10第四章 机械制造结构钢-3

1、1 3-9 弹簧钢弹簧钢 一、工作条件一、工作条件 在动载荷（冲击、振动、交变应力、弯曲、在动载荷（冲击、振动、交变应力、弯曲、 扭转）作用下起到缓和冲击力，或控制零件扭转）作用下起到缓和冲击力，或控制零件 某一工作过程的作用。某一工作过程的作用。 第三章第三章 机械制造用结构钢机械制造用结构钢 2 汽车板簧汽车板簧 大型热卷弹簧大型热卷弹簧 热卷大弹簧热卷大弹簧 簧弹丝簧弹丝 3 二、性能要求二、性能要求 1、高的屈服强度和弹性极限，高的屈强比，、高的屈服强度和弹性极限，高的屈强比， 避免发生永久变形。避免发生永久变形。 2、高的疲劳极限。、高的疲劳极限。 3、有一定的冲击韧性和塑性。、有一

2、定的冲击韧性和塑性。 4、有一定的淬透性。、有一定的淬透性。 三、组织三、组织 经淬火和中温回火后得到回火屈氏体组织经淬火和中温回火后得到回火屈氏体组织 4 四、合金化四、合金化 1、含、含C量量 0.460.75%C，合金弹簧钢。，合金弹簧钢。 0.601.05%C，碳素弹簧钢。，碳素弹簧钢。 2、合金元素、合金元素 (1)提高淬透性：提高淬透性：Cr、Mn、Si、Mo。 (2)细化奥氏体晶粒：细化奥氏体晶粒：V、Nb。 (3)提高抗回火稳定性：提高抗回火稳定性：Cr、Mo、V、Nb。 (4)提高弹性极限：提高弹性极限：Si（强化铁素体）。（强化铁素体）。 5 五、合金弹簧钢五、合金弹簧钢

3、1、锰弹簧钢、锰弹簧钢 65Mn：便宜，强度较低，制作尺寸小的弹簧。：便宜，强度较低，制作尺寸小的弹簧。 有过热倾向，淬透性较低，有回火脆性向。有过热倾向，淬透性较低，有回火脆性向。 2、硅弹簧钢、硅弹簧钢 55Si2Mn： 淬透性显著提高，淬透性显著提高，2025mm，油淬。，油淬。 铁素体显著强化，屈强比铁素体显著强化，屈强比0.8-0.9。 易脱碳，易石墨化，有回火脆性。易脱碳，易石墨化，有回火脆性。 制作汽车、拖拉机、铁路车辆上在高应力作用制作汽车、拖拉机、铁路车辆上在高应力作用 下的弹簧。下的弹簧。 55Si2MnB：采用硼增加淬透性。：采用硼增加淬透性。 6 3、铬弹簧钢、铬弹簧钢

4、 50CrV，50CrMn，60Si2Cr： 淬透性提高，油中淬透淬透性提高，油中淬透5080mm。 没有晶粒长大倾向，没有石墨化倾向，不易脱没有晶粒长大倾向，没有石墨化倾向，不易脱 碳。碳。 工作温度较高，工作温度较高，300，制作大型高负荷弹簧。，制作大型高负荷弹簧。 7 4、无铬弹簧钢、无铬弹簧钢 55SiMnMoV，55SiMnMoVNb： 淬透性高，无回火脆性。回火稳定性高，晶粒淬透性高，无回火脆性。回火稳定性高，晶粒 细化。细化。 可用于重载弹簧。可用于重载弹簧。 5、耐热弹簧钢、耐热弹簧钢 30W4Cr2VA： 10501100淬火，淬火，550650回火。回火。 可在可在500

5、以下使用。以下使用。 8 六、热轧弹簧钢的热处理六、热轧弹簧钢的热处理 1、采用淬火加中温回火，得回火屈氏体组织。、采用淬火加中温回火，得回火屈氏体组织。 2、注意防止表面脱碳。、注意防止表面脱碳。 55Si2Mn， 1（ （MPa） 未脱碳：未脱碳： 700， 脱碳：脱碳： 410， 严重脱碳：严重脱碳： 320。 七、弹簧钢的表面强化七、弹簧钢的表面强化 喷丸处理产生残余压应力，寿命提高喷丸处理产生残余压应力，寿命提高2-6倍。倍。 9 八、弹簧钢丝的强化方式八、弹簧钢丝的强化方式 1、铅溶等温淬火冷拉弹簧钢丝、铅溶等温淬火冷拉弹簧钢丝 钢种：钢种：50，60，70，T8，T9，T10，6

