第三章 机器零件用钢

1、第三章 机器零件用钢 工程材料学 n 机器零件用钢是指用于制造各种机器零 件所用的钢种，如各种轴类零件、齿轮、弹 簧和轴承等。机器零件在工作时承受拉伸、 压缩、剪切、扭转、冲击、震动、摩擦等力 的作用，或几种力同时作用，零件的截面上 产生拉、压、弯、抵、切等应力。 工程材料学 3.1 机器零件用钢的性能要求 3.1 机械零件用钢的性能要求 一、力学性能要求 较高的疲 劳强度 较高的断 裂抗力 较高的耐 磨性 低的缺口 敏感性 机器零件承载着反复同向或交变 的载荷作用 机器零件承载着短时超负荷作用， 强度要求高 机器零件相互间存在相互滑动或 滚动 机器零件形状复杂，存在台阶、 键槽、油孔 工程材

2、料学 通常机器零件的生产工艺是：型材改锻 毛坯热处理切削加工最终热处理磨削 等。其中以切削加工性能和热处理工艺性能为 机器零件用钢的主要工艺性能。但对钢材的其 他工艺性能(如冶炼性能、浇注性能、可锻性 能等)也有一定的要求。 二、工艺性能要求 工程材料学 按用途 C的质量分数 回火温度 三、机器零件用钢 的分类 调质钢、弹簧钢、 渗碳钢、轴承钢 低碳钢、中碳钢、高碳钢 C0.2、0.40.6、1.0 低温回火钢、中温回火钢、 高温回火钢 3.1 机械零件用钢的分类 工程材料学 3.2 调质钢 b(MPa)0.2(MPa)(%)(%)k(J/cm2)Tk() 800-1100700-10009-

3、1545-5560-120-40 通常将经过淬火和高温回火(即调质处理)处理而使 用的结构钢称为调质钢。调质处理后的组织为回火索 氏体组织。调质钢是应用最广的机器零件用钢，约占 机械行业中机器零件用钢的30。近来有很多调质钢 采用等温淬火处理，获得优良的机械性能。此外，根 据不同的技术要求，还可施以正火、表面淬火+低温 回火和化学热处理等处理工艺。 3.2 调质钢 工程材料学 许多机器设备上的重要零件如机床主 轴、汽车拖拉机的后桥半轴、柴油发电机曲 轴、连杆、高强度螺栓等，都是在多种应力 负荷作用下工作的，受力情况比较复杂。对 调质钢的性能提出如下要求：高的屈服强度 和疲劳极限、良好的冲击韧性

4、和塑性、轴的 表面和局部要有一定的耐磨性、以及断裂韧 性和疲劳性能。 一、调质钢的工作条件及性能要求 工程材料学 曲轴曲轴 引擎的主要旋转机件，装上连杆 后， 可承接连杆的上下(往复)运动变成循 环(旋转)运动 3.2 调质钢 工程材料学 二、调质钢的组织特点 调质钢具有良好的综合力学性能的原因与其在使用 状态下组织为中碳回火索氏体有关。具有以下特点： (1)强化相为弥散均匀分布的粒状碳化物，可以保 证有较高的塑变抗力和疲劳强度。 (2)组织均匀性好，减少了裂纹在局部薄弱地区形 成的可能性，可以保证有良好的塑性和韧性。 (3)作为基体组织的铁素体是从淬火马氏体转变而 成的，其晶粒细小，使钢的冷

5、脆倾向性大大减小。 3.2 调质钢 工程材料学 二、调质钢的化学成分 调质钢在化学成分上的主要特点是中碳 (w(C)=0.30.5)，合金元素有Mn、Cr、Si、 Ni及B等。这些元素单独加入或复合加入可以提高 钢的淬透性，并保证机械零件整体具有良好综合力 学性能。 3.2 调质钢 车床主轴车床主轴 工程材料学 辅加元素有Mo、W、V、Ti等碳化物形成 元素，它们一般不单独加入，而是加在含有 主加元素的钢中，且含量较少。主要作用是 细化晶粒、提高回火稳定性和钢的强韧性。 调质钢的回火温度正好处于第二类回火脆的 温度范围，加入W、Mo元素可以抑制回火脆 性。调质钢一般用以制作大的结构件，所以 淬

6、透性至关重要。 3.2 调质钢 工程材料学 四、调质钢的热处理 3.2 调质钢 1. 预备热处理 改善切削加工性以及改善因轧、锻 不适当而造成的晶粒粗大和带状组织 对于合金元素含量较低的调质钢可进 行正火或退火处理。 对于合金元素含量较高的调质钢，因 正火后可得到马氏体组织，尚需正火后 再在Ac1以下温度进行高温回火，使其 组织转变为粒状珠光体，降低硬度，便 于切削加工。 2. 最终热处理 粒状珠光体 层片状珠光体 工程材料学 3.2 调质钢 1. 预备热处理 2. 最终热处理 调质钢的最终热处理是淬火加高温回火。 调质钢的最终性能取决于回火温度的选择。当要 求高塑性、高韧性及一定的强度时，采

7、用500-600 回火，即调质处理，获得回火索氏体组织。如零件还 要求表面有良好耐磨性时，则再进行表面淬火或化学 热处理如氮化处理。 当零件要求较高的强度和适当的塑性和韧性时， 采用200-250回火，以获得回火马氏体组织，或采 用450左右回火，以获得屈氏体组织。 工程材料学 在小能量多次冲击条件下工作的零件，即 高周疲劳时，应适当降低回火温度，以发挥材 料的强度潜力；只有对于大能量冲击条件下的 零件即低周疲劳时才适宜采用较高的回火温度， 以保证有足够的塑性和韧性。 3.2 调质钢 工程材料学 五、常用调质钢 3.2 调质钢 低淬透性调质钢 如40、45淬火临界直径为8-17 mm，而45M

