1、第第3 3章章 机械制造结构钢机械制造结构钢（机器零件用钢）（机器零件用钢）根据钢的生产工艺和用途，可分为：根据钢的生产工艺和用途，可分为：调质钢、调质钢、非调质钢、低碳马氏体钢非调质钢、低碳马氏体钢 弹簧钢、轴承钢、渗碳钢、氮化钢、弹簧钢、轴承钢、渗碳钢、氮化钢、耐磨钢等。耐磨钢等。3.1 3.1 概概 述述一、机器零件用钢的性能要求（表一、机器零件用钢的性能要求（表3.1）（1）具有良好的冷热加工工艺性）具有良好的冷热加工工艺性 如锻造、冲压、热处理、车、铣、刨、磨等。如锻造、冲压、热处理、车、铣、刨、磨等。（2）具有良好的力学性能）具有良好的力学性能 不同零件对钢的强度、塑性、韧性、疲劳
2、强度、不同零件对钢的强度、塑性、韧性、疲劳强度、耐磨性等有不同要求。耐磨性等有不同要求。一般为亚共析钢，低合金或中合金，优质钢或一般为亚共析钢，低合金或中合金，优质钢或高级优质钢。高级优质钢。二、机器零件用钢合金化特点二、机器零件用钢合金化特点主加主加元素元素 Cr，M n，Si，Ni主要作用：主要作用：淬透性和力学性能淬透性和力学性能最佳最佳范围范围辅加辅加元素元素 Mo，W，V，B等等 主要作用：主要作用：过热敏感性，过热敏感性，回火脆性回火脆性 提高淬透性。提高淬透性。获得最佳性能获得最佳性能称为称为极限合金化理论极限合金化理论。结构钢常用范围为：结构钢常用范围为：1.2Si，2Mn，1
3、-2 Cr，1-4Ni，0.5Mo,0.2V,60100mm，有，有40CrNiMo,40CrMnMo，37CrNi3等。等。分析比较：分析比较：40Cr 40CrNi 40CrNiMo淬透性淬透性回稳性回稳性塑韧性塑韧性回脆性回脆性40CrNiMo 40CrNi 40Cr40CrNiMo 40CrNi 40Cr40CrNiMo 40CrNi 40Cr40CrNiMo 40CrNi 40Cr40CrNiMo 40CrNi 40Cr40CrNiMo 40CrNi 40Cr40CrNi 40Cr 40CrNiMo40CrNi 40Cr 40CrNiMo思考：以思考：以 Mn代代Ni，在性能上有什么
4、差别？，在性能上有什么差别？1.1.预备热处理预备热处理目的：改善切削加工性，改善粗晶组织和带状组织。目的：改善切削加工性，改善粗晶组织和带状组织。合金含量较少的钢：合金含量较少的钢：轧制和锻造后为轧制和锻造后为P P，一般采用在，一般采用在AC3AC3线以上加热正火。线以上加热正火。合金含量较多的钢：合金含量较多的钢：轧制和锻造后为轧制和锻造后为M M，一般采用，一般采用AC3AC3线以上加热正火线以上加热正火 +高温回火，使硬度由高温回火，使硬度由HB380HB380550550降至降至HB207HB207240240，以利于切削加工，以利于切削加工。三三、调质钢的热处理特点调质钢的热处理
5、特点2.2.最终热处理最终热处理 淬火：将钢件加热至淬火：将钢件加热至AC3AC3线以上进行淬火，淬火温线以上进行淬火，淬火温度由钢的成分来决定，淬火介质根据钢件尺寸大小和钢度由钢的成分来决定，淬火介质根据钢件尺寸大小和钢的淬透性加以选择。的淬透性加以选择。回火：根据性能确定回火温度，因此回火是调质钢回火：根据性能确定回火温度，因此回火是调质钢性能定型化性能定型化的重要工序。的重要工序。高温回火时高温回火时应考虑钢材的回火脆性问题。应考虑钢材的回火脆性问题。表面处理：要求较高的强、韧、塑性配合及良好的表面处理：要求较高的强、韧、塑性配合及良好的耐磨性时，经调质处理后，局部进行高频淬火。如对耐耐
6、磨性时，经调质处理后，局部进行高频淬火。如对耐磨性要求更高，可用氮化钢在调质后进行氮化处理。磨性要求更高，可用氮化钢在调质后进行氮化处理。三三、调质钢的热处理特点调质钢的热处理特点常用调质钢的成分、热处理、机械性能和用途常用调质钢的成分、热处理、机械性能和用途常用调质钢的成分、热处理、机械性能和用途常用调质钢的成分、热处理、机械性能和用途调质钢是一种中碳钢或中碳合金钢调质钢是一种中碳钢或中碳合金钢 调质钢在淬火高温回火后具有优良的综合机械性能调质钢在淬火高温回火后具有优良的综合机械性能调质钢淬火温度：调质钢淬火温度：A AC3C3温度温度30305050；调质钢回火温度：取决于最终所需要的强韧