6、5Mn等。等。 (1)工艺流程：冷拔工艺流程：冷拔铅溶淬火铅溶淬火冷拔。冷拔。 (2)铅溶淬火：铅溶淬火： 加热温度：加热温度：880950，Ac3（Accm）+100- 200。得到均匀的奥氏体。得到均匀的奥氏体。 铅溶等温淬火：铅溶等温淬火：480540。 10 完成奥氏体恒温分解，得到塑性好的极细完成奥氏体恒温分解，得到塑性好的极细 珠光体，不出现贝氏体，多次拉拔而不脆。珠光体，不出现贝氏体，多次拉拔而不脆。 (3)对化学成分要求严格对化学成分要求严格 50T10：Mn：0.30.6%；CrNiCu 0.40%。 避免合金元素提高淬透性，且固溶强化后拉拔避免合金元素提高淬透性，且固溶强化

7、后拉拔 困难。困难。 (4)强度可达强度可达3000Mpa，是目前工业生产中材料，是目前工业生产中材料 的最高强度。的最高强度。 11 2、硬拉弹簧钢、硬拉弹簧钢 (1)钢种：碳素钢，钢种：碳素钢，65Mn (2)用中间退火（用中间退火（600-680）代替铅浴淬火。）代替铅浴淬火。 (3)仅用于制造低应力弹簧。仅用于制造低应力弹簧。 3、油淬回火弹簧钢丝、油淬回火弹簧钢丝 (1)钢种：碳素钢，钢种：碳素钢，60Si2MnA，50CrVA， 60Si2MoWA等。等。 (2)油淬中温回火。用来制造阀门弹簧，高强油淬中温回火。用来制造阀门弹簧，高强 度，高弹性。度，高弹性。 12 3-10易切削

8、钢易切削钢 一、特点一、特点 使正常钢中某些成分变化或附加某些成分，使正常钢中某些成分变化或附加某些成分， 有意识地获得高的被切削性能。有意识地获得高的被切削性能。 被切削性能：被切削性能： 刀具寿命，切削速度，表面光洁度，切削刀具寿命，切削速度，表面光洁度，切削 阻力和断屑形状。阻力和断屑形状。 易切削钢存在于各类钢中，如碳素钢，低、易切削钢存在于各类钢中，如碳素钢，低、 中合金钢、不锈钢、高速钢、模具钢、耐热中合金钢、不锈钢、高速钢、模具钢、耐热 钢等。钢等。 13 二、用途二、用途 1、适应自动车床的高速切削。、适应自动车床的高速切削。 生产率提高生产率提高1.34倍，成本降低倍，成本降

9、低1412。 2、一些精密仪表零件需要极高的加工表面光、一些精密仪表零件需要极高的加工表面光 洁度。洁度。 3、提高某些钢材的切削性，如不锈钢。、提高某些钢材的切削性，如不锈钢。 三、合金化三、合金化 作用：破坏金属的连续性，切屑易折断，减少作用：破坏金属的连续性，切屑易折断，减少 切削量；降低刀具磨损。切削量；降低刀具磨损。 1、加、加Ca、S生成非金属夹杂物生成非金属夹杂物 2、加、加Pb以单质存在。以单质存在。 14 四、常用易切削钢四、常用易切削钢 1、硫系易切削钢、硫系易切削钢 (1)S含量含量 S的作用：生成的作用：生成MnS，硬度较低，起断屑，硬度较低，起断屑， 减少摩擦作用。减

