1、第四章第四章 机器零件用钢机器零件用钢主要内容主要内容渗碳钢调质钢弹簧钢滚动轴承钢机器零件用钢的强韧化超高强度结构钢了解机器零件用钢的强韧化机制；了解机器零件用钢的强韧化机制； 渗碳钢、调质零件、弹簧、滚动轴承以及超强度渗碳钢、调质零件、弹簧、滚动轴承以及超强度结构钢的服役条件及对钢的基本性能要求，化结构钢的服役条件及对钢的基本性能要求，化学成分特点和热处理特点；学成分特点和热处理特点； 掌握常用渗碳钢、调质钢、弹簧钢及滚动轴承钢掌握常用渗碳钢、调质钢、弹簧钢及滚动轴承钢以及超强度结构钢的组织性能特点及用途以及超强度结构钢的组织性能特点及用途。 本章教学本章教学基本基本要求要求 一、应用背景一
2、、应用背景： 机器零件用钢也称机械制造结构用钢，是用于制机器零件用钢也称机械制造结构用钢，是用于制造各种机械零件的钢种造各种机械零件的钢种。 机器零件用钢是在优质碳素结构钢的基础上发展机器零件用钢是在优质碳素结构钢的基础上发展起来的，如各种齿轮零件、轴（杆）类零件、弹起来的，如各种齿轮零件、轴（杆）类零件、弹簧、轴承及高强度结构件等。广泛应用在汽车、簧、轴承及高强度结构件等。广泛应用在汽车、拖拉机、机床、工程机械、电站设备、飞机及火拖拉机、机床、工程机械、电站设备、飞机及火箭等装置上。箭等装置上。 引言引言拨叉拨叉变速齿轮变速齿轮变速箱变速箱齿轮齿轮曲轴曲轴汽车万向节汽车万向节连杆连杆弹簧弹簧
3、离合器弹簧离合器弹簧蝶形弹簧蝶形弹簧板弹簧板弹簧拉力弹簧拉力弹簧滚珠轴承滚珠轴承滚珠轴承滚珠轴承调心球轴承调心球轴承 履带履带铁轨分道叉铁轨分道叉破碎机颚板破碎机颚板挖掘机斗齿挖掘机斗齿 受载情况受载情况：主要承受拉伸、压缩、扭转、剪切、弯曲、：主要承受拉伸、压缩、扭转、剪切、弯曲、冲击、疲劳、摩擦等力的作用，或者承受多种载荷的交冲击、疲劳、摩擦等力的作用，或者承受多种载荷的交互作用。互作用。 服役环境服役环境：大气、水和润滑油，温度在：大气、水和润滑油，温度在-50-50100100。 要求结构紧凑、运转快速准确以及零件间有合适的公差要求结构紧凑、运转快速准确以及零件间有合适的公差配合等配合
4、等。 由此便决定机器零件用钢在性能上要求与工程构件用钢由此便决定机器零件用钢在性能上要求与工程构件用钢有所不同有所不同。二、机器零件用钢的服役条件二、机器零件用钢的服役条件良好的强度和韧性良好的强度和韧性 以保证机器零件体积小、结构紧凑及安全性好；以保证机器零件体积小、结构紧凑及安全性好； 良好的疲劳性能与耐磨性等良好的疲劳性能与耐磨性等 因此对机器零件用钢必须进行热处理强化以充因此对机器零件用钢必须进行热处理强化以充分发挥钢材的性能潜力，所以机器零件用钢的分发挥钢材的性能潜力，所以机器零件用钢的使使用状态通常为淬火加回火态，即强化态。用状态通常为淬火加回火态，即强化态。三、机器零件用钢对力学
5、性能要求三、机器零件用钢对力学性能要求 机器零件用钢制造工艺繁多机器零件用钢制造工艺繁多： 热加工：铸造、轧制、挤压、拉拔、锻造、焊接、热处理。热加工：铸造、轧制、挤压、拉拔、锻造、焊接、热处理。 冷加工：车、铣、刨、磨冷加工：车、铣、刨、磨等等。等等。 通常机器零件的制造工艺流程为：通常机器零件的制造工艺流程为： 其中以其中以切削加工性能切削加工性能和和热处理工艺性能热处理工艺性能为机器零件用钢为机器零件用钢的主要工艺性能；的主要工艺性能；型材型材改锻改锻预先热处理预先热处理粗加工粗加工最终热处理最终热处理精加工精加工四、机器零件对工艺性能的要求四、机器零件对工艺性能的要求 机器零件用钢钢种
6、：机器零件用钢钢种： 渗碳用钢、调质钢、弹簧钢、轴承钢、氮化用钢、渗碳用钢、调质钢、弹簧钢、轴承钢、氮化用钢、低碳马氏体钢、超高强度钢、低淬透性钢、耐磨钢、低碳马氏体钢、超高强度钢、低淬透性钢、耐磨钢、易切削钢等。易切削钢等。 机器零件用钢通常机器零件用钢通常以力学性能为主，以力学性能为主，工艺性能为辅工艺性能为辅。第一节第一节 机器零件用钢的强韧化机器零件用钢的强韧化一、一、机器零件用钢的强韧化的基本方法机器零件用钢的强韧化的基本方法 由前面介绍的机器零件用钢的工作环境、力学性能由前面介绍的机器零件用钢的工作环境、力学性能要求和工艺性能要求可以看到：要求和工艺性能要求可以看到： 不同零件对性