7、性指标调质钢回火温度：取决于最终所需要的强韧性指标 调质钢要点：调质钢要点：选择调质钢方法以及应注意的事项：选择调质钢方法以及应注意的事项：(1)(1)所选择钢在热处理时应有足够的淬透性，以满足所选择钢在热处理时应有足够的淬透性，以满足使用性能要求；使用性能要求；(2)(2)确定钢材的淬火、回火温度，以及冷却介质。确定钢材的淬火、回火温度，以及冷却介质。(3)(3)充分考虑调质处理时的回火脆性和防止措施。充分考虑调质处理时的回火脆性和防止措施。四、调质钢强韧性化工艺发展四、调质钢强韧性化工艺发展 AK是一次大能量冲击性能指标，大部分机械零件在小是一次大能量冲击性能指标，大部分机械零件在小能量多
8、冲条件下工作，用能量多冲条件下工作，用 AK很难准确反映。有些重要零件很难准确反映。有些重要零件以断裂韧度以断裂韧度K IC 来衡量。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，塑性和韧性宜高些；冲击能量小时，强度应高些，塑性韧性低些，和韧性宜高些；冲击能量小时，强度应高些，塑性韧性低些，以达最佳配合以达最佳配合。调质钢的五大性能指标：调质钢的五大性能指标：b、s、AK综合强化综合强化工艺工艺冷变形冷变形锻造锻造余热淬火余热淬火如复合热
9、处理，即热处理强化、表面处理如复合热处理，即热处理强化、表面处理及形变强化工艺结合起来。及形变强化工艺结合起来。如汽车转向节圆角处进行高频淬火处理后，如汽车转向节圆角处进行高频淬火处理后，疲劳寿命提高疲劳寿命提高50倍。倍。如滚压、喷丸等如滚压、喷丸等冷变形冷变形方法也能提高零件方法也能提高零件寿命。寿命。既能节约能源、简化工序，又能细化组织，既能节约能源、简化工序，又能细化组织，提高零件强韧性。如柴油机连杆，已普遍提高零件强韧性。如柴油机连杆，已普遍使用锻造余热淬火工艺。使用锻造余热淬火工艺。3.3 非调质机械结构钢（微合金非调质钢）非调质机械结构钢（微合金非调质钢）非调质（机械结构）钢：通
10、过微合金化、控制轧制（锻制）非调质（机械结构）钢：通过微合金化、控制轧制（锻制）和控制冷却等强韧化方法，取消了调质处理，达到或接近和控制冷却等强韧化方法，取消了调质处理，达到或接近 调质钢力学性能的方法。调质钢力学性能的方法。中碳钢中加中碳钢中加入微量入微量Ti、Nb、V等等使钢性能使钢性能达到调质达到调质钢水平钢水平锻轧后冷却过程锻轧后冷却过程中弥散析出稳定中弥散析出稳定碳（氮）化物碳（氮）化物3.3 非调质机械结构钢非调质机械结构钢非调质钢组织：非调质钢组织：F+P+弥散析出弥散析出K主要强化作用：主要强化作用：细化组织细化组织和和相间沉淀析出相间沉淀析出(F中析出中析出)微合金化元素：微
11、合金化元素：Ti、Nb、V、N等，等，V是主要是主要Me，起，起沉淀析出强化作用；沉淀析出强化作用；Nb、Ti起起细晶强化细晶强化作用作用非调质钢生产的主要目标是非调质钢生产的主要目标是细化组织细化组织多元适量，复合加入多元适量，复合加入：Nb-V-N和和Ti-V等等主要贡献是细化组织。主要贡献是细化组织。一、微合金元素对强韧化的贡献一、微合金元素对强韧化的贡献二、获得最佳强韧化的工艺因素二、获得最佳强韧化的工艺因素相间相间析出析出沉淀强化沉淀强化细化组织细化组织工艺参数工艺参数是关键是关键细化组织和细化组织和沉淀析出要协调沉淀析出要协调控制轧制控制轧制控制冷却控制冷却工艺因素工艺因素决定各种
12、强化机制的效果决定各种强化机制的效果三三、组织因素对强韧性贡献的大小、组织因素对强韧性贡献的大小 间隙型碳氮化合物沉淀析出的强化量间隙型碳氮化合物沉淀析出的强化量一般认为可以提高一般认为可以提高150150400MPa400MPa，甚至可以，甚至可以达到达到600MPa600MPa。细化组织强化量大约在细化组织强化量大约在5050300MPa300MPa。其它强化机制都不同程度地降低韧度。其它强化机制都不同程度地降低韧度。四四、低碳贝氏体型和马氏体型非调质钢、低碳贝氏体型和马氏体型非调质钢 经历了三个阶段的发展经历了三个阶段的发展为得到高强度高韧度，开发了低碳贝氏体非调质钢为得到高强度高韧度，
13、开发了低碳贝氏体非调质钢代替代替Cr-MoCr-Mo调质钢调质钢 直接从锻造温度淬火而产生自回火得到细小均匀直接从锻造温度淬火而产生自回火得到细小均匀的的K和板条和板条M。F-P、B、低碳低碳M型微合金非调质钢应用于制作型微合金非调质钢应用于制作汽车发动机曲轴、连杆、汽车前桥等汽车发动机曲轴、连杆、汽车前桥等四四、低碳贝氏体型和马氏体型非调质钢、低碳贝氏体型和马氏体型非调质钢 非调质钢已经不限于中碳范围非调质钢已经不限于中碳范围不同的成份的钢种（碳钢，合金钢），强化机制不同；不同的成份的钢种（碳钢，合金钢），强化机制不同；同一钢种，工艺不同，强化机制的效果也不同；同一钢种，工艺不同，强化机制的