10、少摩擦作用。 根据对机械性能和切削性能的不同要求，根据对机械性能和切削性能的不同要求， S含量在含量在0.04-0.33%。 15 (2)Mn含量含量 MnS：在：在2.54.5之间。之间。 MnS太低：不利于太低：不利于S以以MnS形式存在。形式存在。 MnS太高：加大太高：加大MnS夹杂的长宽比。夹杂的长宽比。 MnS在钢锭中以球形，纺锤形存在，热轧后沿在钢锭中以球形，纺锤形存在，热轧后沿 轧制方向延伸形成条状或拉长的纺锤状。轧制方向延伸形成条状或拉长的纺锤状。 （宽（宽2-3m，长宽比为，长宽比为6） 16 (3)P含量含量 低碳钢可含低碳钢可含0.05-0.15%P，进一步增加切削性。

11、，进一步增加切削性。 原因：原因：P提高铁素体硬度，使切屑易折断。提高铁素体硬度，使切屑易折断。 (4)缺点缺点 MnS沿压延方向伸长，使纵向，横向机械沿压延方向伸长，使纵向，横向机械 性能差异大。性能差异大。 锻造性降低，易开裂。锻造性降低，易开裂。 17 2、铅系易切削钢、铅系易切削钢 (1)含含0.1-0.25%Pb。 (2)切削性可提高切削性可提高20-50%，机械性能基本不变。，机械性能基本不变。 原因：原因：Pb以球状单质存在。以球状单质存在。 (3)热塑性变形使热塑性变形使Pb颗粒尺寸更细小。（颗粒尺寸更细小。（2m 以下）以下） (4)有比重偏析，有有比重偏析，有Pb蒸汽污染。

12、蒸汽污染。 18 3、钙系易切削钢、钙系易切削钢 (1)含含0.002%Ca，生成复杂夹杂物：，生成复杂夹杂物： 2CaOAl2O3SiO2。 (2)对横向机械性能影响较小，也不影响接触疲对横向机械性能影响较小，也不影响接触疲 劳强度。劳强度。 (3)单独用钙处理，只能在用硬质合金刀具时才单独用钙处理，只能在用硬质合金刀具时才 具有易切削性。具有易切削性。 用钙硫铅、钙硫处理，在用高速钢刀具用钙硫铅、钙硫处理，在用高速钢刀具 时也具有易切削性。时也具有易切削性。 19 3-11 低淬透性钢低淬透性钢 一、低淬透性钢一、低淬透性钢 淬透性比一般碳钢还要低的钢。淬透性比一般碳钢还要低的钢。 二、使

13、用条件二、使用条件 采用感应加热淬火法生产中、小模数齿采用感应加热淬火法生产中、小模数齿 轮，以替代渗碳和氮化工艺。轮，以替代渗碳和氮化工艺。 1、中碳钢感应加热淬火的优点。、中碳钢感应加热淬火的优点。 (1)表面局部加热，零件淬火变形小。表面局部加热，零件淬火变形小。 (2)加热速度快，表面无氧化、脱碳。加热速度快，表面无氧化、脱碳。 (3)表面形成残余压应力，提高疲劳寿命。表面形成残余压应力，提高疲劳寿命。 20 2、不足、不足 中、小模数齿轮在感应加热淬火时，整中、小模数齿轮在感应加热淬火时，整 个齿基本热透，淬火后芯部也产生硬化个齿基本热透，淬火后芯部也产生硬化 ，易发生断齿和崩角，造

14、成零件失效。，易发生断齿和崩角，造成零件失效。 3、解决办法、解决办法 降低钢的淬透性，比一般的碳钢还低。降低钢的淬透性，比一般的碳钢还低。 即使心部加热奥氏体化，也得不到马氏即使心部加热奥氏体化，也得不到马氏 体，只能得到沿着齿轮廓表层的硬化层体，只能得到沿着齿轮廓表层的硬化层 。 21 三、合金化原理三、合金化原理 1、降低增加淬透性的合金元素含量。、降低增加淬透性的合金元素含量。 2、钢中形成大量难溶的碳、氮化物质点，既、钢中形成大量难溶的碳、氮化物质点，既 细化奥氏体，又降低淬透性。细化奥氏体，又降低淬透性。 四、化学成分四、化学成分 1、含碳量为、含碳量为0.50-0.65% 碳含量

