第三章机械制造用结构钢(二)

1、第六节第六节 轴承钢轴承钢 第七节第七节 渗碳钢和氮化钢渗碳钢和氮化钢 第八节第八节 其他机械制造结构其他机械制造结构 钢钢 l一、概述 l滚动轴承是一切传动机械中不可缺 少的重要零件。轴承钢主要用来制制 造滚动轴承的滚动体和套圈造滚动轴承的滚动体和套圈。 l滚动轴承的受力状况 ：承受着各类 高的交变应力，如拉力、压缩、剪 切应力以及摩擦力。 l导致滚动轴承失效的原因分析： l1、切应力以及由此产生的局部塑性 变形是引起疲劳裂纹发生的重要条件。 l2、材料内部的组织缺陷（如夹杂物） 以及组织变化则是导致发生疲劳裂纹 的内因。 l因此，在提高轴承钢质量方面，最主 要的是提高轴承钢的接触疲劳寿命。

2、 l轴承破坏的主要形式： l1、接触疲劳破坏。 l2、由相对滑动引起的磨损破坏。 l二、对轴承钢性能的要求二、对轴承钢性能的要求 l1、具有高的接触疲劳强度和抗压强度； l2、轴承钢经热处理后，一般硬度要求为 HRC 6165）； l3、高的弹性极限； l4、一定的韧性； l5、良好的尺寸稳定性； l6、一定的抗腐蚀性能； l7、良好的工艺性能，如冷、热成型性能、 切削性能、磨削性能、热处理工艺性能等。 l三、对轴承钢原始组织的要求三、对轴承钢原始组织的要求 l1、纯净度，指钢中杂质元素和夹 杂物含量要少； l2、组织均匀，指钢中非金属夹杂 物和碳化物应当细小分散和分布均 匀 。 l四、轴承钢

3、中的夹杂物四、轴承钢中的夹杂物 l1、根据化学成分可分为： l（1）简单氧化物，如 Al2O3、SiO2等； l（2）复杂氧化物，包括尖晶石和钙的铝酸 盐，尖晶石； l（3）硅酸盐和硅酸盐玻璃，其成分复杂； l（4）硫化物，如MnS、（Mn，Fe）S、 CaS等； l（5）氮化物，如AlN等。 l根据热变形能力，可分为以下三类： l（1）脆性夹杂物，如刚玉（A12O3）、尖 晶石，沿轧制方向排列呈点链状分布； l（2）塑性夹杂物，在热变形过程中有良好 的塑性，沿轧向呈连续条状分布，属这类 的有MnS和铁锰硅酸盐； l（3）球状不变形夹杂物，主要是钙的铝酸 盐。 l理想的情况应该是夹杂物细、少、

4、塑性好、理想的情况应该是夹杂物细、少、塑性好、 呈细条状均匀分布。呈细条状均匀分布。 l五、轴承钢的合金化特点五、轴承钢的合金化特点 l1、高碳 l为了保证轴承钢的高硬度、高耐磨性和 高强度，碳质量分数应较高，一般为 0.950.951.101.10。 l2、铬为基本合金元素 铬含量为0.400.401.651.65。铬能提高淬透 性，并与基体金属形成合金渗碳体（Fe， Cr）3C，呈细密、均匀分布，从而提高钢 的耐磨性，特别是疲劳强度。 l3、加入硅、锰、钒等 lSi、Mn进一步提高淬透性，便于制 造大型轴承。 lV部分溶于奥氏体中，部分形成碳化 物VC，提高钢的耐磨性并防止过热。 l六、典

5、型钢种和牌号六、典型钢种和牌号 l1、铬轴承钢 l最常用的是GCr15GCr15。使用量占轴承钢的 绝大部分。除制造轴承外也常用来制造 冷冲模、量具、丝锥等。 l2、添加 Mn、Si、Mo、V的轴承钢 l在铬轴承钢中加入 Si、Mn可提高淬透 性，例如， GCrl5SiMn、 GCr15SiMnMoV等。 l （一）轴承钢的球化退火 l球化退火前的原始组织应为细片状珠光体。 球化退火的目的在于： l1、降低硬度便于切削加工； l2、获得均匀分布的细粒状珠光体细粒状珠光体，为淬 火作好组织上的准备； l3、消除加工硬化，增加塑性，便于冷拔 和冲压加工。 l（二）轴承钢的淬火和回火 l淬火：轴承钢

6、的淬火加热应获得细小的 奥氏体晶粒，快冷之后得到隐晶马氏体 加上均匀分布的细粒碳化物及少量残留 奥氏体 。 lGCr15钢AC1 为735765，840左 右淬火能得到最高的硬度、弯曲疲劳强 度和冲击韧性。 l冷处理 ：精密轴承为保证尺寸稳定，常采 用冷处理的方法消除残余奥氏体。冷处理 温度为：-40 -70。 l回火：回火温度为150170，回火时 间大于2.5小时 。 GCr15钢回火后的组 织为在隐晶回火马氏体基体上均匀分布着隐晶回火马氏体基体上均匀分布着 细小的碳化物颗粒细小的碳化物颗粒，硬度为HRC6165。 l轴承在磨削加工后要进行回火，生产上称 之谓低温时效处理（附加回火）。即