7、能要求侧重点有很大的区别，但其共同不同零件对性能要求侧重点有很大的区别，但其共同特点都可以归一为特点都可以归一为强度强度和和韧性韧性两个方面。因此机器零件两个方面。因此机器零件用钢在使用过程中，总希望尽可能高的强度和保证足够用钢在使用过程中，总希望尽可能高的强度和保证足够的韧性。的韧性。 为使机器零件用钢获得高强度和足够韧性，主要采用为使机器零件用钢获得高强度和足够韧性，主要采用固溶强化固溶强化、沉淀强化沉淀强化、细晶强化细晶强化等方法。等方法。 热处理淬火，回火等热处理淬火，回火等相变强化相变强化手段也是机器零件用钢手段也是机器零件用钢必不可少的工艺方法。必不可少的工艺方法。二、合金元素在机
8、器零件用钢中的作用二、合金元素在机器零件用钢中的作用 在机器零件用钢中合金元素分为两大类：在机器零件用钢中合金元素分为两大类： 主加元素：主加元素：提高淬透性和提高淬透性和固固溶强化溶强化 辅加元素：辅加元素：细化晶粒，防止第二类回火脆性细化晶粒，防止第二类回火脆性 和改善切削加工性能。和改善切削加工性能。 1 主加元素作用主加元素作用 (1).提高淬透性提高淬透性 提高淬透性元素：提高淬透性元素：Ni，Si，Cr，Mo，Mn，（，（B）等）等 只有合金元素完全溶入奥氏体中才能提高淬透性只有合金元素完全溶入奥氏体中才能提高淬透性 (2).固溶强化固溶强化 Ni，Si，Cr，Mo，Mn等等不仅可
9、以提高淬透性而且都不仅可以提高淬透性而且都能产生固溶强化效果。能产生固溶强化效果。 2、辅加元素作用、辅加元素作用 (1).(1).提高回火稳定性提高回火稳定性 W ，Mo，v，Ti等等。 (2).(2).细化晶粒细化晶粒 除除Mn外，碳化物形成元素均能细化外，碳化物形成元素均能细化A晶粒，其中强晶粒，其中强碳化物形成元素作用大碳化物形成元素作用大。 (4).(4).防止第二类回火脆性防止第二类回火脆性 Mo，W等等 (5).(5).改善切削性能改善切削性能 S，Ca，Se，Pb，Bi等等三三. .机器零件用钢的含碳量和热处理工艺的选择机器零件用钢的含碳量和热处理工艺的选择 一般不重要的零件：
10、一般不重要的零件： 中碳钢中碳钢，正火，正火 表面耐磨及接触应力较大的零件：表面耐磨及接触应力较大的零件： 渗碳钢渗碳钢，渗碳、淬火低温回火，渗碳、淬火低温回火 综合力学性能：综合力学性能： 中碳调质钢中碳调质钢，淬火高温回火，淬火高温回火 低碳马氏体钢低碳马氏体钢，淬火低温回火，淬火低温回火 高的弹性极限高的弹性极限： 0.6-0.90.6-0.9C C，弹簧钢，弹簧钢，淬火中温回火，淬火中温回火 高硬度高耐磨、高接触疲劳性能高硬度高耐磨、高接触疲劳性能： 轴承钢轴承钢，淬火低温回火，淬火低温回火第二节第二节 渗碳钢渗碳钢一、渗碳钢一、渗碳钢 机器零件中，如齿轮，用低碳钢、低碳机器零件中，如
11、齿轮，用低碳钢、低碳合金钢进行渗碳，使零件从表面到心部合金钢进行渗碳，使零件从表面到心部具有从高碳（具有从高碳（0.80.81.1%C1.1%C）到低碳）到低碳（0.100.100.25%C0.25%C）连续过渡的化学成分。）连续过渡的化学成分。称这类钢为称这类钢为渗碳钢渗碳钢。 淬火、回火后：淬火、回火后：零件表面层零件表面层具有高强具有高强度、高耐磨性，零件度、高耐磨性，零件心部心部具有适当的强具有适当的强度和较好的韧性。度和较好的韧性。 1. 1. 低碳低碳 一般在一般在0.12% 0.12% 0.25%0.25%C C。主要目的是为了保证心部有。主要目的是为了保证心部有良好的韧性。良好
12、的韧性。2. 2. 合金化特点合金化特点 常用的合金元素有常用的合金元素有CrCr、MnMn、NiNi、SiSi、MoMo、TiTi、V V、B B、W W等。等。（1 1）提高淬透性）提高淬透性 CrCr、MnMn、NiNi、SiSi、MoMo、B B提高钢材的淬透性，提高零件提高钢材的淬透性，提高零件的强度和韧性；的强度和韧性；二、二、 渗碳钢的化学成分特点渗碳钢的化学成分特点 常加入少量强碳化物形成元素常加入少量强碳化物形成元素TiTi、 V V等阻止奥等阻止奥氏体的晶粒长大。氏体的晶粒长大。（3 3）细化晶粒）细化晶粒 利用碳化物形成元素，如利用碳化物形成元素，如CrCr，MoMo，W
13、 W等在渗碳后等在渗碳后的表层形成碳化物，提高硬度和耐磨性。的表层形成碳化物，提高硬度和耐磨性。（2 2）提高渗层硬度和耐磨性）提高渗层硬度和耐磨性（1 1）对表层碳浓度及渗）对表层碳浓度及渗碳层浓度梯度的影响碳层浓度梯度的影响 碳化物形成元素碳化物形成元素 CrCr、MoMo、WW能增大钢表面能增大钢表面吸收渗碳气氛中吸收渗碳气氛中C C原子能原子能力，同时又降低了力，同时又降低了C C在奥在奥氏体中的扩散系数，因此氏体中的扩散系数，因此渗层表面碳浓度大，渗碳渗层表面碳浓度大，渗碳层表面碳分布陡；层表面碳分布陡；3 3、合金元素对、合金元素对渗层性能的影响渗层性能的影响 SiSi元素元素 S