8、nV、40Cr、 38CrSi、40CrV、40MnVB钢等油淬临界淬火直径为30-40 mm； 中淬透性调质钢 油淬临界淬火直径为40-60 mm，如40CrMn、40CrNi、 35CrMo、30CrMnSi等钢； 高淬透性调质钢 油淬临界淬火直径大于60-100 mm，如40CrNiMo、 40CrMnMo、25Cr2Ni4WA钢等 。 工程材料学 类别牌号 化学成分 w/%热处理力学性能 用途举例 CSiMnCr其他 淬火 温度 / 回火 温度 / b /MPa S /MPa 5 /% /% Ak /J 不小于 低淬 透性 40Cr 0.37 0.44 0.17 0.37 0.50 0

9、.80 0.80 1.10 850 油 520 水、油 98078594547 重要的齿轮、轴、曲轴、套筒、连杆 40Mn2 0.37 0.44 0.17 0.37 1.40 1.80 840 油 540 水、油 885735124555 轴、半轴、涡杆、连杆等 40MnB 0.37 0.44 0.17 0.37 1.10 1.40 B：0.0005 0.0035 850 油 500 水、油 980785104547 可代替40Cr作小截面重要零件，如汽车转向节、半轴、涡杆、花键轴 40MnVB 0.37 0.44 0.17 0.37 1.10 1.40 B：0.0005 0.0035 V：

10、0.050.10 850 油 520 水、油 980785104547 可代替40Cr作柴油机缸头螺栓、机床齿轮、花键轴等 中淬 透性 35CrMo 0.32 0.40 0.17 0.37 0.40 0.70 0.80 1.10 Mo： 0.150.25 850 油 550 水、油 980835124563 用作截面不大而要求力学性能高的重要零件，如主轴、曲轴、锤杆等 30CrMnSi 0.27 0.34 0.90 1.20 0.801. 10 0.80 1.10 880 油 520 水、油 1080 885104539 用作截面不大而要求力学性能高的重要零件，如齿轮、轴、轴套等 40CrNi

11、 0.37 0.44 0.17 0.37 0.50 0.80 0.45 0.75 Ni： 1.001.40 820 油 500 水、油 980785104555 用作截面较大、要求力学性能较高的零件，如轴、连杆、齿轮轴等 38CrMoAl 0.35 0.42 0.20 0.45 0.30 0.60 1.35 1.65 Mo： 0.150.25 Al： 0.701.10 940 水、油 640 水、油 980835145071 氮化零件专用钢，用作磨床、自动车床主轴、精密丝杠、精密齿轮等 高淬 透性 40CrMnMo 0.37 0.45 0.17 0.37 0.90 1.20 0.90 1.20

12、 Mo： 0.200.30 850 油 6000 水、油 980785104563 截面较大，要求强度高、韧性好的重要零件，如汽轮机轴、曲轴等 40CrNiMo 0.37 0.44 0.17 0.37 0.50 0.80 0.60 0.90 Mo： 0.150.25 Ni： 1.251.65 850 油 600 水、油 980835124578 截面较大，要求强度高、韧性好的重要零件，如汽轮机轴、叶片曲轴等 25Cr2Ni4W A 0.21 0.28 0.17 0.37 0.30 0.60 1.35 1.65 W： 0.801.20 Ni： 4.004.50 850 油 550 水、油 108

13、0 930114571 200mm以下，要求淬透的大截面重要零件 注：试样尺寸25mm；38CrMoAl钢试样尺寸为30mm。 常用合金调质钢的牌号、化学程分、热处理、力学性能及用途（摘自GB/T 3077-1999） 3.2 调质钢 工程材料学 调质钢调质钢调质后使用的钢种。调质后使用的钢种。 1 1、成分特点、成分特点 中碳中碳(0.3-0.5%C)(0.3-0.5%C)，合金元素作用为：，合金元素作用为： 提高淬透性：提高淬透性：MnMn、SiSi、CrCr、NiNi、B B 强化铁素体：强化铁素体：MnMn、SiSi、CrCr、NiNi 细化晶粒：细化晶粒：TiTi、V V 防止第二类

14、回火脆性：防止第二类回火脆性：W W、Mo Mo 2 2、性能：良好的综合力学性能。、性能：良好的综合力学性能。 3 3、常用钢号及用途、常用钢号及用途 常用钢号为常用钢号为4545、40Cr40Cr、40CrNi40CrNi。 用于制造较小的齿轮、轴、螺栓等用于制造较小的齿轮、轴、螺栓等 零件。制造大截面重载荷零件，如零件。制造大截面重载荷零件，如 曲轴等用高淬透性的曲轴等用高淬透性的40CrNiMo40CrNiMo等等 。 3.2 调质钢-小结 柴油机凸轮轴柴油机凸轮轴 工程材料学 3.3 弹簧钢 在机械产品中，弹簧是重要的基础零部件之一， 在各种机械产品中都少不了各种各样的弹簧，按其 使

15、用场合和结构外形的不同，可分为板弹簧和螺旋 弹簧两大类。用以制造弹簧或制造类似弹簧性能的 零件的钢种称为弹簧钢。 弹簧在外力作用下发生弹性变形以吸收能量；外 力去除后，弹性变形又恢复放出能量，从而保证弹 簧本身不受损害。可见，弹簧也是在交变载荷下工 作，其破坏形式是疲劳断裂和由于塑性变形而失去 弹簧作用。 3.3 弹簧钢 工程材料学 工程材料学 根据以上工作要求，弹簧应具有如下性能： (1)高的弹性极限、屈服极限和高的屈强比，以 保证弹簧有足够高的弹性变形能力，并能承受大的 载荷。 (2)高的疲劳极限，以保证弹簧在长期的振动和 交变应力作用下不产生疲劳破坏。 (3)为了满足成型的需要和可能承受