14、效果也不同；所以钢的组织、性能也有很大的差异所以钢的组织、性能也有很大的差异。弹簧是一种使用很广泛的机械零件弹簧是一种使用很广泛的机械零件,其主要作用在于储存能量和减轻震动。其主要作用在于储存能量和减轻震动。3.4 弹簧钢弹簧钢 汽车板簧汽车板簧火车螺旋弹簧火车螺旋弹簧3.4 弹簧钢弹簧钢汽车板簧汽车板簧大型热卷弹簧大型热卷弹簧热卷大弹簧热卷大弹簧弹簧丝弹簧丝3.4 弹簧钢弹簧钢一、弹簧的服役条件及性能要求一、弹簧的服役条件及性能要求弹簧功能弹簧功能储能减震储能减震弹簧类型弹簧类型根据外形分为：根据外形分为：板簧、螺旋弹簧；板簧、螺旋弹簧；根据用途分为：根据用途分为：压簧、拉簧和扭簧等压簧、拉
15、簧和扭簧等板弹簧：用于机车、汽车、拖拉机，联结车轮和车架。板弹簧：用于机车、汽车、拖拉机，联结车轮和车架。受力：以反复弯曲应力为主。受力：以反复弯曲应力为主。提高其使用寿命措施：提高疲劳强度。提高其使用寿命措施：提高疲劳强度。螺旋弹簧：不管是受压或受拉，主要承受扭转应力。螺旋弹簧：不管是受压或受拉，主要承受扭转应力。主要破坏方式：疲劳，疲劳源一般在内表面。主要破坏方式：疲劳，疲劳源一般在内表面。（a a）压缩弹簧）压缩弹簧（b b）拉伸弹簧）拉伸弹簧（c c）扭转弹簧）扭转弹簧（d d）单板弹簧）单板弹簧（e e）叠型弹簧）叠型弹簧（f f）椭圆弹簧）椭圆弹簧典型的螺旋弹簧及板簧典型的螺旋弹簧
16、及板簧 扭杆弹簧扭杆弹簧(a)(a)实芯扭杆实芯扭杆 (b)(b)串联式扭杆串联式扭杆卡簧（圈）基本形状卡簧（圈）基本形状碟形弹簧截面碟形弹簧截面一、弹簧的服役条件及性能要求一、弹簧的服役条件及性能要求3.4 弹簧钢弹簧钢其它要求：冶金质量，表面质量。其它要求：冶金质量，表面质量。板簧板簧 螺簧螺簧 弯曲应力弯曲应力 扭转应力扭转应力疲劳破坏疲劳破坏弹性减退弹性减退高的弹性极限高的弹性极限e、屈强比、屈强比s/b弹性弹性高的疲劳强度高的疲劳强度-1避免早期疲劳破坏避免早期疲劳破坏有足够的塑性和韧性有足够的塑性和韧性不产生脆性断裂不产生脆性断裂足够的淬透性足够的淬透性保证保证e和疲劳强度和疲劳强
17、度思考题思考题：为什么弹簧要求为什么弹簧要求有好的表面质量，如有好的表面质量，如表面不允许有裂纹、表面不允许有裂纹、折迭、严重脱碳折迭、严重脱碳等缺陷？等缺陷？二、常用弹簧钢及强化工艺二、常用弹簧钢及强化工艺合金弹簧钢：合金弹簧钢：65Mn、60Si2Mn、50CrVA合金化：合金化：0.400.74%C +Si、Mn、Cr、V等等 Cr、Mn：主要提高淬透性：主要提高淬透性Si：提高弹性极限：提高弹性极限V：提高淬透性和细化晶粒。：提高淬透性和细化晶粒。碳素弹簧钢：碳素弹簧钢：65、70、75、85钢钢 C:0.620.9%，Mn:0.50.8%，Si:0.150.37%60Si2Mn：Si
18、、Mn复合，强化复合，强化F，e，s/b可可 达到达到0.80.9；Si、Mn淬透性，淬透性，Ms不过分不过分，开裂倾向小，开裂倾向小 Si 回稳性，但回稳性，但脱碳倾向；脱碳倾向；Mn 过热敏感性过热敏感性 Si、Mn复合，脱碳和过热敏感性较复合，脱碳和过热敏感性较Si钢、钢、Mn钢为小。钢为小。50CrVA：Cr、V均提高回稳性，韧性好；均提高回稳性，韧性好；V细化晶粒，降低过热敏感性；细化晶粒，降低过热敏感性；含含Si少，脱碳敏感性减低，热处理不易脱少，脱碳敏感性减低，热处理不易脱C;常用于受应力高的螺旋弹簧及常用于受应力高的螺旋弹簧及60HRC；高接触疲劳强度高接触疲劳强度以免过早失效
19、以免过早失效保证材质保证材质,组织组织 高的弹性极限和高的弹性极限和一定的冲击韧性一定的冲击韧性承受冲击，承受冲击，以免破碎；以免破碎；尺寸稳定性好尺寸稳定性好保证精度；保证精度；一定一定耐蚀性耐蚀性大气、润滑油腐蚀；大气、润滑油腐蚀；具有良好的冷热加工工艺性能具有良好的冷热加工工艺性能。性性能能要要求求关键因素关键因素化学成分、冶金质量和加工工艺化学成分、冶金质量和加工工艺二、轴承钢的冶金质量二、轴承钢的冶金质量冶金冶金质量质量要求要求纯净纯净夹杂物要少：主要有各种夹杂物要少：主要有各种氧化物（如氧化物（如Al2O3）和硅酸盐等。）和硅酸盐等。危害程度依次递减：危害程度依次递减：Al2O3、
