机器零件用钢.ppt

1、第三章 机械零件用钢,第三章 机械零件用钢,定义： 用于制造各种机器零件的钢种。 按用途分类： 调质钢（及低碳马氏体钢）、弹簧钢、滚动轴承钢、渗碳钢、超高强度钢、耐磨钢、易切削钢、低温用钢等.,第三章 机械零件用钢,3.1 概 述 一、一般特点 1.总体性能特点： 力学性能为主，工艺性能为辅 机器零件结构紧凑、配合准确、 运转灵活并且安全长寿,（1）高强度（强度极限，Mpa） 中碳调质钢、低碳M钢 12001400 ；,第三章 机械零件用钢,钢丝环带,胎唇钢丝,胎体钢丝层,中碳M钢 14002000 ； M时效钢 19002300 ； 高碳冷拉钢丝则达 30004000 。,凸轮轴,第三章 机

2、械零件用钢,（2）较高塑性、韧性。 ：1015% （工程结构钢为2030%） 2.材质与成分： 优质（高级优质）； 中低碳、中低合金（高合金） 3.热处理： 淬火+回火（高温，或中温、低温回火）,第三章 机械零件用钢,二、典型零件服役条件、常见失效方式及性能要求 1.应力特点 （1）承受高负荷，甚至短时超负荷。 （2）复杂应力。 各种静载荷、交变应力、 缺口、摩擦磨损、冲击 （3）同时承受多种应力。,第三章 机械零件用钢,2. 举例 轴类。 应力种类与状态-疲劳、冲击、 弯、扭、 磨损（颈部）； 失效方式-脆断、磨损、疲劳； 主要指标-弯、扭复合疲劳强度， 颈部耐磨性。,第三章 机械零件用钢,

3、齿轮。 应力种类与状态-疲劳、冲击、 压、弯、磨损； 失效方式-脆断、过量磨损、接触疲劳； 主要指标-弯曲疲劳强度、 接触疲劳强度、 耐磨性、 心部屈服强度与冲击韧性。,第三章 机械零件用钢,三、机器零件用钢的强度与脆性 1. 强度比工结钢高得多，、Ak低得多 为保证零件的正常运转而设计高强度， 塑性韧性低得多（10）； 强度越高，韧性越低。 除晶粒细化外，其余强度韧性。,第三章 机械零件用钢,2.强调强度与韧性配合 火箭飞行中的突然断裂、 高压容器的脆断， 都是在低应力下发生 对高强度材料设计时冲击韧性临界值、Tk值，KIc值,第三章 机械零件用钢,四、工艺性能要求 1.零件加工一般工艺流程

4、 毛胚（铸、锻）预备热处理 切削最终热处理磨削。 铸、锻性一般问题不大 无需冷变形和焊接 仅要求切削性与热处理性 淬透性、过热与变形开裂向。,第三章 机械零件用钢,2.切削性和热处理性 良好切削性合适的硬度 热处理调整 主要是热处理的淬透性。,第三章 机械零件用钢,3.淬透性 （1）重要性。 淬透性，则屈强比、韧性（提高KIc，降低Tk）、 表里力性一致。,未完全淬硬,完全淬硬,（2）影响因素与淬透性表示,第三章 机械零件用钢,3.2、渗碳钢,制造渗碳零件的钢种。 1、性能要求 表面具有高硬度、高耐磨性，心部具有足够的韧性和强度，即表硬里韧。 良好的热处理性能,如淬透性和渗碳能力。 在高的渗碳

5、温度（900 950 ）下，奥氏体晶粒不易长大,2、成分特点 低碳：0.10.25%C 合金元素作用： 提高淬透性： Cr、Mn、Ni、B,柴油机曲轴,第三章 机械零件用钢, 强化铁素体： Cr、Mn、Ni 细化晶粒： W、Mo、Ti、V,第三章 机械零件用钢,主要用于制造汽车、拖拉机中的变速齿轮，内燃机上的凸轮轴、活塞销等机器零件。这类零件在工作中遭受强烈的摩擦磨损，同时又承受较大的交变载荷，特别是冲击载荷。 拨叉 变速齿轮,用途,连杆,活塞销,连杆螺栓,3、热处理特点 渗碳件的加工工艺路线为：下料锻造正火机加工渗碳淬火+低温回火 正火目的为调整硬度，便于切削加工。 淬火温度一般为 Ac1+

