第3章 机器零件用钢.ppt

1、第3章 机器制造结构钢,Rel700MPa,低强度钢， Rel=700-1400MPa中强度钢，大于1400MPa，超高强度钢。（下屈服强度） 按照热处理工艺：整体强化态钢和表面强化态钢。 根据钢的生产工艺和用途，可分为：调质钢、低碳马氏体钢、超高强度结构钢、渗碳钢、氮化钢、弹簧钢、轴承钢和易削钢等。,3.1 概 述,一、工作条件与性能要求 主要承受拉、压、弯、扭、冲击、疲劳应力，且往往是几种载荷的同时作用；可以使恒载或变载，作用力的方向是单向或反复的。 综合力学性能（强度、塑性、韧度、疲劳强度、耐磨性等； 良好的加工性能； 良好的切削加工性能； 一定的耐腐蚀性能。,二、机器零件用钢合金化特点

2、,主加 元素,Cr、Mn、Si、Ni。 主要作用：淬透性和力学性能。,辅加 元素,Mo、W、V等 过热敏感性，回脆，淬透性。,最佳 范围,C 含量在0.08- 0.70%之间, 合金元素总 量一般不超过5%，少量例外； 范围为：1.2%Si, 2%Mn， 12%Cr, 14%Ni， 0.5%Mo，0.2%V, 0.1%Ti，0.40.8%W。 或是单独加入，或是复合加入。,弹性设计：根据比例极限 塑性设计：根据屈服强度 高强度的取得，往往是综合应用了细晶强化、固溶强化、沉淀硬化和位错强化等方法的结果。 还需考虑韧性设计：冲击吸收能量、韧脆转变温度和断裂韧度。 应选择合理的含碳量和热处理工艺。,

3、三、机械制造结构钢的强度与脆性, 低碳马氏体型结构钢，采用淬火+低温回火。 为耐磨性，可进行渗碳处理；汽车拖拉机齿轮类 为代表., 回火索氏体型，选择中碳钢，采用淬火+高温 回火。为耐磨性，可进行渗氮处理或高 频感应加 热淬火等表面硬化工艺方法。轴类零件为典型。,1、对于要求良好综合力学性能，零件选 材料的途径为：,2、如要求更高的强度，则适当牺牲塑韧 性。可选择中碳钢，采用低温回火工艺。如 低合金中碳马氏体钢。农业机械较多.,3、如要求高的弹性极限和屈服强度，又 要有较高的塑性和韧度，则选择中高碳钢， 进行中温回火。如弹簧钢。,4、零件要求高强度、高硬度，高接触疲 劳性和一定的塑性和韧度，可

4、用高碳钢，淬 火+低温回火。如轴承钢。,辨 证 思 维,由于不同机器零件的服役条件和失效方式不同，主要的设计依据和失效判据也不同，所以应合理选择钢的含碳量和热处理工艺。 应该明确: 一般情况下，某零件制造的材料并不是唯一的； 某一种钢采用不同的热处理工艺可以制造不同类型的零件； 某一零件用某一材料制造，其热处理工艺方法也可能是多种的。,四、整体强化态钢,基 本 情 况,整体强化态钢均承受拉、压、扭等交 变应力，大部分是整体受力。 其主要失效形式是疲劳破坏， 主要性能指标-1、Rm、AK、KIC等。 总体上要求良好的综合力学性能。,主 要 应 用,主要制造轴、杆、轴承类等机器零件， 如连杆、螺栓

5、、主轴、半轴等。这类钢主 要有调质钢、弹簧钢、轴承钢、低碳马氏 体钢、超高强度钢等。,汽车半轴 a)一端法兰式; b)二端花键式; c)变截面台阶式,M7150A砂轮主轴,汽拖用连杆,下图 T615K镗床镗杆,上图 S7332 螺纹磨床丝杠,3. 2 调质钢,所谓调质钢：结构钢淬火高温回火后具有良好的综合力学性能，适用于这种热处理的钢。 一般是指含碳量在0.3-0.5%的中碳钢.一般用这类钢制作的零件要求具有很好的综合机械性能,即在保持较高的强度的同时又具有很好的塑性和韧性,人们往往使用调制处理来达到这个目的,所以人们习惯上就把这一类钢称作调质钢。各类机器上的结构零件大量采用调质钢，是结构钢中