14、i Si使钢的表面增碳使钢的表面增碳困难，困难，使渗碳速度使渗碳速度降低，因此渗碳钢降低，因此渗碳钢很少加很少加Si Si 非碳化物形成元素非碳化物形成元素NiNi 的作用相反，的作用相反， 加速加速C C原子扩散，原子扩散，降低表层降低表层碳浓度，有利于形成碳浓度，有利于形成由表及里的较平缓的由表及里的较平缓的碳浓度梯度。碳浓度梯度。（2 2）对表层碳化物形态的影响）对表层碳化物形态的影响V V，W W，MoMo易使表面碳化物呈长条状和网状易使表面碳化物呈长条状和网状分布，产生脆化。分布，产生脆化。CrCr易使碳化物呈粒状分易使碳化物呈粒状分布，韧性降低不明显。布，韧性降低不明显。 因此，合
15、理搭配碳化物形成元素和非碳化物形因此，合理搭配碳化物形成元素和非碳化物形成元素（成元素（NiNi），），可以加快钢渗碳速度和较快获得可以加快钢渗碳速度和较快获得必要的表面碳浓度、渗层深度，避免表面碳浓度必要的表面碳浓度、渗层深度，避免表面碳浓度太高及渗层碳浓度分布太陡。太高及渗层碳浓度分布太陡。三、三、 常用渗碳钢及热处理常用渗碳钢及热处理（一）常用渗碳钢（一）常用渗碳钢1.1.低淬透性渗碳钢低淬透性渗碳钢 （适用于负荷不适用于负荷不大，对心部要求不大，对心部要求不高的小型渗碳件）高的小型渗碳件） 1515，2020，20Mn220Mn2，20MnV20MnV，15Cr15Cr，20Cr20C
16、r，20CrV20CrV柴油机凸轮轴柴油机凸轮轴凸轮轴工作原理示意图凸轮轴工作原理示意图2.2. 中淬透性渗碳钢中淬透性渗碳钢 适用于中型负荷，适用于中型负荷，截面较大的耐磨件，截面较大的耐磨件，如汽车的变速箱齿轮如汽车的变速箱齿轮 20CrMn20CrMn 20CrMnTi 20CrMnTi 20MnVB 20MnVB 20Mn2B 20Mn2B汽车的变速箱齿轮汽车的变速箱齿轮3. 3. 高淬透性渗碳钢高淬透性渗碳钢 适用于重载荷，适用于重载荷，大截面，高耐磨性，大截面，高耐磨性，良好心部韧性的零良好心部韧性的零件，如航空发动机件，如航空发动机齿轮，高速柴油机齿轮，高速柴油机曲轴等曲轴等 2
17、0CrMnMo20CrMnMo，12Cr2Ni412Cr2Ni4，20Cr2Ni4, 20Cr2Ni4, 18Cr2Ni4WA18Cr2Ni4WA增压柴油机曲轴增压柴油机曲轴( (二二) )渗碳钢热处理渗碳钢热处理o预先热处理预先热处理o渗碳渗碳o渗碳后热处理渗碳后热处理渗碳炉渗碳炉预先热处理预先热处理 合金渗碳钢零件，在机械加工前的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通常分两步进行。第一步：正火第一步：正火退火（对退火（对P型钢）型钢）第二步：第二步：高温回火（对高温回火（对M型钢）型钢）正火的目的正火的目的： 是细化晶粒，减少组织中的带状程度并调整好硬是细化晶粒
18、，减少组织中的带状程度并调整好硬度，便于机械加工，。度，便于机械加工，。l对珠光体型钢对珠光体型钢，通常用在，通常用在800800左右的一次退火左右的一次退火代替正火，可得到相同的效果，即既细化晶粒又代替正火，可得到相同的效果，即既细化晶粒又改善切削加工性能；改善切削加工性能； l对马氏体型钢对马氏体型钢，则必须在正火之后，再在，则必须在正火之后，再在Ac1Ac1以以下温度进行高温回火，以获得回火索氏体组织，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这样可使马氏体型钢的硬度由380550HB380550HB降低降低到到207240HB207240HB，以顺利地进行切削
19、加工。，以顺利地进行切削加工。 渗碳渗碳 在机械加工到只留有磨削余量时，进行渗碳在机械加工到只留有磨削余量时，进行渗碳处理。温度：处理。温度：900-950900-950 渗碳后热处理：渗碳后热处理： 淬火低温回火淬火低温回火( ( 高硬度表层强韧的心部组织高硬度表层强韧的心部组织) ) 具体方法有以下几种：具体方法有以下几种： 渗碳后渗碳后降温直接淬火低温回火降温直接淬火低温回火 渗碳后渗碳后一次淬火低温回火，一次淬火低温回火， 渗碳后渗碳后二次淬火低温回火，二次淬火低温回火， 渗碳后渗碳后多次高温回火淬火低温回火多次高温回火淬火低温回火 ( (高淬透性渗碳钢高淬透性渗碳钢) ) 渗碳后渗碳
