1、第第3 3章章 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。3.1 概概 述述 一、机器零件用钢的性能要求一、机器零件用钢的性能要求 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、如锻造、冲压、热处理、车、铣、刨、磨等。磨等。2 2、具有良好的力学性能、具有良好的力学性能 不同零件，对钢强、塑、韧、疲劳、耐不同零件，对钢强、塑、韧、疲劳、耐 磨
2、性等有不同要求。磨性等有不同要求。一般为亚共析钢，低合金或中合金，优质一般为亚共析钢，低合金或中合金，优质 钢或高级优质钢。钢或高级优质钢。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、Mn、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。辅加辅加元素元素 Mo、W、V等等 过热敏感性，过热敏感性，回脆，回脆，淬透性。淬透性。最佳最佳范围范围 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：1.2%Si,2%Mn，12%Cr,14%Ni，0.5%Mo，0.2%V,0.1%Ti，0.40.8%W
3、。或是单独加入，或是复合加入。或是单独加入，或是复合加入。三、零件材料和工艺选择途径三、零件材料和工艺选择途径 低碳马氏体型结构钢，采用淬火低碳马氏体型结构钢，采用淬火+低温回火。低温回火。为为耐磨性，可进行渗碳处理；汽车拖拉机齿轮类耐磨性，可进行渗碳处理；汽车拖拉机齿轮类为代表为代表.回火索氏体型，选择中碳钢，采用淬火回火索氏体型，选择中碳钢，采用淬火+高温高温回火。为回火。为耐磨性，可进行渗氮处理或高耐磨性，可进行渗氮处理或高 频感应加频感应加热淬火等表面硬化工艺方法。轴类零件为典型。热淬火等表面硬化工艺方法。轴类零件为典型。1 1、对于要求良好综合力学性能，零件选、对于要求良好综合力学性
4、能，零件选 材料的途径为：材料的途径为：2、如要求更高的强度，则适当牺牲塑韧、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、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，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。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、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，可用高碳钢，淬劳性和一定的塑性和韧度，可用高碳钢，淬火火+低
5、温回火。如轴承钢。低温回火。如轴承钢。辨辨证证思思维维 由于不同机器零件的服役条件和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。钢的含碳量和热处理工艺。应该明确应该明确:一般情况下，某零件制造的材料一般情况下，某零件制造的材料并不是唯一的；并不是唯一的；某一种钢采用不同的热处理工艺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；可以制造不同类型的零件；某一零件用某一材料制造，其热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。处理工艺方法也可能是多种的。3
6、.2 3.2 整体强化态钢整体强化态钢基基本本情情况况 整体强化态钢均承受拉、压、扭等交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。变应力，大部分是整体受力。其主要失效形式是疲劳破坏，其主要失效形式是疲劳破坏，主要性能指标主要性能指标-1、Rm、AK、KIC等。等。总体上要求良好的综合力学性能。总体上要求良好的综合力学性能。主主要要应应用用 主要制造轴、杆、轴承类等机器零件，主要制造轴、杆、轴承类等机器零件，如连杆、螺栓、主轴、半轴等。这类钢主如连杆、螺栓、主轴、半轴等。这类钢主要有调质钢、弹簧钢、轴承钢、低碳马氏要有调质钢、弹簧钢、轴承钢、低碳马氏体钢、超高强度钢等。体钢、超高