20、球状不变形夹杂、硅酸盐等。球状不变形夹杂、硅酸盐等。接触面积小接触面积小应力集中大应力集中大材质纯净、组织均匀材质纯净、组织均匀易产生裂纹易产生裂纹氧化物夹杂数量对轴承钢疲劳寿命的影响氧化物夹杂数量对轴承钢疲劳寿命的影响1.成分成分 高碳低铬轴承钢，如高碳低铬轴承钢，如GCr15钢，钢，0.951.10%C，1.41.65%Cr。其优点：。其优点：加工工艺性好，便于得到较稳定而均匀的组织和高加工工艺性好，便于得到较稳定而均匀的组织和高而稳定的硬度；而稳定的硬度；具有良好的耐磨性和抗接触疲劳性能；具有良好的耐磨性和抗接触疲劳性能；具有比较满意的防锈性能；具有比较满意的防锈性能；具有合适的弹性和韧
21、性；具有合适的弹性和韧性；价格较低。价格较低。因而获得广泛的应用。因而获得广泛的应用。三、轴承钢的成分与原始组织三、轴承钢的成分与原始组织1.成分成分碳：碳：0.951.10%，是决定高硬度、高接触疲劳强度、，是决定高硬度、高接触疲劳强度、高耐磨性的主要因素。高耐磨性的主要因素。实践证明：实践证明：同样硬度下，耐磨性同样硬度下，耐磨性(M+碳化物碳化物)耐磨性耐磨性(M)铬：铬：1.401.65%，提高淬透性；提高淬透性；部分溶于铁素体；部分溶于铁素体；部分溶于渗碳体，形成稳定的合金渗碳体部分溶于渗碳体，形成稳定的合金渗碳体(Fe,Cr)3C；提高马氏体的低温回火稳定性。提高马氏体的低温回火稳
22、定性。三、轴承钢的成分与原始组织三、轴承钢的成分与原始组织硅、锰：硅、锰：进一步提高淬透性，节约铬，进一步提高淬透性，节约铬，GCr9SiMn是是GCr15钢钢的代用品；的代用品；适量的硅还能明显提高钢的强度和弹性极限。适量的硅还能明显提高钢的强度和弹性极限。磷、硫：磷、硫：严格限制磷、硫含量。磷促使晶粒长大并增加钢的脆性，严格限制磷、硫含量。磷促使晶粒长大并增加钢的脆性，增加淬火开裂倾向；硫会增加钢中硫化物夹杂。增加淬火开裂倾向；硫会增加钢中硫化物夹杂。氧、氮：氧、氮：有害元素，应尽量降低轴承钢中气体含量。有害元素，应尽量降低轴承钢中气体含量。三、轴承钢的成分与原始组织三、轴承钢的成分与原始
23、组织2.2.原始组织原始组织 原始组织必须无缩孔、皮下气泡、白点和过烧；原始组织必须无缩孔、皮下气泡、白点和过烧；严格控制非金属夹杂物；严格控制非金属夹杂物；严格控制疏松级别；严格控制疏松级别；改善碳化物不均匀性（网状、带状和液析）。改善碳化物不均匀性（网状、带状和液析）。三、轴承钢的成分与原始组织三、轴承钢的成分与原始组织原始原始组织组织均匀均匀碳化物细小均布。主要有三类碳化物细小均布。主要有三类K K：K K液析液析结晶时枝晶偏析而引起结晶时枝晶偏析而引起高温扩散退火，不允许液析严重；高温扩散退火，不允许液析严重；带状带状K K压制时二次碳化物偏析压制时二次碳化物偏析高温扩散退火。高温扩散
24、退火。网状网状K K冷却时在晶界析出冷却时在晶界析出正火正火 2.2.原始组织原始组织 GCr15GCr15锻造后冷速不当易出现网状碳化物组织锻造后冷速不当易出现网状碳化物组织GCr15GCr15锻造后的网状碳化物锻造后的网状碳化物三、轴承钢的成分与原始组织三、轴承钢的成分与原始组织四、铬轴承钢的热处理四、铬轴承钢的热处理 球化退火球化退火（预先处理）和预先处理）和 淬火低温回火（最终热处淬火低温回火（最终热处理）理）1.1.GCr15钢的球化退火钢的球化退火 目的目的:降低硬度，改善其切削加工性；降低硬度，改善其切削加工性；获得均匀细粒状珠光体，为最终热处理做组织准备。获得均匀细粒状珠光体，
25、为最终热处理做组织准备。四、铬轴承钢的热处理四、铬轴承钢的热处理 球化退火（预先处理）和淬火低温回火（最终热处球化退火（预先处理）和淬火低温回火（最终热处理）理）GCr15GCr15钢制轴承套圈的球化退火工艺及组织钢制轴承套圈的球化退火工艺及组织 GCr15钢退火温度：钢退火温度：770810，790最适宜最适宜T过高过高，碳化物溶解过多，碳化物溶解过多，成分均匀，冷却后得到粗片层或成分均匀，冷却后得到粗片层或大块聚集碳化物，使硬度偏高。大块聚集碳化物，使硬度偏高。过低，过低，片状渗碳体溶解不充分，片状渗碳体溶解不充分，成分不均匀，冷却时碳化物成分不均匀，冷却时碳化物沿原片层析出，形成细小的链