16、的冲击载荷， 弹簧应具有一定的塑性和韧性。k20即可，而 对ak不做明确要求。 一、弹簧的工作条件与性能要求 3.3 弹簧钢 工程材料学 弹簧的性能以强度要求为主，由此便决定了弹簧 钢在化学成分和热处理工艺上有如下特点： (1)弹簧钢的化学成分： 弹簧钢中的碳质量分数较大，以保证高的弹性 极限与疲劳极限。一般碳素弹簧钢的w(c)=0.8-0.9， 合金弹簧钢的w(C)=0.5-0.7。 3.3 弹簧钢 二、弹簧钢的特点和常用钢种 工程材料学 加入Si、Mn。Si和Mn是弹簧钢中经常应用的合金 元素，目的是提高淬透性、强化铁素体(Si、Mn固溶强 化效果最好)、提高钢的回火稳定性，使其在相同回火

17、 温度下具有较高的硬度和强度。其中Si的作用最大， 但Si的质量分数大时有石墨化倾向，且在加热时使钢 易于脱碳。Mn能增加钢过热敏感性，也应加以注意。 加入Cr、W、V。为了克服硅锰钢的不足，加入碳 化物形成元素，它们可以防止钢的过热和脱碳，提高 淬透性(主要是Cr)，W、V可细化晶粒，并保证钢在高 温下仍具有较高的弹性极限和屈服极限。 3.3 弹簧钢 工程材料学 (2)最终热处理采用淬火加中温回火，回火温度一般 在350450，为回火屈氏体组织，其目的是为了 追求高的弹性极限和疲劳极限。 (3)要求有较高的冶金质量，以防钢中夹杂物引起应 力集中而成为疲劳裂纹源，故指标中规定弹簧钢为优 质钢。

18、 (4)对钢材表面质量有严格要求，防止表面有脱碳、 裂纹、折叠、斑疤、气泡、夹杂和压入的氧化皮等引 起应力集中，降低钢的疲劳极限。 3.3 弹簧钢 工程材料学 对于小型弹簧，如丝径小于8mm以下的螺旋弹 簧或弹簧钢带等，可以在热处理强化或冷变形强化 后成型，即用冷拔钢丝冷卷成型。冷拔钢丝具有高 的强度，这是利用冷拔变形使钢产生加工硬化而获 得的。冷拔弹簧钢丝按其强化工艺不同可分为三种 情况： 三、弹簧钢的热处理 1冷成型弹簧的热处理 3.3 弹簧钢 工程材料学 (1)铅浴等温淬火冷拔钢丝。即将盘条先冷拔到一 定尺寸，再加热到Ac3+80-100奥氏体化后，在450- 550铅浴中等温以得到细片

19、状珠光体组织，然后多次 冷拔至所需要直径。通过调整钢中含碳量和冷拔形变 量(形变量可高达85-90)，以得到高强度和一定塑性 的弹簧钢丝。这种铅淬拔丝处理实质上是一种形变热 处理，即珠光体相变后形变，可使钢丝强度达到3000 MPa左右。 3.3 弹簧钢 工程材料学 (2)冷拔钢丝。这种钢丝主要是通过冷拔变 形而得到强化，但与铅淬冷拔钢丝不同，它是通过 在冷拔工序中间加入一道约680中间退火而改善 塑性，使钢丝得以继续冷拔到所需最终尺寸，其强 度比铅淬冷拔钢丝强度低。 (3)淬火回火钢丝：这种钢丝是在冷拔到最 终尺寸后，再经淬火加中温回火强化，最后冷卷成 型的。此种强化方式的缺点是工艺较复杂，

20、而强度 比铅淬冷拔钢丝低。 3.3 弹簧钢 工程材料学 经上述三种方式强化的钢丝在冷卷成型 后必加一道低温回火工艺，其回火温度为 250-3001h。低温回火的目的是消除应 力、稳定尺寸，并提高弹性极限。实践中发 现已经过强化处理的钢丝在冷卷成型后弹性 极限往往并不高，这是因为冷卷成型将使易 动位错数量增多，且由于包申格效应引起起 始塑变抗力降低。因此在冷卷成型后必须进 行一次低温回火，以造成多边化过程，提高 弹性极限。 3.3 弹簧钢 工程材料学 热成型弹簧一般是将淬火加热与热成型结合起 来，即加热温度略高于淬火温度，加热后进行热卷 成型，然后利用余热淬火，最后进行350-450的 中温回火

21、，从而获得回火屈氏体组织。这是一种形 变热处理工艺，可有效地提高弹簧的弹性极限和疲 劳寿命。 一般汽车上大型板弹簧均采用此方法。对于中 型螺旋弹簧也可以在冷态下成型，而后进行淬火和 回火处理。 2.热成型弹簧的热处理 工程材料学 类 别 牌号 化学成分 w/%热处理力学性能 用途举例 CSiMnCr NiCuPS 其他 淬火 温度 / 回火 温度 / S /MP a b /MP a 5 /% 10 /% /J 不小于不小于 硅 锰 系 55Si2Mn 0.52 0.60 1.50 2.00 0.60 0.90 0.35 0.35 0.25 0.035 0.035 870 油 480 11771

22、275630 有较好的淬透性，较高的弹性极限、 屈服点和疲劳极限，广泛用于汽车、 拖拉机、铁道车辆的弹簧、卷止回阀 和安全弹簧，并可作250以下使用的 耐热弹簧 55Si2MnB 0.52 0.60 1.50 2.00 0.60 0.90 0.35 0.35 0.25 0.035 0.035 B： 0.0050.004 870 油 480 11771275630 60Si2Mn 0.56 0.64 1.50 2.00 0.60 0.90 0.35 0.35 0.25 0.035 0.035 V：0.080.16 B：0.0005 0.0035 870 油 480 11771275525 55S

23、iMnV B 0.52 0.60 0.70 1.00 1.00 1.30 0.35 0.35 0.25 0.035 0.035 860 油 460 12261373530 硅 铬 系 60Si2CrA 0.56 0.64 1.40 1.80 0.40 0.70 0.70 1.00 0.35 0.25 0.030 0.030 V：0.100.20 870 油 420 15691765 620 用作承受重载荷和重要的大型螺旋弹 簧和板簧，如汽轮机汽封弹簧、调节 阀和冷凝器弹簧等，并可作300以下 的耐热弹簧 60Si2CrV A 0.56 0.64 1.40 1.80 0.40 0.70 0.90

24、 1.20 0.35 0.25 0.030 0.030 850 油 410 16671863 620 铬 锰 系 55CrMnA 0.52 0.60 0.17 0.37 0.65 0.95 0.65 0.95 0.35 0.25 0.030 0.030 830860 油 460- 510 r0.2 1079 1226 920 用作载荷较重、应力较大的载重汽车、 拖拉机和小轿车的板簧和直径较大 （50mm）的螺旋弹簧60CrMnA 0.56 0.64 0.17 0.37 0.70 1.00 0.70 1.00 0.35 0.25 0.030 0.030 830860 油 460- 520 r0.