6、30-50。,4、使用状态下组织 心部：M回+F 表层：M回+颗粒状碳化物+A(少量)；,回火马氏体,渗碳淬火后的表层组织,表面,心部,热处理特点：,渗C+淬火+低温回火,组织：,表层 合金渗C体+回火M(高C)+少量A,心部,低碳回火M,T(或低碳回火M)+少量F,20 CrMnTi 钢制造齿轮的 热处理工艺曲线,常用钢号及用途 低淬透性钢：20、20Cr。,用于受力小的耐磨件，如柴油机的活塞销、凸轮轴等。,凸轮轴,中淬透性钢：20CrMnTi。用于中等载荷的耐磨件，如变速箱齿轮。 高淬透性钢：18Cr2Ni4WA.用于大载荷的耐磨件，如柴油机曲轴。,曲轴,第三章 机械零件用钢,一、调质钢

7、定义-中碳钢调质终处理，做机器重要零件,3.3 调质钢与低碳M型机器结构钢,调质（淬火+高温回火）后使用的中碳合金结构钢。,轴,螺栓,扩展螺栓,支架螺栓,马车螺栓,连杆,1. 性能要求 优良的综合力学性能（涵义）要求较高的强度与良好的塑性与韧性相配合 ； 或“高的淬透性”。,调质件（螺杆）,调质后： 屈服强度8001000Mpa， 10%，ak6080J/cm-2 s800MPa,b980MPa,10%, 45%, ak50J/cm2,调质钢 淬火后M+残余A+碳化物。 高温回火后， 马氏体分解， 碳化物弥散析出， 残余奥氏体转变， 内应力消除回火索氏体组织，综合力学性能好。,汽车万向节,汽车

8、曲轴,S细片状P (600,650),片间距0.20.4m (1000); 2536HRC。,淬火钢450-600回火S回火。 S回火的碳化物分散度很大，呈球状。 故S回火比S具有更好的机械性能。,S回=F多+Fe3C球,再结晶后的(多边形)粗粒状e3C。,回火索氏体,2、热处理及组织特点 调质件的加工工艺路线为：下料锻造退火粗加工调质精加工装配 调质目的：获得良好综合力学性能 使用状态下的组织为：S回,(表面淬火+低温回火)装配,为表面淬火作组织准备；获得最终心部组织.,表面： M回；心部：S回,为提高表面耐磨性，调质后可进行表面淬火或氮化。,感应加热表面淬火,加热感应线圈,淬火层,淬火喷水

9、套,火焰加热表面淬火,中碳 wC=0.250.5% 中合金 Mn, Cr, Si , Ni, B wMe=37% 有时加微量V，以细化晶粒 高级优质 wS,P0.025% 回火脆性小 W、Mo,（一）成分特点,Me作用-提高淬透性 固溶强化（Si、Mn显著）， 细化晶粒（V、Ti、Al显著）， 提高基体韧性（Ni）， 提高回火稳定性（K元素）， 防第二类回火脆性（W、Mo）,（二） 典型牌号,低淬透性合金调质钢 DC水10mm 45 DC油3040mm 40Cr、40MnB 轻载，较小、简单件 中淬透性合金调质钢 DC油4060mm 35CrMo、38CrSi 中载、较大件、较复杂件,高淬透性

