1、1第三章第三章 机器零件用钢机器零件用钢2简介简介用途用途：轴类、齿轮、弹簧、紧固件等。：轴类、齿轮、弹簧、紧固件等。分类分类：调质钢、低碳马氏体钢、超高强度：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、轴结构钢、渗碳钢、氮化钢、弹簧钢、轴承钢和易削钢等。承钢和易削钢等。按热处理状态分（使用状态）：按热处理状态分（使用状态）：1一般供应或正火状态一般供应或正火状态碳钢或碳素易碳钢或碳素易削钢；削钢；32淬火淬火+回火状态回火状态 按回火温度分为：高温回火按回火温度分为：高温回火调质钢；调质钢；中温回火中温回火弹簧钢；弹簧钢；低温回火低温回火滚动轴承钢、滚动轴承钢、超高强度钢。
2、超高强度钢。3化学热处理：化学热处理：渗碳钢渗碳钢 氮化用钢氮化用钢4高频淬火用钢高频淬火用钢高、中频淬火后低温回火使高、中频淬火后低温回火使用用 4一力学性能要求一力学性能要求1.具有高的疲劳强度或耐久强度；具有高的疲劳强度或耐久强度；2.要求高的屈服强度和抗拉强度；要求高的屈服强度和抗拉强度；3.具有高的接触疲劳强度和耐磨性；具有高的接触疲劳强度和耐磨性；4.具有高的韧性和低的缺口敏感性具有高的韧性和低的缺口敏感性 5二工艺性能二工艺性能n机器零件的生产流程：型材机器零件的生产流程：型材改锻改锻毛毛坯热处理坯热处理切削加工切削加工最终热处理最终热处理磨磨削。削。n从工艺流程可见，这类钢的工
3、艺性和构从工艺流程可见，这类钢的工艺性和构件用钢有所不同，要求有良好的工艺性件用钢有所不同，要求有良好的工艺性能，如锻造、冲压、热处理、车、铣、能，如锻造、冲压、热处理、车、铣、刨、刨、磨等，主要是切削加工性和热处理磨等，主要是切削加工性和热处理性能。性能。6三合金化三合金化n主加元素主加元素：Cr、Mn、Si、Ni 作用：作用：淬透性和力学性能。淬透性和力学性能。n辅加元素辅加元素：Mo、W、V等等 作用：作用：过热敏感性，过热敏感性，回脆，回脆，淬透性。淬透性。n最佳范围：获得最佳性能最佳范围：获得最佳性能称为极限合金化理称为极限合金化理论。论。1.2%Si,2%Mn，12%Cr,14%N
4、i，0.5%Mo，0.2%V,0.1%Ti，0.40.8%W。或是单独加入，或是单独加入，或是复合加入。或是复合加入。73-1 调质钢调质钢1.用途：用于制造汽车、拖拉机、机床和其它机器上的各种重要零件，如机用途：用于制造汽车、拖拉机、机床和其它机器上的各种重要零件，如机床齿轮、主轴、汽车发动机曲轴、连杆、螺栓等。床齿轮、主轴、汽车发动机曲轴、连杆、螺栓等。汽车万向节汽车万向节齿轮齿轮连杆曲轴曲轴8一、工作条件、失效方式及性一、工作条件、失效方式及性能要求能要求 1工作条件（以轴类零件为例）工作条件（以轴类零件为例）作用：传动力矩作用：传动力矩受力：主要承受交变扭转、弯曲力；受力：主要承受交变
5、扭转、弯曲力；一定的冲击力一定的冲击力 配合处摩擦力。配合处摩擦力。2失效方式失效方式（1）磨损：花键处，由于硬度低，耐磨性差造成的。）磨损：花键处，由于硬度低，耐磨性差造成的。（2）疲劳断裂：弯曲疲劳、扭转疲劳）疲劳断裂：弯曲疲劳、扭转疲劳3性能要求性能要求（1）高强度，尤其是高的疲劳强度；）高强度，尤其是高的疲劳强度；（2）高硬度、高耐磨性；）高硬度、高耐磨性；（3）塑性韧性好；）塑性韧性好；即，良好的综合力学性能即，良好的综合力学性能。9二对调质钢力学性能和工艺二对调质钢力学性能和工艺性能的要求性能的要求 1良好的综合力学性能，即强韧性的良好配合；良好的综合力学性能，即强韧性的良好配合；
6、2足够的淬透性，依靠合金化足够的淬透性，依靠合金化Cr、Mn、Ni、Si等。等。3防止第二类回火脆，可加入防止第二类回火脆，可加入Mo和和W，也可以快速冷，也可以快速冷却、细化晶粒、避开温区。却、细化晶粒、避开温区。4良好的加工性能良好的加工性能 锻、铸、热处理及切削减加工性。锻、铸、热处理及切削减加工性。一般调质钢力学性能指标：一般调质钢力学性能指标：b=800-1100MPa,0.2=700-1000MPa,=9-15%,=45-55%,=60-120J/cm2,c=-40.10三调质钢的组织特点三调质钢的组织特点n调质处理后为回火索氏体：调质处理后为回火索氏体：强化相为弥散均匀分布的粒状
7、碳化物，强化相为弥散均匀分布的粒状碳化物，可以保证具有较高的塑变抗力和疲劳强可以保证具有较高的塑变抗力和疲劳强度；组织均匀性好，减小了裂纹形成的度；组织均匀性好，减小了裂纹形成的可能性，所以具有良好的塑性和韧性；可能性，所以具有良好的塑性和韧性；基体铁素体是从淬火基体铁素体是从淬火M而来的，其晶粒而来的，其晶粒细小，使钢的冷脆倾向减小。细小，使钢的冷脆倾向减小。11四调质钢的化学成分及热处四调质钢的化学成分及热处理特点理特点1化学成分化学成分C：0.25-0.45%，以保证强韧性；，以保证强韧性；主加元素：主加元素：Mn Cr Si Ni B辅加元素：辅加元素：W Mo V TiMn：淬透性，
8、但淬透性，但过热倾向，过热倾向，回脆倾向；回脆倾向；Cr：淬透性，淬透性，回火稳定性，但回火稳定性，但回脆倾向；回脆倾向；Ni:基体韧度，基体韧度，Ni-Cr复合复合淬透性，淬透性，回火脆回火脆；Mo：淬透性淬透性,回火稳定性，细晶回火稳定性，细晶,回脆倾向；回脆倾向；V：有效细晶，：有效细晶，(淬透性淬透性)，过热敏感性。过热敏感性。12 总结总结合金元素的作用：合金元素的作用：（1）提高淬透性：）提高淬透性：Mn Cr Si Ni B （2）提高回火稳定性：）提高回火稳定性：Mo Cr Si （3）细化晶粒：）细化晶粒：V Ti （4）防止第二类回火脆：）防止第二类回火脆：W（0.8%1.