7、强度钢等。汽车半轴汽车半轴 a)一端法兰式一端法兰式;b)二端花键式二端花键式;c)变截面台阶式变截面台阶式 M7150A砂轮主轴砂轮主轴汽汽 拖用连杆拖用连杆下图下图 T615K镗床镗杆镗床镗杆上图上图 S7332 螺纹磨床丝杠螺纹磨床丝杠 3.2.1 调质钢调质钢 1 1、淬透性原则淬透性原则 淬透性相同的同类调质钢，可互相代用淬透性相同的同类调质钢，可互相代用 0.250.45%C的合金钢经调的合金钢经调质后室温性能变化质后室温性能变化 屈服强度相同的碳钢和合屈服强度相同的碳钢和合金结构钢断面收缩率变化金结构钢断面收缩率变化 结构钢抗拉强度与硬度的关系结构钢抗拉强度与硬度的关系 结构钢是
8、否淬透对屈强比的影响结构钢是否淬透对屈强比的影响 2、合金化及常用钢、合金化及常用钢 含碳量在含碳量在0.250.45%。常用合金元素作用：。常用合金元素作用：Mn：淬透性，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，回稳性，但回稳性，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，回脆回脆；Mo：淬透性淬透性,回稳性，细晶回稳性，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。在机械制造工业中，调质钢是按淬透性高低来在机械制造工业中，调质钢是按淬透性高低来分级的。分级的。DC为油淬临
9、界直径为油淬临界直径 低淬透性低淬透性合金钢合金钢:DC 40CrNi 40Cr 40CrNiMo 40CrNi 40Cr 40CrNiMo 40CrNi 40Cr 40CrNi 40Cr 40CrNiMo思考：以思考：以Mn代代Ni，在性能上有什么差别？，在性能上有什么差别？3 3、调质钢强韧化工艺的发展、调质钢强韧化工艺的发展 正确正确认识认识性能性能指标指标 AK是一次大能量冲击性能指标，是一次大能量冲击性能指标，小能量多冲小能量多冲条件下工作的，很难正确条件下工作的，很难正确反映。有些重要零件应以断裂韧度反映。有些重要零件应以断裂韧度KIC来衡量。来衡量。由于服役条件差异，钢最佳综合性
10、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，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，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。强度应高些。以达最佳配合。综合综合强化强化工艺工艺 如复合热处理，即热处理强化、表面如复合热处理，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，疲劳寿向节园角处进行高频淬火处理后，疲劳寿命提高了命提高了5050倍倍冷变冷变形形锻造锻造余热余热淬火淬火 如滚压、喷丸等如滚
11、压、喷丸等冷变形冷变形方法的效果也比方法的效果也比较好较好,能提高零件寿命能提高零件寿命 既能节约能源、简化工序，又能细化组既能节约能源、简化工序，又能细化组织，提高零件的强韧性。如柴油机连杆，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已普遍采用锻造余热淬火工艺3.2.2 微合金非调质钢微合金非调质钢 一、一、微合金元素对强韧化的贡献微合金元素对强韧化的贡献 非调钢组织：主要是非调钢组织：主要是F+P+弥散析出弥散析出K。主要强化作用：细化组织和相间沉淀。主要强化作用：细化组织和相间沉淀。微合金化元素：微合金化元素：Ti、Nb、V、N等元素，等元素，V是主要的。是主要的。多
12、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。二、二、获得最佳强韧化的工艺因素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 细化组织和沉细化组织和沉淀析出要协调淀析出要协调控制轧制控制轧制控制冷却控制冷却 决定各种强化机制的效果决定各种强化机制的效果相间沉淀析出示意图相间沉淀析出示意图 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提高一般认为可提高150400 MPa，甚至可达，甚至可
13、达到到600 MPa。细化组织强化量大约在细化组织强化量大约在50 300 MPa，脆化矢量为脆化矢量为-0.66/MPa。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 C、N原子的固溶强化，其脆化矢量分别原子的固溶强化，其脆化矢量分别为为0.72/MPa、1.97/MPa；Mn和和Cr元素的脆化矢量为零；元素的脆化矢量为零；Si为为0.53/MPa。铁素体中固溶铁素体中固溶C、N量极小，量极小，Mn和和Si固溶固溶量有限。所以固溶强化相对是较小的。量有限。所以固溶强化相对是较小的。在强化机制上，不同的成分和工艺是不同在强化机制上，不同的成分和工艺是不同的，所以使钢的组织、
