢,3,钢铁的分类及牌号统一数字代号体系,（1）按化学成分,（2）按主要质量等级主要性能及使用特性,非合金钢,低合金钢,合金钢,钢的分类,4,钢铁及合金牌号统一数字代号体系,大写拉丁字母有：A、B、C、E、F、H、J、L、M、P、Q、S、T、U、W。其中A表示合金结构钢；L表示低合金钢；U表示非合金钢；T表示工具钢等。,第一位阿拉伯数字有09。在不同的钢中，每一位数字所代表的含义各不相同。如在合金结构钢细分类中，0代表Mn（x）、MnMo（x）钢；1代表SiMn（x）、SiMnMo（x）钢。在低合金钢细分类中，0代表低合金一般结构钢；1代表低合金专用结构钢。在非合金钢中，1代表非合金一般结构及工程结构钢；2代表非合金机械结构钢等,5,钢铁中的元素及其作用,常存杂质元素对钢性能的影响,锰Mn0.25-0.80%有益。MnS(降低S的有害作用),固溶强化，使性能提高；屈服强度提高。,热加工性能；,硅Si有益。脱氧脆性，固溶强化，屈服强度提高。,硫有害，985熔点FeS热脆,磷P有害，Fe3P室温下100，脆性大冷脆,基本元素：Fe、C合金元素：为改善钢的性能而有意加入杂质元素：无法去除的有害元素残留元素：为去除杂质元素而加入的元素,6,6.1非合金钢,1.按钢的碳质量分数分,低碳钢wC0.25%,中碳钢0.25wC0.6%,2按钢的质量分,普通碳素钢Ws0.05%、Wp0.045%,优质碳素钢Ws0.03%、Wp0.035%,高级优质钢（标A）Ws0.025%Wp0.025%,特级优质钢（标E）Ws0.015%Wp0.025%,7,3按钢的用途分,碳素结构钢（工程结构和机械零件用钢）,碳素工具钢（刃具、量具和模具用钢）,铸钢,4按钢脱氧程度分：沸腾钢（F）、镇静钢（Z，可省略）,半镇静钢（b）,6.1.1碳素结构钢,1.牌号表示方法,Q235-AF,A、B、C、D,F、b、Z、TZ,特殊镇静钢（TZ可省略）,8,碳素结构钢的牌号表示方法,Q235AF,Q235-AF，表示碳素结构钢中屈服点235MPa，质量等级为A级的沸腾钢。,9,碳素结构钢,最新牌号GB/T221-2000,10,2.性能及用途,用途：Q195、Q215、Q235塑性好，可轧制成钢板、钢筋、钢管等。Q255、Q275可轧制成型钢、钢板等。,性能：强度较低，但冶炼容易，工艺性好，价廉，且具有优良的锻造性、焊接性和切削加工性能,加工成形后一般不进行热处理，大都在热轧状态下直接使用。,11,用途,钢板、钢筋、型钢等，作桥梁、建筑等构件。,热处理：热轧空冷组织：SF,多边型角钢,螺钉、铆钉,钢筋、螺纹钢,12,6.1.2优质碳素结构钢,钢号用平均碳质量分数的万分数的数字表示。,如：08F，30A，45，15Mn,（F表沸腾钢）,（“A”表高级优质钢）,注：Mn指含Mn量高0.7%1.2,1.牌号表示方法,如45钢，表示碳的质量分数为45/100000.45%,13,(摘自GB/T699-1999),14,较重要的零件，如齿轮、轴、连杆、弹簧等。,塑性及韧性较高，一般都要经过热处理以提高力学性能。,2.性能及用途,性能,用途,15,15、20钢:渗碳,表硬内韧,作凸轮、小齿轮、摩擦片、活塞销、摇臂等,3055钢:调质,综合机械性能好,制齿轮连杆轴类等,6070钢,淬火,中回,制造弹性元件,如汽车气门弹簧.,低碳钢常用于制作冷冲压件、渗碳件等；中碳钢常用于制作轴类零件；高碳钢常用于制作负荷不大、尺寸较小的弹簧等。,08、10钢:强度低,塑性好,具有良好的冲压、拉深及焊接性能,用于制造冷冲压件,如汽车和拖拉机油箱、仪表板、汽缸盖衬垫、连杆轴瓦的钢背、曲轴止推片等.,16,上海桑塔纳发动机曲轴就是采用优质50号中碳钢锻制而成，先正火后半精加工，最后经中频淬火后再精加工,汽车曲轴,17,以碳的平均质量千分数表示，并在前冠以T。,6.1.3碳素工具钢,1.牌号表示方法,如：T10A,T9,T12Mn,(A表示高级优质钢）,注：Mn指含Mn量高0.4%0.6,T12A,wS0.020%wP0.030%,18,T7，T8：强度，韧性较高，可制作冲头、凿子、榔头,T9，T10，T11、T10A：强度，韧性适中，可制作钻头、刨刀、丝锥、手锯及冷作模具。,T12，T13：硬度很高，韧性低，可制作锉刀、刮刀、量规。,2.性能及用途,生产成本较低；易于冷、热加工，热处理后有相当高的硬度；在受热不大的情况下工作时有较好的耐磨性，主要用于制造各种低速或手动刃具、量具、模具等,19,(摘自GB/T1298-1986),20,用途:用于低速、低温(200）、低冲击、硬度在HRC62左右的刃具。