6、使用最广泛的一类钢。,二. 调质钢的成分、合金化,成分 0.300.50%C的C钢或中、低合金钢 合金化 Mn, Si, Cr, Ni, Mo, V, Nb, Ti, Al, B 合金元素作用： 提高淬透性（主要作用） 固溶强化；细晶强化； 弥散强化,三. 调质钢的种类与分级,在机械制造工业中，调质钢是按淬透性高低来 分级的。 DC为油淬临界直径,低淬透性合金钢: DC 3040mm, 有40Cr、 40Mn2、42SiMn、35CrMo、42Mn2V等,中淬透性合金钢: DC:4060mm, 有40CrNi、 42CrMo、40CrMn、30CrMnSi等,高淬透性合金钢: DC60100m

7、m, 有37CrNi3、 40CrNiMo、40CrMnMo等,四.调质钢的组织与性能,回火S或回火T; 具有良好综合力学性能，尤其是冲击韧性。 强度（屈强：700-1200MPa） Cr, Mo, W, V 可阻碍K在高温回火时聚集长大，使钢保持高强度； 阻碍再结晶，使相保持细小； 合金元素的固溶强化、细晶强化 韧性: 调节温度可具有不同的韧性； 细化； 防止或减轻回火脆性，加入 Mo,W,五. 调质钢的应用,调质钢的不足： 1）没有利用马氏体精细结构强化作用； 2）K的弥散强化作用也没有充分体现。 3) 淬火和高温回火两次加热耗能多、周期长，增加了热处理变形和表面氧化脱碳等机会。 应用：

8、在要求良好的综合机械性能，尤其是需要较高的（冲击）韧性时，采用中C钢的调质处理能发挥其优势。,六、调质钢强韧化工艺的发展,正确 认识 性能 指标,AK是一次大能量冲击性能指标， 小能量多冲条件下工作的，很难正确 反映。有些重要零件应以断裂韧度KIC 来衡量。 由于服役条件差异，钢最佳综合性 能也不一定都是高温回火态好。零件 在承受冲击能量大时，钢强度应低些， 塑性和韧度宜高些；冲击能量较小时， 强度应高些。以达最佳配合。,综合 强化 工艺,如复合热处理，即热处理强化、表面 处理及形变强化工艺结合起来。如汽车转 向节园角处进行高频淬火处理后，疲劳寿 命提高了50倍,冷变 形,锻造 余热 淬火,如

9、滚压、喷丸等冷变形方法的效果也比 较好, 能提高零件寿命,既能节约能源、简化工序，又能细化组 织，提高零件的强韧性。如柴油机连杆， 已普遍采用锻造余热淬火工艺,3.3 弹簧钢,一、弹簧的服役条件及性能要求,弹簧功能,储能减振,弹簧类型,板簧，螺簧； 压簧、拉簧和扭簧等,典型的螺旋弹簧及板簧,压缩螺簧,拉伸螺簧,扭转螺簧,单板弹簧,椭圆板簧,叠形板簧,卡簧（圈）基本形状,碟形弹簧截面,扭杆弹簧 a)实芯扭杆b)串联式扭杆,板簧,弯曲载荷,螺簧,扭转应力,疲劳破坏 弹性减退,高的弹性极限e、屈强比s/b弹性 高的疲劳强度-1 避免早期疲劳破坏 有足够的塑性和韧性 不产生脆性断裂 足够的淬透性 保证

10、e和整体强度,其他要求: 冶金质量、表面质量,思考题： 为什么弹簧要求有好的表面质量，如表面不允许有裂纹、折迭、严重脱碳等缺陷?,弹簧在工作中要产生形变，内部要产生并保持应力，如果表面状态不好，会形成应力集中区而产生破坏。,二、常用弹簧钢及强化工艺,1. 合金化： 含碳量在0.601.05,低合金弹簧钢在 0.400.74C。 ? + Si、Mn、Cr、V等合金元素. Cr和Mn主 要是提高淬透性， Si提高弹性极限， V提高 淬透性和细化晶粒.,60Si2Mn: Si、Mn复合,强化F,e， s/b可达到 0.80.9； Si / Mn 淬透性，Ms不过分,开裂倾向小; Si有效回稳性, 但

