机械制造结构钢

Chapter 3 机械制造结构钢,主 要 内 容,调质钢弹簧钢滚动轴承钢渗碳钢氮化钢马氏体结构钢特殊用途钢,基本要求： 了解各类钢的服役条件、对钢的基本性能要求、化学成分特点和热处理特点； 掌握常用调质钢、弹簧钢、渗碳钢、滚动轴承钢等的典型牌号。 重点与难点：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,Chapter 3 机械制造结构钢,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。 如各种齿轮零件、轴（杆）类零件、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。,3.0 引言,Chapter 3 机械制造结构钢,拨叉,变速齿轮,变速箱,3.0 引言,Chapter 3 机械制造结构钢,齿轮,曲轴,汽车万向节,连杆,3.0 引言,Chapter 3 机械制造结构钢,弹簧,拉力弹簧,离合器弹簧,蝶形弹簧,3.0 引言,板弹簧,Chapter 3 机械制造结构钢,滚珠,滚珠轴承,3.0 引言,Chapter 3 机械制造结构钢,履带,铁轨分道叉,破碎机颚板,挖掘机斗齿,3.0 引言,Chapter 3 机械制造结构钢,3.0 引言,Chapter 3 机器零件用合金结构钢,二、机械制造结构钢的服役条件 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,Chapter 3 机械制造结构钢,三、机器零件用钢对力学性能要求 要求强度和韧性以保证机器零件体积小、结构紧凑及安全性好； 要求有良好的疲劳性能与耐磨性等。 因此对机器零件用钢必须进行热处理强化以充分发挥钢材的性能潜力，所以机器零件用钢的使用状态通常为淬火加回火态，即强化态。,3.0 引言,Chapter 3 机械制造结构钢,对钢材的其它工艺性能（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,Chapter 3 机械制造结构钢,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，有较高的强度，良好的塑性和韧性。适用于这种热处理的钢种称为调质钢。,Chapter 3 机械制造结构钢,一、调质钢的化学成分特点 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,Chapter 3 机械制造结构钢,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。,Chapter 3 机械制造结构钢,3.1 调质钢,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。,Chapter 3 机械制造结构钢,3.1 调质钢,二、对调质钢的淬透性要求,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。,Chapter 3 机械制造结构钢,3.1 调质钢,三、调质钢的热处理特点 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,Chapter 3 机械制造结构钢,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HB380550降至HB207240，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。,Chapter 3 机械制造结构钢,3.1 调质钢,（2）回火 根据所要求的性能来决定回火温度，回火是使调质钢的性能定型化的重要工序。高温回火时应考虑钢材的回火脆性问题。（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,Chapter 3 机械制造结构钢,四、调质钢的合金元素与机械性能,1 调质钢的硬度 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，碳化物的数量和碳化物的弥散程度与调质钢的硬度有着密切的关系。,Chapter 3 机械制造结构钢,3.1 调质钢,2 回火温度与调质钢综合机械性能的关系,当调质钢淬火成马氏体，在450650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。,Chapter 3 机械制造结构钢,3.1 调质钢,3 调质钢在高温回火后的韧性(1) 合金元素与调质钢的韧性碳：是降低调质钢冲击韧性的元素。 在保证钢调质后的硬度及强度的前提下，应把钢中碳含量限制在较低的范围内。对于重要的零件，一般选用高淬透性的低碳合金钢。锰：调质钢中加入2%的锰后，钢的冲击韧性有所改善，但含锰量超高2后，钢的脆性转化温度反而升高，冲击韧性恶化。 镍：可改善钢的冲击韧性，使脆性转化温度不断下降。磷：对钢的冲击韧性危害甚大。它提高脆性转化温度，降低冲击值，因此在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，甚至应把含磷量降低到0.02%以下。,3.1 调质钢,Chapter 3 机械制造结构钢,(2) 调质钢的高温回火脆性 回火脆性与冷却速度关系 某些调质钢在高温回火并以不同速度冷却后，钢的硬度、拉伸强度、屈服强度、断面收缩率和延伸率等性能没有明显差别，但是缓慢冷却的试样的冲击韧性却明显低于快速冷却的试样，见表3-1。,3.1 调质钢,Chapter 3 机械制造结构钢,表3-1,回火脆性与回火保温时间的关系 在500550之间回火脆性发生得最快；随着保温时间的延长，脆化程度曲线上的温度越来越高。回火脆性与钢种的关系 碳素钢高温回火脆性是不敏感的；钢中加入锰或铬后就成为敏感的了；硅锰钢、铬锰钢回火脆化倾向性更加增大；单纯镍钢对高温回火脆性不敏感，而铬钢中加镍则明显促进回火脆性；钼、钨是降低高温回火脆性的元素；,3.1 调质钢,Chapter 3 机械制造结构钢, 避免或减轻回火脆性的措施a.避免在易发生高温回火脆性的温度范围内回火； b.尽可能缩短在回火脆性温度内的回火时间；c.回火后采用快冷的工艺方法； d.采用含钼钢种，并尽可能降低钢中的磷、锡、锑含量；e.对已感受回火脆的钢，用重新加热到650后快冷的方法来恢复。,3.1 调质钢,Chapter 3 机械制造结构钢,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,Chapter 3 机械制造结构钢,3.1 调质钢,表3-3 常用调质钢的热处理和机械性能,Chapter 3 机械制造结构钢,3.1 调质钢,典型调质钢及其应用：合金调质钢的钢种很多，按淬透性的高低可分为低、中、高淬透性三类。 