,碳素刃具钢,锉刀,手锤,21,热处理：淬火+低温回火组织：回火M粒状Fe3C+A,钻头,22,6.1.4铸造碳钢,以强度表示的铸钢牌号,如ZG200-400表示,（或,不小于400MPa的铸造碳钢；,）,不小于200MPa，,1.牌号表示方法,以化学成分表示的铸造合金钢牌号,如ZG15Cr1Mo1V钢，表示,wc0.15%、wcr1%、,wMo1%、wv0.9%的铸钢,（平均wv1%时不标出，平均wc0.1%时，第一组数字为“0”）,23,ZG200-400,主要用于制造形状复杂并需要一定强度、塑性和韧性的零件，如齿轮、联轴器等。,2.性能及用途,热处理退火或正火，细化晶粒，消除魏氏组织及铸造应力。组织PF,24,用途形状复杂，需一定强度、塑性、韧性的零件机车车辆、船舶、重型机械齿轮、轴、轧辊、机座、缸体、外壳、阀体等,25,非合金钢的不足,强度和屈强比低；,回火稳定性差；,淬透性低，只能水冷，易变形开裂，性能不均;不适宜形状复杂和尺寸大的工件；,不能满足特殊性能的要求，即耐热、耐蚀、抗氧化、耐磨、红硬性等。,26,与C的亲和力：强弱,TiZrNbVWMoCrMnFeCoNiCuSiAl,弱碳化物形成元素,强碳化物形成元素,非碳化物形成元素,合金元素对基本相的影响：,非碳化物形成元素,溶入F,固溶强化,弱碳化物形成元素,形成合金渗碳体,较硬，耐磨，比Fe3C更稳定,强碳化物形成元素,形成特殊碳化物,高熔点，硬，耐磨，最稳定,合金元素在钢中的作用,中强碳化物形成元素,27,除Mn、P外均阻止奥氏体晶粒长大。V、Ti、Nb、Zr强烈阻止W、Mo、Cr等次之；Ni、Si、Cu、Co等的作用较弱,细化奥氏体晶粒,除Ni、Co外，大多数合金元素均减缓奥氏体化的过程。,减缓奥氏体化速度,10,1.合金元素对钢的热处理工艺性能的影响,（1）在钢加热过程中的表现,28,综上所述，为了得到比较均匀的、含有足够数量合金元素的奥氏体，充分发挥合金元素的有益作用，合金钢在热处理时需要提高加热温度和延长保温时间。,（2）在钢冷却过程中的表现,提高淬透性,使淬火后的残余奥氏体量增多,29,提高淬透性（请点击）,除Co、Al外，完全溶于奥氏体，使奥氏体等温转变曲线位置右移，降低了钢的马氏体临界冷却速度。（多元少量，效果显著）,Cr、Mo、W等合金元素不但使“C”曲线右移，而且当达到一定含量时，会使“C”曲线出现两个鼻尖，可在连续冷却的条件下获得贝氏体组织。,除Co、Al外，大多数固溶于马氏体中的合金元素均使Ms和Mf点下降，使合金钢淬火后残余奥氏体量较非合金钢多,使淬火后的残余奥氏体量增多,30,提高回火稳定性,（3）在淬火钢回火时的表现（请点击）,使合金钢在达到与非合金钢相同硬度的情况下，回火温度更高，回火时间更长，可进一步消除残余应力，塑性、韧性较非合金钢好；而在同一温度回火时，合金钢的强度、硬度要比非合金钢高。,回火时产生二次硬化,从马氏体中析出硬度高、颗粒细小、数量多、高度弥散分布的特殊碳化物；部分残余奥氏体转变为马氏体或贝氏体。,防止第二类回火脆性,31,2.合金元素使钢的力学性能得到提高,形成合金渗碳体,形成特殊碳化物,（3）细晶强化,（2）第二相强化,（1）固溶强化(请点击),3.合金元素使钢获得特殊性能（请点击）,（1）形成单相稳定组织,得到奥氏体钢,得到铁素体钢,（2）形成致密氧化膜和金属间化合物,32,（1）使S、E点位置左移,S点左移，会使亚共析成分的合金钢中出现过共析钢的组织。E点左移，使钢中有可能出现莱氏体组织（称为莱氏体钢）。,4.合金元素使Fe-Fe3C相图发生变化,（2）对临界点的影响,A1、A3和Acm点移动,要判断合金钢是亚共析钢还是过共析钢，以及确定其热处理加热或缓冷时相变温度，不能单纯地直接根据Fe-Fe3C相图，而应根据多元铁基合金系相图来进行分析。,33,以上讨论的是单独加入一种合金元素的影响，如同时加入多种元素，其综合作用并不是单个元素作用的简单总和。,合金元素对共析温度的影响,34,1、按合金元素质量分数总量分类,（2）中合金钢总量510,（1）低合金钢总量低于5,（3）高合金钢总量大于10,（1）机械结构用合金钢,（合金渗碳钢、合金调质钢与非调质钢、合金弹簧钢、滚动轴承钢、易切削钢）,2按用途分类,（2）合金工具钢与高速工具钢,（合金量具钢、合金刃具钢、合金模具钢、高速工具钢）,（3）特殊性能钢,（不锈钢、耐热钢、耐磨钢）,6.2低合金钢,35,1.牌号表示方法,如Q420D表示屈服点,420MPa，质量等级为D级的,6.2.1低合金高强度结构钢,低合金高强度结构钢。,Q345C,36,(摘自GB/T1591-1994),37,2.成分特点,低C:0.2%保证韧性、焊接性、冷成型性。