14、性能也有很大的差异。的，所以使钢的组织、性能也有很大的差异。Mn对非调质钢韧度的影响对非调质钢韧度的影响 V、Ti、Nb对对 强度的影响强度的影响四四 非调质钢的优化设计非调质钢的优化设计 通过合适的成分配比和工艺控制可达到同时提高通过合适的成分配比和工艺控制可达到同时提高强度和韧度的目的。强度和韧度的目的。+CU为冲击韧性为冲击韧性,Rm为抗拉强度为抗拉强度,D是珠光体片间距是珠光体片间距,fp是珠光体是珠光体体积分数体积分数,dr为奥氏体晶粒大小为奥氏体晶粒大小,RmpDDCUDRffCUfRCURmpppm,),(mpmpmpmrrrmRRCURRddCUdR)(,)(,2/12/12/
15、1牌号牌号CSiMnCrVNbTi其他其他27MnSiVS6(德德)0.260.701.500.100.02S1000(法法)0.470.361.550.140.120.0650.03 Mo30(俄俄)0.300.551.00.600.20.171524MoV(美美)0.220.351.540.110.11 MoNC33HFB(日日)0.330.241.460.060.010.01NAHF50B(日日)0.35 0.400.15 0.351.30 1.600.05 0.1545VNbN(中中)0.440.140.790.100.110.02N复合微合金化非调质钢典型成分复合微合金化非调质钢典型
16、成分 3.2.3 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振储能减振弹簧类型弹簧类型板簧，螺簧；板簧，螺簧；压簧、拉簧和扭簧等压簧、拉簧和扭簧等 典型的螺旋弹簧及板簧典型的螺旋弹簧及板簧压缩螺簧压缩螺簧拉伸螺簧拉伸螺簧扭转螺簧扭转螺簧单板弹簧单板弹簧椭圆板簧椭圆板簧叠形板簧叠形板簧卡簧（圈）基本形状卡簧（圈）基本形状碟形弹碟形弹簧截面簧截面 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 板簧板簧弯曲载荷弯曲载荷螺簧螺簧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 e、屈强比、屈强比s
17、 s/b b弹性弹性 高的高的疲劳强度疲劳强度-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和整体强度和整体强度 其他要求其他要求:冶金质量、表面质量冶金质量、表面质量思考题：思考题：为什么弹簧要求有好的为什么弹簧要求有好的表面质量表面质量，如表面不允许有如表面不允许有裂纹裂纹、折迭折迭、严重脱碳等严重脱碳等缺陷缺陷?二、二、常用弹簧钢及强化工艺常用弹簧钢及强化工艺 合金化：合金化：含碳量在含碳量在0.601.05,低合金弹簧钢在低合金弹簧钢在0.400.74C。?+Si、Mn、Cr、V等合金元素
18、等合金元素.Cr和和Mn主主要是提高淬透性，要是提高淬透性，Si提高弹性极限，提高弹性极限，V提高提高淬透性和细化晶粒淬透性和细化晶粒.60Si2Mn:Si、Mn复合复合,强化强化F,e e，s/b可达到可达到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有效有效回稳性回稳性,但但脱脱C倾向倾向;Si、Mn复合，脱碳和过热敏感性较硅钢、锰复合，脱碳和过热敏感性较硅钢、锰钢为小钢为小.常用硅锰板簧钢有常用硅锰板簧钢有60Si2Mn、55Si2Mn等等常用螺旋弹簧钢有常用螺旋弹簧钢有50CrVA等。等。50CrVA:Cr、V均均回稳性回稳性,韧性好韧性好；V
19、 细化晶粒细化晶粒,过热敏感性过热敏感性;含含Si少少,脱脱C敏感性敏感性,热处理不易脱热处理不易脱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；高高接触疲劳强度接触疲劳强度以免过早失效以免过早失效保证材质、组织；保证材质、组织；一定一定韧度韧度承受冲击，以免碎裂；承受冲击，以免碎裂；尺寸稳定尺寸稳定性好性好保证精度；保证精度；一定耐蚀性一定耐蚀性大气、润滑油腐蚀。大气、润滑油腐蚀。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、轴承钢的冶金质量和合金化二、轴承钢的冶金质量和合金化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