11、脱C倾向; Si、Mn复合，脱碳和过热敏感性较硅钢、锰 钢为小.,常用硅锰板簧钢有60Si2Mn 、 55Si2Mn等,常用螺旋弹簧钢有50CrVA等。,50CrVA :(高级优质钢） Cr 、V均回稳性, 韧性好； V 细化晶粒, 过热敏感性; 含Si少,脱C敏感性, 热处理不易脱C; 常用于受应力高的螺旋弹簧及300工作的阀 门弹簧.,基本 工艺 方式,热成形 弹簧,冷成形 弹簧,大型 弹簧,热成形后+ 淬、回火,小型 弹簧,冷变形或热处 理强化+冷成形 +低温退火,火车缓冲压缩螺旋弹簧热成形的三种热处理工艺 a)常规热处理 b)热卷簧余热淬火 c)高温形变热处理,思考题： 大型弹簧为什么

12、要先成形后强化，小型弹簧先强化后成形? 小型弹簧成形后为什么进行低温退火?,热处理 工艺,淬火和 中温回火,回火 屈氏体,具有一定的冲击韧度，较高的弹性极 限、屈强比和最高的疲劳强度,关键问题: 弹性参数和韧性参数之间的 平衡或最佳配合。,60Si2Mn钢力学性能与 回火温度的关系,55Si2Mn钢疲劳强度随 回火温度的变化,形变强化效果好,板簧最适合形变强化: 滚压、喷丸等冷变形强化强化都能有效地提 高板簧使用寿命,如结合高温形变热处理则更好,板簧喷丸作用举例: 疲劳强度(MPa) 板厚/mm 未喷丸 喷丸 应力喷丸 13 390 470 800 11 350 700 850,回顾,3.2

13、调质钢,3.3 弹簧钢,高的弹性极限e、 高的疲劳强度-1 避免早期 疲劳破坏、 有足够的塑性和韧性 不产生脆性断裂 足够的淬透性 保证e和整体强度,要求具有很好的综合机械性能,即在保持较高的强度的同时又具有很好的塑性和韧性。,3.4 轴承钢,2020/7/21/09:27:42,36,轴承,滚动轴承及其受到载分布情况,2020/7/21/09:27:42,38,轴承钢,轴承钢：适于制造不同环境中工作的各类滚动轴承套圈和滚动体的钢统称为滚动（或滚珠）轴承钢（简称轴承钢）。 80用于轴承，其余制作：油泵片、喷嘴、轧辊、工模具等。,滚子轴承,圆柱滚子推力轴承,圆锥滚子推力轴承,2020/7/21/

14、09:27:42,40,3.4.1 分类、化学成分及基本要求,一、 分类 二、 成分（以GCr15为例） 三、 基本要求,2020/7/21/09:27:42,41,一、 分类,按化学成分及特性分为五大类：高碳铬轴承钢无铬轴承钢；渗碳轴承钢；不锈轴承钢；中、高温轴承钢。,2020/7/21/09:27:42,42,分类,注： 1 大多数国家只有四大类，无铬系列没有。 2 淘汰了高碳铬系中低铬级（GCr6、GCr9）钢号，以加Mo钢号代替。中国保留了GCr9，没有含Mo钢号。 3 渗碳钢系列的数量很大（十几个钢号，美国占自己轴承钢量的1/3，日本15，中国GB3202-82列出了6个钢号，中国自

15、己设计只有2个）。 4 不锈及中、高温轴承钢与国外钢号相似。,2020/7/21/09:27:42,43,二、 成分（以GCr15为例）,1901年问世，主要优点：成分简单，合金量低，性能良好，价格便宜等。 YB(T)1-80(或YJZ-84)： C 0.951.05% Cr 1.401.65% Si 0.150.35% Mn 0.250.45% P 0.025% S 0.025 Mo 0.08% Ni+Cu 0.50% Ni 0.30% Cu 0.25% 为了提高轴承钢的疲劳寿命（N），成分上有些改进。,2020/7/21/09:27:42,44,1） C,通常0.901.15%C，理由是保