,合金元素以Mn为主、Mn和Si产生固溶强化,加入V,Nb,Ti等元素，细化F晶粒和细化碳化物而沉淀强化,加入Cu抗腐蚀,38,高强度:s300MPa,高韧性,良好焊接性能和冷成形性能,耐大气腐蚀,使用组织（S）P细F,次正火处理，个别要求高强度的情况下，如高压容器,才进行调质处理。,一般在热轧和正火状态下使用，有时在焊接后进行一,3.性能特点,4.热处理特点,热处理组织热轧空冷，SF,39,例：载货汽车的大梁采用Q345钢后，使载重比由,1.05提高到1.25；南京长江大桥采用Q345钢比用非合金,钢节约钢材15%以上。,5.常见钢号及其应用,Q295,Q345,Q390,Q420,Q460,一般工程结构，桥梁、车辆，油罐、容器等,大型桥梁,船舶,压力容器，焊接结构.,高压锅炉,高压容器，大型船舶,40,使用状态的组织为细晶粒的铁素体珠光体，强度比普通碳素结构钢Q235高约20%30%，耐大气腐蚀性能高20%38%，用于船舶、桥梁、车辆等大型钢结构。,普通低合金钢的用途举例,Q345钢(16Mn)是我国低合金高强度结构钢中用量最多、产量最大的钢种。,41,南京长江大桥,Q345钢(16Mn),42,43,44,45,46,强度较高，且韧性、焊接性及低温韧性也较好，被广泛用于制造桥梁、锅炉、船舶、中等压力的容器。,Q390钢（15MnVN）含V、Ti、Nb，中等级别强度钢中使用最多的钢种。,47,48,强度级别超过400MPa后，铁素体和珠光体组织难以满足要求，于是发展了低碳贝氏体钢。加入Cr、Mo、Mn、B等元素，有利于空冷条件下得到贝氏体组织，使强度更高，塑性、焊接性能也较好，多用于高压锅炉、高压容器等，如Q460钢。,Q460钢含Mo、B，正火组织为B，强度高，用于石化中温高压容器。,49,压力容器,50,6.2.2低合金耐侯钢,焊接结构用耐候钢,如Q355NHC，表示屈服点,质量等级为C级的焊接结构用耐候钢。,355MPa，,高耐候性结构钢,如Q345GNHL。,含Cr、Ni的高耐候钢,桥梁、建筑等,车辆、建筑、塔架等,51,6.2.3机械结构用合金钢,1、牌号表示方法,(1)合金渗碳钢、合金调质钢及合金弹簧钢,（合金元素含量少于1.5时不标数）,1.52.49标2,2.53.49标3类推,如：20CrMnTi20Cr2Ni4A40CrMo60Si2Mn,两位数字+所加合金元素符号和其百分含量类推（两,位数字为平均碳质量分数的万分数，加A为高级优质）,保证淬透性钢的代号为H，如45H、40CrAH,52,(2)滚动轴承钢,高碳铬轴承钢G+Cr+数字：“G”滚字拼音首字母，,数字为Cr含量的千分数,如：GCr6GCr9GCr15,G20Cr2Ni4A渗碳轴承钢,又如：,GCr15SiMn,（1）工作条件及性能要求,表面受到强烈摩擦、磨损，同时又承受较大的交变载荷，特别是冲击载荷的作用，要求零件表面具有优异的耐磨性和高的疲劳强度，心部具有较高强度和足够的韧性。,2.合金渗碳钢,53,低C:0.1%0.25%,加入提高淬透性元素：Cr,Ni,Mn,B,加入Mo,W,V,Nb,Ti等阻碍A晶粒长大和形成合金碳化物提高耐磨性,Ni增加渗层塑性、韧性,（3）性能特点,渗层硬度高,耐磨,抗接触疲劳,且有适当塑性,韧性,心部高韧性和足够强度,良好的热处理工艺性能，晶粒不宜长大，良好淬透性。,（2）成分特点,合金元素的作用比较见下页,54,典型渗碳钢的成分,3.4渗碳钢,55,56,合金渗碳钢的牌号,20Mn2TiA,57,退火（对P型钢）,高温回火（对M型钢）,（4）热处理及使用态组织,预先热处理：低、中淬透性的渗碳钢，锻造后正火；高淬透性的渗碳钢，锻压、空冷淬火后，再于650左右高温回火,58,正火的目的是细化晶粒，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380550HB降低到207240HB，以顺利地进行切削加工。,59,渗碳在机械加工到只留有磨削余量时，进行渗碳处理。,最终热处理：通常是渗碳后淬火和低温回火（180200）。,60,渗碳扩散层的厚度决定于：碳在奥氏体中的极限溶解度；碳在奥氏体中的扩散速度；扩散的时间。,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。,渗碳零件的渗碳过程大都是在910930温度进行的。,61,淬火和低温回火,20CrMnTi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。,62,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。,63,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。