1、工程材料A 第三章 机器零件用钢,机电工程学院,第三章 机器零件用钢,一、概述 二、调质钢 三、弹簧钢 四、渗碳钢 五、滚动轴承钢 六、特殊用途钢,3-1 概 述,前 言 一、机器零件用钢-用于制造各种机器零件所用的钢种。二、用途-各种轴类零件、齿轮、弹簧或轴承等，是机械制造业中广泛使用并用量较大的钢种。三、零件用钢以力学性能为主、工艺性能为辅。1、力学性能要求较高的疲劳强度或耐久强度；高的s 、b及较高的断裂抗力；良好的耐磨性和接触疲劳强度；较高的韧性，以降低缺口敏感性。使用状态：淬火+回火态，即强化态。,第三章 机器零件用钢,三、零件用钢以力学性能为主、工艺性能为辅。,影响零件用钢力学性能
2、的主要因素：含C量；回火温度；合金元素的种类和数量。2、工艺性能要求生产工艺：型材改锻毛坯热处理切削加工最终热处理磨削主要工艺性能：切削加工性；热处理性能,第三章 机器零件用钢,3-1 概 述,3-1 概 述,学习要点： 1、分析机械零件服役条件（受力形式）、失效形式等2、按零件服役技术要求，设计合金钢（化学成分要求，C含量、加入合金元素等；材料牌号的规律性），材料种类、系列，典型材料牌号3、材料的热处理工艺、热处理后的组织要求，典型的热处理工艺、组织形貌4、满足服役条件的热处理后（组织）的机械性能,第三章 机器零件用钢,3-1 概 述,常用工具（Fe-C相图、热处理工艺曲线、热处理工艺）,第
3、三章 机器零件用钢,3-1 概 述,常用工具（合金元素影响、淬火曲线、材料C曲线）,第三章 机器零件用钢,3-2 调质钢,调质钢-经过淬火+高温回火(调质处理)而使用的结构钢。调质处理后的组织：回火S，具有良好的综合机械性能，即强度高、塑性和韧性好，是应用最广的机器零件用钢。一、调质钢的工作条件及性能要求1. 工作条件 重要机械零件，受力复杂（多应力载荷）2.力学性能要求指标： b8001100MPa, 0.27001000MPa, =915,=4555 , k60120J/c, Tk-40。3、失效形式：疲劳断裂,第三章 机器零件用钢,调质件（螺杆）,3-2 调质钢,二、组织特点组织：中碳回
4、火S（淬火M 高温回火）分布：基体F中弥散强化相（粒状碳化物）三、化学成分 含C量：一般在0.30.5。a. 含C量，不易淬硬，回火后硬度不足；b. 含C量，则韧性不足。主加元素：Mn(2) 、Si(2)、 Cr (2)、 Ni (4.5)、B (0.004) 作用：a. 淬透性； b. 强化F。,第三章 机器零件用钢,回火索氏体,3-2 调质钢, 辅加元素：少量的W、Mo、V、Ti等强碳化物形成元素。作用：a. 细化晶粒；b. 回火稳定性；c. 强韧性。其中W、Mo：防止第二类回火脆性。,第三章 机器零件用钢,3-2 调质钢,四、热处理 预备热处理（机加工前的热处理工艺）目的：降低硬度，细化
5、晶粒，改善组织（消除不良组织和防止不良组织和防止白点产生）。,第三章 机器零件用钢, 碳钢和合金含量低的钢：正火或退火； 合金元素较多、淬透性较好的钢：正火+高温回火或完全退火； 硼钢：正火+高温回火。在750左右慢冷易产生“硼脆”现象，避免采用退火。,3-2 调质钢, 最终热处理（机加工后（半成品）热处理）钢材的性能达到零件使用条件下的性能要求。多采用调质热处理。目的：获得具有良好综合力学性能的回火S。,第三章 机器零件用钢,7500X,1000X,最终性能取决于回火温度的选择： 当要求高塑性、高韧性及一定的强度时： 500600回火，获得回火S； 要求表面有良好的耐磨性时：再进行表面淬火或
6、化学热处理（如氮化处理）； 要求零件有较高的强度和适当的塑性、韧性时：200250回火，获得回火M；或采用约450 回火，获得回火T。,3-2 调质钢,应用举例 42CrMo,第三章 机器零件用钢,汽缸螺栓性能要求： b900N/mm2 s700N/mm2 HB300341 12 、 50 KU 80J/cm2,工艺过程：下料锻造正火粗加工调质精加工 问题：正火工艺参数选择？,3-2 调质钢,五、常用调质钢根据淬透性的高低，分为三类： 低淬透性调质钢40、45钢（d0水=817）45Mn2、40Cr、38CrSi、40CrV、40MnVB （d0油=3040）； 中淬透性调质钢常用的有Cr-M