9、2%）Mo（0.15%0.30%）132热处理特点热处理特点（1）预备热处理）预备热处理 nP型钢：正火或退火型钢：正火或退火nM型钢：调质处理型钢：调质处理（2）最终热处理）最终热处理 淬火淬火+高温回火。高温回火。合金调质钢的最终性能决定于回火温度。一般采用合金调质钢的最终性能决定于回火温度。一般采用500 650 回火。通过选择回火温度，可以获得所要回火。通过选择回火温度，可以获得所要求的性能。为防止第二类回火脆性，回火后快冷（水求的性能。为防止第二类回火脆性，回火后快冷（水冷或油冷），有利于韧性的提高。冷或油冷），有利于韧性的提高。40Cr(直径直径D=12mm,油淬油淬)14回火1、
10、要求综合性能良好、要求综合性能良好 淬火淬火+高温回火，回火温度为高温回火，回火温度为500-600。2、表面某些部位要求耐磨性好：轴颈、花键、表面某些部位要求耐磨性好：轴颈、花键 调质调质+表面处理：高频表面淬火或进行氮化处理。表面处理：高频表面淬火或进行氮化处理。3、带有缺口的零件、带有缺口的零件缺口引起应力集中，须调质缺口引起应力集中，须调质+喷丸或滚压强化喷丸或滚压强化4、要求特别高的强度（抗拉强度为、要求特别高的强度（抗拉强度为1600-1800MPa）淬火淬火+低温回火（中碳回火低温回火（中碳回火M）实际上这就是超高实际上这就是超高强度钢强度钢15五常用调质钢五常用调质钢1低淬透性
11、的调质钢低淬透性的调质钢：DC 40CrNi 40Crn回稳性：回稳性：40CrNiMo 40CrNi 40Crn塑韧性：塑韧性：40CrNiMo 40CrNi 40Crn回脆性：回脆性：40CrNi 40Cr 40CrNiMo17七调质零件用钢的发展动向七调质零件用钢的发展动向1低碳马氏体型钢低碳马氏体型钢2中碳微合金非调质钢中碳微合金非调质钢 3B型和型和M型微合金非调质钢型微合金非调质钢 183-2 弹簧钢弹簧钢1.用途用途 拉力弹簧拉力弹簧 弹簧弹簧 离合器弹簧离合器弹簧 蝶形弹簧蝶形弹簧 19一弹簧的工作条件、失效方一弹簧的工作条件、失效方式、性能要求式、性能要求1工作条件工作条件n
12、动截荷：冲击、震动或长期均匀交变应力。动截荷：冲击、震动或长期均匀交变应力。n板簧：反复弯曲负载板簧：反复弯曲负载n螺旋弹簧：反复扭转负荷螺旋弹簧：反复扭转负荷2失效方式失效方式n过量变形，即永久性变形；过量变形，即永久性变形；n疲劳断裂：板簧疲劳断裂：板簧弯曲疲劳断裂；弯曲疲劳断裂；螺旋弹簧螺旋弹簧扭转疲劳断裂。扭转疲劳断裂。203性能要求性能要求（1）必须具有高的屈服极限和弹性极限，）必须具有高的屈服极限和弹性极限，高的屈强比，高的高的屈强比，高的s、e、s/b；（2）必须具有高的疲劳极限）必须具有高的疲劳极限-1；（3）有一定的冲击韧和塑性，）有一定的冲击韧和塑性，k20%；（4）具有良
13、好的耐热性和抗蚀性（对高）具有良好的耐热性和抗蚀性（对高温下工作的弹簧）。温下工作的弹簧）。21二对弹簧钢力学性能和工艺二对弹簧钢力学性能和工艺性能的基本要求性能的基本要求 1力学性能：力学性能：高的高的s、e、s/b、-1，足够，足够的韧性及塑性；的韧性及塑性；2工艺性能工艺性能（1）淬透性要高；）淬透性要高；（2）过热敏感性要低；）过热敏感性要低；（3）氧化、脱碳倾向小；）氧化、脱碳倾向小；（4）成型性好。）成型性好。3冶金质量及表面状态冶金质量及表面状态 22三弹簧钢的化学成分及热处三弹簧钢的化学成分及热处理特点理特点1化学成分化学成分n碳素弹簧钢：碳素弹簧钢：C：0.6-0.9%n合金
14、弹簧钢：合金弹簧钢：C：0.5-0.7%n主加合金元素：主加合金元素：Si、Mn、Cr；n辅加合金元素：辅加合金元素：Mo、V、Nb、B。n合金元素有作用：合金元素有作用：n提高淬透性：提高淬透性：Si、Mn、Cr，（，（B）；）；n提高回火稳定性：提高回火稳定性：Si、Mn、Cr；n细化晶粒：细化晶粒：Mo、V、Nb；n提高提高s、e、s/b：Si、Mn；23注意注意nSi的石墨化问题；的石墨化问题；nMn的过热敏感性问题的过热敏感性问题242热处理特点热处理特点 n冷成型弹簧（强化后成型）：小型弹簧，先最冷成型弹簧（强化后成型）：小型弹簧，先最终热处理终热处理+成型成型+低温退火（低温退火