16、证淬火、回火后有高硬度、强度、疲劳极限，必须具有过共析成分，才能经热处理后，在回火M基体上弥散细小的K。 使用组织：回火MA残K C：过饱和C（M） 0.40.6%； Fe3C 78 许多人指出：只要保证M中C就好了，具有最大疲劳强度；认为弥散的K使得C，脆性，偏析加剧，寿命。,2020/7/21/09:27:42,45,1） C,近年来，C有所下降，出现中碳铬轴承钢的趋势。 美国：0.851.00% C 日本：0.700.85% C 瑞典：0.870.97% C 中国：0.750.8% C （G8Cr15，改善了K不均匀性，冷热变形性能，切削性能，N比GGr15高）,2020/7/21/09

17、:27:42,46,2） Mn,Mn有增有减； Mn作为脱氧元素，有利改变Si、Al脱氧产物形态，减少脆性夹杂物含量，主张0.5Mn。 Mn作为合金元素，有增有减。 俄、美、瑞典 Mn max 1.70% 中、德等 1.201.25% 增加观点：Mn溶于F中，强度、硬度，淬透性； 减少观点：Mn1.20%，Ms点，从而A残，强度反而。 Mn使晶粒粗大，过热敏感性和淬火裂纹倾向。,2020/7/21/09:27:42,47,3） Si,Si含量并不相同 Si作为脱氧元素 0.150.35%Si即可； Si作为合金元素，各国并不完全相同。 美国、瑞典 上限 0.800.85%； 中国却 0.75%

18、 因为Si不形成K，溶于F、A中强化基体，即淬透性，弹性极限，屈服强度，疲劳强度。 但Si增加钢的过热和产生裂纹的倾向，加剧脱碳和石墨化倾向。,2020/7/21/09:27:42,48,4）Cr,同等级钢中Cr稍有差别 三个等级：0.6 0.9 1.5% Cr作用： 形成K：Cr7C3、Cr3C6、(Fe,Cr)3C、MenCrmC 等； 淬透性（尤其是有Mn存在时更明显） 抗蚀性 但Cr改变临界点（共析点S和Ms），导致偏析，增加残余奥氏体比例，影响轴承的精度和稳定性。,2020/7/21/09:27:42,49,5）Mo,增加Mo钢号，制作大尺寸轴承； 作用： 强化固溶体（稳定K） 提高

19、K稳定性； 回火脆性； 淬透性，耐磨性（K细小） Mo会增加钢的脱碳倾向。,2020/7/21/09:27:42,50,6）S、P,S、P限制规定有差别 大多数国家要求0.030%以下，英国、意大利要求不大于0.050%。 优势的观点认为硫在轴承钢中至少是无害的。,2020/7/21/09:27:42,51,7）残余元素,对残余元素限制更加严格。 以往通常只限制Ni、Cu，现在增加对五大有害元素As、Sn、Ti、Sb、Pb的限制。 危害：表面裂纹，加剧Cu的热脆作用，形成夹杂（TiN、TiCN）等，寿命。,性 能 要 求,高而均匀的硬度和耐磨性足够 淬透性和淬硬性，60HRC； 高接触疲劳强度

20、以免过早失效； 高的弹性极限和一定韧度 承受冲击，以免碎裂； 尺寸稳定性好保证精度； 一定耐蚀性大气、润滑油腐蚀。,关键因素,化学成分、冶金质量和加工工艺,3.4.2 基本要求,3.4.3 轴承钢的冶金质量,纯净度和组织均匀性是轴承钢冶金质量的两个主要问题。 轴承钢由冶金质量缺陷造成的失效占总失效的65。这里是指非金属夹杂物和碳化物不均匀性所造成的冶金质量缺陷。 可见钢材的冶金质量对轴承的使用寿命起着非常重要的影响。,1. 非金属夹杂物 （1）分类 根据化学成分： 简单氧化物：如Al2O3, SiO2 复杂氧化物：包括尖晶石：MnOAl2O3 钙的铝酸盐： CaO2A12O3 硅酸盐和硅酸盐玻