26、状碳化物，使硬度偏高。沿原片层析出，形成细小的链状碳化物，使硬度偏高。碳化物的形状取决于碳化物的形状取决于，碳化物的弥散度碳化物的弥散度取决于冷速，冷速越取决于冷速，冷速越大，碳化物的弥散度越大，硬度越高。大，碳化物的弥散度越大，硬度越高。退火后组织：退火后组织：均匀分布的球状均匀分布的球状P。四、铬轴承钢的热处理四、铬轴承钢的热处理 2.GCr15 2.GCr15钢的最终热处理钢的最终热处理 轴承零件淬火后一般要满足以下的要求：轴承零件淬火后一般要满足以下的要求：加热时获得均匀细小的加热时获得均匀细小的晶粒晶粒；淬火后组织：隐晶基体上分布着均匀细小的碳化物淬火后组织：隐晶基体上分布着均匀细小
27、的碳化物 淬火组织硬度：淬火组织硬度：6266 HRC；（对磨试样）；（对磨试样）GCr15钢的未溶碳化物数量应占钢的未溶碳化物数量应占7%9%，残余，残余量量小于小于10，中溶解中溶解0.50%0.60%C、0.8%Cr，保证，保证淬透性和淬硬性。淬透性和淬硬性。淬火后表面不应有氧化脱碳及软点。淬火后表面不应有氧化脱碳及软点。四、铬轴承钢的热处理四、铬轴承钢的热处理 轴承钢的一般热处理工艺为轴承钢的一般热处理工艺为淬火低温回火淬火低温回火。GCr15钢最终热处理工艺钢最终热处理工艺 四、铬轴承钢的热处理四、铬轴承钢的热处理 GCr15 淬火组织淬火组织 GCr15淬火组织：淬火组织：隐晶隐晶
28、M+均匀细小的粒状碳化物均匀细小的粒状碳化物+残残四、铬轴承钢的热处理四、铬轴承钢的热处理 精密轴承：精密轴承：稳定化处理：稳定化处理：-70-80冷处理冷处理 120150 附加回火附加回火四、铬轴承钢的热处理四、铬轴承钢的热处理 回火温度回火温度对对GCr15钢力学性钢力学性能的影响能的影响轴承钢深冷处理温度对残留奥氏体的影响轴承钢深冷处理温度对残留奥氏体的影响五、常见铬轴承钢五、常见铬轴承钢 表7-3-1 常见铬轴承钢的成分、热处理和用途 常见铬轴承钢的成分、热处理和用途常见铬轴承钢的成分、热处理和用途 表7-3-1 常见铬轴承钢的成分、热处理和用途 六、其它轴承钢简介六、其它轴承钢简介
29、 1.1.特大型轴承用钢（特大型轴承用钢（渗碳轴承钢渗碳轴承钢）外径大于外径大于450mm的轴承的轴承用于轧钢机械、矿山挖掘机械，受较大冲击负荷。用于轧钢机械、矿山挖掘机械，受较大冲击负荷。要求表面硬度高、耐磨性好，具有较高的接触疲劳强要求表面硬度高、耐磨性好，具有较高的接触疲劳强度，且心部有一定的韧性、足够的强度和硬度，可选度，且心部有一定的韧性、足够的强度和硬度，可选用渗碳轴承钢制造。用渗碳轴承钢制造。如：如：G20Cr2Ni4、G20CrNi2Mo、G20Cr2Mn2Mo 渗层：渗层：45mm，930 940，渗碳渗碳 80120小时小时 具体材料与工艺见渗碳钢一节。具体材料与工艺见渗碳
30、钢一节。表7-3-1 常见铬轴承钢的成分、热处理和用途 2.2.不锈轴承钢不锈轴承钢 化工机械、石油矿井机械、海洋船舶、原子反应等设化工机械、石油矿井机械、海洋船舶、原子反应等设备中的某些轴承在各种腐蚀环境中工作。备中的某些轴承在各种腐蚀环境中工作。各国的不锈轴承钢的化学成分大体相同，一般采用高各国的不锈轴承钢的化学成分大体相同，一般采用高碳碳M不锈钢。不锈钢。如如:9Cr18、9Cr18Mo（未溶（未溶Cr7C3）具体材料与工艺见不锈钢一节。具体材料与工艺见不锈钢一节。六、其它轴承钢简介六、其它轴承钢简介 表7-3-1 常见铬轴承钢的成分、热处理和用途 六、其它轴承钢介绍六、其它轴承钢介绍
31、3.3.高温轴承钢高温轴承钢 航空发动机、宇航飞行器、燃汽轮机等装置中的轴承在高温、航空发动机、宇航飞行器、燃汽轮机等装置中的轴承在高温、高速、高载荷下工作，工作温度已超过高速、高载荷下工作，工作温度已超过300。要求轴承的材料有足够的高温硬度、高温强度、耐磨性、抗要求轴承的材料有足够的高温硬度、高温强度、耐磨性、抗氧化性和耐腐蚀性，良好的尺寸稳定性和高温下长的寿命。氧化性和耐腐蚀性，良好的尺寸稳定性和高温下长的寿命。GCr15轴承钢最高工作温度不超过轴承钢最高工作温度不超过180，否则将发生硬度降，否则将发生硬度降低，尺寸稳定性降低的问题。低，尺寸稳定性降低的问题。高温轴承钢主要有高速钢、高