15、（200-400）（冷拔弹簧钢丝）（冷拔弹簧钢丝）n热成形弹簧：热成形弹簧：用热轧钢丝或钢板制成，然后用热轧钢丝或钢板制成，然后淬火淬火+中温（中温（450 550）回火，获得回）回火，获得回火屈氏体组织，具有很高的屈服强度和弹性极火屈氏体组织，具有很高的屈服强度和弹性极限，并有一定的塑性和韧性，一般用来制作为限，并有一定的塑性和韧性，一般用来制作为较大型的弹簧。较大型的弹簧。25例例60Si2Mn钢力学性能与回火温度的关系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钢疲劳强度随回火温度的变化26四常用弹簧钢四常用弹簧钢60Si2Mn是我国常用弹簧钢，淬透性高，是我国常
16、用弹簧钢，淬透性高，脱碳倾向大，冷变形塑性低，带材只能脱碳倾向大，冷变形塑性低，带材只能冲剪和简单弯曲，用于板簧和螺旋弹簧。冲剪和简单弯曲，用于板簧和螺旋弹簧。n思考题：思考题：大型弹簧为什么要先成形后强化，小型大型弹簧为什么要先成形后强化，小型弹簧先强化后成形弹簧先强化后成形?小型弹簧成形后为什小型弹簧成形后为什么进行低温退火么进行低温退火?27提高表面质量提高表面质量n防止表面脱碳氧化；防止表面脱碳氧化；n使表面产生残余压应力；使表面产生残余压应力；喷丸、氮化处理喷丸、氮化处理283-3 渗碳钢和氮化钢渗碳钢和氮化钢1.用途：用途：主要用于制造汽车、拖拉机中的变速齿轮，内燃机上的凸主要用于
17、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，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。同时又承受较大的交变载荷，特别是冲击载荷。拔叉拔叉变速齿轮变速齿轮凸轮机构 29一典型渗碳零件（齿轮）的工一典型渗碳零件（齿轮）的工作条件、失效方式及性能要求作条件、失效方式及性能要求1工作条件（以齿轮为例）工作条件（以齿轮为例）弯曲载荷（周期作用）弯曲载荷（周期作用）弯曲疲劳；弯曲疲劳；齿轮工作时是通过齿面接触传递动力，接触面积很小，压力很大齿轮工作时是通过齿面接触传递动力，接触面积很小，压
18、力很大接触疲劳；接触疲劳；齿轮工作时，两齿面间会有相对运动（滚动和滑动），产生摩擦力齿轮工作时，两齿面间会有相对运动（滚动和滑动），产生摩擦力急刹车时，齿根会受到冲击力。急刹车时，齿根会受到冲击力。2失效方式失效方式（1）弯曲疲劳破坏：牙齿断裂）弯曲疲劳破坏：牙齿断裂（2）接触疲劳损坏：产生麻点，点状剥落。）接触疲劳损坏：产生麻点，点状剥落。（3）齿端磨损：换档时易发生齿端磨平）齿端磨损：换档时易发生齿端磨平/尖。尖。（4）齿面刮伤）齿面刮伤3性能要求性能要求（1）疲劳强度：高的接触疲劳强度和弯曲疲劳强度；）疲劳强度：高的接触疲劳强度和弯曲疲劳强度；（2）表面硬度高耐磨性好（）表面硬度高耐磨性
19、好（HRC大于大于58-62），心部综合力学性能好），心部综合力学性能好（25-40HRC，冲击韧性高于，冲击韧性高于70J/cm2）。）。30二对渗碳钢的性能要求二对渗碳钢的性能要求1力学性能要求力学性能要求 高的接触疲劳强度和弯曲疲劳强度，表面硬度高，高的接触疲劳强度和弯曲疲劳强度，表面硬度高，耐磨性好，心部综合力学性能好，即高的强度，良好耐磨性好，心部综合力学性能好，即高的强度，良好的塑性和韧性。的塑性和韧性。2工艺性能要求工艺性能要求（1）锻造、切削加工性能好；）锻造、切削加工性能好；（2）渗碳性能好：）渗碳性能好：n渗碳速度快（碳易吸收、扩散）；渗碳速度快（碳易吸收、扩散）；n表面碳
20、浓度适当（太低，硬度不足，太高，易产生大表面碳浓度适当（太低，硬度不足，太高，易产生大块块K，产生应力集中，易断齿），一般为，产生应力集中，易断齿），一般为0.8-0.9%n碳浓度过渡平缓碳浓度过渡平缓31（3）过热敏感性小：希望是本质细晶粒钢，便）过热敏感性小：希望是本质细晶粒钢，便于渗碳后直接淬火，简化工艺。于渗碳后直接淬火，简化工艺。（4）渗碳淬火后）渗碳淬火后AR少；少；（5）渗碳淬火后变形小。）渗碳淬火后变形小。3对冶金质量的要求对冶金质量的要求（1）不允许有粗大的夹杂物，因为粗大夹杂存）不允许有粗大的夹杂物，因为粗大夹杂存在于渗层中，易产生应力集中；在于渗层中，易产生应力集中；（2