15、太低，淬火后硬度偏低，耐磨性不好。碳含量太低，淬火后硬度偏低，耐磨性不好。 碳含量太高，淬火后脆性大，易开裂。碳含量太高，淬火后脆性大，易开裂。 2、严格限制、严格限制Mn、Si、Cr、Ni、Cu等杂质元素等杂质元素 的含量。的含量。 22 3、添加、添加0.04-0.12%Ti。 在钢中形成在钢中形成TiN、TiC，在感应加热时难溶，在感应加热时难溶 于奥氏体，降低淬透性，并细化奥氏体晶于奥氏体，降低淬透性，并细化奥氏体晶 粒。粒。 不能加不能加Nb、V，在细化晶粒的同时会增加，在细化晶粒的同时会增加 淬透性。淬透性。 五、常用钢种五、常用钢种 55Ti：淬透性为：淬透性为J53=1.5-2

16、.0mm， 60Ti：淬透性为：淬透性为J53=2.0-2.6mm。 制作强度要求不高的模数制作强度要求不高的模数5以下的齿轮。以下的齿轮。 70Ti：制作模数：制作模数6-8的齿轮。的齿轮。 23 3-12 高锰钢高锰钢 一、特点一、特点 在高冲击载荷作用下发生冷作硬化，具在高冲击载荷作用下发生冷作硬化，具 有高抗冲击磨损性能的高合金铸钢。有高抗冲击磨损性能的高合金铸钢。 适于制造承受较大冲击负荷的抗磨零部适于制造承受较大冲击负荷的抗磨零部 件，如球磨机的衬板，破碎机的颚板，件，如球磨机的衬板，破碎机的颚板， 挖掘机的斗齿，坦克的履带板。挖掘机的斗齿，坦克的履带板。 24 球磨机球磨机 挖掘

17、机挖掘机 颚式破碎机颚式破碎机 25 铁路道岔铁路道岔 履带履带 球磨机衬板球磨机衬板 挖挖 掘掘 机机 铲铲 齿齿 26 二、性能二、性能 1、固溶处理后为单相奥氏体。软、冲击韧性高。、固溶处理后为单相奥氏体。软、冲击韧性高。 HB180-220；k150J/cm2。 2、表面应力超过屈服强度时会产生加工硬化，形、表面应力超过屈服强度时会产生加工硬化，形 成马氏体。硬度提高到成马氏体。硬度提高到HB450-500，耐磨性提，耐磨性提 高，内部仍保持原来软而韧的状态。高，内部仍保持原来软而韧的状态。 3、如表面不受强烈冲击，不易产生加工硬化而不、如表面不受强烈冲击，不易产生加工硬化而不 耐磨。

18、耐磨。 27 三、合金化三、合金化 1、碳：、碳：0.9-1.4%C 过低：加工硬化后达不到要求的硬度。过低：加工硬化后达不到要求的硬度。 过高：固溶时碳化物难完全溶解，降低冲击过高：固溶时碳化物难完全溶解，降低冲击 韧性和耐磨性。韧性和耐磨性。 2、锰：、锰：1114% 过低：不能形成单相奥氏体。过低：不能形成单相奥氏体。 过高：产生粗大柱状晶，易形成裂纹。过高：产生粗大柱状晶，易形成裂纹。 28 3、Cr，Mo，V：形成细小的碳化物，提高强：形成细小的碳化物，提高强 度、冲击韧性和耐磨性。度、冲击韧性和耐磨性。 4、稀土、稀土 (1)改善铸造性改善铸造性,降低热裂倾向。降低热裂倾向。 高锰

19、钢收缩率大，导热性差，因而热裂倾高锰钢收缩率大，导热性差，因而热裂倾 向大。（收缩率：向大。（收缩率：2.4-3%；导热性：；导热性： 400以下为以下为ZG25的的50%） (2)延缓碳化物析出，增加冷作硬化效果。延缓碳化物析出，增加冷作硬化效果。 29 四、热处理四、热处理 1、水韧处理、水韧处理 目的：得到硬度低、韧性好的单相奥氏体组织。目的：得到硬度低、韧性好的单相奥氏体组织。 工艺：加热：工艺：加热：10501100。 使碳化物充分溶入奥氏体，同时晶粒不过分使碳化物充分溶入奥氏体，同时晶粒不过分 粗大。粗大。 冷却：水冷。冷却：水冷。 入水温度入水温度950，不析出碳化物。，不析出碳