20、后空冷并直接冷处理低温回火空冷并直接冷处理低温回火 ( (高淬透性渗碳钢高淬透性渗碳钢) ) 渗后热处理渗后热处理1. 1. 渗碳后降温直接淬火低温回火渗碳后降温直接淬火低温回火 这种工艺主要用于这种工艺主要用于渗碳后不容易过热的渗碳后不容易过热的钢种钢种( (含含TiTi，V) V) ， 如如20CrV，20CrMnTi 零件表面高硬度和零件表面高硬度和高高耐磨性，耐磨性，对对心部心部性性能要求不高。能要求不高。 20CrMnTi20CrMnTi钢齿轮的热处理规范钢齿轮的热处理规范预备热处理预备热处理2.2.一次淬火一次淬火 对于碳素钢（对于碳素钢（1515，2020）或者）或者易过热的合金
21、渗碳钢（易过热的合金渗碳钢（20Mn220Mn2，20Mn2B20Mn2B，20Cr20Cr等等），），在渗碳后在渗碳后空冷到室温空冷到室温（即正火处理）（即正火处理） ，再重新加热到略高于心部再重新加热到略高于心部AcAc3 3温温度淬火度淬火。细化心部晶粒并消除细化心部晶粒并消除表面网状组织表面网状组织。 对要求表面高硬度、高耐磨性对要求表面高硬度、高耐磨性外，对心部性能有较高要求时，外，对心部性能有较高要求时，可采用这种工艺。可采用这种工艺。渗碳渗碳3.3.二次淬火二次淬火u渗碳空冷后，进行两次淬火。渗碳空冷后，进行两次淬火。当对零件表当对零件表面和面和心部心部性能的要求都很严格性能的要
22、求都很严格，易过热的易过热的钢钢，可用这种工艺可用这种工艺；u第一次按钢的第一次按钢的心部心部成分加热淬火成分加热淬火 加热温度较高加热温度较高Ac3以上（以上（870左右），左右），目的是细化心部组织并目的是细化心部组织并进一进一步步消除表消除表面渗碳层中的网状渗碳体；面渗碳层中的网状渗碳体； n第二次按第二次按（表面（表面)高碳钢成分进行淬火高碳钢成分进行淬火加热温度较低，加热温度较低，Ac1以上，不完全淬火，以上，不完全淬火，目的是使表面获得细小的马氏体目的是使表面获得细小的马氏体+粒粒状碳化物组织，以满足表面高性能的状碳化物组织，以满足表面高性能的要求；要求； n最后进行低温回火最后进
23、行低温回火 ，起消除应力、起消除应力、稳定组织和稳定尺寸的作用。稳定组织和稳定尺寸的作用。4.4.高合金元素渗碳钢的淬火、回火高合金元素渗碳钢的淬火、回火 高合金含量的渗碳钢，渗后表层碳浓度高，高合金含量的渗碳钢，渗后表层碳浓度高，导致导致MsMs点大大降低，使淬火后的残余点大大降低，使淬火后的残余A A量很大，量很大，使表面硬度下降，因此为减少残余使表面硬度下降，因此为减少残余A A数量，一般数量，一般的方法有两种：的方法有两种：（1 1）渗碳后，淬火前进行一次或多次高温回火；）渗碳后，淬火前进行一次或多次高温回火；（2 2）渗碳后空冷并直接冷处理）渗碳后空冷并直接冷处理；（1 1）渗碳后，
24、淬火前进行一次或多次高温回火）渗碳后，淬火前进行一次或多次高温回火 一次或多次回火的目的是，从一次或多次回火的目的是，从M M及残余及残余A A中析出碳化物中析出碳化物，然后再加热到然后再加热到Ac1Ac130305050较低温度淬火，这时已析出的较低温度淬火，这时已析出的碳化物不能再溶入碳化物不能再溶入A A中，从而减少了中，从而减少了A A中碳及合金元素的含中碳及合金元素的含量，提高了量，提高了MsMs点，减少了残余点，减少了残余A A数量。数量。（2 2） 渗碳后空冷并直接冷处理渗碳后空冷并直接冷处理 有的高合金钢渗碳有的高合金钢渗碳后后的的MsMs点在室温以下，点在室温以下，如如18C
25、r2Ni4W18Cr2Ni4W，零件，零件冷却到室温只能有一冷却到室温只能有一部分过冷奥氏体转变部分过冷奥氏体转变成成M M，一般通过深冷，一般通过深冷处理就可以使处理就可以使A A完全完全转变成转变成M M渗碳渗碳第三节第三节 调质钢调质钢调质钢：调质钢： 淬火高温回火淬火高温回火后使用的后使用的中碳钢或中碳合金钢为调中碳钢或中碳合金钢为调质钢，是机械制造业中用质钢，是机械制造业中用量最大的钢种。量最大的钢种。调质件（螺杆）调质件（螺杆）一、调质钢组织和性能特点一、调质钢组织和性能特点（一）（一） 性能要求性能要求 以机床主轴和柴油机曲轴为例：以机床主轴和柴油机曲轴为例： 1.受载情况受载情