21、）不允许有严重的带状组织，否则，会使渗）不允许有严重的带状组织，否则，会使渗层硬度和厚度不均匀。层硬度和厚度不均匀。32三渗碳钢的化学成分特点三渗碳钢的化学成分特点1提高心部的力学性能提高心部的力学性能（1）适当的含碳量（）适当的含碳量（0.1-0.25%C）（2）强化）强化F基体，提高心部的强度：基体，提高心部的强度：Cr、Ni、Mn、Si；（3）提高钢的淬透性：）提高钢的淬透性：Si、Ni、Mn、Mo、B；（4）减小钢的过热敏感性，使心部具有细晶粒：）减小钢的过热敏感性，使心部具有细晶粒：Ti、V、W、Mo；（5）降低相变点，降低淬火温度，细化晶粒，减少）降低相变点，降低淬火温度，细化晶粒
22、，减少AR，减小变形，加入，减小变形，加入Ni。332提高渗碳层力学性能提高渗碳层力学性能（1）渗碳层的碳量控制在）渗碳层的碳量控制在0.8-0.9%；（2）为了不使渗碳层中有过多）为了不使渗碳层中有过多AR，应控制降低，应控制降低MS点的点的合金元素的含量；合金元素的含量；（3）渗碳层的浓度梯度缓和）渗碳层的浓度梯度缓和n非非K形成元素：形成元素：Si、Ni、Al、Co等，降低表面含碳量，等，降低表面含碳量，使碳浓度梯度缓和，但使碳浓度梯度缓和，但Si促进石墨化，降低渗层深度。促进石墨化，降低渗层深度。nK形成元素：形成元素：Cr、Mo、W、Ti、V、（、（Mn）与）与C结合结合力强，增加渗
23、层表面碳含量，阻止力强，增加渗层表面碳含量，阻止C扩散，降低渗层深扩散，降低渗层深度，使碳浓度梯度变陡，度，使碳浓度梯度变陡，Mn的作用很弱。的作用很弱。（4）提高第一类回火脆性温度范围：）提高第一类回火脆性温度范围：Cr和和Si。34总之，主加元素：总之，主加元素：Mn、Cr、Ni、B；辅加元素：辅加元素：Mo、W、Ti、V渗碳层性能渗碳层性能:表层碳量、表层浓度梯度和表层碳量、表层浓度梯度和渗层深度根据零件需要确定。原则上，渗层深度根据零件需要确定。原则上，渗碳层深度应大于零件的最大切应力深渗碳层深度应大于零件的最大切应力深度。度。35合金元素对渗碳层表面含碳量合金元素对渗碳层表面含碳量和
24、渗碳层厚度的影响和渗碳层厚度的影响 36合金元素对渗碳工艺和渗碳层合金元素对渗碳工艺和渗碳层性能的影响性能的影响 合金元合金元素素碳扩散碳扩散系数系数 表层表层碳量碳量 渗层渗层深度深度 浓度浓度梯度梯度 淬透性淬透性晶粒长晶粒长大倾向大倾向含量范围含量范围质量分数质量分数%Ti V 变陡变陡 不定不定 0.12 0.30 W Mo Cr 变陡变陡 0.41.20.20.6 2 Mn影响小影响小平缓平缓 2 Ni 平缓平缓影响小影响小 4 Si 平缓平缓影响小影响小 0.837渗碳零件受力与渗层厚度的关渗碳零件受力与渗层厚度的关系系 图心部强度心部强度渗层厚度渗层厚度表层强度表层强度外应力外应
25、力距离距离表面碳浓度太高表面碳浓度太高渗层太浅渗层太浅38总结渗碳钢的成分特点总结渗碳钢的成分特点(1)低碳：碳质量分数一般为低碳：碳质量分数一般为0.10%0.25%，使零件心部有足够的塑性和韧性。使零件心部有足够的塑性和韧性。(2)加入提高淬透性的合金元素：常加入加入提高淬透性的合金元素：常加入Cr、Ni、Mn、B等。等。(3)加入阻碍奥氏体晶粒长大的元素：主要加入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少量强碳化物形成元素Ti、V、W、Mo等，等，形成稳定的合金碳化物。形成稳定的合金碳化物。39四渗碳钢热处理特点四渗碳钢热处理特点1预备热处理预备热处理（1）正火）正火低
26、合金钢及碳钢低合金钢及碳钢 20CrMnTi，950-970正火；正火；20Cr，870-900正火正火（2）正火正火+高温回火高温回火中（高）合金渗碳钢中（高）合金渗碳钢 18Cr2Ni4WA，920-980正火正火+640-670回火。回火。（3）调质）调质中合金渗碳钢中合金渗碳钢 12CrNi3A，860油淬油淬+500-650回火回火 402最终热处理最终热处理（1）直接淬火）直接淬火+低温回火：合金元素含量较低，低温回火：合金元素含量较低，但又不易过热的钢（但又不易过热的钢（20CrMnTi）。）。（2）重新加热淬火）重新加热淬火+低温回火：渗碳时易过热低温回火：渗碳时易过热的碳钢及