低淬透性合金调质钢：其油淬临界直径最大为30mm40mm。典型钢种是40Cr、40CrV、40MnB、40MnV、38CrSi、40MnVB等。这类钢的淬透性较低，通常只用于制造一般尺寸的重要零件。40MnB、40MnVB是为节约Cr而发展的代用钢，40MnB的淬透性稳定性较差，切削加工性能也差一些。,3.1 调质钢,Chapter 3 机械制造结构钢,连 杆,3.1 调质钢,轴,Chapter 3 机械制造结构钢,中淬透性合金调质钢：其油淬临界直径最大为40mm60mm。 典型钢种是35CrMo、40CrMn、40CrNi、30CrMnSi等。这类钢含有较多的合金元素。 主要用于制造截面较大的零件，例如曲轴、连杆等。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。,3.1 调质钢,Chapter 3 机械制造结构钢,电气机车大轴,磨床主轴,3.1 调质钢,Chapter 3 机械制造结构钢,汽轮机转子,汽轮机转子 （AETC公司）,3. 1 调质钢,叶轮、转子,3. 1 调质钢,高淬透性合金调质钢：其油淬临界直径最大为60mm100mm。 典型钢种是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。,3.1 调质钢,Chapter 3 机械制造结构钢,3.1 调质钢,某军舰汽轮机主轴,3. 1 调质钢,Chapter 3 机械制造结构钢,3.2 弹簧钢,Chapter 3 机械制造结构钢,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。,3.2 弹簧钢,Chapter 3 机械制造结构钢,二、对弹簧的性能要求1 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。 2 具有高的疲劳极限。3 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。4 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。,Chapter 3 机械制造结构钢,3.2 弹簧钢,三、弹簧钢的化学成分特点 1 碳含量碳素弹簧钢的碳含量一般为0.8%0.9%， 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。,3.2 弹簧钢,Chapter 3 机械制造结构钢,2 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。,3.2 弹簧钢,Chapter 3 机械制造结构钢,3 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。 4 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%）。,3.2 弹簧钢,Chapter 3 机械制造结构钢,四、弹簧钢的热处理特点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200400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。,Chapter 3 机械制造结构钢,3.2 弹簧钢,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。,3.2 弹簧钢,Chapter 3 机械制造结构钢,五、典型弹簧钢及应用实例1 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。,3.2 弹簧钢,Chapter 3 机械制造结构钢,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（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。,Chapter 3 机械制造结构钢,3.2 弹簧钢,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,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。表3-4 常用弹簧钢的化学成分和用途。表3-5常用弹簧钢的热处理和力学性能。,Chapter 3 机械制造结构钢,3.2 弹簧钢,表3-4 典型弹簧钢的成分和用途,Chapter 3 机械制造结构钢,3.2 弹簧钢,表3-5 典型弹簧钢的热处理和机械性能,Chapter 3 机械制造结构钢,3.2 弹簧钢,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1800MPa5000MPa）和交变载荷。,3.3 滚动轴承钢,3.3 滚动轴承钢,Chapter 3 机械制造结构钢,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。,3.3 滚动轴承钢,Chapter 3 机械制造结构钢,二、滚动轴承的性能要求,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。,Chapter 3 机械制造结构钢,3.3 滚动轴承钢,三、滚动轴承钢的化学成分特点 1 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。,3.3 滚动轴承钢,Chapter 3 机械制造结构钢,2 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。 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。适宜的铬含量为0.40%1.65%。,3.4 滚动轴承钢,Chapter 3 机械制造结构钢,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；,3.4 滚动轴承钢,Chapter 3 机械制造结构钢,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。,3.3 滚动轴承钢,Chapter 3 机械制造结构钢,四、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）。