7、130150加热，保温36小时。 l综上所述，轴承钢的热处理主要过程为： l球化退火淬火冷处理低温回火 低温时效处理 一、渗碳钢 l1、概述 l有不少机器零件（汽车、拖拉机中的变 速齿轮，内燃机上的凸轮轴、活塞销等） 的机械性能要求表面具有优异的耐磨性 和接触疲劳抗力，同时心部具有高的韧 性和足够高的强度。 l利用低碳结构钢进行渗碳，使零件从表面 到中心具有从高碳（0.81.lC）到低 碳（0.100.25C）连续过渡的化学 成分。渗碳层深度为0.62.0mm。 l渗碳之后淬火，得到从表面到中心的不同 组织，例如形成高碳马氏体+低碳马氏体 十珠光体十铁素体的金相组织。 l2、渗碳钢的合金化特点

8、 l（1）碳质量分数一般在0.100.100.250.25 之间，以保证零件心部有足够的塑性和韧 性。 l（2）加入提高淬透性的合金元素，常加 入 CrCr、NiNi、MnMn等，以提高经热处理后 心部的强度和韧性。Cr还能细化碳化物、 提高渗碳层的耐磨性，Ni则对渗碳层和 心部的韧性非常有利。 l（3）加入阻碍奥氏体晶粒长大的元 素，主要加入少量强碳化物形成元 素TiTi、V V、WW、MoMo等，形成稳定的 合金碳化物。除了能阻止渗碳时奥 氏体晶粒长大外，还能增加渗碳层 硬度，提高耐磨性。 l3、典型钢种及牌号 l（1）低淬透性合金渗碳钢 典型钢种为20Cr。适用于制造受冲击载荷较小的 耐

9、磨件，如小轴、活塞销、小齿轮等。 l（2）中淬透性合金渗碳钢 典型钢种是20CrMnTi20CrMnTi。用于制造承受高速中载、 要求抗冲击和耐磨损的零件，特别是汽车、拖拉机 上的重要零件。 l（3）高淬透性合金渗碳钢 典型钢种为18Cr2Ni4WA18Cr2Ni4WA和20Cr2Ni4A。这类钢 具有很好的韧性，特别是低温冲击韧性。用于制造 大截面、高载荷的重要耐磨件。 l4、热处理和组织性能 l渗碳后直接淬火+低温回火。 热处理后，表面渗 碳层的组织由合金渗碳体与回火马氏体及少量残 余奥氏体组成，硬度为6062HRC。 l二、氮化钢 l1、概述： l机械零件经表面氮化处理后，可显著提高 其

10、疲劳强度和耐磨性，还具有抗水、油等 介质腐蚀的能力。氮化层在较高温度下仍 能保持其硬度。 l零件在氮化前，要经过调质热处理，得到 稳定的回火索氏体组织，保证使用过程中 尺寸稳定。 l氮化温度低，零件变形小。常用的氮化温 度为510510570570，表面形成相（Fe4N） 和相（Fe3-2N）。 l2、氮化钢的合金化特点 l（1）如果要求表面硬度不超过HV900， 可采用铬、钼、钨钢种；如果表面硬度需 要在HV900以上，需要采用含强氮化物 形成元素铝的钢种。 l（2）铬、钼、锰可使钢获得足够的淬透 性。 l（3）钼及钒能使钢在500580之间长 时间保温时保持强度。为了防止或减轻钢 发生回火

11、脆化，往往须要在氮化钢中加入 0.20.5钼。 l 3、氮化处理提高零件疲劳强度和耐磨性 的原因 l（1 1）在表面形成高硬度的）在表面形成高硬度的-（FeFe4 4N N） 和和-（FeFe3-2 3-2N N）层； ）层； l（2 2）渗入的氮原子与氮化物形成元素形）渗入的氮原子与氮化物形成元素形 成弥散的合金氮化物，提高表面氮化层的成弥散的合金氮化物，提高表面氮化层的 强度和硬度。强度和硬度。 l（3 3）表面渗入氮原子后体积膨胀，因而）表面渗入氮原子后体积膨胀，因而 在表面产生了残留压应力，能抵消外力作在表面产生了残留压应力，能抵消外力作 用产生的张应力，减少表面疲劳裂纹的产用产生的张