27、低合金钢的碳钢及低合金钢（3）两次淬火）两次淬火+低温回火：合金元素含量较高低温回火：合金元素含量较高的中合金钢及对性能要求较高的渗碳件，一般的中合金钢及对性能要求较高的渗碳件，一般渗碳后缓冷到室温，重新加热二次淬火，再低渗碳后缓冷到室温，重新加热二次淬火，再低温回火。温回火。淬火温度？淬火温度？41五常用的渗碳钢五常用的渗碳钢 n 20Cr低淬透性合金渗碳钢。淬透性较低，心低淬透性合金渗碳钢。淬透性较低，心部强度较低。部强度较低。n20CrMnTi中淬透性合金渗碳钢。淬透性较高、中淬透性合金渗碳钢。淬透性较高、过热敏感性较小，渗碳过渡层比较均匀，具有过热敏感性较小，渗碳过渡层比较均匀，具有良
28、好的机械性能和工艺性能。良好的机械性能和工艺性能。n 18Cr2Ni4WA和和20Cr2Ni4A高淬透性合金高淬透性合金渗碳钢。含有较多的渗碳钢。含有较多的Cr、Ni等元素，淬透性很等元素，淬透性很高，且具有很好的韧性和低温冲击韧性。高，且具有很好的韧性和低温冲击韧性。42氮化钢氮化钢 n多为碳含量偏低的中碳铬钼铝钢。国内外广泛多为碳含量偏低的中碳铬钼铝钢。国内外广泛使用的氮化钢是使用的氮化钢是38CrMoAl钢，获得最高氮化钢，获得最高氮化层硬度，达到层硬度，达到9001000HV。仅要求高疲劳。仅要求高疲劳强度的零件，可采用不含铝的强度的零件，可采用不含铝的CrMo型氮化钢，型氮化钢，如如
29、35CrMo、40CrV、40Cr等，其氮化层的硬等，其氮化层的硬度控制在度控制在500800HV。n工艺：氮化前，要经过调质热处理以得到稳定工艺：氮化前，要经过调质热处理以得到稳定的回火索氏体组织，以保证零件最终的使用性的回火索氏体组织，以保证零件最终的使用性能和使用过程中的尺寸稳定性，同时也为获得能和使用过程中的尺寸稳定性，同时也为获得好的氮化层作组织准备。好的氮化层作组织准备。433-4 滚动承轴钢滚动承轴钢 1.用途用途 主要用来制造滚动轴承的滚动体（滚珠、滚柱、滚主要用来制造滚动轴承的滚动体（滚珠、滚柱、滚针）、内外套圈等，属专用结构钢。从化学成分上看针）、内外套圈等，属专用结构钢。
30、从化学成分上看它属于工具钢，所以也用于制造精密量具、冷冲模、它属于工具钢，所以也用于制造精密量具、冷冲模、机床丝杠等耐磨件。机床丝杠等耐磨件。滚珠滚珠滚珠轴承滚珠轴承44一滚动轴承的工作条件、失一滚动轴承的工作条件、失效方式和性能要求效方式和性能要求 1工作条件工作条件（1）接触疲劳）接触疲劳（2）表面出现剥落后，噪音和振动增大，）表面出现剥落后，噪音和振动增大，工作温度升高工作温度升高（3）滚动和滑动摩擦）滚动和滑动摩擦（4）化学浸蚀）化学浸蚀452失效方式失效方式（1）疲劳剥落）疲劳剥落接触疲劳破坏接触疲劳破坏（2）磨损）磨损（3）诱蚀）诱蚀3性能要求性能要求 高的接触疲劳强度、高的耐磨性
31、、高的抗高的接触疲劳强度、高的耐磨性、高的抗压强度等压强度等 46二对滚动轴承钢的力学性能二对滚动轴承钢的力学性能和工艺性能的要求和工艺性能的要求1力学性能力学性能（1）较高的抗压强度的接触疲劳强度；）较高的抗压强度的接触疲劳强度；（2）高而均匀的硬度和耐磨性，）高而均匀的硬度和耐磨性，HRC62-66；（3）高的弹性极限，防止在高载荷作用下发生）高的弹性极限，防止在高载荷作用下发生过大的塑性变形；过大的塑性变形；（4）有一定的韧性，以防止受冲击载荷而破坏；）有一定的韧性，以防止受冲击载荷而破坏；（5）一定的耐蚀性。）一定的耐蚀性。472工艺性能工艺性能（1）高的淬硬性和必要的淬透性，以保证热
32、处）高的淬硬性和必要的淬透性，以保证热处理后获得高而均匀的硬度；理后获得高而均匀的硬度；（2）良好的加工艺性，冷、热成型性、切削、）良好的加工艺性，冷、热成型性、切削、磨削性；磨削性；（3）良好的尺寸稳定性，在长期保存和使用过）良好的尺寸稳定性，在长期保存和使用过程中能保持尺寸精度。程中能保持尺寸精度。3冶金质量冶金质量 要求高纯度、非金属夹杂少、偏析、疏松、夹要求高纯度、非金属夹杂少、偏析、疏松、夹杂物分布不均匀尽可能避免。杂物分布不均匀尽可能避免。48三滚动轴承钢的化学成分特三滚动轴承钢的化学成分特点点1碳：碳：0.95-1.15%，属于过共析钢，属于过共析钢2铬：铬：0.4-1.65%，