,64,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),65,典型渗碳钢的热处理和力学性能,66,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。,托氏体加少量低碳回火马氏体及铁素体（2540HRC）淬透性小的钢种。,心部,低碳回火马氏体4048HRC淬透性高的钢种；,低碳回火马氏体加贝氏体（4048HRC）淬透性中等的钢种；,表层高碳回火马氏体和合金渗碳体或碳化物及少量的残余奥氏体，硬度可达6062HRC。,渗碳后的组织,67,（5）典型钢号及其应用,低淬透性合金渗碳钢:水淬临界淬透直径为2035mm抗拉强度通常为8001000MN/m2。20Cr,15Cr、20Mn2等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,中淬透性:油淬临界淬透直径为2560mm，抗拉强度通常为10001200MN/m2。20CrMnTi、20Mn2TiB、20MnVB等有良好的力学性能和工艺性能,适合高速、较高载、有冲击的耐磨件,如重要齿轮,连轴器,十字销头.,68,20CrMnTi钢有良好的机械性能和工艺性能。淬透性较高，由于含有Ti，其过热敏感性小,20CrMnTi钢齿轮可在渗碳后预冷到875直接淬火。先预冷再淬火是为了减少淬火变形；同时在预冷过程中渗碳层中析出一些二次渗碳体（合金渗碳体），使得淬火后的渗碳层中的残余奥氏体的数量减少。,因此这种钢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。,20CrMnTi,69,20Mn2TiB、20MnVB是为节约Cr而发展的代用钢，它们的缺点是淬透性不够稳定，热处理变形稍大且缺乏规律。,离合器片淬火,70,高淬透性:油淬临界淬透直径为100mm以上，甚至空冷也能淬成马氏体。抗拉强度通常高于1200MN/m18Cr2Ni4WA20Cr2Ni4A12Cr2Ni4A、15CrMn2SiMo等,这类钢由于含有较多的Cr和Ni等合金元素，渗碳层后表层的C含量又很高，这样就导致了马氏体转变温度的大幅度下降。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。,2,由于这类钢含有较多的Ni，使得钢具有很好的韧性，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。,71,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：第一种方法是淬火后进行冷处理（-60-100），使残余奥氏体继续转变为马氏体；,72,第二种方法渗碳及正火后进行一次高温回火（600620），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淬火形成马氏体）；随后再加热到较低温度（Ac1+3050），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就自然减少了。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。,73,第三，在渗碳后进行喷丸强化，也可以有效地使渗层中的残余奥氏体转变为马氏体。,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,渗碳钢还可以用来制造轴承。,74,最后应该指出的是，目前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Al0.2%，Al能促进氮的渗入，并使碳氮共渗温度提高到875880。典型的钢号为20Cr2MoAlB。,75,典型合金渗碳钢应用,低淬透性合金渗碳钢:含合金元素总量3%15Cr、20Cr、20Mn2。用于受力小的耐磨件，如柴油机的活塞销、凸轮轴等。,活塞销(20Cr),76,中淬透性合金渗碳钢:含合金元素总量在4%左右。20CrMn、20CrMnTi、20Mn2TiB。用于中等载荷的耐磨件，如变速箱齿轮。,变速齿轮,77,拨叉,78,柴油机凸轮轴,79,20CrMnTi钢制造齿轮的热处理工艺曲线,80,高淬透性合金渗碳钢:含合金元素总量在4%6%。18Cr2NiWA、20Cr2Ni4A等。用于大载荷的耐磨件,如柴油机曲轴。,柴油机曲轴,81,现有35x20mm的两根轴。一根为20钢，经920渗碳后直接淬火(水冷)及180回火，表层硬度为5862HRC；另一根为20CrMnTi钢，经920渗碳后直接淬火(油冷)，-80冷处理及180回火后表层硬度为6064HRC。