12、应力，减少表面疲劳裂纹的产 生。生。 l4、氮化钢典型牌号 常用氮化钢是38CrMoAl38CrMoAl。经调质 和表面氮化处理后，钢表面可获得最 高氮化层硬度，达到HV9001000 （HRC65HV800）。 l一、弹簧钢 l1、用途：合金弹簧钢主要用于制造各种弹 簧和弹性元件。 l2、性能要求： l（1）高弹性极限e及其高的屈强比Sb。 l（2）高的疲劳强度r。 l（3）足够的塑性和韧性，以免受冲击时脆 断。 l（4）较好的淬透性，不易脱碳和过热，容 易绕卷成型等。 l3、弹簧钢的合金化特点： l（1）中、高碳。 一般为0.500.500.700.70。碳质量分数过 低，强度不足。碳质量

13、分数过高时，塑性、 韧性降低，疲劳抗力也下降。 l（2）加入以SiSi、MnMn为主的提高淬透性的 元素。 lSiSi和和MnMn的作用主要是提高淬透性，同时也的作用主要是提高淬透性，同时也 提高了屈强比提高了屈强比，而以，而以SiSi的作用最突出，但的作用最突出，但 SiSi在加热时促进表面脱碳，在加热时促进表面脱碳，MnMn则使钢易于则使钢易于 过热。过热。重要用途的合金弹簧钢必须加入重要用途的合金弹簧钢必须加入CrCr、 V V、W W等元素等元素。 l4、钢种和牌号 l合金弹簧钢大致分两类。 l（1）以Si、Mn为主要合金元素的合金弹 簧钢代表性钢种有65Mn65Mn和和60Si2Mn

14、60Si2Mn等 l这类钢的价格便宜，淬透性明显优于碳素 弹簧钢。这类钢主要用于汽车、拖拉机上 的板簧和螺旋弹簧。 l（2）含Cr、V、W等元素的合金弹簧钢， 典型钢种为50CrVA50CrVA。 l这类钢可制作在 350400温度下承 受重载的较大弹簧，如阀门弹簧、高速柴 油机的汽门弹簧等。 l5、加工、热处理与性能 l热成型弹簧用热轧钢丝或钢板制成，然 后淬火淬火+ +中温（中温（450450550550）回火）回火， 获得回火屈氏体回火屈氏体组织。一般用来制作为 较大型的弹簧。 l为了提高弹簧的疲劳寿命，广泛采用喷 丸强化处理。 l二、易削钢 l在钢中附加某一种或某几种元素，使它 成为容

15、易被切削加工的钢，这类钢称为 易削钢。常用的附加元素有硫、铅、钙、 磷等。 l硫的作用（0.080.30%）： 硫在钢中与锰和铁可形成硫在钢中与锰和铁可形成（MnMn，FeFe）S S夹夹 杂物，能起减摩作用，降低切屑与刀具杂物，能起减摩作用，降低切屑与刀具 之间的摩擦系数，并使切屑不粘附在刀之间的摩擦系数，并使切屑不粘附在刀 刃上。刃上。 l铅的作用（0.150.25%）： 铅在钢中铅在钢中孤立地呈细小颗粒孤立地呈细小颗粒（约（约3m3m） 均匀分布时，能改善切削加工性。与硫均匀分布时，能改善切削加工性。与硫 易切钢相比，铅易切钢可得到较高的机易切钢相比，铅易切钢可得到较高的机 械性能。械性

16、能。 l钙的作用（0.0010.0010.005%0.005%） ： 微量的钙能改善钢在高速切削下的切削微量的钙能改善钢在高速切削下的切削 加工性。加工性。 l钢号及表示方法：例如，Y40CrSCa表 示硫钙复合的易切 40Cr合金调质钢。 l三、耐磨钢 l1、用途及性能要求 l耐磨钢主要用于运转过程中承受严重磨损 和强烈冲击的零件，如车辆履带、挖掘机 铲斗、破碎机颚板和铁轨分道叉等。对耐 磨钢的主要要求是有很高的耐磨性和韧性主要要求是有很高的耐磨性和韧性。 l2、典型钢种 l高锰钢由于机械加工困难，故基本上是铸 态下使用。典型牌号为ZGMn13ZGMn13及 ZGMn13Re。 l3、合金化特点 l（1）高碳：保证钢的耐磨性和强度。其碳 质量分数不超过1.41.4。 l（2）高锰：锰是扩大相区的元素，它和 碳配合，保证室温下完全获得奥氏体组织， 提高钢的加工硬化率及良好的韧性。锰质 量分数为1114。 l（3）一定量的硅：硅可改善钢水的流动性， 并起固溶强化的作用。其质量分数为0.3 0.8。 l4、热处理特点 高锰钢采用水韧处理水韧处理。即将钢加热到 10001100保温，使碳化物全部溶解， 然后在水中快冷，在室温下获得均匀单一 的奥氏体组织。此时钢的硬度很低（约为 210HB），而韧性很高。当工件在工作中 受到强烈冲击或强大压力而变形时，表面 层产生强烈的加工硬化