33、目的是提高淬透性，提高，目的是提高淬透性，提高回火稳定性，提高耐蚀性，细化回火稳定性，提高耐蚀性，细化K，形成合金，形成合金渗碳体，提高耐磨性。渗碳体，提高耐磨性。对于大型轴承对于大型轴承，为提高淬性加入，为提高淬性加入Mn、Si等，等，另外加入另外加入Mo、V、RE细化晶粒，减少疲劳裂细化晶粒，减少疲劳裂纹源。纹源。3纯度要求高，纯度要求高，P小于小于0.027%，S小于小于0.02%，属于高级优质钢。，属于高级优质钢。49四四热处理特点热处理特点 轴承钢的热处理轴承钢的热处理 预备：预备：球化退火球化退火 最终最终：淬火淬火+低温回火低温回火 淬火温度要求十分严格，温度过高会过热，晶淬火温
34、度要求十分严格，温度过高会过热，晶粒长大，使韧性和疲劳强度下降，且易淬裂和粒长大，使韧性和疲劳强度下降，且易淬裂和变形；温度过低，则奥氏体中溶解的铬量和碳变形；温度过低，则奥氏体中溶解的铬量和碳量不够，钢淬火后硬度不足。量不够，钢淬火后硬度不足。GCr15钢的淬火温度：钢的淬火温度：820840 回火温度：回火温度：150160。50例例nGCr15钢淬火温度对机械性能的影响钢淬火温度对机械性能的影响 轴承钢淬火后的组织为极细的回火轴承钢淬火后的组织为极细的回火马氏体、均匀分布的粒状碳化物以马氏体、均匀分布的粒状碳化物以及少量残余奥氏体。及少量残余奥氏体。GCr15钢淬火、回火后的显微组织钢淬
35、火、回火后的显微组织 51精密轴承精密轴承n精密轴承必须保证在长期存放和使用中精密轴承必须保证在长期存放和使用中不变形。为了稳定尺寸，淬火后可立即不变形。为了稳定尺寸，淬火后可立即进行进行“冷处理冷处理”（-60-50），），并在回火和磨削加工后，进行低温时效并在回火和磨削加工后，进行低温时效处理（处理（120 130,保温保温5 h10 h）52五常用轴承钢五常用轴承钢(1)铬轴承钢铬轴承钢 最常用的是最常用的是GCr15(2)添加添加Mn、Si、Mo、V的轴承钢的轴承钢，Si、Mn可提高淬透性，如可提高淬透性，如GCr15SiMn、GCr15SiMnMoV等。为了节铬等。为了节铬,加入加入
36、Mo、V可得到无铬轴承钢可得到无铬轴承钢,如如GSiMnMoV、GSiMnMoVRE等，其性等，其性能与能与GCr15相近。相近。53（3）对于工作温度高于）对于工作温度高于250（航空发动机工（航空发动机工作温度可达作温度可达380）的轴承，温度升高使材料）的轴承，温度升高使材料的硬度、耐磨性显著下降，因此必须采用高温的硬度、耐磨性显著下降，因此必须采用高温轴承钢，如轴承钢，如Cr4Mo4V、W6Mo5Cr4V2、Cr14Mo4V、9Cr18Mo等，因有等，因有W、Mo、Cr、V强强K形成元素，淬火后形成元素，淬火后M具有良好的回具有良好的回火稳定性，并具有二次硬化现象，高温下可保火稳定性，
37、并具有二次硬化现象，高温下可保持高硬度、高耐磨性和良好的接触疲劳强度。持高硬度、高耐磨性和良好的接触疲劳强度。（4）对于要求耐蚀的轴承，可采用不锈钢制造，）对于要求耐蚀的轴承，可采用不锈钢制造，9Cr18、9Cr18Mo等。等。543-5低碳马氏体型结构钢低碳马氏体型结构钢一对低碳马氏体型钢的基本性能要求一对低碳马氏体型钢的基本性能要求 1淬透性好淬透性好（低碳，只能从合金化上考虑）（低碳，只能从合金化上考虑）；2过热敏感性低过热敏感性低（低碳，相变点高，必须防止晶（低碳，相变点高，必须防止晶粒长大）粒长大）；3回火稳定性高回火稳定性高（MS点高，有自回火现象，稳定点高，有自回火现象，稳定性差
38、）性差）。55二化学成分及热处理特点二化学成分及热处理特点1成分成分n低碳：低碳：0.15-0.25%n合金元素：合金元素：Si、Mn、B、Ti、V、Nb、Mo等等n作用：提高淬透性作用：提高淬透性Si、Mn、B 降低过热敏感性：降低过热敏感性：Ti、V、Nb、Mo；提高回火稳定性：提高回火稳定性：Si、Ti、V、Nb、Mo 降低降低MS点，防止自回火：点，防止自回火：Si、Mn2热处理热处理n淬火淬火+低温回火，组织：回火低碳低温回火，组织：回火低碳M+AR+K弥散分布弥散分布56三性能三性能1优点优点n静载荷下具有良好的强韧配合；静载荷下具有良好的强韧配合；n与中碳调质钢相比，冷脆倾向小，
