1、13.4 表面强化态钢 这类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性配合以满足要求。典型零件有齿轮、凸轮等零件在滑动、滚动、接触应力、摩擦 等工况下工作，磨损和接触疲劳是主要失效形式渗碳钢、渗氮钢、感应加热淬火钢等表面应具有高硬度、高接触疲劳抗力和良好耐磨性，而心部有一定塑韧性3.3.1 合金渗碳钢1、渗碳钢的合金化一般含碳量在 0.120.25，保证得到强韧性好的板条 M常用合金化元素，Mn、Cr、Ni 主要淬透性， Ti、V、W、Mo 细化晶粒 渗碳层性能: 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。原则上，渗碳层深度
2、应大于零件的最大切应力深度。2、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20Cr 钢：不宜渗碳后直接淬火。20CrV 钢可20CrMnTi 钢特点: 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。 Cr、Mn 复合，淬透性好，D 油约 40mm； 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，可直接淬火，变形也比较小。渗碳后的热处理工艺有直接淬火一次淬火二次淬火 .细晶粒钢可用直接淬火. 18Cr2Ni4WA、20Cr2Ni4A：高淬透性渗碳钢。 由于合金元素多，所以工艺可变2程度大，获得 的组织性能也较复杂。18Cr2Ni4W
3、A 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能和高耐磨性的重要件，如航空发动机齿轮等。3.渗碳钢的化学成分特点根据机械零件对性能的要求和以上合金元素对渗碳钢影响的分析，渗碳钢的化学成分有以下特点：（1（ 低碳含碳量一般为Wc=0.10%-0.25% （即渗碳钢零件心部含碳量），这对于保证心部有足够的塑性和韧性是十分必要的。（2（ 加入提高淬透性的合金元素对齿轮来说，提高心部的强度将提高齿轮的承载能力，并防止渗层脱落。而心部强度则取决于刚中含碳量和淬透性，淬透性足够时，心部得到全部位错马氏体组织，常加入的合金元素有 Cr、Ni、Mn、Mo、W、S
4、i 和 B 等。Ni对渗层和心部的韧性和强度十分有利。（3（ 加入阻止奥氏体晶粒长大的元素渗碳操作在高温下进行，加入阻止奥氏体晶粒长大，渗碳钢用以铝脱氧的本质细晶粒钢。Mn在钢中有促进奥氏体晶粒长大的倾向，所以在含Mn钢中加入少量 V、Ti 等阻止奥氏体晶粒长大的元素。为提高渗层的碳浓度、渗层深度和渗入速度，可加入碳化物形成元素Cr、 Mo、W等，但不能太多。3.3.2 氮化钢 服役条件：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 进行渗氮处理。3氮化钢：多为碳含量偏低的中碳铬钼
5、铝钢 。 国内外广泛使用的氮化钢是38CrMoAl 钢，获得最高氮化层硬度，达到 9001000HV。仅要求高疲劳强度的零件，可采用不含铝的 CrMo 型氮化 钢，如 35CrMo、40CrV、40Cr 等，其氮化层的硬度控制在 500800HV。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。氮化处理(渗氮)氮化是向零件表面渗入氮原子的过程，其目的是提高它的表面硬度和耐磨性以及疲劳强度和抗腐蚀性能。1.氮化处理的原理及工艺目前应用最广泛的气体氮化法是将氨气加热分解出活性氮原子N， 钢表面形成氮化层，
6、并向心部扩散。氨的分解反应如下：氮化通常用专门设备或井式渗碳炉来进行。氮化前须将调质处理后的零件除油净化。入炉后应先用氨气排净炉内空气。氮化 过程中根据氮化目的、要求，调节温度、 时间、氨气的分解率和炉内气体 压力。若氮化温度在500600，氮化层为0.40.5mm，一般需要 4050h,氮化结束后，随炉降到200 以下，停止供氮，零件出炉。2.氮化处理特点 (1) 钢氮化后不需要淬火表层便有很高的硬度（HV850相当于HRC64 70）及耐磨性，由于氮化层表面形成了一层硬而脆的合金氮化物，并且氮化层具有高的4热硬性(在600650时仍有 较高的硬度) 。与渗碳 处理，硬度 (HRC6162)