26、况：负荷经常变动，承受冲击作用，：负荷经常变动，承受冲击作用，轴颈处还存在剧烈摩擦。轴颈处还存在剧烈摩擦。 2.失效形式失效形式：易产生疲劳断裂，过量变形，：易产生疲劳断裂，过量变形，局部磨损。局部磨损。 3. 性能要求性能要求：较高的（屈服、疲劳）强度，较高的（屈服、疲劳）强度，高的耐磨性，较好的韧性。高的耐磨性，较好的韧性。 （二）调质钢组织特点（二）调质钢组织特点 调质后得到调质后得到回火索氏体回火索氏体，其特点是：，其特点是： 1. 1.铁素体基体上均匀分布的粒状碳化物，起弥散强化，溶入铁素体基体上均匀分布的粒状碳化物，起弥散强化，溶入基体的碳与合金元素起固溶强化，这样保证了高强度；基
27、体的碳与合金元素起固溶强化，这样保证了高强度； 2.2.铁素体基体上均匀分布的粒状碳化物，组织均匀，保证良铁素体基体上均匀分布的粒状碳化物，组织均匀，保证良好的塑性、韧性；好的塑性、韧性； 3. 3. 由淬火马氏体转变来的铁素体，晶粒细小，使得韧脆转变由淬火马氏体转变来的铁素体，晶粒细小，使得韧脆转变温度低。温度低。 以上组织特点使调质钢具有强度、塑性和韧性的良好配以上组织特点使调质钢具有强度、塑性和韧性的良好配合合二、调质钢化学成分二、调质钢化学成分 中碳：中碳：0.3-0.5%C0.3-0.5%C 合金元素作用合金元素作用： 提高淬透性提高淬透性: : MnMn、SiSi、CrCr、Ni
28、Ni 、Mo Mo 、 B B 固溶强化固溶强化: : MnMn、SiSi、 CrCr、Ni Ni 、Mo Mo 细化晶粒细化晶粒: Ti: Ti、V V、W W、MoMo 防止第二类回火脆性防止第二类回火脆性: : 0.3-0.5%W 0.3-0.5%W、0.3-0.5%Mo0.3-0.5%Mo 调质件（冷却轮）调质件（冷却轮）破碎机主轴破碎机主轴三、常用调质钢三、常用调质钢1. 1. 低淬透性低淬透性 45，45Mn2，35SiMn，40MnB，40MnVB，40Cr2. 2. 中淬透性中淬透性 38CrSi，35CrMo，40CrMn，30CrMnSi，40CrNi，38CrMoAl3.
29、 3. 高淬透性高淬透性 37SiMn2MoVA，37CrNi，40CrMnMo，40CrNiMoA，45CrNiMoVA，25Cr2NI4WA等等注：根据淬火回火钢的力学性能相似规律，同一注：根据淬火回火钢的力学性能相似规律，同一级别淬透性的钢种可以相互替代。级别淬透性的钢种可以相互替代。四、典型调质钢介绍四、典型调质钢介绍 调质钢中最常用的有调质钢中最常用的有4545，40Cr40Cr，35CrMo35CrMo，40CrNiMoA40CrNiMoA等等o45钢钢 有好的强度和韧性的配合，但淬透性低，水有好的强度和韧性的配合，但淬透性低，水中淬火易裂，直径超过中淬火易裂，直径超过80mm80
30、mm，一般不用它。，一般不用它。 4545钢适合表面淬火，代替部分渗碳件钢适合表面淬火，代替部分渗碳件 应用：中小型零件，如小型齿轮、轴、螺栓应用：中小型零件，如小型齿轮、轴、螺栓等。等。o40Cr 最常用的合金调质最常用的合金调质钢淬透性好于钢淬透性好于4545钢。钢。 用于制造中等负用于制造中等负荷及中等速度工作的荷及中等速度工作的零件，如零件，如：汽车转汽车转向节，齿轮，蜗杆，向节，齿轮，蜗杆，轴等。轴等。汽车转向节汽车转向节o35CrMo 具有较好的淬透具有较好的淬透性，高的屈服强度，性，高的屈服强度，疲劳强度和冲击韧性疲劳强度和冲击韧性用于受冲击，振动，用于受冲击，振动，弯曲，扭转的
31、零件。弯曲，扭转的零件。 用于制造用于制造：车轴，大：车轴，大电机轴，锤杆，汽轮电机轴，锤杆，汽轮机主轴，工作温度高机主轴，工作温度高的螺栓和螺母。的螺栓和螺母。汽轮机汽轮机o40CrNiMoA 高强度，高韧性，高强度，高韧性，高淬透性。用于制高淬透性。用于制作高强度，高韧性作高强度，高韧性的大尺寸重要零件。的大尺寸重要零件。如：重型机械中的高负如：重型机械中的高负荷轴类，直径大于荷轴类，直径大于250mm250mm的汽轮机轴和的汽轮机轴和叶片，高负荷传动叶片，高负荷传动件，曲轴等。件，曲轴等。某军舰汽轮机主轴某军舰汽轮机主轴五、调质钢的热处理五、调质钢的热处理1. 1. 预处理预处理对珠光体