39、与中碳调质钢相比，冷脆倾向小，Tc-60至至-70，所以可代，所以可代替中碳调质钢，可用于寒冷地区。替中碳调质钢，可用于寒冷地区。n低温韧性好；低温韧性好；n缺口敏感性低。缺口敏感性低。2.缺点缺点n工作温度低，工作温度低，200以下；以下；n淬透性不高，大件使用受到限制；淬透性不高，大件使用受到限制；n热处理后不能焊接；热处理后不能焊接；n不能作模具；不能作模具；n热处理后不能加工。热处理后不能加工。3.典型材料典型材料：15MnVB 573-6超高强度钢超高强度钢屈服强度高于屈服强度高于1400MPa钢称为超高强度钢（习惯）钢称为超高强度钢（习惯）分类：分类：低合金中碳马氏体型低合金中碳马
40、氏体型 中合金中碳二次硬化型中合金中碳二次硬化型 中合金低碳马氏体型中合金低碳马氏体型 高合金低碳马氏体时效型高合金低碳马氏体时效型 沉淀硬化超高强度不锈钢沉淀硬化超高强度不锈钢（不锈钢中讲）（不锈钢中讲）58一低合金中碳低合金中碳M型超高强度型超高强度钢钢 1.性能要求性能要求n具有所要求的强度；具有所要求的强度；n合适的塑性；合适的塑性；n一定的冲击抗力和断裂韧性；一定的冲击抗力和断裂韧性；n高的疲劳强度；高的疲劳强度；n焊接性好，缺口敏感性低。焊接性好，缺口敏感性低。2成分特点成分特点nC：0.30-0.45%nSi、Mn、Cr、Ni、Mo等提高淬透性。等提高淬透性。Si还可以使第一类回
41、火还可以使第一类回火温度上移，适当提高回火温度，提高塑性和韧性。温度上移，适当提高回火温度，提高塑性和韧性。nV、Nb细化晶粒，有效提高塑性和韧性。细化晶粒，有效提高塑性和韧性。nS、P应严格控制，总是小于应严格控制，总是小于0.02%，以保证高塑性，尽可能，以保证高塑性，尽可能减少气体含量，可采用真空熔炼或电渣重熔。减少气体含量，可采用真空熔炼或电渣重熔。593热处理特点热处理特点n淬火淬火+低温回火，回火温度为低温回火，回火温度为150-200，故，故工作温度低于工作温度低于200。4典型钢号典型钢号n30CrMnSiNi2A，淬透性高，临界淬透直径为，淬透性高，临界淬透直径为80mm，抗
42、拉强度为，抗拉强度为1670100MPa，应用，应用于重要受力件，如机翼主梁、起落架支柱。于重要受力件，如机翼主梁、起落架支柱。60二中合金中碳二次硬化型超二中合金中碳二次硬化型超高强度钢高强度钢1成分特点成分特点nC：0.3-0.4%左右，保证屈服强度大于左右，保证屈服强度大于1550MPa；n合金元素：合金元素：Cr、Mo、Si、V等，提高淬透性，空冷得到等，提高淬透性，空冷得到M。nMo、V高温回火析出特殊高温回火析出特殊K，具有二次硬化作用。，具有二次硬化作用。nCr量高，提高抗蚀性，提高淬透性。量高，提高抗蚀性，提高淬透性。2热处理特点：淬火热处理特点：淬火+500-600回火，消除
43、应力，回火，消除应力，二次硬化二次硬化。3应用应用n这类钢室温下使用，与低合金超高强度钢相似。这类钢室温下使用，与低合金超高强度钢相似。500以上使用，以上使用，比强度最高，制作超音速飞机机体中承力构件和轴类、螺栓等。比强度最高，制作超音速飞机机体中承力构件和轴类、螺栓等。n缺点：易脱碳，有缺点：易脱碳，有H脆现象，焊接性稍差。脆现象，焊接性稍差。4典型钢号典型钢号n4Cr5MoSiV(H11,H13美国美国)61三马氏体时效钢三马氏体时效钢 马氏体时效钢是超低碳钢，它利用金属间化合物在含马氏体时效钢是超低碳钢，它利用金属间化合物在含碳量极低的高镍马氏体中弥散析出强化，抗拉强度可碳量极低的高镍
44、马氏体中弥散析出强化，抗拉强度可达达2000 MPa。n正式用于生产的基本成分为正式用于生产的基本成分为0.03%C，18-25%Ni，同时加入能产生时效强化的合金元素：同时加入能产生时效强化的合金元素：Ti、Nb、Mo、Al等。等。n按按Ni的含量分为：的含量分为：18%Ni、20%Ni、25%Nin最常用的是最常用的是18%Ni，因，因20%Ni、25%Ni工艺性差，工艺性差，工艺复杂。工艺复杂。621成分特点成分特点nC：超低碳，：超低碳，0.03%Cn合金元素：合金元素：Ti、Nb、Mo、AlF形成（稳定）元素，形成（稳定）元素，要想获得单一要想获得单一A（加热），必须加入（加热），必