10、钢：Dc油60mm, 常用40CrNiMo, 用于制造大截面重载荷零件，如曲轴等。 37CrNi3 还适用于低温,3.4、低碳M型机器结构钢,1.思路： 低碳合金钢 淬火+低温回火， 充分挖掘材料强度。,2.性能特点 （1）力性。 强度、塑性及常温韧性调质钢； 低温韧性和抗缺口敏感性提高， 尤适用于低温下。,90,140,46,低碳M,20SiMn2MoV,40,70,38,调质态,40Cr,70-80,90,41,低碳M,15MnVB,k-50 （J/cm-2）,k室温下（J/cm-2）,硬度HRC,状态,钢号,（2）工艺性。 可冷变形 热处理脱碳和淬火应力小。,低碳马氏体,3.强韧化途径

11、组织： 位错M+ 条间残余A薄膜+ 条内细小K,强化： C、Me固溶强化； 高密度位错强化； Me提高淬透性获位错M； 板M细晶强化-比回火S细 强K细化A； 细小K沉淀强化。,韧化： 细晶、 位错亚结构、 低碳M无显微裂纹、 残余A薄膜、 细小K最大限度保持韧性、 降低第一类回火脆性 （Si,K元素） 以及采用低碳。,4.钢号： （1）合金渗碳钢 （2）某些普通低合金钢 5.存在问题：淬透性低些；冶金工艺复杂些。,3.5、合金弹簧钢,是用来制造弹簧和其它弹性零件的钢种。如拖拉机和火车上的板弹簧和螺旋弹簧。 弹性比功是关键。,（一） 成分及性能特点,1、弹簧是利用弹性变形储存能量或缓和冲击的零

12、件 高的s， s/b； 高的-1； 足够的韧性 高的淬透性。,弹簧拉力弹簧 离合器弹簧 蝶形弹簧,含C量比合金调质钢高， 保证高强度和高的弹性极限。,2、成分特点 中高碳： 碳素弹簧钢：0.60.9%C 合金弹簧钢：0.450.7%C, 合金元素作用： 提高淬透性、强化铁素体：Mn、Si、Cr 提高s/b：Si 细化晶粒：V,加Si、 Mn、Cr、V、Nb、Mo、W, 以钢的淬透性和回火抗力，强化铁素体 加Mo、W、V、Nb，以因Si的加入造成的脱C敏感性,3、热处理及组织特点 冷成型弹簧：冷拔 冷成型定型处理(250300)。 用于10mm弹簧。,冷卷螺旋渐进弹簧, 热成型弹簧： 热成型淬火

13、+中温回火 使用状态下的组织：T回 用于大截面弹簧(10mm),大型热卷弹簧,4、弹簧的表面质量 弹簧的表面质量对其寿命影响很大。 提高表面质量的方法: 防止表面脱碳；,板簧喷丸处理示意图, 避免表面缺陷； 进行喷丸处理，使表 面产生压应力。,板簧喷丸处理示意图,表面压应力,S1压应力层深度,（二）典型牌号,60Si2Mn 含Si、Mn元素的合金弹簧钢，用于制造截面尺寸25mm的弹簧，如汽车脱拉机的板弹簧,50CrVA 含Cr、V元素的合金弹簧钢，用于截面30mm并在350400工作的重载弹簧，如阀门弹簧,3.6、 滚动轴承钢,高硬度、高耐磨、高碳的铬轴承钢， 含C量在0.91.11%含Cr0

14、.51.65%,用于制造轴承套和滚动体的专用钢种。 1、性能要求 轴承工作时, 承受接触应力(达30003500MPa)、周期性交变,载荷(频率达数万次/分)和摩擦。 高而均匀的硬度和耐磨性。 高的b和接触疲劳强度。 足够的韧性、淬透性和耐蚀性.,2、成分特点 高碳：0.91.10%C 合金元素：以Cr为主,加入Mn、Si。 Cr、Mn、Si：淬透性,推力球轴承,Cr: （0.501.65%） 钢的淬透性， 形成合金渗碳体，阻A晶粒长大；耐磨性； Cr 耐蚀性 Cr回火稳定性,但Cr1.65%，淬火钢中A，硬度和稳定性,滚动轴承钢的牌号,G Cr9 Si Mn,3 、热处理和组织特点 滚动轴承