25、2 1079 1226 920 铬 钒 系 50CrVA 0.46 0.64 0.17 0.37 0.50 0.80 0.80 1.10 0.35 0.25 0.030 0.030 V：0.100.20 850 油 500 11281275 1040 用作特别重要的，承受大应力的各种 尺寸的螺旋弹簧，并可作400以下工 作的耐热弹簧 30W4Cr2 VA 0.26 0.34 0.17 0.37 0.40 2.00 2.50 0.35 0.25 0.030 0.030 V：0.500.80 W： 4.004.50 1050110 0 油 600 13241471 740 用作高温（500）下使用

26、的重要弹 簧，如锅炉主安全阀弹簧等 常用合金弹簧钢的牌号、化学程分、热处理、力学性能及用途（摘自GB/T 1222-1984） 3.3 弹簧钢 工程材料学 弹簧钢弹簧钢制造弹簧或类似性能零件的钢种。制造弹簧或类似性能零件的钢种。 1 1、性能要求、性能要求 ( (弹簧是储存能量或缓和冲击的零件弹簧是储存能量或缓和冲击的零件) ) 高的高的s s、s s/b b、-1 -1；足够的韧性 ；足够的韧性 2 2、成分特点：中高碳、成分特点：中高碳 碳素弹簧钢为碳素弹簧钢为0.6-0.9%C0.6-0.9%C；合金弹簧钢为；合金弹簧钢为0.45-0.7%C0.45-0.7%C 3 3、合金元素作用：、

27、合金元素作用： 提高淬透性、强化铁素体：提高淬透性、强化铁素体：MnMn、SiSi、CrCr 提高提高 s s/ / b b：SiSi 细化晶粒：细化晶粒：V V 4 4、常用钢号及用途、常用钢号及用途 常用钢号为常用钢号为65Mn65Mn、60Si2Mn60Si2Mn 用于制造较大截面弹簧。用于制造较大截面弹簧。 制造大截面、大载荷、耐制造大截面、大载荷、耐 热的弹簧用热的弹簧用50CrV 50CrV 。 汽车板簧汽车板簧 大型热卷弹簧大型热卷弹簧 3.3 弹簧钢 工程材料学 3.4 渗碳钢 n某些机械零件，如汽车、拖拉机上的变速箱 齿轮，内燃机上的凸轮、活塞销和部分量具 等，根据服役条件，

28、要求表面耐磨、耐接触 疲劳破坏及有一定冲击韧性。对于这种类型 的零件，通常只要求表面强化，而对心部没 有过多的要求。 3.3 渗碳钢 工程材料学 n对零件采用表面强化的方法有：感应加热表 面淬火、渗碳或碳氮共渗、渗氮以及表面冷 塑性变形(如喷丸、辗压)等。其中除表面冷 塑性变形强化方法外，其余三种强化法都属 于热处理过程，都有相对适用的钢种。如感 应加热表面淬火用钢、渗碳钢、碳氮共渗钢、 氮化钢等，统称为表面强化零件用钢。 3.3 渗碳钢 工程材料学 一、渗碳钢的工作条件及对性能要求 齿轮为例 潘存云教授研制 失效形式失效形式 轮齿折断轮齿折断一般发生在齿根处， 严重过载突然断裂、疲劳折断。

29、齿面接触疲劳齿面接触疲劳齿面接触应力按脉动循环 变化当超过疲劳极限时，表面产生微裂纹、高压油挤 压使裂纹扩展、微粒剥落。点蚀首先出现在节线处， 齿面越硬，抗点蚀能力越强。软齿面闭式齿轮传动常 因点蚀而失效。 齿面胶合齿面胶合高速重载传动中，常因啮合区 温度升高而引起润滑失效，致使齿面金属直接接 触而相互粘连。当齿面向对滑动时，较软的齿面 沿滑动方向被撕下而形成沟纹。 齿面塑性变形齿面塑性变形 表面凸出表面凸出 表面凹陷表面凹陷 3.3 渗碳钢 工程材料学 齿轮用钢不但应有高的耐磨性、接触疲劳 强度、弯曲疲劳强度和屈服强度，而且还应 有较高的塑性和韧性。 渗碳钢性能要求 工程材料学 用低碳(合金

30、)钢渗碳(或碳氮共渗)后进行淬火 加低温回火处理，即可达到目的。经渗碳处理后表 层w(C)0.8，淬火并低温回火，其组织为回火 马氏体和粒状碳化物及一定的残余奥氏体。 它具有高硬度(HRC58-62)、高耐磨性和高接 触疲劳强度；齿轮心部仍为低碳钢，其组织为低碳 回火马氏体(全部淬透)或部分铁素体加屈氏体(未淬 透)，其硬度可达38-42 HRC；大多数情况下心部 组织为回火马氏体、屈氏体和少量铁索体的混合组 织硬度在25-40 HRC，心部冲击韧性一般高于 70J/cm2。 工程材料学 表层、心部C的质量分数不同导致淬火时， 在表面形成极为有利的残余压应力，这将显著 提高钢的弯曲疲劳强度。通