问这两根轴的表层和心部的组织(包括晶粒粗细)与性能有何区别?为什么?,82,83,3.合金调质钢与非调质钢,成分特点,中C：0.25%0.50%，以0.4左右为主。,加入提高淬透性元素Cr,Ni,Mn,Si,B等。,加入Mo,W消除回火脆性。,加入强碳化物形成元素Ti,V,W.Mo提高回火稳定性和细化晶粒.,Ni,Si,Mn可强化.,工作条件及性能要求,重载荷、受冲击、重要零件高强度、高韧性相结合的良好综合力学性能，良好的淬透性,（1）合金调质钢,84,85,性能特点,应用汽车，拖拉机，机床，工程机械等的重要零件如：齿轮，轴类，连杆，螺栓等。,良好的综合力学性能,能满足多种和较复杂载荷的工作条件,热处理工艺及使用态组织,预先热处理,最终热处理:,:低淬透性调质钢，常采用正火；中淬透性调质钢，常采用退火；高淬透性调质钢，则用正火后高温回火。,调质，可附加表面淬火或氮化(38CrMoAl)。,86,典型钢号及其应用,低淬透性合金调质钢,合金元素总量3%,油淬临界直径为2040mm。,常用钢号40Cr,40MnB用于制作一般尺寸重要零件,如齿轮、主轴等,87,连杆,轴,88,连杆,89,柴油机凸轮轴,90,圆锥齿轮,91,92,合金元素总量在4%左右，油淬临界直径最大为40mm60mm。,典型钢种是35CrMo、40CrMn、40CrNi、30CrMnSi等。,35CrMo、40CrMn等钢可用于500以下的较高温度下服役的零件，如汽轮机转子、叶轮等。,38CrSi、35CrMo等常用于制造较小的齿轮、轴、螺栓等零件。,中淬透性合金调质钢,93,叶轮、转子,94,曲轴,95,汽车曲轴,96,电气机车大轴,磨床主轴,97,汽轮机转子,汽轮机转子（AETC公司）,3.1调质钢,98,高淬透性合金调质钢,合金元素总量在4%10%，油淬临界直径最大为60mm100mm。,典型钢种是38CrMoAlA、37CrNi3A、40CrMnMo、40CrNiMoA、25Cr2Ni4WA等。这类钢多半是铬镍钢，较多的Cr和Ni的适当配合可大大提高钢的淬透性，并获得优良的机械性能。,40CrNiMoA钢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。,99,3.1调质钢,100,某军舰汽轮机主轴,101,Wc=0.250.6%,Wc=0.250.5%,合金元素:Cr、Mn、Ni、B、Si、V、W、Mo、Ti等。,表层:S回,心部:P+F,表层:S回,心部:S回,102,40Cr钢制造连杆螺栓的热处理工艺曲线,103,典型氮化钢种及应用,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9001000HV。,广泛应用的氮化钢主要是38CrMoAlA、38Cr2WVAlA等。在500600温度范围内氮化物扩散层的深度不大，因而表面薄层所达到的高力学性能从表层迅速下降。,要求高耐磨性的零件要有高硬度的表面氮化层，一般采用含强氮化物形成元素铝的钢种，如38CrMoAl。,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500800HV。,104,RN2-25-6氮化炉,105,超精密镗床,防震镗杆,106,真空隔离闸板阀阀杆,107,（2）非调质钢,中碳钢中添加微量合金元素（V、Ti、Nb、N等）加热控温轧制（锻制）控温冷却,切削加工用非调质机械结构钢，牌号以YF为首；YF35MnV热锻用非调质机械结构钢，牌号以F为首。F40MnV,108,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。,4.合金弹簧钢,（1）工作条件及性能要求,工作条件,109,性能要求,具有高的强度极限，特别是弹性极限e，还要求有高的屈强比s/b，以提高强度的利用率。,具有高的疲劳极限。,具有良好的表面状态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，在加热处理过程中，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。,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。弹簧用钢在卷成型以前要有一定的塑性，以便于成型。,110,（2）成分特点,中高C:0.45%0.70%,合金弹簧钢的碳含量为0.45%0.7%。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。