21、璃： l FeO-mMnO-nAl2O3- pSiO2 硫化物：如MnS，(Mn,Fe)S，CaS等 氮化物：如AlN等。,根据检验时金相形态来分类： 脆性夹杂物 如刚玉(Al2O3),尖晶石,沿轧制方向排列呈点链状分布 塑性夹杂物 在变形过程中有良好的塑性，沿轧向呈连续条状分布，有MnS和铁锰硅酸盐 球状不变形夹杂物 钙的铝酸盐 半塑性夹杂物： 主要是复相铝硅酸盐，含有Al2O3或尖晶石氧化物,（2）非金属夹杂物对轴承钢疲劳寿命的影响 其危害程度按刚玉、尖晶石、球状不变形夹杂、半塑性铝硅酸盐、塑性硅酸盐、硫化物依次递减； 理想的情况是： 数量少、尺寸小、塑性好、 细条状 均匀分布。,（3）非

22、金属夹杂物的形成与消除 脱氧产物 凝固时析出的氧化物和硫化物 残留在钢中的渣 冶炼和浇注时钢液对耐火材料的浸蚀 出钢时钢液的二次氧化等,彻底脱氧是获得高纯净钢的必要条件 利用真空脱气、炉外精炼和电渣重熔，可极大 提高钢的纯净度,形 成,消 除,2. 轴承钢的K不均匀性,（1）轴承钢在使用状态下的显微组织 回火M + K（均匀细小） + Ar 淬火时A晶粒度为9级以上； M中C 量为0.45 - 0.5； 残留K量为 6% - 9%； Ar5-7%。,图 高碳铬轴承钢中马氏体含碳量与疲劳寿命的关系,（2）淬火前的 原始组织与碳化物粒度 淬火前（球化退火后的）原始组织应为（细）粒状珠光体为最好。（

23、铁素体+均匀细小K） 在淬火加热时，细颗粒K比粗颗粒碳化物更易溶解，可保证合金度； 细颗粒状比片状K溶解慢，奥氏体不易粗化，淬火温度范围较宽； 可保持少量的细颗粒状K； 得到综合的性能。,为了获得均匀细颗粒的球化组织： 控制球化退火工艺， 控制退火前的实际原始组织，尽可能消除碳化物缺陷 。 常见的碳化物缺陷有以下几类： 液析碳化物 带状碳化物 网状碳化物 大颗粒碳化物,2020/7/21/09:27:42,62,1）带状碳化物,枝晶偏析（富Cr和富C）引起的显微区骗局的共析碳化物（二次碳化物），经压力加工后，顺延展方向分布成条带状。 严重带状碳化物，黑白区 域分明，带条宽度大，带 与带之间也宽

24、。 为了降低带状碳化物级别， 主要措施是钢锭或钢坯进 行扩散退火。,2020/7/21/09:27:42,63,2）碳化物液析,液相中碳及合金元素富集（液态偏析）产生的亚稳态莱氏体共晶（一次碳化物），在热加工时被压碎并沿轧向呈条带状分布。 消除和改善措施： 控制C、Cr中下限，加V； 低温浇注； 采用较大锻压比； 扩散退火； 热处理过程不能太慢。,2020/7/21/09:27:42,64,3）网状碳化物,沿A晶粒边界析出的呈网状分布的碳化物。 原始碳化物偏析大，易出现；停轧温度高及冷却太慢，使网状碳化物的连续性和粗大程度显著增加。 消除或减轻措施： 控制C、Cr中下限，Si、 Mn有破坏和减

25、小网状碳化 物作用； 控制低的终轧温度和强化轧 后冷却速度。,液析碳化物和带状碳化物 比较 均起因于钢锭结晶时产生的树枝状偏析 液析碳化物属于偏析引起的伪共晶碳化物（一次碳化物）； 带状碳化物属于二次碳化物偏析 （固相冷却过程中）。 成分 带状碳化物）（Fe,Cr）3C； 液析碳化物（Cr, Fe ）7C3 + （Fe,Cr）3C。 影响 液析K尺寸大，硬度高，脆性大，危害大。,危害 降低轴承的使用寿命，增大零件的淬火开裂倾向，造成硬度和力学性能的不均匀性（各向异性）。 预防与消除 1）控制成分（C，Cr%）； 2）大的锻（轧）造比来破碎碳化物； 3）采用高温扩散退火（1200左右）。,网状碳