32、型钢对珠光体型钢： 热加工后的组织是铁素体和细片状珠光体热加工后的组织是铁素体和细片状珠光体的，应加热到的，应加热到AcAc3 3以上以上正火或完全退火正火或完全退火，以，以细化晶粒，减轻带状程度，改善钢的切削加细化晶粒，减轻带状程度，改善钢的切削加工性能。工性能。对马氏体型钢对马氏体型钢： 热加工后的组织出现马氏体，应热加工后的组织出现马氏体，应正火高正火高温回火温回火，以降低硬度，便于切削加工。，以降低硬度，便于切削加工。淬火高温回火淬火高温回火淬火：淬火：AcAc3 3以上，油淬。以上，油淬。回火：回火：500-650500-650，获得，获得回火索回火索氏体氏体，但应注意第二类回火，但
33、应注意第二类回火脆性。脆性。 45#45#调质处理后调质处理后的回火索氏体的回火索氏体 有时为了获得高强度，调质钢也有时为了获得高强度，调质钢也可进行低温（可进行低温（200-250200-250） 回火，回火，适当牺牲塑性、韧性，获得回火马适当牺牲塑性、韧性，获得回火马氏体。氏体。2 2、最终热处理、最终热处理六、调质钢的发展动向六、调质钢的发展动向（一）低碳马氏体钢（一）低碳马氏体钢 1.调质钢热处理后性能的缺点调质钢热处理后性能的缺点 （1）淬火高温回火（）淬火高温回火（S回回） 塑性、韧性的提高牺牲了强度。塑性、韧性的提高牺牲了强度。 （2）淬火低温回火（）淬火低温回火（M回回） 强度
34、的提高牺牲了韧性。强度的提高牺牲了韧性。 2.低碳马氏体钢低碳马氏体钢（解决了上述一对矛盾）（解决了上述一对矛盾） 低碳马氏体钢是低碳（合金）钢，淬火后获得组织为：低碳马氏体钢是低碳（合金）钢，淬火后获得组织为： M板板板条间相界板条间相界A薄膜板条内部自回火或低温回火析出的薄膜板条内部自回火或低温回火析出的均匀分布的细小碳化物均匀分布的细小碳化物 这种组织实现了钢的强度、塑性和韧性的最佳配合，比调质钢热处理这种组织实现了钢的强度、塑性和韧性的最佳配合，比调质钢热处理后具有更优越的综合力学性能。后具有更优越的综合力学性能。3.3.代表牌号代表牌号 15MnVB，20CrMnTi，20SiMn2
35、MoVA，18Cr2Ni4WA 用低碳马氏体钢代替调质钢用低碳马氏体钢代替调质钢40Cr，40CrNi等可大等可大幅度降低构件的重量，改善产品工艺性能（切削，焊接幅度降低构件的重量，改善产品工艺性能（切削，焊接等），提高产品质量、可靠性及使用寿命。等），提高产品质量、可靠性及使用寿命。 是机械制造行业中调质钢的一个重要分支是机械制造行业中调质钢的一个重要分支。（二）中碳微合金非调质钢（二）中碳微合金非调质钢1. 中碳微合金非调质钢中碳微合金非调质钢：是调质零件用钢的一种新型钢种。是调质零件用钢的一种新型钢种。 优点：在锻造（热轧）后直接加工成零件，就可以达到强度韧性的要求，优点：在锻造（热轧）
36、后直接加工成零件，就可以达到强度韧性的要求， 省去了调质处理及热处理变形校直等工序，工序简单，节省成本，节约能省去了调质处理及热处理变形校直等工序，工序简单，节省成本，节约能源。源。2.合金化特点合金化特点 （1）中碳合金钢，）中碳合金钢，Mn固溶强化；固溶强化； （2）加微量元素：）加微量元素：V，Ti，Nb 细化晶粒，沉淀强化；细化晶粒，沉淀强化； （3）加）加S，Pb改善切削加工性能；改善切削加工性能；3. 组织：组织：FP 如果在高强韧性非调质钢如果在高强韧性非调质钢适当降低碳含量并再添加适当降低碳含量并再添加Cr、Mo、B， 便可获得便可获得B或或M组织组织。4. 牌号、性能和用途牌
37、号、性能和用途 45MnV，42MnNbV，35MnVS等等 这种钢强度较高，可达这种钢强度较高，可达900MPa，但韧性较差。一般用在非重要的构件。，但韧性较差。一般用在非重要的构件。第四节第四节 弹簧钢弹簧钢 弹簧的主要作用弹簧的主要作用： 1.吸收冲击能量吸收冲击能量，缓和机器的振动和缓和机器的振动和冲击作用冲击作用； 2. 储存能量储存能量，使，使机件完成事先规定机件完成事先规定的动作，保证机器的动作，保证机器和仪表的正常工作。和仪表的正常工作。汽车板簧，连接车轮和车架，汽车板簧，连接车轮和车架，承受车厢的自重和载重，并承受车厢的自重和载重，并承受由于路面不平引起的冲击承受由于路面不平
38、引起的冲击一、对弹簧组织性能的要求一、对弹簧组织性能的要求 1.组织组织 回火屈氏体。回火屈氏体。 2.性能性能 高的弹性极限；高的弹性极限； 高的屈服强度；高的屈服强度； 高的疲劳强度；高的疲劳强度； 良好的加工性，有良好的加工性，有利成型；利成型； 某些条件下，具有某些条件下，具有良好的耐热性和耐良好的耐热性和耐蚀性。蚀性。二、弹簧钢的化学成分二、弹簧钢的化学成分 1.碳素弹簧钢碳素弹簧钢 含碳量：含碳量：0.6-0.9，接近共析点，接近共析点 2.合金弹簧钢合金弹簧钢 含碳量：含碳量：0.45-0.7，接近共析点，这是由于合，接近共析点，这是由于合金元素使共析点左移的结果金元素使共析点左