,加入Si,Mn,Si和Mn是弹簧钢中经常采用的合金元素，目的是提高淬透性、固溶强化铁素体、提高钢的回火稳定性。,Si含量高时增大C石墨化的倾向，且在加热时易于脱碳；Mn则易于使钢过热。,111,加入Si-Cr不易脱C，加入Cr-V细化晶粒,耐冲击,高温强度好。,加入Cr、W、V、Nb克服硅锰弹簧钢的不足,Cr、W、V、Nb为碳化物形成元素，它们可以防止过热（细化晶粒）和脱碳，从而保证重要用途弹簧具有高的弹性极限和屈服极限。,弹簧钢的纯度对疲劳强度有很大影响，因此，弹簧钢均为优质钢（P0.04%，S0.04%）或高级优质钢（P0.035%，P0.035%）。,112,典型弹簧钢的成分和用途,113,（3）热处理,冷成形弹簧的热处理,退火状态供应的弹簧钢丝,冷拔退火成形淬火+中温回火,等温淬火冷拔成形回火,铅浴等温淬火钢丝,冷拔油淬和中温回火冷卷低温回火,油淬回火钢丝,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。,114,热成形弹簧的热处理,热卷成形余热淬火+中温回火,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。,115,典型弹簧钢的热处理和力学性能,116,碳素弹簧钢,合金弹簧钢,化学成分,热处理后的组织,Wc=0.60.9%,Wc=0.50.7%,合金元素:Si、Mn、Cr、V、W、Mo等。,T回,制造尺寸小于815mm的小型弹簧。,T回,制造尺寸在2025mm左右的弹簧。,（4）典型钢号及其应用,117,碳素弹簧钢65、70、75和85钢。碳素钢经热处理后可以得到较高的强度和适当的塑性，但其淬透性较低。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。,118,119,60Si2Mn主要用于制造汽车、拖拉机和机车上的板簧（1012mm厚）和螺旋弹簧（直径为2025mm）等，淬透性和性能高于65Mn。硅显著提高弹性极限和屈服比；略提高淬透性，但又不使Ms点下降，不致增加淬火开裂倾向；可以防止氧化，但却促进脱碳倾向，故应特别注意防护。,以Si,Mn合金化:65Mn,55Si2Mn,60Si2Mn,60Si2CrVA用于汽车,拖拉机,机车的板簧和螺旋弹簧,以Cr,V合金化:50CrVA55CrMnA350以下重载,较大型弹簧,如高速柴油机气门弹簧.,合金弹簧钢,120,50CrV这类钢可用于制造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。Cr和V的复合加入，不仅提高弹簧钢的淬透性，而且有较高的高温强度、韧性和较好的热处理工艺性能。,121,应用：65Mn、60Si2Mn：汽车，拖拉机，机车的板簧和螺旋弹簧。,122,123,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,124,弹簧,拉力弹簧,离合器弹簧,蝶形弹簧,板弹簧,125,（1）工作条件及性能要求,滚动轴承在交变应力作用下工作，各部分之间有强烈摩擦，还受到润滑剂的化学浸蚀。承受周期性交变载荷和冲击载荷，强烈的摩擦，腐蚀；,要求高而均匀的硬度和耐磨性；高的弹性极限和一定的冲击韧性；足够的淬透性和耐蚀能力、高的接触疲劳强度和抗压强度。高的淬硬性尺寸要精确而经久稳定；一定的抗腐蚀能力；良好的工艺性能。,5.滚动轴承钢,126,（2）成分特点,高碳,为了保证轴承钢有高的硬度和耐磨性，轴承钢的碳含量很高，一般为0.95%1.15%，属于过共析钢。,一部分碳存在于马氏体基体中以强化马氏体；,另一部分碳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。,127,钢中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。,加入主加合金元素铬,Cr的作用是提高钢的淬透性和钢的耐腐蚀性能。,适宜的铬含量为0.40%1.65%。,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。,128,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；,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。,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S0.02%，P0.027%，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。