20、物要少：主要有各种氧化物（如氧化物（如A12O3）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：A12O3、球、球状不变形夹杂、铝硅酸盐。状不变形夹杂、铝硅酸盐。接触面小接触面小应力集中大应力集中大易产生裂纹易产生裂纹材质纯净、组织均匀材质纯净、组织均匀 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组组织织均均匀匀 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液析液析 结晶时枝晶偏析而存在结晶时枝晶偏析而存在高温扩散退火，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 轧制时二次碳化物偏析轧制时二次碳化物偏析高温扩散退火；高温
21、扩散退火；网状网状K冷却时在晶界析出冷却时在晶界析出正火正火图图 GCr15钢钢 淬火回火态淬火回火态 500（回火隐晶马氏体碳化物）（回火隐晶马氏体碳化物）图图 网状碳化物网状碳化物 500 图图 带状碳化物带状碳化物 500 图图 碳化物液析碳化物液析 500 合金合金化化高碳，加入高碳，加入Cr、Si、Mn等。如等。如GCrl5、GCrl5SiMn。Cr含量含量?组织组织特点特点 经合适的热处理，应得到组织：经合适的热处理，应得到组织：细小均匀的奥氏体晶粒度细小均匀的奥氏体晶粒度58级；级；M中中含含0.50.6%C；隐晶；隐晶M基体上分布细小均基体上分布细小均匀的粒状匀的粒状K，体积分
22、数约，体积分数约78%，一般可一般可有少量有少量AR。负荷较小时负荷较小时,为提高为提高-1-1，可设计，可设计M中中约约含含0.45%C0.45%C，K体积分数约体积分数约5%5%。钢中总钢中总含碳量应含碳量应图图 高碳铬轴承钢中马氏体含碳量与疲劳寿命的关系高碳铬轴承钢中马氏体含碳量与疲劳寿命的关系图图 GCr15轴承钢中未溶轴承钢中未溶K量与疲劳寿命间的关系量与疲劳寿命间的关系 三、高碳铬轴承钢的热处理三、高碳铬轴承钢的热处理 工艺特点是简单而要求高。工艺特点是简单而要求高。热热处处理理特特点点 球化退火球化退火为最终淬火作组织准备为最终淬火作组织准备淬回火工艺参数对疲劳寿命有很大影响淬回
23、火工艺参数对疲劳寿命有很大影响一般采用保护气氛加热或真空加热一般采用保护气氛加热或真空加热160保温保温3h或更长回火，硬度或更长回火，硬度6266HRC 如要求消除如要求消除AR 淬火后立即冷处理淬火后立即冷处理,而后立即低温回火。而后立即低温回火。图图 回火回火温度对温度对GCr15钢钢力学性能力学性能的影响的影响 图图 轴承钢深冷处理温度对残留奥氏体量的影响轴承钢深冷处理温度对残留奥氏体量的影响 1-GCr15，850淬火；淬火；2-Cr15SiMn，830淬火淬火1-GCr15，850淬火淬火2-Cr15SiMn，830淬火淬火思考题思考题:轴承钢在淬火热处理后轴承钢在淬火热处理后,硬
24、硬度检验时不允许有明显的软点度检验时不允许有明显的软点,为什么为什么?如出现如出现软点软点,可能有哪些因可能有哪些因素造成的素造成的?3.2.5 3.2.5 低碳马氏体钢低碳马氏体钢基基本本性性能能 抗拉强度抗拉强度b ，11501500MPa；屈服强度屈服强度s,9501250 MPa；40%；伸长率；伸长率，10%；冲击韧度冲击韧度AK6J。这些性能指标和中碳合金调质钢性能相当，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。常规的力学性能甚至优于调质钢。没有独立钢类，有专门开发的低碳没有独立钢类，有专门开发的低碳M钢。钢。低碳结构钢采用淬火低碳结构钢采用淬火+低回工艺
25、，可得到位低回工艺，可得到位错板条错板条M 强度、韧度和塑性的最佳配合强度、韧度和塑性的最佳配合1 成分工艺特点成分工艺特点 0.150.25%C，以保证淬火后获得板以保证淬火后获得板M +Cr、Mo、Si、Mn、V等等 淬透性等性能淬透性等性能 15MnVB、20SiMn2MoV等是我国研制开发的等是我国研制开发的 零件断面尺寸零件断面尺寸，心部可，心部可能淬不透，能淬不透，综合性能综合性能 应根据零件的尺寸大小来应根据零件的尺寸大小来选择相应淬透性的钢选择相应淬透性的钢成成分分特特点点工工艺艺特特点点高温加热高温加热较长较长t保温保温高速冷却高速冷却2 2、低碳马氏体结构钢及应用、低碳马氏