,Chapter 3 机械制造结构钢,3.3 滚动轴承钢,五、滚动轴承钢的热处理特点 由于轴承钢是过共析钢，并且对碳化物的形状和分布要求较高，因此其预先热处理通常采用球化退火。 1 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。,3.3 滚动轴承钢,Chapter 3 机械制造结构钢,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。,Chapter 3 机械制造结构钢,3.3 滚动轴承钢,2 最终热处理 轴承钢的最终热处理是淬火加低温回火。 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。,3.3 滚动轴承钢,Chapter 3 机械制造结构钢,3.3 滚动轴承钢,Chapter 3 机械制造结构钢,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(58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；（3）淬火组织硬度为HRC6466；（4）淬火后零件表面不应有氧化脱碳及软点。,Chapter 3 机械制造结构钢,3.3 滚动轴承钢,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（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。,3.3 滚动轴承钢,Chapter 3 机械制造结构钢,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）。,3.3 滚动轴承钢,Chapter 3 机械制造结构钢,六、滚动轴承钢的应用实例,3.3 滚动轴承钢,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。,Chapter 3 机械制造结构钢,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。,3.3 滚动轴承钢,Chapter 3 机械制造结构钢,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,3.3 滚动轴承钢,Chapter 3 机械制造结构钢,3.3 滚动轴承钢,Chapter 3 机械制造结构钢,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,3.3 滚动轴承钢,Chapter 3 机械制造结构钢,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：“G20 CrNiMo”。高级优质渗碳轴承钢，在牌号尾部加“A”。例如：“G20CrNiMoA”。,3.3 滚动轴承钢,Chapter 3 机械制造结构钢,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。,3.3 滚动轴承钢,Chapter 3 机械制造结构钢,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。,3.3 滚动轴承钢,Chapter 3 机械制造结构钢,水下轴承,外球面轴承,3.3 滚动轴承钢,Chapter 3 机械制造结构钢,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。,3.3 滚动轴承钢,Chapter 3 机械制造结构钢,超高温轴承,高温、耐腐蚀、自润滑轴承,3.3 滚动轴承钢,Chapter 3 机械制造结构钢,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。,3.3 滚动轴承钢,Chapter 3 机械制造结构钢,3.4 渗碳钢,Chapter 3 机械制造结构钢,一、渗碳钢的服役条件及对性能要求,有一些机器零件，在工作时零件整体受到周期性变化的扭转或弯曲力的作用，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。,Chapter 3 机械制造结构钢,3.4 渗碳钢,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。,3.4 渗碳钢,Chapter 3 机械制造结构钢,（2）根据渗碳工艺 碳化物形成元素对渗碳的作用：（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。 总的效果是铬、锰、钼等元素加大渗碳层的厚度，钛减小渗碳层的厚度。,Chapter 3 机械制造结构钢,3.4 渗碳钢,非碳化物形成元素对渗碳的作用与碳化物形成元素相反： 总的效果是镍、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。对于一般零件:(1)渗碳层的含碳量限制为0.81.1%C；(2)渗碳层的深度控制在0.62.0mm之内。,Chapter 3 机械制造结构钢,3.4 渗碳钢,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,3.1 合金渗碳钢,Chapter 3 机械制造结构钢,图3-3 925渗碳时，合金元素对渗碳层深度的影响,3.1 合金渗碳钢,Chapter 3 机械制造结构钢,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。,3.4 渗碳钢,第一步：正火,退火（对P型钢）,第二步：,高温回火（对M型钢）,Chapter 3 机械制造结构钢,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。,3.4 渗碳钢,Chapter 3 机械制造结构钢,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。,3.4 渗碳钢,Chapter 3 机械制造结构钢,渗碳零件的渗碳过程大都是在910930温度进行的。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。,Chapter 3 机械制造结构钢,3.4 渗碳钢,（2）淬火和低温回火。,3.4 渗碳钢,图3-4 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。