31、过渗碳提高表层C 的质量分数也可以看成是一种合金化强化方式， 而渗碳后的淬火，则为热处理强化。 3.3 渗碳钢 渗碳钢性能要求 工程材料学 渗碳钢的表层、心部的成分组织和性能 有很大的差异。这种使用状态实际上巧妙地制 成了一种天然复合钢，即表层高碳钢、心部低 碳钢。 渗碳钢的发展思路是： 低碳钢+渗碳工艺+淬火+低温回火。 箱式气体渗碳炉 井式气体渗碳炉 3.3 渗碳钢 工程材料学 通常认为，渗碳件心部的w(c)=0.10-0.20范围内，低的 含碳量的目的是为了保证心部有良好的韧性。 低渗碳钢心部的含碳量却易于使硬化层剥落，目前总的趋 向是将渗碳钢中C的质量分数增大到0.25左右。 如对韧性

32、要求较低时，C的质量分数也可提高至0.3-0.4， 但要适当采取减薄渗层深度等工艺措施。例如，有的吉普车 齿轮用40Cr钢制造，渗层深度减至0.5 mm左右，否则易于 断齿。 总之，渗钢心部的w(C)=0.1-0.25，而表层C的质量分数 可达0.8。 二、渗碳钢的化学成分 1钢材的含碳量 3.3 渗碳钢 工程材料学 2钢材的淬透性 渗碳件心部的硬度和强度取决于钢材的含碳量和 淬透性两方面的因素。钢材的含碳量决定着心部马氏 体的硬度，而心部是否易于得到马氏体组织又取决于 钢材的淬透性。 3.3 渗碳钢 渗碳钢的淬透性是通过加入合金元素来保证的， 为了提高钢的淬透性，常在钢中加入Cr、Mo、Ni

33、、W、 Mn、Si、B等元素。特别是B提高淬透性效果很好， 因而在我国汽车、拖拉机制造业中已得到应用。 工程材料学 3表层碳化物的形态 渗碳层中所形成的碳化物呈网状，则渗层的脆性加 大，易于脱落；而碳化物呈粒状时，即使在表面C的 质量分数大于2-3的情况下，韧性也不至于有很大的 下降，且耐磨性与接触疲劳性能得到大大的改善。 中等碳化物形成元素如Cr的影响较为有利，易使碳 化物呈粒状分布；而强碳化物形成元素如W、Mo、V 以及非碳化物形成元素如Si等，则易使碳化物呈长条 状或网状分布。 3.3 渗碳钢 工程材料学 4合金元素对渗碳钢工艺性能的影响 合金元素对渗碳钢的影响，还表现在影响渗碳速度、

34、渗层深度和表层碳浓度上。一般说来，碳化物形成元素 如Cr、Mo、w、Ti、V、Mn等都促使表层含碳量增多； 而非碳化物形成元素如Si、Ni、Co、Al等，都减少表层 碳浓度。同时，提高表层碳浓度的元素通常又增加渗层 的深度与渗入速度，而减少表层碳浓度的元素，则相应 降低渗层深度，并减慢渗入速度。 3.3 渗碳钢 工程材料学 就热处理工艺而言，通常要求渗碳后直接降温 淬火。但众所周知，渗碳温度高达930，为了阻 止奥氏体晶粒长大，渗碳钢应是用铝脱氧的本质细 晶粒钢。Mn在钢中有促进奥氏体晶粒长大的倾向， 所以，在含锰的渗碳钢中常加入少量V、Ti、Mo等 来阻止奥氏体晶粒的长大。 3.3 渗碳钢

35、工程材料学 三、渗碳钢的热处理特点 渗碳只是改变表层的含碳量，而随后的淬火、回火工 艺才赋予钢以最终的力学性能。渗碳钢的热处理一般是渗 碳后直接淬火加低温回火。但根据渗碳钢化学成分的差异， 常用的热处理方法有： (1)合金元素含量较低，但又不易过热的钢，如 20CrMnTi钢，渗碳后预冷直接淬火及低温回火。 (2)渗碳时易过热的碳钢及低合金钢，如固体渗碳后的 零件，一般采用渗碳后缓冷至室温，重新加热淬火并低温 回火。 (3)合金元素含量较高的中合金钢及对性能要求较高的 钢，一般采用渗碳后缓冷至室温，重新加热二次淬火及低 温回火。 工程材料学 四、常用的渗碳钢 (1)低强度渗碳钢。其强度级别抗拉

36、强度在800 MPa以下，又常称低淬透性渗碳钢。常用钢号有15、 20、20Mn2、20MnV、15Cr等。适用于对心部要求 不高的小型渗碳件，如套筒、链条等。 (2)中强度渗碳钢。其强度级别抗拉强度在800- 1200 MPa范围内，又常称为中淬透性渗碳钢。常用 钢号有20CrMnTi、20MnVB、20Mn2TiB、 20SiMnVB等。这类钢的心部强度和淬透性较高，可 用于制造中等强度较为重要的渗碳件，如汽车、拖拉 机齿轮等。 3.3 渗碳钢 工程材料学 (3)高强度渗碳钢。其强度级别在1200 MPa以上， 又常称为高淬透性渗碳钢。 常用钢号有20Cr2Ni4A、18Cr2Ni4WA、

37、 15CrMn2SiMo等。由于具有高淬透性和高的心部强 度，可用以制造截面较大的重负荷渗碳件，如坦克 齿轮、飞机齿轮等。 工程材料学 类别牌号 化学成分 w/% 试样 尺寸 mm 热处理力学性能 用途举例 CSiMnCrNiV其他 第一次 淬火温 度/ 第二次 淬火温 度/ 回火温 度/ b /MP a S /MPa 5 /% Ak /J 不小于 低淬透性 15Cr 0.12 0.18 0.17 0.37 0.40 0.70 0.70 1.00 15 880 水、油 780720 水、油 200 水、空 735 4901155 截面不大，心部韧性较高的受磨损零件，如齿 轮、活塞、活塞环、小轴

38、、联轴节等 20Cr 0.18 0.24 0.17 0.37 0.50 0.80 0.70 1.00 15 880 水、油 780720 水、油 200 水、空 835 5401047 心部要求强度要求较高的小截面受磨损零件， 如机床齿轮、涡杆、活塞环、凸轮轴等。 20MnV 0.17 0.24 0.17 0.37 1.30 1.60 0.07 0.12 15 880 水、油 200 水、空 785 5901055 凸轮、活塞销等 中淬透性 20Mn2 0.17 0.24 0.17 0.37 1.40 1.80 15 850 水、油 200 水、空 785 5901147 代替20Cr（以节约