26、化物 形成 高碳铬轴承钢为过共析钢，网状碳化物是在热轧（锻）加工后缓慢冷却过程中由二次碳化物以网状析出于奥氏体晶界所造成的。 原因 终轧温度过高或冷却速度过慢，或偏析程度大，在K密集处形成。,危害 显著提高脆性，淬火开裂倾向增大；增加硬度和性能的不均匀性，降低疲劳强度。 预防与消除 1）工艺上提高冷速，降低终轧温度； 2）成分上适当降低C，Cr%； 3）网薄者，可直接用球化退火消除； 网厚者，应用正火消除。,图 碳化物液析 500,图 带状碳化物 500,图 网状碳化物 500,3.4.4 轴承钢的热处理 轴承钢的热处理包括： 预先热处理 （扩散退火，正火）+ 球化退火 最终热处理 淬火 +

27、低温回火 +（稳定化处理 ）,1. 正火 目的 主要是消除网状K； 返修退火不合格品。 工艺 对 粗网状K：较高的加热温度 930-950； 细网状K：850-870。,2. 球化退火 获得球状珠光体组织 球化退火加热为780800 轴承钢球化退火的冷却方式有两种： 1）一般球化退火（连续冷却） 按冷却速度20-30/h冷到650出炉 2）等温球化退火 在700等温2-4h，再炉冷到650，出炉（等温球化退火）。,轴承钢的球化退火工艺,3. 轴承钢的淬火和回火 目标： 提高硬度、强度、耐磨性和耐疲劳性，适当韧性 淬火：淬火温度为840 1）碳化物，其含量为7%9%； 2）防止氧化脱碳，一般采用

28、保护气氛加热或真空加热。 回火 160保温3h或更长，硬度在HRC62-66。,4. 稳定化处理 精密轴承为保证尺寸稳定，要求消除Ar，一般采用淬火后立即进行冷处理，然后低温回火。 轴承在磨削加工后要进行消除磨削应力的回火，一般采用120-150保温 3-5 h。 对要术特别精密者，在粗磨、细磨和精磨后各进行一次回火，时间在15-24 h。,五.特殊用途的轴承钢（简介） 特大型轴承钢（外径大于450mm） 合金渗碳钢 20Cr2Ni4， 20CrNi2Mo， 20Cr2Mn2Mo 不锈轴承钢 马氏体不锈钢 9Cr18，9Cr18Mo 高温轴承钢 GCr15使用温度为180 高速钢 W18Cr4

29、V, W6Mo5Cr4V 高铬马氏体不锈钢： Cr15Mo4 高温渗碳钢：12Cr2Ni3Mo5 (430）,思考题: 轴承钢在淬火热处理后,硬度检验时不允许有明显的软点,为什么? 如出现软点,可能有哪些因素造成的?,由于零件较大，可能是在淬火过程中由于加热不足，保温时间不充分或者冷却不良造成的淬火软点。 零件淬火后局部区域或整体的硬度低于现行标准的规定值，这被称为淬火软点。软点可分为体积软点和表面软点。体积软点延伸到轴承钢零件的深部，其硬度一般在50HRC以下。表面软点是指轴承钢零件表面有很薄（0.3）一层屈氏体组织或小块的局部脱碳层。但是因为其层较薄，打洛氏硬度仅比正常值低23HRC。,3

30、.5 低碳马氏体钢,基 本 性 能,抗拉强度b ，11501500MPa ； 屈服强度s , 9501250 MPa ； 40% ；伸长率，10% ； 冲击韧度AK60J 。 这些性能指标和中碳合金调质钢性能相当， 常规的力学性能甚至优于调质钢。,没有独立钢类，有专门开发的低碳M钢。 低碳结构钢采用淬火+低回工艺，可得到位 错板条M 强度、韧度和塑性的最佳配合,1 成分工艺特点,0.150.25%C，以保证淬火后获得板M + Cr、Mo、Si、Mn、V等 淬透性等性能 15MnVB、20SiMn2MoV等是我国研制开发的,零件断面尺寸，心部可 能淬不透，综合性能 应根据零件的尺寸大小来 选择相