7、o钢（35CrMo、42CrMo）、Cr-Mn钢（40CrMn）、Cr-Mn-Si钢（35CrMnSi） 及Cr-Ni钢 （40CrNi） （d0油=4060） ；,第三章 机器零件用钢,3-2 调质钢, 高淬透性调质钢：常用的有：Cr-Mn-Mo钢（40CrMnMo）、Cr-Ni-Mo钢（40CrNiMo） 、25Cr2Ni4WA等 （d0油=4060） 表3.1（说明下页） 六、调质零件用钢的发展方向（自学） 七、材料牌号的说明1、C含量：40-0.4%C2、合金元素：Cr-0.5-1.49%；Cr21.5-2.49%；余推标准：GB/T 699-1999 优质碳素结构钢GB/T 3077
8、-1999 合金结构钢,第三章 机器零件用钢,3-2 调质钢,常用材料的成分、热处理、机械性能、用途,第三章 机器零件用钢,3-2 调质钢,常用材料的成分、热处理、机械性能、用途,第三章 机器零件用钢,3-3弹簧钢,弹簧-重要的基础零部件之一 按其使用场合和结构外形的不同分为：板弹簧和螺旋弹簧。 弹簧钢-用以制造弹簧或制造类似弹簧性能的零件的钢一、工作条件及性能要求根据工作条件不同，弹簧可分为： 缓冲与吸振弹簧； 控制机构运动的弹簧； 贮存及输出能量的弹簧； 测量载荷与功的弹簧。,第三章 机器零件用钢,3-3弹簧钢,失效形式：疲劳断裂和由于塑性变形而失去作用。弹簧钢应具有如下性能： 高的弹性极
9、限、屈服极限和高的屈强比s/b； 高的疲劳极限； 一定的塑性和韧性； 良好的耐热性和抗蚀性。,第三章 机器零件用钢,3-3弹簧钢,二、化学成分弹簧钢分为：碳素弹簧钢、合金弹簧钢 1. 含C量： 碳钢：0.60.9，得到高弹性极限和疲劳极限；合金弹簧钢： 0.450.7。2. 主加元素：Mn (1.3) 、Si(3)、Cr(1)。作用：淬透性。淬火+中温回火后整个截面上获得均匀的回火T； 强化F，有效地提高机械性能，Si的加入使s/b 1；回火稳定性。,第三章 机器零件用钢,3-3弹簧钢,3. 辅加元素：少量的Mo、W、V、Nb等。作用： 减少Si-Mn弹簧钢易产生的氧化和脱碳倾向； 进一步提高
10、淬透性和回火稳定性； 细化晶粒； 提高耐热性。,第三章 机器零件用钢,3-3弹簧钢,三、常用弹簧钢 (GB/T 1222-2007 弹簧钢)1.碳素弹簧钢一般用高碳钢，如：6585、60Mn、65Mn、75Mn。2.合金弹簧钢60Si2Mn是最常用的钢号。50CrV的淬透性更高，Cr、V提高回火稳定性。,第三章 机器零件用钢,四、热处理根据成型方法分为：冷成型和热成型两类。1. 冷成型弹簧的热处理对于小型弹簧(8的螺旋 弹簧或弹簧钢带等),可以在热处 理强化或冷变形强化后成型,即用 冷拔钢丝冷卷成型。按强化工艺不同分为：1）、铅浴等温淬火冷拔钢丝2）、冷拔钢丝3）、淬火回火钢丝冷卷成型后加低温
11、回火（去应力）,3-3弹簧钢,第三章 机器零件用钢,3-3弹簧钢,第三章 机器零件用钢,2、热成型弹簧的热处理（一般直径大于10mm热卷成型） 热处理工艺：淬火+中温回火 组织：回火屈氏体其他：1）：防晶粒长大（Si脱碳，Mn晶粒长大）2）：回火温度合理3）：防石墨化（Si含量高）,3-3弹簧钢,加工路线：下料加热压弯或卷绕淬火中温回火喷丸， 喷丸：强化并提高弹簧表面质量，显著改善疲劳性能。(也可采用等温淬火获得下贝氏体、或形变热处理，提高弹簧的性能和寿命)。,第三章 机器零件用钢,1000X,7500X,七、材料牌号的说明,3-3弹簧钢,常用材料的成分、热处理、机械性能、用途,第三章 机器零