32、铬高温轴承钢主要有高速钢、高铬M不锈钢、高温渗碳钢三类。不锈钢、高温渗碳钢三类。如：如：Cr4Mo4V，W18Cr4V，W6Mo5Cr4V2，W9Cr4V2；Cr15Mo4、Cr15Mo4V2；12Cr2Ni3Mo5、10Cr4Ni4Mo4V 具体材料与工艺见高速钢一节。具体材料与工艺见高速钢一节。思考题思考题轴承钢在淬火热处理后，轴承钢在淬火热处理后，硬度检验时不允许有明显硬度检验时不允许有明显软点，为什么？软点，为什么？如出现软点，可能有哪些如出现软点，可能有哪些因素造成的？因素造成的？低碳钢或低碳合金钢经淬火低碳钢或低碳合金钢经淬火+低温回火处理，得到低温回火处理，得到低低M M组织作为
33、应用状态的钢。组织作为应用状态的钢。没有独立钢类，但有专门开发的低碳没有独立钢类，但有专门开发的低碳M M钢。钢。低碳马氏体结构钢的组织与性能特征：低碳马氏体结构钢的组织与性能特征：位错板条位错板条M M板条相界残余板条相界残余A A薄膜板条内部薄膜板条内部M M自回火析出自回火析出的细小分散的细小分散K K，可实现强、韧、塑性的最佳配合。，可实现强、韧、塑性的最佳配合。基本基本性能性能0.150.150.250.25C C，以保证淬火后获得板条以保证淬火后获得板条M M+Cr,Mo,Si,Mn,V+Cr,Mo,Si,Mn,V等等 淬透性等性能。淬透性等性能。15MnVB,20SiMn2MoV
34、,25SiMn2MoV15MnVB,20SiMn2MoV,25SiMn2MoV是我国研制开发的是我国研制开发的,已获得广泛应用。已获得广泛应用。成成分分特特点点一、基本性能和成分特点一、基本性能和成分特点二、低碳马氏体与中碳调质钢相比的差异二、低碳马氏体与中碳调质钢相比的差异 1.1.含碳量由中碳降低为低碳（含碳量由中碳降低为低碳（0.25%0.25%）；）；2.2.冷脆倾向冷脆倾向较小（可在严寒地区使用）；较小（可在严寒地区使用）；3.3.在静载荷下具有低的缺口敏感性；在静载荷下具有低的缺口敏感性；4.4.具有低的疲劳缺口敏感度；具有低的疲劳缺口敏感度；5.5.更好的强、塑、韧性的配合。更好
35、的强、塑、韧性的配合。三、低碳马氏体钢良好的工艺性能三、低碳马氏体钢良好的工艺性能 冷变形能力良好；冷变形能力良好；焊接性能优良；焊接性能优良；热处理时脱碳倾向小；热处理时脱碳倾向小；淬火变形和开裂倾向小。淬火变形和开裂倾向小。3.6 低碳马氏体钢低碳马氏体钢四、低碳马氏体合金化的方向四、低碳马氏体合金化的方向 1 1、保证低碳马氏体钢的淬透性；、保证低碳马氏体钢的淬透性；2 2、有利于提高低温回火抗力；、有利于提高低温回火抗力；3 3、能改善低碳马氏体钢机械性能的元素；、能改善低碳马氏体钢机械性能的元素；4 4、结合我国资源条件可考虑加入、结合我国资源条件可考虑加入MnMn、SiSi、MoM
36、o、B B、V V等元素。等元素。渗碳钢和普通低合金结构钢可作为低渗碳钢和普通低合金结构钢可作为低M M钢使用。钢使用。五、低碳马氏体钢的热处理五、低碳马氏体钢的热处理 淬火淬火+低温回火（低温回火（150-200150-200）。）。图图7-6-1 7-6-1 低碳马氏体钢金相组织低碳马氏体钢金相组织3.6 低碳马氏体钢低碳马氏体钢应应用用在矿山、汽车、石油、机车车辆、农业在矿山、汽车、石油、机车车辆、农业机械制造工业中得到了广泛的应用机械制造工业中得到了广泛的应用实实例例3.6 低碳马氏体钢低碳马氏体钢六、低碳马氏体结构钢应用六、低碳马氏体结构钢应用六、低碳马氏体结构钢应用六、低碳马氏体结
37、构钢应用实例实例2 2：原来用原来用40Cr40Cr制造的高强度冷镦螺栓，现改为制造的高强度冷镦螺栓，现改为15MnVB15MnVB低碳低碳M M钢钢,低碳低碳M M钢有明显的优点：钢有明显的优点：1 1、冷镦性好，零件开裂少，成品率提高；、冷镦性好，零件开裂少，成品率提高；2 2、搓丝性能好，搓丝模具使用寿命长；、搓丝性能好，搓丝模具使用寿命长；3 3、加热时脱碳倾向小；、加热时脱碳倾向小；4 4、材料价格低，降低成本。、材料价格低，降低成本。3.6 低碳马氏体钢低碳马氏体钢 某些机器零件：齿轮、凸轮、活塞销等某些机器零件：齿轮、凸轮、活塞销等 服役条件：服役条件：（1 1）零件在滑动、滚动
38、相对运动下工作，有摩擦；）零件在滑动、滚动相对运动下工作，有摩擦；（2 2）承受交变弯曲应力和接触疲劳应力；）承受交变弯曲应力和接触疲劳应力；（3 3）一定的冲击力。）一定的冲击力。其机械性能要求：其机械性能要求：（1 1）表面具有高硬度和高耐磨性；）表面具有高硬度和高耐磨性；（2 2）具有高的接触疲劳强度、）具有高的接触疲劳强度、（3 3）心部具有良好的综合力学性能。）心部具有良好的综合力学性能。3.7 合金渗碳钢合金渗碳钢 失效形式：失效形式：过量磨损、表面脱落、断裂过量磨损、表面脱落、断裂 各种类型的齿轮各种类型的齿轮用用低碳钢低碳钢进行渗进行渗C C，使，使表面到中心表面到中心具有具有