31、应淬透性的钢,成 分 特 点,工 艺 特 点,高温加热 较长t保温 高速冷却,2、低碳马氏体结构钢及应用,应 用,在矿山、汽车、石油、机车车辆、农业机械等 制造工业中得到了广泛的应用,实 例,石油钻机吊环(卡) 20SiMn2MoV代35钢 材料 工艺 重量kg b /MPa AK /J 35 正火 137.4 550 50 20SiMn2MoV 淬火 29 1600 110120,局 限 性,工作温度200;强化后难以进行冷加工焊接 等工序; 只能用于中小件;淬火时变形大,要求严 格的零件慎用.,吊卡实物外形,3.6 表面强化态钢,零件在滑动、滚动、接触 应力、摩擦等工况下工作,磨损和接触疲

32、劳 是主要失效形式,表面应具有高硬度、高接 触疲劳抗力和良好耐磨性， 而心部有一定塑韧性,渗碳钢、渗氮 钢、感应加热淬 火钢等,这类钢适宜制造表面和心部性能要求不同的零件，通 过某种工艺使零件表面硬度高耐磨而心部具有较好强韧 性配合以满足要求。典型零件有齿轮、凸轮等,各种类型的齿轮,3.6.1合金渗碳钢,渗碳钢主要用于制造要求高耐磨性、承受高接触应力和冲击载荷的重要零件，如汽车、拖拉机的变速齿轮，内燃机上凸轮轴、活塞销等。,一、渗碳钢的服役条件及对性能要求,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

33、： （1） 表面具有高的弯曲、接触疲劳强度和高硬度、高的耐磨性。 （2） 心部具有足够的韧性和强度。 （3）具有良好的热处理工艺性能，如高的淬透性和渗碳能力，在高的渗碳温度下，奥氏体晶粒长大倾向小以便于渗碳后直接淬火。,Chapter 3 机械制造结构钢,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 主要合金元素 Mn、Cr、Ni; 辅助合金元素 Mo、 W、Si、V、Ti、B等。 （1）提高钢材的淬透性 (Mn、Cr、Ni) ，从而提高心部的强度和韧性。 V、Ti 、 Mo、W，碳化物形成元素，这些元素通过形成稳定的碳化物

34、来细化奥氏体晶粒，同时还能提高渗碳层的耐磨性。,3.3.1 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） V、Ti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,3.3.1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

35、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,3.3.1 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,Chapter 3 机械制造结构钢,925渗碳时，合金元素对渗碳层深度的影响,3.3.1 合金渗碳钢,Chapter 3 机械制造结构钢,三、渗碳钢的热处理特点,3.3.1 渗碳钢,Cha

36、pter 3 机械制造结构钢,渗碳件一般的工艺路线为： 下料锻造正火机加工渗碳淬火+低温回火磨削。 使用状态下的组织为： 表面是高碳回火马氏体加颗粒状碳化物加少量残余奥氏体（硬度达HRC58-62），心部是低碳回火马氏体加铁素体（淬透）或铁素体加托氏体（未淬透）。,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。,3.3.1 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

37、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380-550HB降低到207240HB，以顺利地进行切削加工。,3.3.1 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。,3.3.1 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

38、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,3.3.1渗碳钢,（2）淬火和低温回火。,3.3.1 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（60-62HRC），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

39、加贝氏体（40-48HRC）淬透性中等的钢种； 低碳回火屈氏体（25-40HRC）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。,3.3.1 渗碳钢,Chapter 3 机械制造结构钢,3.3.1 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

40、； 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。,3.3.1 渗碳钢,Chapter 3 机械制造结构钢,3.3.1 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 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。,3.3

41、.1 渗碳钢,Chapter 3 机械制造结构钢,3.6.2 氮化钢,服役条件： 有些零件工作时载荷不大，基本上无冲 击力；有摩擦，但比齿轮等零件的磨损要轻， 同时也受到交变的疲劳应力。这一类零件重 要的要求是能保持高的精度。常采用氮化钢 进行渗氮处理。 氮化钢（渗氮钢）适合于氮化（或渗氮）工艺的钢种，称氮化钢或渗氮钢。一般狭义而言，是指专门为渗氮零件设计、冶炼、加工的一种特殊钢种。其典型代表为38CrMoAL,合金元素对氮化层深度和表面硬度的影响 （550氮化24h）,3.4 高锰耐磨钢,一、高锰铸钢的化学成分及性能 特点：高碳、高锰。铸件使用。 常用高锰铸钢为ZGMn13型。铸态组织一般是