39、移的结果 主加合金元素主加合金元素：Si、Mn（Cr） 輔加合金元素輔加合金元素：Mo、W、V等等 主要作用主要作用 （1）提高淬透性：）提高淬透性：Si、Mn（Cr） （2）提高回火稳定性：）提高回火稳定性： Mo、W、V （还可以降低（还可以降低Si的脱碳敏感性）的脱碳敏感性）三、常用弹簧钢及热处理三、常用弹簧钢及热处理（一）常用弹簧钢（一）常用弹簧钢 1. 碳素弹簧钢碳素弹簧钢 代表钢种：代表钢种：65钢钢 特点：淬透性差，适用制作小截面弹簧，冷成形制造。特点：淬透性差，适用制作小截面弹簧，冷成形制造。 2. 合金弹簧钢合金弹簧钢 代表钢种：代表钢种：65Mn，60Si2Mn，50CrV
40、A，60CrMnBA 特点：较好的强度、硬度、淬透性，制造较尺寸的弹簧。特点：较好的强度、硬度、淬透性，制造较尺寸的弹簧。常用弹簧钢常用弹簧钢（二）弹簧钢的热处理（二）弹簧钢的热处理 弹簧按加工方法分为弹簧按加工方法分为热成形热成形与与冷冷成形成形两大类：两大类： 冷成型弹簧冷成型弹簧：先进行冷变形使钢具有：先进行冷变形使钢具有一定性能之后再制作成一定形状弹簧。一定性能之后再制作成一定形状弹簧。 冷拔冷拔绕簧（冷成型）绕簧（冷成型）定型处理定型处理（ 250-300250-300去应力、稳定尺寸）去应力、稳定尺寸） 磨端面磨端面 喷丸喷丸第二次去应力退第二次去应力退火火发蓝。发蓝。 用于直径小
41、于用于直径小于10mm10mm弹簧。弹簧。 热成型弹簧热成型弹簧： 热成型热成型淬火淬火+ +中温回火中温回火喷丸喷丸 使用状态下的组织：使用状态下的组织：T T回回 用于大截面弹簧用于大截面弹簧(10mm)10mm) 弹簧的弯曲、扭转应力在表面最大，弹簧的弯曲、扭转应力在表面最大，因此表面状态非常重要，弹簧热处理因此表面状态非常重要，弹簧热处理后，一般要进行喷丸强化使表面产生后，一般要进行喷丸强化使表面产生残余压应力残余压应力来提高疲劳强度。疲劳强度。大型热卷弹簧大型热卷弹簧6565钢淬火中温回火组织钢淬火中温回火组织（1 1）65Mn65Mn和和60Si2Mn60Si2Mn等等 用于制造截
42、面尺寸较大用于制造截面尺寸较大的弹簧。用的弹簧。用SiSi、MnMn的复的复合合金化，其性能又高合合金化，其性能又高于单用于单用MnMn的好，这类钢的好，这类钢主要用于汽车、拖拉机主要用于汽车、拖拉机和机车上的板簧和螺旋和机车上的板簧和螺旋弹簧等。弹簧等。（三）常用合金弹簧钢举例（三）常用合金弹簧钢举例（2）50CrVA CrCr和和V V的复合加入，不仅提高弹簧钢的淬的复合加入，不仅提高弹簧钢的淬透性，而且有较高的高温强度、韧性和较好的透性，而且有较高的高温强度、韧性和较好的热处理工艺性能。热处理工艺性能。 这类钢这类钢可用于制造可用于制造350-400350-400下承受重载下承受重载的大
43、型弹簧的大型弹簧，如阀门弹簧、高速柴油机的汽门，如阀门弹簧、高速柴油机的汽门弹簧等。弹簧等。 弹簧钢除制作弹簧外，还可以制造耐磨，耐弹簧钢除制作弹簧外，还可以制造耐磨，耐冲击的工模具冲击的工模具。第五节第五节 滚动轴承钢滚动轴承钢圆柱滚子轴承圆柱滚子轴承自动调心球轴承自动调心球轴承一、滚动轴承钢的工作环境及性能要求一、滚动轴承钢的工作环境及性能要求 用于制造轴承套圈和滚动用于制造轴承套圈和滚动体的专用钢种体的专用钢种。 滚动轴承通常由滚动轴承通常由内套内套、外外套套、滚动体滚动体（如滚珠、滚轮、（如滚珠、滚轮、滚针）和滚针）和保持架保持架四部分组成。四部分组成。其中除保持架用低碳钢薄板冲其中除
44、保持架用低碳钢薄板冲制而成，其余三个部分均由轴制而成，其余三个部分均由轴承钢制造。承钢制造。 （一）轴承工作环境特点（一）轴承工作环境特点 轴承滚动时，内套和滚珠发轴承滚动时，内套和滚珠发生转动和滚动生转动和滚动1.1.周期性的负荷周期性的负荷（滚动轴承内、（滚动轴承内、外套圈与滚动体之间，呈点或外套圈与滚动体之间，呈点或线接触，造成局部压应力很大，线接触，造成局部压应力很大，高达高达1800MPa-5000MPa1800MPa-5000MPa）。）。2.2.除滚动外，滚珠还有滑动，存除滚动外，滚珠还有滑动，存在摩擦。在摩擦。3.3.与水，润滑剂接触，受腐蚀。与水，润滑剂接触，受腐蚀。4.4.