39、从高从高C(0.8C(0.81.1%C)1.1%C)到到低低C(0.10C(0.100.25%C)0.25%C)连续过渡的化学成分。连续过渡的化学成分。零件表面层：零件表面层：具有高强度、高耐磨性；具有高强度、高耐磨性；零件心部：零件心部：具有适当的强度和较好的韧性。具有适当的强度和较好的韧性。对于一般零件：对于一般零件：渗碳层的含渗碳层的含C C量限制为量限制为0.80.81.1%C1.1%C；渗碳层的深度控制在渗碳层的深度控制在0.60.62.0mm2.0mm之内。之内。3.7 合金渗碳钢合金渗碳钢3.7.1 渗碳钢的合金化渗碳钢的合金化一般含碳量在一般含碳量在0.120.25%渗碳层性能
40、：表层碳含量、表层浓度梯度和渗层深度渗碳层性能：表层碳含量、表层浓度梯度和渗层深度 渗碳层深度根据零件需要确定渗碳层深度根据零件需要确定。原则上，。原则上，渗碳层深度应渗碳层深度应大于零件的最大切应力深度。大于零件的最大切应力深度。Mn、Cr、Ni主要主要淬透性淬透性Ti、V、W、Mo细化晶粒细化晶粒常用合金常用合金化元素化元素保证心部得到强保证心部得到强韧性好的板条韧性好的板条M合金元素对渗碳层表面含碳量和渗碳层厚度的影响合金元素对渗碳层表面含碳量和渗碳层厚度的影响渗碳零件受力与渗碳厚度的关系渗碳零件受力与渗碳厚度的关系渗碳温度：渗碳温度：910910930930。钢表面的固溶碳极限由钢表面
41、的固溶碳极限由A A在渗在渗碳碳T T时对碳的饱和溶解度决定时对碳的饱和溶解度决定如超过溶解度，在表面层中会如超过溶解度，在表面层中会出现碳化物。出现碳化物。渗碳扩散层的厚度决定于：渗碳扩散层的厚度决定于：碳在奥氏体中的极限溶解度；碳在奥氏体中的极限溶解度；碳在奥氏体中的扩散速度；碳在奥氏体中的扩散速度；扩散的时间。扩散的时间。3.7.1 渗碳钢的合金化渗碳钢的合金化 因此，渗因此，渗C TC T，C C 在在A A中的极限溶解度中的极限溶解度；C C 在在A A的扩散速度的扩散速度，达到相同厚度的扩散层所需要的渗碳时间越达到相同厚度的扩散层所需要的渗碳时间越 但是，渗但是，渗C TC T，奥
42、氏体晶粒长大的倾向性，奥氏体晶粒长大的倾向性。渗碳扩散层的厚度决定于：渗碳扩散层的厚度决定于：碳在奥氏体中的极限溶解度；碳在奥氏体中的极限溶解度；碳在奥氏体中的扩散速度；碳在奥氏体中的扩散速度；扩散的时间。扩散的时间。3.7.1 渗碳钢的合金化渗碳钢的合金化一般地讲，一般地讲，碳化物形成元素对渗碳化物形成元素对渗C C的作用：的作用：增大钢表面吸收增大钢表面吸收C C原子的能力；原子的能力；增大渗碳层中的增大渗碳层中的C C浓度；浓度；阻碍阻碍C C原子在奥氏体中的扩散。原子在奥氏体中的扩散。前两个因素加速渗前两个因素加速渗C C，有利于渗，有利于渗C C层的加深，而后一因素层的加深，而后一因
43、素不利于渗不利于渗C C层的加深。层的加深。总的效果是总的效果是CrCr、MoMo等元素加大渗等元素加大渗C C层的厚度，层的厚度，TiTi减小渗减小渗C C层的厚度。层的厚度。3.7.1 渗碳钢的合金化渗碳钢的合金化 非非碳化物形成元素对渗碳化物形成元素对渗C C的作用：的作用：NiNi、SiSi：减慢渗速，不利于渗：减慢渗速，不利于渗C C层的加深；层的加深；MnMn：加速渗：加速渗C C，且不过分地增多渗，且不过分地增多渗C C层中的层中的C C含量，不会在渗层含量，不会在渗层中产生多量的大块碳化物。中产生多量的大块碳化物。3.7.1 渗碳钢的合金化渗碳钢的合金化 在设计渗碳钢的化学成分
44、时，除了考虑渗层在设计渗碳钢的化学成分时，除了考虑渗层的组织和性能外，还必须考虑零件的心部强度、的组织和性能外，还必须考虑零件的心部强度、钢的淬透性、表面残余应力和钢的渗碳工艺性能钢的淬透性、表面残余应力和钢的渗碳工艺性能等，由此来调整各种合金元素的配比。等，由此来调整各种合金元素的配比。3.7.1 渗碳钢的合金化渗碳钢的合金化3.7.2 常用渗碳钢常用渗碳钢1515、2020；20Cr20Cr、20MnV20MnV（低淬透性）（低淬透性）20CrMnTi20CrMnTi、20CrMnMo20CrMnMo、20CrMn20CrMn（中淬透性）（中淬透性）18Cr2Ni4WA18Cr2Ni4WA