15、钢是过共析钢。 热处理： 球化退火+淬火+低温回火,轴承生产车间,铬轴承钢制造轴承的工艺路线,锻造 球化退火 机加工 淬火 + 冷处理 ( 60 80;1h ) 低温回火 磨削加工 稳定 化处理 ( 120 130；5 10h ),滚动轴承钢的球化退火,目的 细化晶粒，均匀组织，为淬火做准备 降低硬度，提高塑性韧性，便于切削加工,球化退火+ 淬火+ 低温回火,极细回火马氏体+细粒状碳化物+少量残余奥氏体,滚动轴承钢低温回火金相组织, 组织：,淬火细针状马氏体，钢的韧性， 淬火后保留一部分合金渗碳体，有利于钢的接触疲劳强度及耐磨性。 淬火+低温回火回火马氏体,M回+颗粒状碳化物+A(少量) 淬火

16、后进行冷处理(-60 -80), 可以减少A、稳定尺寸.,4、常用钢号及用途 应用最广的是GCr15，大量用于大中型轴承； 大型轴承用GCr15SiMn。 这类钢还可用于制造模具、量具等.,向心球轴承,3.7、 耐磨钢 在强大冲击和磨损条件下使用的钢。如铁道岔口、坦克履带、挖土机铲斗。,工艺,不易切削加工，铸造成型（ZGMn13),是指在冲击载荷作用下发生冲击硬化的高锰钢. 只有ZGMn13一个钢号. 1、成分特点 高碳：1.01.3%C 以保持高耐磨性。 高锰：1114%Mn 以保证形成奥氏体组织.,原理,2、热处理及组织 铸态组织为奥氏体+碳化物, 性能硬而脆. 热处理采用水韧处理。即将钢

17、加热到1100，使碳化物溶入奥氏体，并进行水淬。 室温组织为过饱和单相奥氏体。,3、使用及用途 水韧处理后，韧性高，硬度低.使用时必须伴随着压力和冲击作用。 在压力及冲击作用下，表面奥氏体迅速加工硬化，形成马氏体并析出碳化物，使表面硬度提高到HB500550，获得高耐磨性。而心部仍为奥氏体组织,具有高耐冲击能力。,高锰钢广泛用于既要求耐磨又要求耐冲击的零件。如拖拉机的履带板、球磨机衬板、破碎,机牙板、挖掘机铲齿和铁路辙岔等.,Fe-Fe3C相图,碳钢与合金钢,钢的选用,一、非热处理状态使用,1.重要主体结构件，如桥梁、船舶、车辆等，承载 较大 低合金高强度结构钢，如Q345（16Mn）、 Q2

18、95（09MnNb）等。,2.一般结构件，如支架、吊钓、普通螺钉（栓）等， 承载一般 碳素结构钢，如Q195、Q235等。,3.壳体类零件，如驾驶室、灯罩等 塑性好的低 碳成分钢，如Q195、08F、10F等。,钢的选用,二、热处理后使用,1. 渗碳件，如齿轮, 低碳成分的钢,小尺寸，优质碳素结构钢（低碳钢）：20 大尺寸，合金渗碳钢，如高速齿轮：20CrMnTi,热处理工艺：正火 + 渗碳 + 淬火 + 低温回火,组织：表面高碳回火马氏体，心部低碳回火马氏体,碳钢与合金钢,钢的选用,二、热处理后使用,2. 轴（旋转）类，空间运动类零件，如曲轴、连杆, 中碳成分的钢,小尺寸，优质碳素结构钢（中碳钢）：曲轴、齿 轮，45钢 大尺寸（或工作温度较高），合金调质钢，如半 轴、连杆，40Cr,热处理工艺：调质（正火）+（表面淬火 + 低温 回火）,组织：回火索氏体（索氏体）（表面回火马氏体）,注意：根据承载和表面耐磨性情况，碳量可适当 调整,碳钢与合金钢,钢的选用,二、热处理后使用,3. 弹簧类零件, 高碳成分的钢,小尺寸，优