20、化物。 30 高锰钢水韧淬火组织 ( 化染 ) 58 31 2、细化晶粒处理、细化晶粒处理 高锰钢的铸态组织为粗大奥氏体和碳化物高锰钢的铸态组织为粗大奥氏体和碳化物 ，水韧处理时只发生碳化物溶解，基本未发，水韧处理时只发生碳化物溶解，基本未发 生奥氏体转变，因而奥氏体晶粒度未改变。生奥氏体转变，因而奥氏体晶粒度未改变。 工艺：先在工艺：先在500-600加热加热10-30h，发生共，发生共 析转变，再进行水韧处理，能得到细小的奥析转变，再进行水韧处理，能得到细小的奥 氏体晶粒。氏体晶粒。 32 五、常用高锰钢五、常用高锰钢 1、 ZGMn13 2、ZGMn13Re 3、ZGMn6Cr2Re 奥

21、氏体稳定性较低，冷作硬化能力强，可奥氏体稳定性较低，冷作硬化能力强，可 在受冲击力条件下使用。在受冲击力条件下使用。 33 小结：小结： 调质钢：调质钢： 1、使用：采用调质热处理工艺，制作机械零件。、使用：采用调质热处理工艺，制作机械零件。 2、性能：良好的综合机械性能。、性能：良好的综合机械性能。 3、组织：回火索氏体。、组织：回火索氏体。 4、热处理：淬火、热处理：淬火+高温回火。高温回火。 5、碳含量：、碳含量：0.3-0.5%。 6、合金元素及其作用。、合金元素及其作用。 34 (1)提高淬透性：提高淬透性：Mn，Mo，Cr，B； Si，Ni，W，V。 (2)提高回火稳定性：提高回火

22、稳定性：Cr，Mo，W，V。 (3)细化奥氏体：细化奥氏体：V、Nb。 (4)防止高温回火脆性：防止高温回火脆性：Mo，W。 (5)固溶强化铁素体：固溶强化铁素体：Si、Mn。 氮化钢：增加：氮化工艺性能要求。氮化钢：增加：氮化工艺性能要求。 弹簧钢：固溶强化铁素体改为提高弹性极限。弹簧钢：固溶强化铁素体改为提高弹性极限。 35 非调质钢：非调质钢： 1、使用：替代调质钢，制作机械零件。、使用：替代调质钢，制作机械零件。 2、性能：达到或接近调质钢的力学性能。、性能：达到或接近调质钢的力学性能。 3、组织：铁素体、组织：铁素体+珠光体。珠光体。 4、热处理：控制轧制（控锻）、热处理：控制轧制（

23、控锻）+控制冷却。控制冷却。 5、碳含量：、碳含量：0.3-0.5%。 6、合金元素及其作用。、合金元素及其作用。 36 低碳马氏体钢：低碳马氏体钢： (1)前三条相同，注意是低温回火的稳定性。前三条相同，注意是低温回火的稳定性。 (2)增加：降低增加：降低Ms点，防止自回火。点，防止自回火。 渗碳钢：渗碳钢： (1)前三条相同，注意是低温回火的稳定性，同前三条相同，注意是低温回火的稳定性，同 时可加时可加Ti细化奥氏体。细化奥氏体。 (2)增加：渗碳工艺性能要求。增加：渗碳工艺性能要求。 37 低淬透性钢：低淬透性钢： 1、使用：采用感应加热淬火法生产中、小模数、使用：采用感应加热淬火法生产中、小模数 齿轮，替代渗碳或氮化工艺。齿轮，替代渗碳或氮化工艺。 2、性能：表面耐磨、耐疲劳；心部强韧性较好。、性能：表面耐磨、耐疲劳；心部强韧性较好。 3、组织：表面高碳回火马氏体；心部珠光体。、组织：表面高碳回火马氏体；心部珠光体。 4、热处理：正火，表面感应淬火、热处理：正火，表面感应淬火+低温回火。低温回火。 5、碳含量：、碳含量：0.55-0.65%。 6、合金元素及其作用。、合金元素及其作用。 38 (1)淬透性比碳钢低。淬透性比