39、铬元素），作小齿轮、小轴、 活塞销、气门顶杆等 20CrNi3 0.17 0.24 0.17 0.37 0.30 0.60 0.60 0.90 2.75 3.15 25 830 水、油 480 水、空 930 7351078 承受重载荷的齿轮、凸轮、机床主轴、传动轴 等 20CrMnTi0.17 0.23 0.17 0.37 0.80 1.10 1.00 1.30 Ti： 0.040.10 15 880 水、油 870 油 200 水、空 108 0 8501055 截面30mm2 以下，高速，承受中或重载荷、冲 击及摩擦的重要零件，如汽车齿轮、齿轮轴、 十字头、凸轮等 20CrMnM o 0

40、.17 0.23 0.17 0.37 0.90 1.20 1.10 1.40 Mo： 0.200.30 15 850 水、油 200 水、空 118 0 8851055 要求表面高硬度和耐磨的重要渗碳件，如大型 拖拉机主齿轮、活塞销、球头销，钻机的牙轮、 钻头等 20MnVB 0.17 0.23 0.17 0.37 1.20 1.60 0.07 0.12 B： 0.00050. 0035 15 860 水、油 200 水、空 108 0 8851055 代替20CrMnTi，作汽车齿轮、重型机床上的轴、 齿轮等 高淬透性 20Cr2Ni4 0.17 0.23 0.17 0.37 0.30 0.

41、60 1.25 1.65 3.25 3.65 15 880 水、油 780 油 200 水、空 118 0 10801063 大截面重要渗碳件，如大齿轮、轴、飞机发动 机齿轮等 18Cr2Ni4 WA 0.13 0.19 0.17 0.37 0.30 0.60 1.35 1.65 4.00 4.50 W： 0.801.20 15 950 水、油 850 空 200 水、空 118 0 8351078 大截面、高强度、高韧性的重要渗碳件，如大 齿轮、传动轴、曲轴等 常用合金渗碳钢的牌号、化学程分、热处理、力学性能及用途（摘自GB/T 3077-1999） 工程材料学 渗碳钢渗碳钢制造渗碳零件的钢

42、种制造渗碳零件的钢种 1、性能要求：、性能要求： 表硬里韧表硬里韧 良好淬透性和渗碳能力。良好淬透性和渗碳能力。 2、成分特点：、成分特点：低碳低碳(0.1-0.25%C), 加加Cr、Mn、Ni、B等元素等元素 Cr、Mn、Ni、B：提高淬透性：提高淬透性 Cr、Mn、Ni ：强化铁素体：强化铁素体 W、Mo、Ti、V ：细化晶粒：细化晶粒 3 3、常用钢号及用途、常用钢号及用途 低淬透性钢低淬透性钢：20、20Cr。用于受力小的。用于受力小的 耐磨件，如柴油机的活塞销、凸轮耐磨件，如柴油机的活塞销、凸轮 轴等。轴等。 中淬透性钢中淬透性钢：20CrMnTi。用于中等载。用于中等载 荷的耐磨

43、件，如变速箱齿轮。荷的耐磨件，如变速箱齿轮。 高淬透性钢：高淬透性钢：18Cr2Ni4WA。用于大载。用于大载 荷的耐磨件，如柴油机曲轴。荷的耐磨件，如柴油机曲轴。 柴油机曲轴柴油机曲轴 活塞销活塞销(20Cr) 柴油机凸轮轴柴油机凸轮轴 3.3 渗碳钢 工程材料学 3.5 滚动轴承钢 滚动轴承是一种重要的 基础零件，其作用主要在 于支撑轴径。滚动轴承由 内套、外套、滚动体(滚 珠、滚轮、滚针)和保持 架四部分组成。 滚动体 内套 外套 保持架 除保持架常用低碳钢(08钢)薄板冲制外，内套、外套 和滚动体则均用轴承钢制成。 3.5 滚动轴承钢 工程材料学 轴承钢还广泛用于制造各类工具和耐磨零

44、件，如精密量具、冷变形模具、丝杠、冷轧 辊和高强度的轴类等。 3.5 滚动轴承钢 工程材料学 一、滚动轴承的工作条件及性能要求 1滚动轴承的工作条件 内外套圈与滚动体之间接触面上承受 极大的压应力和交变载荷；强烈的摩擦磨 损，甚至产生大量的摩擦热；特殊条件下 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。 3.5 滚动轴承钢 工程材料学 (1)高的弹性极限、抗拉强度和接触疲劳强度； (2)高的淬硬性和必要的淬透性，保证高耐磨性，其 硬度为61-65HRC； (3)一定的冲击韧性； (4)良好的尺寸稳定性(或组织稳定性)，这对精密轴承 特别重要； (5)在和大气或润滑油接触时要能

45、抵抗化学腐蚀。 2滚动轴承钢的性能要求 3.5 滚动轴承钢 工程材料学 二、滚动轴承钢的化学成分 轴承钢含碳量高，属于过共析钢。高碳可以保证钢 有高的硬度和耐磨性。轴承钢的W(C)：0.95-1.15。 1高碳 2加入Cr、Mn、Si等合金元素 Cr是轴承钢中最主要的合金元素，其作用是：Cr可 提高钢的淬透性；钢中部分Cr可溶于渗碳体，形成稳定的 合金渗碳体(FeCr)3C，可减少过热倾向，得到较细的组织； 细小均匀分布碳化物，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；Cr还 可以提高钢的耐腐蚀性能。 Mn、Si提高淬透性。 3.5 滚动轴承钢 工程材料学