12、件用钢,3-3弹簧钢,常用材料的成分、热处理、机械性能、用途,第三章 机器零件用钢,3-4 渗碳钢,渗碳钢：经渗碳（或碳氮共渗）后淬火低温回火后使用的钢，一般为低碳碳素结构钢(15、20)和低碳合金结构钢(如20CrMnTi)。 用途：主要用于制造要求高耐磨性、承受高 接触应力和冲击载荷的重要零件。,第三章 机器零件用钢,3-4 渗碳钢,一、工作条件及性能要求、表层高硬度（58HRC）和高耐磨性；、心部良好强韧性；、较好的淬透性以保证渗碳件的心部性能，在高的渗碳温度（930）和长的渗碳时间下奥氏体晶粒长大倾向小，以便于渗碳后直接淬火。失效形式：疲劳断裂+磨损,第三章 机器零件用钢,3-4 渗碳
13、钢,二、化学成分、低碳：0.1%0.25%，以保证零件心部足够的塑性和韧性，抵抗冲击载荷；、合金元素：主加Cr、Mn、Ni、B等，以提高渗碳钢的淬透性，保证零件的心部为低碳马氏体，从而具有足够的心部强度；、碳化物：辅加Mo、W、V、Ti等强碳化物形成元素，以形成稳定的特殊合金碳化物阻止渗碳时奥氏体晶粒长大。,第三章 机器零件用钢,3-4 渗碳钢,、合金元素对工艺性能影响A、C曲线；B、表层C浓度：碳化物形成元素加强渗碳C、材料晶粒度：强碳化物元素晶粒细小D、热处理工艺本质细晶粒钢渗碳温度可略高,第三章 机器零件用钢,3-4 渗碳钢,三、热处理化学热处理方法 1、低含量Me，难过热：渗碳+直接淬
14、火+低温回火2、低含量Me，易过热：渗碳+缓冷+重新加热淬火+低温回火3、较高含量Me，高性能：渗碳+缓冷+重新加热二次淬火+低温回火4、较高含量Me，高淬透性：渗碳+缓冷+高温回火+重新加热淬火+低温回火或：渗碳+直接淬火+深冷处理（去残余A）+低温回火,第三章 机器零件用钢,3-4 渗碳钢,工艺曲线,第三章 机器零件用钢,3-4 渗碳钢,应用(20CrMnTi热处理工艺),第三章 机器零件用钢,工艺曲线,工艺路线： 下料 锻造 正火 机加工 齿形加工 渗碳 预冷淬火 低温回火 喷丸 精磨,3-4 渗碳钢,渗层组织,第三章 机器零件用钢,淬火+低温回火 表层：细针状回火高碳马氏体粒状碳化物少
15、量残余托氏体，硬度一般为5864HRC； 心部：依据钢的淬透性不同为铁素体屈氏体、或低碳马氏体，硬度3545HRC，60J/cm2。,渗碳后缓冷组织,渗碳淬火后的表层组织,3-4 渗碳钢,四、常用渗碳钢1.低强度渗碳钢：b800MPa；低淬透性渗碳钢。如：10、20、20Mn2、20MnV、15Cr等。套筒、链条。2. 中强度渗碳钢： b在8001200MPa，中淬透性渗碳钢。如：20CrMnTi、20CrMo、20CrMnMo、20MnVB等。制作汽车齿轮。3. 高强度渗碳钢： b1200MPa；高淬透性渗碳钢。如：20Cr2Ni4A、18Cr2Ni4WA、15CrMn2SiMo；坦克齿轮、
16、飞机齿轮。,第三章 机器零件用钢,3-4 渗碳钢,常用材料成分、性能和用途,第三章 机器零件用钢,3-4 渗碳钢,常用材料成分、性能和用途,第三章 机器零件用钢,3-5 滚动轴承钢,滚动轴承钢：制造：各种滚动轴承的滚动体（滚珠、滚柱）和内外套圈的专用钢种。也可：制作精密量具、冷冲模、机床丝杆及油泵油嘴的精密偶件如针阀体、柱塞等耐磨件。,第三章 机器零件用钢,3-5 滚动轴承钢,一、工作条件及性能要求服役条件：高达20005000MPa的交变接触应力和极大的摩擦力，还将受到大气、水及润滑剂的浸蚀；性能要求：1）高的接触疲劳强度； 2）高的淬硬性和淬透性，保证高硬度(6165HRC)和耐磨性； 3
17、）弹性极限高并有一定的韧性和耐蚀性；4）良好的尺寸稳定性（组织稳定性） 。失效形式：主要损坏形式有接触疲劳(麻点剥落)、磨损和腐蚀等。,第三章 机器零件用钢,3-5 滚动轴承钢,二、化学成分 1、含碳量： 0.95%1.15%C，保证轴承钢高强度和硬度，形成足够的合金渗碳体，提高耐磨性； 2、 0.40%1.65%Cr，增加钢的淬透性，并形成合金渗碳体(Fe、Cr)3C提高接触疲劳极限和耐磨性。 3、大型轴承 加入Si、Mn、Mo等元素以进一步提高淬透性和强度；对无铬轴承钢还应加入V元素，形成VC以保证耐磨性并细化钢基体晶粒。 4、高冶金质量 低夹杂物、低S、P含量,第三章 机器零件用钢,3-