26、体结构钢及应用 应应用用 在矿山、汽车、石油、机车车辆、农业机械等在矿山、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制造工业中得到了广泛的应用实实例例 石油钻机吊环石油钻机吊环(卡卡)20SiMn2MoV代代35钢钢 材料材料 工艺工艺 重量重量kg b/MPa AK/J 35 正火正火 137.4 550 5020SiMn2MoV 淬火淬火 29 1600 110120局局限限性性 工作温度工作温度200;强化后难以进行冷加工强化后难以进行冷加工焊接焊接等工序等工序;只能用于中小件只能用于中小件;淬火时变形大淬火时变形大,要求严要求严格的零件慎用格的零件慎用.吊卡实物外形吊卡
27、实物外形3.3 表面强化态钢表面强化态钢 零件在滑动、滚动、接触零件在滑动、滚动、接触应力、摩擦等工况下工作应力、摩擦等工况下工作 磨损和接触疲劳磨损和接触疲劳是主要失效形式是主要失效形式 表面应具有高硬度、高接表面应具有高硬度、高接触疲劳抗力和良好耐磨性，触疲劳抗力和良好耐磨性，而心部有一定塑韧性而心部有一定塑韧性 渗碳钢、渗氮渗碳钢、渗氮钢、感应加热淬钢、感应加热淬火钢等火钢等 这类这类钢适宜制造表面和心部性能要求不同的零件，通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
28、有齿轮、凸轮等性配合以满足要求。典型零件有齿轮、凸轮等各种类型的齿轮各种类型的齿轮3.3.1 合金渗碳钢合金渗碳钢 1 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 保证得到强韧保证得到强韧性好的板条性好的板条M常用合金常用合金化元素化元素 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 渗碳层性能渗碳层性能:表层碳量、表层浓度梯度和渗层深度表层碳量、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，渗碳层深度渗碳层深度应大于零件的最大切应力深度。应大于零件的最大切应力深度。合金元素对渗碳层表
29、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 合金合金元素元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%TiV变陡变陡不定不定 0.12 0.30WMoCr 变陡变陡0.41.20.20.6 2Mn影响小影响小平缓平缓 2Ni平缓平缓影响小影响小 4Si平缓平缓影响小影响小 0.8 表表 合金元素对渗碳工艺和渗碳层性能的影响合金元素对渗碳工艺和渗碳层性能的影响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力强强度度距离距离表面碳浓度太高表面碳浓度太高渗层太浅渗层
30、太浅 渗碳零件受力与渗层厚度的关系渗碳零件受力与渗层厚度的关系 2 2、常用渗碳钢及热处理、常用渗碳钢及热处理 按淬透性可分为低、中和高淬透性钢三类。按淬透性可分为低、中和高淬透性钢三类。20Cr钢：不宜渗碳后直接淬火。钢：不宜渗碳后直接淬火。20CrV钢可钢可20CrMnTi钢特点钢特点:Cr、Mn复合，淬透性好，复合，淬透性好，D油油约约40mm；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；渗碳工艺性较好，晶粒长大倾向小，可直接渗碳工艺性较好，晶粒长大倾向小，可直接淬火，变形也比较小。淬火，变形也比较小。广泛制造汽车、拖拉机变速箱齿轮，离广泛制造汽车、拖
31、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。渗碳后的热处理工艺有直接淬火渗碳后的热处理工艺有直接淬火一次淬火一次淬火二二次淬火次淬火.细晶粒钢可用直接淬火细晶粒钢可用直接淬火.18Cr2Ni4WA18Cr2Ni4WA、20Cr2Ni4A20Cr2Ni4A：高淬透性渗碳钢。高淬透性渗碳钢。由于合金元素多，所以工艺可变程度大，获得由于合金元素多，所以工艺可变程度大，获得 的组织性能也较复杂。的组织性能也较复杂。18Cr2Ni4WA18Cr2Ni4WA可作为调质钢，低碳马氏体钢，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。主也可作为渗碳