46、3高的冶金质量 由于轴承钢的接触疲劳性能对钢 材的微小缺陷十分敏感，所以非金属 夹杂物对钢的使用寿命有很大影响。 危害性最大的是氧化物，其次是硅酸 盐，它们的多少主要取决于冶金质量 和铸造工艺。因此，在冶炼和浇铸时 必须严格控制非金属夹杂物的数量。 通常w(S)0.02、w(P)0.02。 3.5 滚动轴承钢 工程材料学 三、滚动轴承钢的牌号及其热处理 应用最广的是GCr15钢， 约占轴承用钢的90左右。 国外所用轴承钢的成分，大体 与GCr15钢相同。 3.5 滚动轴承钢 工程材料学 1轴承钢的种类 轧钢机械、矿山挖掘机械和其他一些受 冲击负荷较大的机械使用的轴承，要求表面 硬度高、耐磨性好

47、，高的接触疲劳强度，心 部有一定的韧性、强度和硬度，选用渗碳钢。 常用的钢号有20Mn、20NiMo、12Cr2Ni4A、 20Cr2Ni4A、20Cr2Mn2MoA等，经渗碳淬 火低温回火处理。 3.5 滚动轴承钢 工程材料学 250以上(航空发动机轴承有的达380) 的轴承，由于温度高，使材料的硬度、耐磨性 等性能显著下降，此时必须采用高温轴承钢。 我国已试验和使用的高温轴承钢有Cr4Mo4V、 W6Mo5Cr4V2、Crl4Mo4V、9Cr18Mo等。 3.5 滚动轴承钢 工程材料学 石油机械、造船工业及食品工业中的轴 承常在酸、碱、盐等腐蚀介质中工作，要求 具有良好的化学稳定性，因此需

48、要采用不锈 钢制造轴承，如9Cr18及9C18Mo钢等。 3.5 滚动轴承钢 工程材料学 2. GCr15轴承钢的热处理 轴承钢一般要经过球化退火处理和淬火加低温回 火处理，球化退火的目的是降低硬度，改善切削加工 性，同时获得均匀分布的细粒状珠光体，为最终热处 理做好组织上的准备。 轴承钢的淬火温度应严格控制，GCr15钢淬火温 度控制在(84010)范围内，淬火组织为隐晶马氏体。 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。其回火温度为150-160，回火时间为2- 3 h。 3.5 滚动轴承钢 工程材料学 为了消除零件在磨削时产生的磨削应力，以及进 一步稳定组织和尺寸，在磨

49、削加工后再进行一次附加 回火，回火温度为120-150，回火时间为2-3 h。 对于精密轴承，为了保证尺寸的稳定性，淬火后 立即进行冷处理，然后再回火，磨削加工后再进行一 次尺寸稳定性处理，在120-150保温5-10 h。 GCr5钢经淬火回火处理后，钢的组织为：马氏体 (80)+残余奥氏体(10)+碳化物(10)，其硬度为 61-65HRC。 3.5 滚动轴承钢 工程材料学 类别牌号 化学成分 w/% 热处理 用途举例 CCrMnSiMoVRES、P 淬火 温度 / 回火 温度 / 回火后 硬度 HRC 铬轴 承钢 GCr9 1.0 1.10 0.9 1.2 0.2 0.4 0.15 0.

50、35 - 810 830 150 170 62 66 1020mm的钢 球 GCr15 0.95 1.05 1.3 1.65 0.2 0.4 0.15 0.35 - 825 845 150 170 62 66 厚度20mm的中小 型套圈，直径小于 50mm的钢球，柴 油机精密偶件 GCr15SiMn 0.95 1.05 1.3 1.65 0.9 1.2 0.4 0.65 - 820 840 150 170 62 壁厚30mm的大 型套圈，50 100mm的钢球 无铬 轴承 钢 GSiMnV 0.95 1.10 - 1.3 1.8 0.55 0.8 - 0.2 0.3 - 0.03 780 81

51、0 150 170 62 可代替GCr15钢 GSiMnVRE 0.95 1.10 - 1.1 1.3 0.55 0.8 - 0.2 0.3 0.1 0.15 0.03 780 810 150 170 62 可代替GCr15及 GCr15SiMn钢 GSiMnMoV 0.95 1.10 - 0.75 1.05 0.4 0.65 0.2 0.4 0.2 0.3 - 770 810 165 175 62 可代替GCr15SiMn 钢 常用轴承钢牌号、化学成分、热处理及用途（铬轴承钢摘自 YB（T）1-1980） 3.5 滚动轴承钢 工程材料学 制造轴承套和滚动体专用钢种制造轴承套和滚动体专用钢种

52、1 1、性能要求、性能要求 ( (轴承承受接触应力、交变载荷和轴承承受接触应力、交变载荷和 摩擦摩擦) )高而均匀的硬度、耐磨性、高而均匀的硬度、耐磨性、 b b、接触疲、接触疲 劳强度和足够的韧性。劳强度和足够的韧性。 2 2、成分特点：高碳、成分特点：高碳(0.95-1.10%C)(0.95-1.10%C)，主加，主加Cr Cr Cr Cr、MnMn、SiSi：提高淬透性：提高淬透性 Cr Cr 还提高耐磨性和耐蚀性。还提高耐磨性和耐蚀性。 3 3、常用钢号及用途、常用钢号及用途 应用最广的是应用最广的是GCr15GCr15，大量用于，大量用于 大中型轴承；大型轴承用大中型轴承；大型轴承用

53、GCr15SiMnGCr15SiMn。 这类钢还可用于制造模具、量具等。这类钢还可用于制造模具、量具等。 3.5 滚动轴承钢 工程材料学 钢铁材料热处理是通过加热、保温和冷却方式借以钢铁材料热处理是通过加热、保温和冷却方式借以 改变合金的组织与性能的一种工艺方法，其基本内容包改变合金的组织与性能的一种工艺方法，其基本内容包 括热处理原理及热处理工艺两大方面。括热处理原理及热处理工艺两大方面。 附：钢的热处理附：钢的热处理 钢铁材料的强韧化重要有两个途径：一是对钢铁材钢铁材料的强韧化重要有两个途径：一是对钢铁材 料实施热处理；二是通过调整钢的化学成分，加入合金料实施热处理；二是通过调整钢的化学成