,Chapter 3 机械制造结构钢,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（6062HRC），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（4048HRC）淬透性中等的钢种； 低碳回火屈氏体（2540HRC）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。,3.4 渗碳钢,Chapter 3 机械制造结构钢,3.4 渗碳钢,Chapter 3 机械制造结构钢,3.4 渗碳钢,Chapter 3 机械制造结构钢,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。,3.4 渗碳钢,Chapter 3 机械制造结构钢,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。,3.4 渗碳钢,Chapter 3 机械制造结构钢,3.4 渗碳钢,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GB10095-88 4级),Chapter 3 机械制造结构钢,四、典型渗碳钢及其应用 碳素渗碳钢：15、20合金渗碳钢按淬透性的高低可分为： （1）低淬透性合金渗碳钢 20Cr、20Mn2等。 （2）中淬透性合金渗碳钢 20CrMnTi、20Mn2TiB、20MnVB等。 （3）高淬透性合金渗碳钢 12Cr2Ni4A、15CrMn2SiMo、 18Cr2Ni4WA、20Cr2Ni4A等。,3.4 渗碳钢,Chapter 3 机械制造结构钢,3.4 渗碳钢,碳素钢,Mn,Cr,Ni,20Mn-500-300-15-15-60 淬水及淬油临界直径1215mm 20Mn2-800-600-10-47-60 淬油临界直径20mm 特点：晶粒易长大，无回火脆性,20Cr-850-550-10-40-60 淬油临界直径1520mm,13Ni2A、21Ni3A 价昂，已不应用,MnV,20MnV-800-600-10-40-70 淬油临界直径1518mm 特点：晶粒较细，无回火脆性,CrMo,15CrMo、20CrMo-1000-800-12-50-80,CrNi,CrMnTi,CrMnMo,20CrMnMo-1100-900-15-50-80 淬油临界直径2530mm 特点：晶粒不易长大，可以渗碳后直接淬火,CrNiMo CrNiW,18Cr2Ni4WA-1200-850-10-45-100 淬油临界直径90100mm 特点：淬透性高，可以空冷淬火，渗碳层残余奥氏体多，无回火脆性,渗碳后800淬水200回火后力学性能b-s - k,15-500-300-15-48-80 淬水临界直径56mm 20-550-350-18-45-80 淬水临界直径78mm 特点：淬透性低，热处理变形大，无回火脆性，焊接性、切削性和压力加工性能好,20CrNi-800-600-10-45-80淬油临界直径2530mm 20CrNi2-800-600-10-45-80淬油临界直径3035mm 20CrNi3-950-750-10-45-80淬油临界直径4050mm 20Cr2Ni4A-1200-1100-9-45-80淬油临界直径7080mm 特点：有回火脆性，表层残余奥氏体多,CrMn,20CrMn-950-750-10-45-60 淬油临界直径2025mm,20CrMnTi-1000-850-10-45-70 淬油临界直径2530mm 30CrMnTi-1500-1300-9-45-80 淬油临界直径3040mm 特点：晶粒不易长大，可以渗碳后直接淬火,Chapter 3 机械制造结构钢,低淬透性合金渗碳钢 抗拉强度通常为8001000MN/m2。 典型钢种是20Cr、20Mn2等。 这类钢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。 中淬透性合金渗碳钢 抗拉强度通常为10001200MN/m2。 典型钢种是20CrMnTi、20Mn2TiB、20MnVB等。,3.4 渗碳钢,Chapter 3 机械制造结构钢,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。,3.4 渗碳钢,Chapter 3 机械制造结构钢,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。,3.1 合金渗碳钢,离合器片淬火,Chapter 3 机械制造结构钢,高淬透性合金渗碳钢 抗拉强度通常高于1200MN/m2。 典型钢种是12Cr2Ni4A、15CrMn2SiMo、18Cr2Ni4WA、20Cr2Ni4A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。,3. 4 渗碳钢,Chapter 3 机械制造结构钢,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。 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；,3.4 渗碳钢,Chapter 3 机械制造结构钢,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。,3.4 渗碳钢,Chapter 3 机械制造结构钢,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。 渗碳钢还可以用来制造轴承。,3.4 渗碳钢,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,Chapter 3 机械制造结构钢,表3-7 典型渗碳钢的成分,Chapter 3 机械制造结构钢,3.4 渗碳钢,表3-8 典型渗碳钢的热处理和机械性能,Chapter 3 机械制造结构钢,3.4 渗碳钢,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。,3.4 渗碳钢,Chapter 3 机械制造结构钢,3.5 氮化钢,Chapter 3 机械制造结构钢,对于一些要求疲劳强度高、耐磨性好、尺寸精度高的机器零件，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。氮化是用氮饱和钢的表面的工艺过程。,Chapter 3 机械制造结构钢,3.5 氮化钢,一、氮化钢的特点,1 优点明显提高零件疲劳强度和耐磨性；具有对水、油等介质的耐腐蚀的能力； 零件的变形量很小；氮化层在较高的温度仍能保持其硬度。 2 缺点生产周期长，成本高。,Chapter 3 机械制造结构钢,3.5 氮化钢,二、氮化处