42、 奥氏体、珠光体、马氏体加碳化物复合组织，力 学性能差，耐磨性低，不宜直接使用。经过水韧 处理（即固溶处理）后的显微组织是单相奥氏 体，软而韧。,二、高锰钢的热处理,1、水韧处理加热T应Acm，一般为1050 1100，在一定保温时间下，K全部溶入A中,2、高锰钢导热性较差，仅为碳素钢的1/4 1/5，热膨胀系数比普通钢大50%，而且铸件尺 寸往往又较大，所以要缓慢加热，以避免产生 裂纹；,13%Mn合金钢的垂直截面相图,3、铸件出炉至入水时间应尽量缩短，以 避免碳化物析出。冷速要快，常采用水冷。 水冷前水温不宜超过30，水冷后水温应小 于60； ？ ？,4、水韧处理后不宜再进行250350的

43、回 火处理，也不宜在250350以上温度环境中 使用。 ？ ？,三、高锰钢的耐磨性及应用,耐 磨 机 理,（冷作硬化）大形变在A基体中产生 大量层错、形变孪晶、和马氏体而硬化 。表面硬度从原来200HB左右可到500HB 以上，硬化深度可达1020mm，而心部仍 保持A，所以能承受较大冲击载荷而不 破裂。在表层逐渐被磨掉的同时，硬化 层不断地向内发展 “前赴后继”。 在低应力和低冲击载荷下，耐磨性往 往不一定好。,应 用,广泛应用于承受大冲击载荷、 强烈磨损的工况下工作的零件，如 各式碎石机的衬板、颚板、磨球， 挖掘机斗齿、坦克的履带板等。 保险箱 ?,思 考 题,高锰钢经水韧处理能得到全部A

44、， 而缓冷却得到大量M。为什么?,3.8 零件材料选择基本原则,设计和制造一个零件时，最根本的问题是选择制造零件的材料及相应的处理工艺，正确选择材料是材料技术人员的基本要求。 现代设计发展的重要特点是将零件设计与材料设计有机的结合起来。,一、选择材料的基本原则,1、材料使用性能要求 最大限度发挥材料潜力,2、材料的工艺性能 加工工艺性能良好,3、经济性 涉及材料的价格、加工成本、国家资 源情况等,零件的总成本与零件寿命的关系,4、其它因素 材料毛坯的选择、生产设备的可能 性、环境协调性等,二、零件的加工工艺路线 基本上可分为三类： （1）性能要求不高的零件 一般是铸铁和碳钢制造。其工艺路线比较

45、简 单：毛坯正火（退火)机械加工零件。如直 接用型材加工，则不需要进行热处理。 （2）性能要求较高的零件 合金钢制造的轴、齿轮等零件。工艺路线： 毛坯 预先热处理机械粗加工最终热处理 （淬火回火或渗碳淬火等)精加工。,（3）要求高的精密零件 一般用于精密丝杆、主轴等。工艺路线 为：毛坯 预先热处理 机械粗加工 热处理 半精加工 氮化处理 精加工 去应力退火 零件。,三、选择材料的基本思路及方法,分析零件 工作条件,确定主要失效抗力指标 作为选材的基本依据,考虑工 艺措施,考察经济性 和生产成本,选择材料,注 意,要合理引用手册上材料的力学性能数据 ； 尽量选用简化加工工艺的材料 ； 零件材料选择要考虑零件的综合成本,四、典型零件材料选择与工艺分析 1、齿轮类零件 不同机械的齿轮，其工作条件差别很大，所 以在选择材料和热处理工艺上也有很大不同。,机 床 齿 轮,载荷不大，工作平稳，一般无大的冲击力， 转速也不高。常选用调质钢制造，如45、40Cr、 42SiMn等钢， 热处理工艺为正火或调质，高频感应加热淬火,一般工艺路线为： 备料 锻造 正火 粗加工 调质处理 半精加工 高频淬火+ 回火 磨削,汽 拖 齿 轮,汽车、拖拉机上的变速箱齿轮属于重载荷齿 轮。一般都采用渗碳钢，如