,129,滚动轴承钢,（摘自GB/T182542002）,130,滚动轴承钢的牌号,GCr9SiMn,131,（3）性能特点,高接触疲劳强度；高硬度和耐磨性；足够的韧性和淬透性；一定的耐蚀能力和良好的尺寸稳定性,（4）热处理工艺,预先热处理：球化退火最终热处理：淬火+低温回火。精密轴承零件，淬火后冷处理，低温回火；磨削加工后，时效,冷处理，时效（120140,1020h）：稳定尺寸，去应力。组织回火M细碳化物少量A,132,极细回火马氏体+细粒状碳化物+少量残余奥氏体,热处理后组织,133,预先热处理球化退火,GCr15钢的球化退火加热温度范围为770810，790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。,134,碳化物的形状取决于加热温度，而碳化物的弥散度取决于冷却速度。冷却速度越大，碳化物的弥散度也越大，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。,135,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。,最终热处理淬火加低温回火。,136,细小均匀的奥氏体晶粒(58级)；,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78%左右，残余奥氏体量不大于8左右，固溶体的碳含量在0.500.60%之间；,淬火组织硬度为HRC6466；,淬火后零件表面不应有氧化脱碳及软点。,轴承零件淬火后一般要满足以下要求：,淬火后应立即回火消除内应力，提高韧性、稳定组织和尺寸,137,回火温度一般为（150160），保温时间为24h。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。,轴承钢经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6266HRC,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，因此通常还要进行一次附加回火（回火温度为120150，回火时间为23h）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120150，时间为510h）。,138,Cr轴承钢:GCr6,GCr9,GCr15。典型代表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。,（5）典型钢号及其应用,铬轴承钢制造轴承的工艺路线,锻造球化退火机加工淬火+冷处理(6080;1h)低温回火磨削加工稳定化处理(120130；510h),添加Mn,Si,Mo,V的轴承钢:GCr15SiMo,GSiMnMoV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。,139,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,140,GCr15：中小型轴承，冷冲模，量具，丝锥。,141,142,143,必须指出的是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,144,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”。高级优质渗碳轴承钢，在牌号尾部加“A”。例如：“G20CrNiMoA”。,145,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。,可用于制造轴承的渗碳钢，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。,146,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。,147,水下轴承,外球面轴承,148,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。,149,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。,150,超高温轴承,高温、耐腐蚀、自润滑轴承,151,6.易切削钢,（1）合金元素的作用,Mn断屑，降低切削力，减少刀具磨损，降低表面粗糙度；P断屑；Pb润滑；Ca减少刀具磨损。,（2）牌号与用途,Y30,Y12PbY40Mn,易切削钢进行最终热处理，不采用预先热处理。