32、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。件，如航空发动机齿轮等。3.3.2 氮化钢氮化钢 服役条件服役条件：有些零件工作时载荷不大，基本上无冲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，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。常采用氮化钢要的要求是能保持高的精度。常采用氮化钢 进行渗氮处理。进行渗氮处理。氮化钢氮化钢：多为碳含量偏低的中碳铬钼铝钢：多为碳含量偏低的中
33、碳铬钼铝钢。国内外广泛使用的氮化钢是国内外广泛使用的氮化钢是38CrMoAl钢，获得钢，获得 最高氮化层硬度，达到最高氮化层硬度，达到9001000HV。仅要求高仅要求高 疲劳强度的零件，可采用不含铝的疲劳强度的零件，可采用不含铝的CrMo型氮化型氮化 钢，如钢，如35CrMo、40CrV、40Cr等，其氮化层的等，其氮化层的 硬度控制在硬度控制在500800HV。工艺工艺：氮化前，要经过调质热处理以得到稳：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定的回火索氏体组织，以保证零件最终的使用性 能和使用过程中的尺寸稳定性，同时也为获得好能和使用过程中的尺寸稳定性
34、，同时也为获得好 的氮化层作组织准备。的氮化层作组织准备。合金元素对氮化层深度和表面硬度的影响合金元素对氮化层深度和表面硬度的影响 （550氮化氮化24h）思考题思考题:某精密镗床主轴用某精密镗床主轴用38CrMoAlA钢制钢制,某重型齿轮铣床主轴用某重型齿轮铣床主轴用20CrMnTi制造制造,某普通车床主轴某普通车床主轴用用40Cr钢制造钢制造.试分析比较说明它试分析比较说明它们各自应采用什么样的热处理工们各自应采用什么样的热处理工艺及最终的组织和性能特点艺及最终的组织和性能特点3.3.3 3.3.3 低淬透性钢低淬透性钢感应加热淬火与渗碳和氮化相比，特点有：感应加热淬火与渗碳和氮化相比，特
35、点有：不改变表面化学成分，表面硬化而心部仍不改变表面化学成分，表面硬化而心部仍然保持较高的塑性和韧度；然保持较高的塑性和韧度；表面局部加热，零件的淬火变形小；表面局部加热，零件的淬火变形小；加热速度快，可消除表面脱碳和氧化现象；加热速度快，可消除表面脱碳和氧化现象；在表面形成残余压应力，提高疲劳强度在表面形成残余压应力，提高疲劳强度。与渗碳相比，感应加热淬火工艺常用于轻负与渗碳相比，感应加热淬火工艺常用于轻负荷工件或需要局部淬硬的轴类零件，其荷工件或需要局部淬硬的轴类零件，其耐磨性耐磨性和疲劳抗力不如渗碳工艺。和疲劳抗力不如渗碳工艺。概念概念是指淬透性比一般碳素钢的淬透性还要低是指淬透性比一般
36、碳素钢的淬透性还要低专门用于中、小模数（专门用于中、小模数（m=38）的齿轮）的齿轮应用应用特点特点得到沿着轮廓分布硬化层得到沿着轮廓分布硬化层 “仿形硬化仿形硬化”感应加热淬火钢主要有中碳低淬透性调质感应加热淬火钢主要有中碳低淬透性调质钢和低淬透性钢。这里介绍钢和低淬透性钢。这里介绍低淬透性钢低淬透性钢 硬化层分布硬化层分布(右为仿形硬化右为仿形硬化)降低钢淬透性措施降低钢淬透性措施:Mn、Si;加入加入Ti 国家标准有国家标准有55 Ti、60 Ti、70 Ti等等.3.4 高锰耐磨钢高锰耐磨钢 一、高锰铸钢的化学成分及性能一、高锰铸钢的化学成分及性能 特点：高碳、高锰。铸件使用。特点：高
37、碳、高锰。铸件使用。常用高锰铸钢为常用高锰铸钢为ZGMn13ZGMn13型。铸态组织一般是型。铸态组织一般是 奥氏体、珠光体、马氏体加碳化物复合组织，力奥氏体、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处理（即固溶处理）后的显微组织是单相奥氏 体，软而韧。体，软而韧。二、高锰钢的热处理二、高锰钢的热处理 1、水韧处理加热、水韧处理加热T应应Acm，一般为，一般为1050 1100，在一定保温时间下，在一定保温时间下，K全部溶入全部溶入A中中 2、高锰钢导热性较差，仅为碳素钢的