54、分，加入合金 元素（亦即钢的合金化原理），以改善钢的性能。元素（亦即钢的合金化原理），以改善钢的性能。 附：钢的热处理 工程材料学 q 钢的热处理原理钢的热处理原理 钢在加热时，实际钢在加热时，实际 转变温度往往要偏离平转变温度往往要偏离平 衡的临界温度，冷却时衡的临界温度，冷却时 也是如此。随着加热和也是如此。随着加热和 冷却速度的增加，滞后冷却速度的增加，滞后 现象将越加严重。通常把加热时的临界温度标以字母现象将越加严重。通常把加热时的临界温度标以字母 “C”C”，如，如A AC1 C1、 、A AC3 C3、 、A ACm Cm等；把冷却时的临界温度标以字 等；把冷却时的临界温度标以字

55、母母“r”r”，如，如A Ar1 r1、 、A Ar3 r3、 、A Arm rm等 等。 附：钢的热处理 工程材料学 钢在加热时奥氏体的形成过程又称为钢在加热时奥氏体的形成过程又称为。以。以 共析钢的奥氏体形成过程为例。共析钢的奥氏体形成过程为例。 附：钢的热处理-加热时钢的组织转变 工程材料学 铁素体全部消失以后，仍有部铁素体全部消失以后，仍有部 分剩余渗碳体未溶解，随着时间的延长，这些剩余渗碳分剩余渗碳体未溶解，随着时间的延长，这些剩余渗碳 体不断地溶入到奥氏体中去，直至全部消失。体不断地溶入到奥氏体中去，直至全部消失。 奥氏体的晶核优先在铁素体与渗碳体奥氏体的晶核优先在铁素体与渗碳体

56、的界面上形成。的界面上形成。 奥氏体晶核形成以后，依靠铁、奥氏体晶核形成以后，依靠铁、 碳原子的扩散，使铁素体不断向奥氏体转变和渗碳体不碳原子的扩散，使铁素体不断向奥氏体转变和渗碳体不 断溶入到奥氏体中去而进行的。断溶入到奥氏体中去而进行的。 附：钢的热处理-加热时钢的组织转变 工程材料学 渗碳体全部溶解完毕时，奥氏体的渗碳体全部溶解完毕时，奥氏体的 成分是不均匀的，只有延长保温时间，通过碳原子的扩成分是不均匀的，只有延长保温时间，通过碳原子的扩 散才能获得均匀化的奥氏体。散才能获得均匀化的奥氏体。 AAFPF ACAC 31 ACFeACFeP cm AC AC 33 1 附：钢的热处理-加

57、热时钢的组织转变 工程材料学 晶粒大小广泛采用的是与标准金相图片（标准评级晶粒大小广泛采用的是与标准金相图片（标准评级 图）相比较的方法来评定晶粒大小的级别。通常将晶粒图）相比较的方法来评定晶粒大小的级别。通常将晶粒 大小分为大小分为8 8级，级，1 1级最粗，级最粗，8 8级最细。通常级最细。通常1 14 4级为粗晶粒级为粗晶粒 度，度，5 58 8级为细晶粒度。级为细晶粒度。 加热温度越高，保温时间越长，奥氏体晶粒越粗大，加热温度越高，保温时间越长，奥氏体晶粒越粗大， 因为这与原子扩散密切相关。因为这与原子扩散密切相关。 附：钢的热处理-加热时钢的组织转变 工程材料学 合金元素合金元素Ti

58、Ti、ZrZr、V V、NbNb、AlAl等，当其形成弥散稳等，当其形成弥散稳 定的碳化物和氮化物时，由于分布在晶界上，因而阻碍定的碳化物和氮化物时，由于分布在晶界上，因而阻碍 晶界的迁移，阻止奥氏体晶粒长大，有利于得到细晶粒晶界的迁移，阻止奥氏体晶粒长大，有利于得到细晶粒 钢。钢。MnMn和和P P是促进奥氏体晶粒长大的元素。是促进奥氏体晶粒长大的元素。 加热速度越快，过热度越大，奥氏体实际形成温度加热速度越快，过热度越大，奥氏体实际形成温度 越高，可获得细小的起始晶粒。越高，可获得细小的起始晶粒。 碳全部溶于奥氏体时，随奥氏体中含碳量的增加，碳全部溶于奥氏体时，随奥氏体中含碳量的增加， 晶

59、粒长大倾向增大。晶粒长大倾向增大。 附：钢的热处理-加热时钢的组织转变 工程材料学 热处理时常用的冷却方热处理时常用的冷却方 式有两种：一是等温冷却式有两种：一是等温冷却 （常用于理论研究）；二是（常用于理论研究）；二是 连续冷却（常用于生产）。连续冷却（常用于生产）。 通常将处于通常将处于A1A1以下温度尚未发生转变的奥氏体称为以下温度尚未发生转变的奥氏体称为 。钢在冷却时的组织转变实质上是过冷奥氏体的组织。钢在冷却时的组织转变实质上是过冷奥氏体的组织 转变。转变。 附：钢的热处理-冷却时钢的组织转变 工程材料学 首先将若干薄圆片状试样放入锡熔炉中，在高于共首先将若干薄圆片状试样放入锡熔炉中

60、，在高于共 析温度的条件下进行奥氏体化；析温度的条件下进行奥氏体化；（b b）将上述奥氏体化后将上述奥氏体化后 的试样迅速放入另一锡熔炉保温，炉温低于共析温度；的试样迅速放入另一锡熔炉保温，炉温低于共析温度； （c c）依据试样保温时间的差异，分别从炉中取出试样，依据试样保温时间的差异，分别从炉中取出试样， 置于水中快冷；置于水中快冷； （d d）磨制金相试磨制金相试 样，并观察显微样，并观察显微 组织。组织。 附：钢的热处理-冷却时钢的组织转变 工程材料学 在不同温在不同温 度重复上述等度重复上述等 温转变试验，温转变试验， 可根据试验结可根据试验结 果绘制出果绘制出奥氏奥氏 体钢的等温冷体