大批量生产时，才会获得较高的经济效益,152,易切削钢的牌号,Y40Mn,153,6.2.3合金工具钢和高速工具钢,1.合金工具钢和高速工具钢的分类和牌号,分类：量具刃具钢、耐冲击工具钢、冷作模具钢、热作模具钢、无磁工具钢和塑料模具钢,牌号：,一位数字（或没有数字）+合金元素符号+其含量百分数,一位数字表示碳质量分数的千分数,没有数字表示碳质量分数1,合金元素含量1.5不标数；1.5标注如下：,（1）合金工具钢的分类和牌号,154,如2.53.49标3,如3.54.49标4类推,如9SiCrCrWMnCr12MoV5CrMnMoW18Cr4V,（2）高速工具钢的分类和牌号,分类,通用型高速钢（钨系高速钢和钼系高速钢）；高性能高速钢（高碳高速钢、钴高速钢、铝高速钢等）,牌号,不标出碳的质量分数；合金元素的标注方法同合金工具钢。当合金元素种类、含量相同，碳的质量分数不同时，在质量分数高的牌号前加“C”如:W18Cr4VCW6Mo5Cr4V2,如1.52.49标2,155,工作条件及性能要求,（1）量具钢,主要受摩擦、磨损，承受外力很小，有时受碰撞。具有高的硬度（6065HRC）、耐磨性和足够的韧性，高的尺寸精度与稳定性，一定的淬透性，较小的淬火变形和良好的耐蚀性，良好的磨削加工性等。,成分特点：高碳0.91.5加入Cr、W、Mn等提高淬透性。,热处理工艺,球化退火（调质处理）淬火（冷处理）低温回火时效处理。,2合金工具钢,量具钢,刃具钢,模具钢,156,冷处理：（-70-80）时效处理：120130，保温几几十小时，使M、A稳定，消除内应力。最终组织回火M+碳化物+少量A,用途：各种测量工具如卡尺、千分尺、量块、塞规等。,非合金钢10、20或50、55、60、60Mn、65Mn样板或卡规,9SiCr,一般量规和量块（非合金钢T10A、T12A也可）,CrMn、GCr15,高精度量规和量块,CrWMn,高精度形状复杂的量规和量块,抗蚀量具,4Cr13、9Cr18,157,量具用钢的选用举例,158,性能要求：(1)高硬度（大于56HRC）和高耐磨性；(2)高尺寸稳定性，在存放和使用过程中，尺寸不发生变化。,螺纹规,游标卡尺,千分尺,159,160,量具,161,工作条件性能要求：,（2）低合金刃具钢,承受压力、弯曲、振动、冲击、摩擦；,高硬度机加工刀具HRC60高耐磨性刀具寿命和生产率组织要求硬而细小的碳化物，均匀分布在强而韧的钢基体中。高的热硬性（红硬性）高温下保持高硬度的能力，与回火稳定性有关。足够的韧性以承受冲击载荷,成分特点：,加入Cr,Mn,Si提高淬透性；加入Si提高回火稳定性加入W,V提高耐磨性；加入W,V细化晶粒,高C:0.75%1.5%,（如：9SiCr、9Mn2V）,合金元素5%,162,（摘自GB/T12992000）,163,性能特点,高硬度:HRC60；高耐磨性、高热硬性；足够塑性和韧性；,使用态组织,热处理工艺,预先热处理：球化退火最终热处理：淬火+低温回火,淬火：加热温度比碳素工具钢稍高些，可用油较缓和的淬火介质。,回火M+合金碳化物+少量A,典型钢号及其应用：,9SiCr如,板牙,丝锥,冷冲模,木工工具,低速切削刃具Cr06如,样板,铰刀,插刀,剃刀,刀片,刮刀,锉刀等.CrWMn如拉刀,冲模,样板,量规W,W2,CrW小麻花钻,低速切削刃具,164,9SiCr，做板牙、丝锥等。,丝锥,165,板牙,166,铣刀,英制模板刀,167,9SiCr钢板牙热处理工艺曲线,板牙,168,刃具,169,（3）合金模具钢,冷作模具钢,热作模具钢,170,冷作模具钢,汽车冲压模具,工作条件及性能要求,冲裁模刃口经受反复冲击摩擦和弯曲应力。,冷挤压模承受很高的压缩应力和承受拉应力。也承受着冲击负荷，刃口部分与流动的金属之间强烈摩擦。,冷冲、冷镦、冷挤压模等。,工作条件,171,性能要求：高硬度、高耐磨性，良好的工艺性能、足够的强度、韧性和疲劳强度，淬透性要好，热硬性的要求相对刃具钢来说可适当低些。,172,成分特点,加入大量Cr提高耐磨性和淬透性：加入W、Mo、V提高耐磨性,高强韧性：wc=0.5%0.7%；高硬度、高耐磨性：wc=1.2%2.3%，,性能特点：,：高硬度:5862HRC；高耐磨性和热硬性足够韧性和疲劳抗力；淬透性好，热处理变形小,最终组织回火M+碳化物+少量A,热处理工艺,球化退火9501000淬火低温回火耐磨性和韧性好，用于重载模具,球化退火11001150淬火510520回火（3次）耐磨性和热硬性好，用于400450温度下工作的模具,173,CrWMn钢制造块规退火后的热处理工艺,174,典型钢号及其应用,冷作模具钢中用量最大的有：Cr12、Cr12MoV、CrWMn、9SiC