7、的20Cr钢相比，耐磨性提高了75%以上。（2）氮化后，钢的疲劳强度显著提高。其原因主要是氮化层的体积增大，使 钢件表面内形成压应力，如18CrNiW经氮化后，其疲劳强度大为提高。(3) 氮化后钢 的表面是由致密的氮化物组成的连续薄层，具有高的抗腐蚀性能。(4) 热处理温度低 ,变形小,它与渗碳感应表面淬火相比变形要小得多，零件氮化后一般不需要任何机械加工，只需精磨或研磨抛光即可。3.3.3 低淬透性钢感应加热淬火与渗碳和氮化相比，特点有：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；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；在表面形成残余压应力，提
8、高疲劳强度， 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，其耐磨性和疲劳抗力不如渗碳工艺。 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。这里介绍低淬透性钢概念：是指淬透性比一般碳素钢的淬透性还要低特点：得到沿着轮廓分布硬化层 “仿形硬化”降低钢淬透性措施:Mn、 Si; 加入 Ti ， 国家标准有 55 Ti 、 60 Ti 、 70 Ti 等.3.5 零件材料选择基本原则一、选择材料的基本原则1、材料使用性能要求 最大限度发挥材料潜力 52、材料的工艺性能 加工工艺性能良好3、经济性 涉及材料的价格、加工成本、国家资 源情况等,零件的总成本与零件寿命的关系4
9、、其它因素 材料毛坯的选择、生 产设备的可能性、环境协调性等二、零件的加工工艺路线基本上可分为三类：（1）性能要求不高的零件 一般是铸铁和碳钢制造。其工艺路线比较简单：毛坯正火（退火机械加工零件。如直 接用型材加工，则不需要进行热处理。（2）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：毛坯 预先热处理机械粗加工最终热处理（淬火回火或渗碳淬火等)精加工。（3）要求高的精密零件 一般用于精密丝杆、主轴等。工 艺路线为：毛坯 预先热处理 机械粗加工 热处理 半精加工 氮化处理 精加工去应力退火 零件。 三、选择材料的基本思路及方法 分析零件工作条件确定主要失效抗力指标作为选材的基本依
10、据 选择材料考虑工艺措施考察经济性和生产成本四、典型零件材料选择与工艺分析 1、齿轮类零件不同机械的齿轮，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。机床齿轮，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 45、40Cr、42SiMn 等钢， 热处理工艺为正火或 调质，高 频感应加热淬火6一般工艺路线为： 备料 锻造 正火 粗加工 调质处理 半精加工 高频淬火+ 回火 磨削汽拖齿轮，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 20Cr、20CrMnTi 等，进行渗碳热处理。一般工艺路线为：备料锻造 正火 粗加工 渗碳+淬火+
11、 回火 喷丸 磨削重载齿轮，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，如 12CrNi3A、18Cr2Ni4WA 等钢。工艺路线较复杂：备料 模锻 正火+ 高温回火 机械加工 渗碳 高温回火 机械加工 淬火+回火 精加工 检验。2、轴类零件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。各种轴的尺寸差别很大，一般钟表的轴直径在 0.5mm 以下，而汽轮机转子轴直径可达 1m 以上。服役条件主要共同点： 传递扭矩，交 变性，有 时会承受弯曲、拉压负荷； 都有轴承支承，轴颈处受磨损， 需要较高的硬度，耐磨性好； 大多数承受一定的冲击和过载。主
12、要失效方式：断裂、疲劳断裂和过量磨损。 轴类零件主要是按强度来选材的，并考虑一定韧度和耐磨性。材料学主线：服役条件 技术要求 选择材料 强化工艺 组织结构 最终性能应用、失效。寻求最佳方案，充分 发掘材料潜力。 合金化基本原则：多元适量，复合加入。（1）提高性能。提高淬透性等性能，复合的作用不是线性相加的。如 Cr-Ni 复合7（2）扬长避短。合金元素一般都有优缺点,为克服不足，可以复合加入来相互弥补。如：Si-Mn, Mn-V 配合（3）改善碳化物类型与分布。某些元素的加入会改变钢中所形成的碳化物的类型与分布，或改变其它元素的存在形式和位置，从而可提高性能。如 Cr-V适量：主要是作用, 也有经济性问题 有的元素增多后，会降低材料塑韧性。如低碳构件钢中的 Si、Mn 含量。 有些合金元素增多，会恶化 K 的分布。如轴承钢中的 Cr 有的元素含量 过多，会改变 K 类型，增加热处理过程难度。如 V，Mo 含量。 合金元素的作用往往不是随量的增加而线性地增加的。