45、须加入A稳定元素，稳定元素，Ni和和Co。nNi作用：（作用：（1）A稳定元素，高温形成单相稳定元素，高温形成单相A；（2）使塑性极高；）使塑性极高；（3）与）与Ti、Mo、Al、Co等形成金属间化合等形成金属间化合物：物：Ni3Al、Ni3Ti、Ni3Mo、(FeNiCo)2Mo等；等；（4）使）使Ms下降，所以须加下降，所以须加Co，提高，提高Ms，同，同时时Co对塑性有益。对塑性有益。63n这种钢这种钢C含量为什么特别低？含量为什么特别低？（1）大量的）大量的K形成元素形成元素Ti、Nb、Mo等，若钢等，若钢中中C量高，将形成量高，将形成K，沿晶界析出，使钢的韧，沿晶界析出，使钢的韧性降
46、低，缺口敏感性升高；性降低，缺口敏感性升高；（2）另一方面，损失了时效强化合金元素的）另一方面，损失了时效强化合金元素的有效含量，使钢的强度降低；有效含量，使钢的强度降低；（3）含）含C量高，量高，M的塑性也会下降。的塑性也会下降。n为什么不加入为什么不加入Si和和Mn？642热处理特点热处理特点n固溶固溶+时效时效3性能特点性能特点（1）不仅具有高强度，而且具有良好的塑性、韧性）不仅具有高强度，而且具有良好的塑性、韧性（2）无脱碳倾向；）无脱碳倾向；（3）热处理变形小，工艺简单，无淬火开裂倾向；）热处理变形小，工艺简单，无淬火开裂倾向；（4）合金度高，冶金要求严，价格昂贵；）合金度高，冶金要
47、求严，价格昂贵；（5）工艺性能优良）工艺性能优良654典型材料典型材料Ni18Co9Mo5TiAl，Ms=150，Mf=50，815固溶后空冷，固溶后空冷，M转变相当充分，因是置转变相当充分，因是置换式固溶体，换式固溶体，HRC26-36，4804h时效，时效，析出析出Ni3Al、Ni3Ti、Ni3Mo、(FeNiCo)2Mo等金属间化合物，等金属间化合物，组织：组织：M+金属间化合物。金属间化合物。5应用应用66发展使用超高强度应注意的问发展使用超高强度应注意的问题题 1缺口敏感性缺口敏感性 2疲劳强度疲劳强度3氢脆氢脆4应力腐蚀应力腐蚀5可焊性可焊性6断裂韧性断裂韧性 673-7 特殊用途
48、结构钢特殊用途结构钢特殊用途结构钢有多种，如特殊用途结构钢有多种，如低温用钢、耐磨钢低温用钢、耐磨钢、无磁钢、无磁钢、易削钢易削钢、钢轨钢、钢轨钢、大锻件用钢等。大锻件用钢等。一低温用钢一低温用钢1低温用钢的性能要求低温用钢的性能要求（1）足够的低温强度，特别是屈服强度，可减轻结构重）足够的低温强度，特别是屈服强度，可减轻结构重量；量；（2）足够的刚度和韧性，尤其是低温韧性，一般要求）足够的刚度和韧性，尤其是低温韧性，一般要求ak60J/cm2。（3）良好的焊接性和冷加工性。低温用钢大部分是板材，）良好的焊接性和冷加工性。低温用钢大部分是板材，需焊接或冷成型。要求良好的延伸率，一般碳钢不低需焊
49、接或冷成型。要求良好的延伸率，一般碳钢不低于于16%，合金钢不低于，合金钢不低于14%。（4）较好的耐蚀性。）较好的耐蚀性。682低温用钢分类低温用钢分类（1）奥氏体型低温用钢）奥氏体型低温用钢 奥氏体型低温用钢合金元素含量高，使用时应注意成本。奥氏体型低温用钢合金元素含量高，使用时应注意成本。最早使用的是最早使用的是18-8不锈钢，因为这种钢低温韧性较好（不锈钢，因为这种钢低温韧性较好（0Cr18Ni9和和1Cr18Ni9）。但是，）。但是，-200以下奥氏体不稳定，研制了以下奥氏体不稳定，研制了25Cr-20Ni是最稳定的奥氏体可用于是最稳定的奥氏体可用于-268.9(液氮液氮)，价格高。
50、，价格高。目前，为降低成本，目前，为降低成本，15Mn26Al4钢已开始使用。钢已开始使用。（2）低碳马氏体型低温用钢）低碳马氏体型低温用钢 这类钢是低碳，同时用大量的这类钢是低碳，同时用大量的Ni提高低温韧性，含提高低温韧性，含9%Ni。热处理淬火热处理淬火+高温回火。可用于高温回火。可用于-196(制取液氮设备制取液氮设备)。（3）铁素体型低温用钢）铁素体型低温用钢 这类钢是降低碳及这类钢是降低碳及S、P含量，提高低温韧性。热处理是正火或含量，提高低温韧性。热处理是正火或热轧，组织热轧，组织F+少量少量P。16MnRE、09MnV2RE等。等。69三高锰耐磨钢三高锰耐磨钢 1.用途及性能要