45、、20Cr2Ni4A20Cr2Ni4A（高淬透性）（高淬透性）渗碳结构钢按照钢的淬透性分级如下：渗碳结构钢按照钢的淬透性分级如下：承受较大冲击载荷，不宜采用含碳较高的渗碳钢；承受较大冲击载荷，不宜采用含碳较高的渗碳钢；承受大负荷的重要零件，最好使零件淬透，心部为低承受大负荷的重要零件，最好使零件淬透，心部为低M M。18Cr2Ni4WA18Cr2Ni4WA可作为调质钢，低碳马氏体钢，也可作为渗碳可作为调质钢，低碳马氏体钢，也可作为渗碳钢。渗碳和淬火工艺较复杂。主要用于要求高综合力学性钢。渗碳和淬火工艺较复杂。主要用于要求高综合力学性能和高耐磨性的重要件，如航空发动机齿轮等。能和高耐磨性的重要件
46、，如航空发动机齿轮等。3.7.2 常用渗碳钢常用渗碳钢20Cr20Cr钢：不宜渗碳后直接淬火。钢：不宜渗碳后直接淬火。20CrV20CrV钢可以钢可以20CrMnTi钢特点：钢特点：渗碳工艺性较好，晶粒长大倾向小，可直接淬渗碳工艺性较好，晶粒长大倾向小，可直接淬火，变形也比较小。火，变形也比较小。较高耐磨性和强韧度，特别是低温韧度较好；较高耐磨性和强韧度，特别是低温韧度较好；Cr、Mn复合，淬透性好，复合，淬透性好，D油油约约40mm 广泛制造汽车、拖拉机变速箱齿轮，离广泛制造汽车、拖拉机变速箱齿轮，离合器轴和车辆上的伞齿轮及主动轴等。合器轴和车辆上的伞齿轮及主动轴等。渗碳后的热处理渗碳后的热
47、处理 工艺有工艺有直接淬火直接淬火 细晶粒钢可用直接淬火细晶粒钢可用直接淬火一次淬火一次淬火二次淬火。二次淬火。3.7.3 渗碳钢的热处理特点渗碳钢的热处理特点3.7.3 渗碳钢的热处理特点渗碳钢的热处理特点 一般渗碳钢热处理工艺：一般渗碳钢热处理工艺：渗碳渗碳淬火（直接淬火或重新加热淬火）淬火（直接淬火或重新加热淬火）低温回火。低温回火。以以20CrMnTi20CrMnTi钢为例讨论其热处理工艺规范。钢为例讨论其热处理工艺规范。经过这种处理后，经过这种处理后，20CrMnTi20CrMnTi钢可以获得耐磨性较高的钢可以获得耐磨性较高的渗碳层，而且零件心部具有较高的强度和良好的韧性。渗碳层，而
48、且零件心部具有较高的强度和良好的韧性。3.7.3 渗碳钢的热处理特点渗碳钢的热处理特点 20CrMnTi钢渗碳后钢渗碳后预冷到预冷到870880直接淬火，先预冷直接淬火，先预冷再淬火目的：再淬火目的：减少淬火变形减少淬火变形渗碳层中析出渗碳层中析出Fe3CFe3C，淬，淬火时减少渗火时减少渗C C层的残层的残A A量量 高淬透性渗碳钢高淬透性渗碳钢20Cr2Ni4A20Cr2Ni4A钢制齿轮渗碳钢制齿轮渗碳及随后热处理规范如图及随后热处理规范如图7-4-57-4-5所示所示 3.7.3 渗碳钢的热处理特点渗碳钢的热处理特点 18Cr2Ni4A渗碳后空冷组织渗碳后空冷组织3.7.3 渗碳钢的热处
49、理特点渗碳钢的热处理特点 1.淬火后冷处理淬火后冷处理(-60-100)，使残，使残A M；2.渗渗C正火后进行一次高温回火（正火后进行一次高温回火（600620），从），从M及残及残A中析出碳化物，再加热到较低温度中析出碳化物，再加热到较低温度(Ac1+3050)淬火，碳化物不再溶入淬火，碳化物不再溶入A中，减少中，减少A中中C及及Me含量，使含量，使Ms，淬火后残余，淬火后残余A；3.表面喷丸，使渗层中的残表面喷丸，使渗层中的残A M。高淬透性渗高淬透性渗C钢钢Me较多，渗层含较多，渗层含C、Me量高，导致量高，导致Ms，渗碳层残渗碳层残A中多，使表面硬度中多，使表面硬度。残残A数量的方法
50、有：数量的方法有：3.7.3 渗碳钢的热处理特点渗碳钢的热处理特点 典型渗碳钢种的成分、热处理、性能和用途见表典型渗碳钢种的成分、热处理、性能和用途见表7-97-9。表表7-4-27-4-2典型渗碳钢的热处理和机械性能典型渗碳钢的热处理和机械性能 3.7.3 渗碳钢的热处理特点渗碳钢的热处理特点 3.8 氮化钢氮化钢有些零件工作时载荷不大，基本上无冲击力；有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。这类零件主要的要求是能保持交变的疲劳应力。这类零件主要的要求是能保持高的精度。常采用氮化钢进行渗氮