45、某些情况下，还受冲击。某些情况下，还受冲击。（二）轴承的失效形式（二）轴承的失效形式o疲劳剥落疲劳剥落o磨损磨损o破裂破裂o锈蚀锈蚀滚针轴承滚针轴承滚柱轴承滚柱轴承滚珠轴承滚珠轴承大型轴承大型轴承（三）轴承性能要求（三）轴承性能要求 1.1.高的接触疲劳强度和屈服强度高的接触疲劳强度和屈服强度 2.2.高而均匀的硬度和耐磨性高而均匀的硬度和耐磨性 3.3.适当的韧性适当的韧性 4.4.适当的耐蚀性适当的耐蚀性二、二、 轴承钢的化学成分和冶金质量轴承钢的化学成分和冶金质量（一）化学成分（一）化学成分1. 高碳高碳 0.95-1.15 保证硬度保证硬度2. 加入加入Cr，Si，Mn Cr：0.4-
46、1.65，最常用，提高淬透性，形成合，最常用，提高淬透性，形成合金渗碳体（金渗碳体（Fe，Cr）3C，提高耐磨性和接触疲劳，提高耐磨性和接触疲劳抗力，提高耐蚀性抗力，提高耐蚀性 Si，Mn：提高淬透性提高淬透性 Si还可以提高回火稳定性还可以提高回火稳定性（二）冶金质量（二）冶金质量 由于滚动轴承钢的性能要求很严格，特别由于滚动轴承钢的性能要求很严格，特别是重要场合使用的轴承。是重要场合使用的轴承。 为提高使用寿命，对原材料的为提高使用寿命，对原材料的冶金质量要冶金质量要求很严格，尽量降低钢中非金属夹杂物，提高求很严格，尽量降低钢中非金属夹杂物，提高纯净度。纯净度。 另外还要求轴承钢另外还要求
47、轴承钢原始组织无缩孔，并要原始组织无缩孔，并要严格控制疏松组织和改善碳化物不均匀性。严格控制疏松组织和改善碳化物不均匀性。1.1.钢中夹杂物对性能影响钢中夹杂物对性能影响 夹杂物对轴承的接触疲劳性能影响很大，钢中夹杂物对轴承的接触疲劳性能影响很大，钢中夹杂物夹杂物可可以形成应力集中，形成疲劳裂纹源。以形成应力集中，形成疲劳裂纹源。钢中的钢中的MnS夹杂夹杂钢中氧化物夹杂钢中氧化物夹杂2.2.组织均匀性影响组织均匀性影响o由于轴承钢是高碳钢，钢中碳化物多，易形成由于轴承钢是高碳钢，钢中碳化物多，易形成不均匀的碳化物分布。不均匀的碳化物分布。o不均匀的碳化物分布通常通过球化退火工艺调不均匀的碳化物
48、分布通常通过球化退火工艺调整整（在淬火前进行）。（在淬火前进行）。 目的：获得均匀的细片状珠光体，使在后续目的：获得均匀的细片状珠光体，使在后续淬火时，碳化物易于溶解于奥氏体中，使奥氏淬火时，碳化物易于溶解于奥氏体中，使奥氏体有较高的合金度，成分均匀，保证淬透性和体有较高的合金度，成分均匀，保证淬透性和淬硬性及淬火组织的均匀性，使回火后得到最淬硬性及淬火组织的均匀性，使回火后得到最佳的力学性能。佳的力学性能。三、常用轴承钢及热处理三、常用轴承钢及热处理（一）（一）CrCr轴承钢及热处理轴承钢及热处理1. CrCr轴承钢代表钢种轴承钢代表钢种 GCr15GCr15，GCr9SiMnGCr9SiM
49、n，GCr15SiMnGCr15SiMn 其中其中GCr15GCr15使用最广泛，使用最广泛，使用量占轴承钢的绝大部使用量占轴承钢的绝大部分。由于淬透性不是很高，分。由于淬透性不是很高，因此多用于制造中小型轴因此多用于制造中小型轴承。承。GCr15轴承轴承球化退火球化退火目的：为得到粒目的：为得到粒状，分布均匀的状，分布均匀的珠光体，为淬火珠光体，为淬火做组织准备做组织准备2.2. CrCr轴承钢的热处理轴承钢的热处理（1 1）预处理）预处理GCr15正常锻后空冷组织正常锻后空冷组织GCr15球化退火组织球化退火组织GCr15非正常锻后空冷组织非正常锻后空冷组织（2 2）最终热处理）最终热处理
50、 淬火淬火 淬火温度：淬火温度：840840左右左右 温度过低，碳化物溶解不足，淬透性温度过低，碳化物溶解不足，淬透性淬硬性差；淬硬性差； 温度过高，易出现过热组织温度过高，易出现过热组织 淬火组织：隐针马氏体碳化物残余奥氏体淬火组织：隐针马氏体碳化物残余奥氏体 回火：回火： 低回火，低回火， 16016055 回火组织：回火马氏体均匀分布的细粒状碳化物回火组织：回火马氏体均匀分布的细粒状碳化物少量残余奥氏体少量残余奥氏体 硬度：硬度：61-65HRC61-65HRC Gr15Gr15正常的淬火、正常的淬火、回火组织：回火组织： 回火马氏体未回火马氏体未溶碳化物颗粒溶碳化物颗粒少量残余奥氏体少