18、5 滚动轴承钢,三、热处理、牌号牌号：GCr15；Cr4Mo4V；9Cr18Mo含义：G-滚动轴承，Cr1.5%,第三章 机器零件用钢,3-5 滚动轴承钢,三、热处理、牌号 预先热处理_球化退火，以改善切削加工性并为淬火作组织准备；最终热处理_淬火+低温回火（180240） ，决定轴承钢的性能，得到高硬度（6266HRC）和高耐磨性。冷处理_为了较为彻底消除A残与内应力、稳定组织、提高轴承的尺寸精度，淬火后进行一般进行冷处理(-6080)，在磨削加工后进行低温时效处理等。,第三章 机器零件用钢,3-5 滚动轴承钢,三、热处理、牌号,第三章 机器零件用钢,热处理工艺参数的合理选取 问题：如何选取
19、？,工艺路线： 下料 锻造 正火 球化退火 机械加工 加热淬火 深冷处理 低温回火 喷丸 精磨,3-5 滚动轴承钢,三、热处理、牌号,第三章 机器零件用钢,淬火温度对组织、性能影响,基体组织：高碳针状回火M+粒状碳化物+少量残余A,3-5 滚动轴承钢,常用材料成分、性能和用途,第三章 机器零件用钢,3-5 滚动轴承钢,常用材料成分、性能和用途,第三章 机器零件用钢,3-5 滚动轴承钢,四、发挥轴承钢性能潜力的途径（自学）1、淬火时组织转变特性 2、M中C浓度对性能影响 3、碳化物影响 4、残余应力影响 5、短时快速加热淬火,第三章 机器零件用钢,3-6 特殊用途钢,分类低温用钢耐磨钢无磁钢易切
20、钢大锻件用钢,第三章 机器零件用钢,3-6 特殊用途钢-低温用钢,低温用钢低温钢：工作温度在-20 -269之间的工业用钢钢。用 途：钢铁冶金、化工、冷冻设备、液体燃料的制备与贮运装置、海洋工程与极地机械设施等。,第三章 机器零件用钢,3-6 特殊用途钢-低温用钢,一、性能要求1.低温下有足够的强度；2.有足够的韧性；3.良好的焊接性能；4.较好的耐蚀性。,第三章 机器零件用钢,3-6 特殊用途钢-低温用钢,二、成分与组织特点1.低碳 一般wc0.20%。2.Mn、Ni对低温韧性有利，Ni最明显；V、Ti、Nb、Al可细化晶粒而进一步改善低温韧性。3.严格控制损害韧性的P、Si等元素含量。4.
21、面心立方结构（如奥氏体钢、铝、铜金属）的低温韧性良好。,第三章 机器零件用钢,3-6 特殊用途钢-低温用钢,三、低温钢的种类与常用钢号,第三章 机器零件用钢,3-6 特殊用途钢-低温用钢,三、低温钢的种类与常用钢号,第三章 机器零件用钢,3-6 特殊用途钢-低温用钢,在南极低温超过了50；液化气；温度降低，冲击韧性降低；一般18-8不锈钢、高Mn钢及Cu、Al等面心结构材料在低温下不易脆化。中国低温钢：16Mn、09Mn2V、09MnTiCuRE、06MnNb、06AlCu、06AlNbCuN、20Mn23Al、15Mn26Al4国外低温钢： 大于42 低碳(0.25%)+Si-Mn 正火后使
22、用 42196 低碳(0.170.21)、低(中)镍 196296 奥氏体不锈钢,第三章 机器零件用钢,3-6 特殊用途钢-低温用钢,低温钢（压力容器）,第三章 机器零件用钢,3-6 特殊用途钢-大锻件用钢,大锻件用钢 1、大锻件用钢-大型、大截面、高性能要求零件的用钢 2、机械性能：良好的综合机械性能 3、特点：组织粗大、不均匀；必须锻造获得细晶必须缓冷，减少残余应力,第三章 机器零件用钢,3-6 特殊用途钢-大锻件用钢,4、大锻件用钢的选用,第三章 机器零件用钢,3-6 特殊用途钢-大锻件用钢,5、大锻件用钢的锻后热处理目的：防白点；均匀成分；细化组织、消除残余应力工艺：加热、冷却、淬火后+回火缓冷,第三章 机器零件用钢,3-6 特殊用途钢-大锻件用钢,第三章 机器零件用钢,3-6 特殊用途钢,第三章 机器零件用钢,