38、、高锰钢导热性较差，仅为碳素钢的1/41/5，热膨胀系数比普通钢大，热膨胀系数比普通钢大50%，而且铸件尺，而且铸件尺寸往往又较大，所以要寸往往又较大，所以要缓慢缓慢加热，以避免产生加热，以避免产生裂纹；裂纹；13%Mn合金钢的垂直截面相图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、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。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水冷前水温不宜超过30，水冷后水温应小，水冷后水温应小 于于60；？4、水韧处理后不宜再进行、水韧处理后不宜再进行250350的回的回 火处理，也不宜在火处理，也不宜在25
39、0350以上温度环境中以上温度环境中 使用。使用。？三、高锰钢的耐磨性及应用三、高锰钢的耐磨性及应用耐耐磨磨机机理理 大形变在大形变在A基体中产生大量层错、基体中产生大量层错、形变孪晶、形变孪晶、和和马氏体而硬化。表面马氏体而硬化。表面硬度从原来硬度从原来200HB左右可左右可到到500HB以以上，硬化深度可达上，硬化深度可达1020mm，而心部仍，而心部仍保持保持A，所以能承受较大冲击载荷而不，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，硬化破裂。在表层逐渐被磨掉的同时，硬化层不断地向内发展层不断地向内发展 “前赴后继前赴后继”。在低应力和低冲击载荷下，耐磨性往在低应力和低冲击载
40、荷下，耐磨性往往不一定好。往不一定好。应应用用 广泛应用于承受大冲击载荷、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，各式碎石机的衬板、颚板、磨球，挖掘机斗齿、坦克的履带板等。挖掘机斗齿、坦克的履带板等。保险箱保险箱?思思考考题题 高锰钢经水韧处理能得到全部高锰钢经水韧处理能得到全部A，而缓冷却得到大量而缓冷却得到大量M。为什么为什么?3.5 零件材料选择基本原则零件材料选择基本原则一、选择材料的基本原则一、选择材料的基本原则1 1、材料使用性能要求、材料使用性能要求 最大限度发挥材料潜力最大限度发挥材料潜力 2 2、材料
41、的工艺性能、材料的工艺性能 加工工艺性能良好加工工艺性能良好3 3、经济性、经济性 涉及材料的价格、加工成本、国家资涉及材料的价格、加工成本、国家资 源情况等源情况等,零件的总成本与零件寿命的关系零件的总成本与零件寿命的关系4 4、其它因素、其它因素 材料毛坯的选择、生产设备的可能材料毛坯的选择、生产设备的可能 性、环境协调性等性、环境协调性等 二、零件的加工工艺路线二、零件的加工工艺路线 基本上可分为三类：基本上可分为三类：（1 1）性能要求不高的零件）性能要求不高的零件 一般是铸铁和碳钢制造。其工艺路线比较简一般是铸铁和碳钢制造。其工艺路线比较简 单：毛坯单：毛坯正火（退火正火（退火机械加
42、工机械加工零件。如直零件。如直 接用型材加工，则不需要进行热处理。接用型材加工，则不需要进行热处理。（2 2）性能要求较高的零件）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：合金钢制造的轴、齿轮等零件。工艺路线：毛坯毛坯 预先热处理预先热处理机械粗加工机械粗加工最终热处理最终热处理 （淬火回火或渗碳淬火等（淬火回火或渗碳淬火等)精加工。精加工。（3 3）要求高的精密零件）要求高的精密零件 一般用于精密丝杆、主轴等。工艺路线一般用于精密丝杆、主轴等。工艺路线 为：毛坯为：毛坯 预先热处理预先热处理 机械粗加工机械粗加工 热处理热处理 半精加工半精加工 氮化处理氮化处理 精加工精加工
43、 去应力退火去应力退火 零件。零件。三、选择材料的基本思路及方法三、选择材料的基本思路及方法 分析零件分析零件工作条件工作条件 确定主要失效抗力指标确定主要失效抗力指标作为选材的基本依据作为选材的基本依据 考虑工考虑工艺措施艺措施考察经济性考察经济性和生产成本和生产成本选择材料选择材料注注意意 要合理引用手册上材料的力学性能数据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四、典型零件材料选择与工艺分析 1 1、齿轮类零件、齿轮类零件 不同机械的齿轮，
44、其工作条件差别很大，所不同机械的齿轮，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。以在选择材料和热处理工艺上也有很大不同。机机床床齿齿轮轮 载荷不大，工作平稳，一般无大的冲击力，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，如转速也不高。常选用调质钢制造，如45、40Cr、42SiMn等钢，等钢，热处理工艺为正火或调质，高频感应加热淬火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：一般工艺路线为：备料备料 锻造锻造 正火正火 粗加工粗加工 调质处理调质处理 半精加工半精加工 高频淬火高频淬火+回火回火 磨削磨削汽汽拖拖齿齿轮轮 汽车、拖拉机上
45、的变速箱齿轮属于重载荷齿汽车、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，如轮。一般都采用渗碳钢，如20Cr、20CrMnTi等，等，进行渗碳热处理。进行渗碳热处理。一般工艺路线为：一般工艺路线为：备料备料锻造锻造 正火正火 粗加工粗加工 渗碳渗碳+淬火淬火+回火回火 喷丸喷丸 磨削磨削重重载载齿齿轮轮 航空发动机齿轮和一些重型机械上的齿轮承航空发动机齿轮和一些重型机械上的齿轮承受高速和重载，一般多采用高淬透性渗碳钢，受高速和重载，一般多采用高淬透性渗碳钢，如如12CrNi3A、18Cr2Ni4WA等钢。等钢。工艺路线较复杂：工艺路线较复杂：备料备料 模锻模锻 正火正火+高温回火高温
46、回火 机械加工机械加工 渗碳渗碳 高温回火高温回火 机械加工机械加工 淬火淬火+回火回火 精加工精加工 检验。检验。2 2、轴类零件、轴类零件 轴是各类机械中最基本零件，也是关键轴是各类机械中最基本零件，也是关键零部件。它直接影响精度和使用寿命。零部件。它直接影响精度和使用寿命。各种轴的尺寸差别很大，一般钟表的轴各种轴的尺寸差别很大，一般钟表的轴直径在直径在0.5mm以下，而汽轮机转子轴直径以下，而汽轮机转子轴直径可达可达1m以上。以上。服役条服役条件主要件主要共同点共同点 传递扭矩，交变性，有时会承受传递扭矩，交变性，有时会承受 弯曲、拉压负荷；弯曲、拉压负荷；都有轴承支承，轴颈处受磨损，都
47、有轴承支承，轴颈处受磨损，需要较高的硬度，耐磨性好；需要较高的硬度，耐磨性好；大多数承受一定的冲击和过载。大多数承受一定的冲击和过载。主要失主要失效方式效方式 断裂、疲劳断裂和过量磨损。断裂、疲劳断裂和过量磨损。轴轴类零件主要是按强度来选材的，并考类零件主要是按强度来选材的，并考虑一定韧度和耐磨性。虑一定韧度和耐磨性。目前常用轴的材料及工艺如下：目前常用轴的材料及工艺如下：（1 1）轻载主轴轻载主轴。如普通车床主轴，负荷小，冲。如普通车床主轴，负荷小，冲 击力不大，磨损也不严重，一般采用击力不大，磨损也不严重，一般采用4545钢，钢，整体经正火或调质处理，轴颈处高频感应加整体经正火或调质处理，
48、轴颈处高频感应加 热淬火。热淬火。（2）中载主轴中载主轴。如铣床，中等负荷，有一定冲。如铣床，中等负荷，有一定冲 击力，磨损也较重，一般用击力，磨损也较重，一般用40Cr等制造，进等制造，进 行调质处理，轴颈处高频感应加热淬火。如行调质处理，轴颈处高频感应加热淬火。如 冲击力较大，也可用冲击力较大，也可用20Cr等钢进行渗碳淬火等钢进行渗碳淬火（3）重载主轴。如组合机床的主轴，负荷较）重载主轴。如组合机床的主轴，负荷较 大，冲击力大，磨损严重，可用大，冲击力大，磨损严重，可用20CrMnTi 钢制造，渗碳淬火。钢制造，渗碳淬火。（4）高精度主轴。如精密镗床的主轴，虽然负）高精度主轴。如精密镗床
49、的主轴，虽然负 荷不大，磨损也不严重，但是精度要求很荷不大，磨损也不严重，但是精度要求很 高，一般可用高，一般可用38CrMoAlA氮化钢制造，经氮化钢制造，经 调质后氮化处理，可满足要求调质后氮化处理，可满足要求 小小 结结 材料学主线：材料学主线：服役条件服役条件 技术要求技术要求 选择材料选择材料 强化工艺强化工艺 组织结构组织结构 最终性能最终性能应用、失效。应用、失效。寻求最佳方案，充分发掘材料潜力。寻求最佳方案，充分发掘材料潜力。材料成分、工艺、组织、性能间的关系材料成分、工艺、组织、性能间的关系零零件件性能性能要求要求材料材料成分成分服役服役条件条件强化强化工艺工艺使用使用性能性
50、能组织组织结构结构 材料学的材料学的强韧矛盾强韧矛盾：掌握理解固溶强化、位错强化、细晶强化掌握理解固溶强化、位错强化、细晶强化和弥散强化等强化机理是很重要的，这是理解和弥散强化等强化机理是很重要的，这是理解强韧化矛盾及其互相长消规律的基础。各种强强韧化矛盾及其互相长消规律的基础。各种强化机制在处理过程中是相互转化的。化机制在处理过程中是相互转化的。关键因素关键因素：钢的合金化和处理工艺：钢的合金化和处理工艺 材料学材料学 “思想思想”：材料学是一门很有材料学是一门很有“思想思想”的课程。主的课程。主 要的要的“思想思想”：作用的辨证与矛盾的转化。作用的辨证与矛盾的转化。如，对结构钢是强度如，对
