1、机器零件用钢是指用于制造各种零件所用的钢种，如轴类、齿轮和弹簧等。,可锻性、切削加工性及热处理工艺性能,机器零件的生产工艺： 型材改锻毛坯热处理机械加工最终热处理精加工,工艺性能,使用性能,1、常温及温度波动不大条件下承受动载荷,较高的疲劳强度,2、需要承受短时间过载,高的抗塑变能力和抗断裂能力,3、零件相互间产生摩擦,耐磨性,4、零件结构复杂，具有不同形式缺口，产生应力集中,较高的韧性及较低的缺口敏感性,机器零件用钢的使用状态一般是淬火+回火，称为强化状态。,根据强化范围分为整体强化和表面强化。,机器零件用钢是不同含碳量的碳钢和合金钢。 根据含量分：0.2%左右、0.4%左右、0.5%0.6
2、%左右和1%左右。 合金元素总质量分数一般在3%5%，最多不大于10%。,影响机器零件力学性能的主要因素有三方面： (1)碳含量；(2)淬火后的回火温度；(3)合金元素种类和数量。,螺钉、螺栓、连杆等与轴的工作条件近似，统称轴类零件。,1、高的疲劳极限（利于承受交变应力）多数轴类零件通过建立疲劳与普通拉伸性能之间的经验公式加以解决：,适用于中、低碳钢。,2、良好的冲击韧性(利于承受一定的冲击载荷)轴上面存在台阶、键槽及油孔等，为减少应力集中效应以减轻缺口效应，要求具有良好的抗冲击韧性、断裂韧性及塑性。,3、轴的表面或局部表面有一定的耐磨性(利于承受摩擦),通过热处理强化使轴类零件获得良好的综合
3、性能。 一般采用淬火加回火工艺处理。,低、中、高碳钢随回火温度的升高，强度(b、s)不断下降、塑性(、)不断上升，弹性极限(e)先升后降。,原因：碳化物聚集长大，滑移阻力减少。,低温回火(200oC)： 马氏体分解和部分应力消除，导致韧性和塑性得以改善。 但表现出较大的缺口敏感性。,钢的韧性和塑性均较低，脆性大。随含碳量的增加，脆性增加(C%4%，无颈缩)。,中温回火(200-400oC)： 塑性(、)随回火温度的升高而升高； 回火脆使k值降低；在回火脆温度范围内KIC最小。,高温回火(500-650oC)，即调质状态： 强度降低，塑性(、)和韧性(KIC、k)较高。,随碳含量增加，整个回火温
4、度范围内，强度增加而塑性和韧性相对减少。,回火温度为300-400oC时，疲劳极限最大。,碳质量分数在0.4%-0.7%时，钢的疲劳极限较高，随碳含量增加，疲劳极限下降。,根据含碳量、回火温度对钢机械性能的影响，轴类零件选用中碳钢(0.3%0.5%)。,轴类用钢通常在高温回火状态使用，又称调质钢。,碳素调质钢的组织为回火索氏体,不足之处：(1)碳素钢淬透性低；(2)调质状态钢硬度较低，耐磨性不足；(3)回火温度高，强度下降较多。,克服缺点的措施： (1)通过合金化克服淬透性低； (2)采用表层强化(表面淬火或化学热处理)提高耐磨性； (3)适当调整回火温度提高调质碳素钢强度。,为提高淬透性常加
5、入Mn、Cr、Ni、B、Si等元素； 为抑制第二类回火脆可加入Mo和W； 为减少过热敏感性及细化奥氏体晶粒，加入Ti和V； 为提高回火稳定性可加入Si。,合金调质钢特点： (1)淬透性高于碳素钢； (2)合金钢有第二类回火脆，加入Mo和W可抑制； (3)合金调质钢的过热敏感性较小，奥氏体晶较细，韧性强度高； (4)合金调质钢的强韧性高于碳素调质钢。,两位数字+合金元素符号+该元素百分含量数字+,合金元素含量1.5%时，不标含量，当为1.502.49%、2.50 3.49% 时，在相应的合金元素符号后标2、3等数字。,高级优质钢在牌号后加字母A,表示平均含碳量的万分之几,60Si2MnA,按淬透
6、性高低将调质钢分为以下五类： (1)碳素调质钢，如45钢。 淬透性低，承载能力小，只能制造中小负荷的轴类，如机床。 (2)含Cr的钢，如40Cr。 淬透直径20mm(介质为油)，使用于截面不大的轴类零件。 (3)淬透性较高，如40CrMn。 可用于直径20-40mm的零件。,(4)含1wt.%1.5wt.%的Ni。 Ni即增加淬透性，又降低脆性转折温度。 直径为40-70mm的轴可用，尤其使用于受冲击载荷的零件。 (5)直径大于70mm，需要调质时，采用30CrNi3，但第二类回火脆倾向大； 对于承受动载荷的大尺寸零件用30CrNi2MoV。,基本工艺路线：锻造预备热处理(退火、正火)机械加工
7、最终热处理(淬火、回火)精加工(磨削)装配,锻造目的：锻成接近轴的毛坯。 锻造好处：节省原料；改善冶金质量及流线分布。 锻造性能的要求： (1)低的热变抗力； (2)宽的锻造温度范围； (3)锻裂、冷裂及组织缺陷的倾向小。,锻造,锻造工艺规范指锻造加热速度和透烧时间、始锻和终锻温度、冷却规范、变形程度。,锻前加热速度不宜过快，保温时间要充分。目的是消除应力并获得低的热变形抗力。 始锻温度要考虑钢具有最佳塑性和最小变形抗力。 终锻温度过高，奥氏体晶粒长大；过低造成锻裂和内应力。 冷却速度过快，易形成冷裂。,中碳碳素钢始锻温度为1100-1150oC，终锻温度800-850oC,中碳钢锻后组织：块
8、状铁素体+细片珠光体,锻造工艺规范决定毛坯质量。,目的：消除锻造工艺中的缺陷，为随后的工艺操作作组织准备。 原因： 中碳碳素钢锻后，易形成硬度较高的细片状的珠光体组织，不利于切削； 锻后毛坯内存在内应力； 锻后晶粒粗大，组织不均匀，影响淬火后质量。,预备热处理工艺：完全退火或正火。,预备热处理,中碳碳素钢完全退火的加热温度为Ac3+30-50oC，退火后得到铁素体加珠光体，硬度HB180左右。,为缩短完全退火时间，可采用等温退火工艺。钢件加热到Ac3+30-50oC后，快冷到Ac3以下50-100oC保温，使奥氏体完全转变。,完全退火目的：降低硬度，消除内应力。,正火的目的：细化晶粒、消除组织
9、缺陷。,终锻温度高，奥氏体晶粒粗大； 冷却不当得到强度和韧性低的针状铁素体+珠光体组织； 终锻温度介于Ar3-Ar1时，会形成带状组织，使钢呈现方向性。,碳质量分数介于0.3-0.4%时，可用正火代替完全退火。 碳质量分数大于0.4%时，正火钢硬度高，不利于切削，不用正火代替完全退火。,影响切削性能的因素主要有两方面 硬度 硬度高，切削抗力大，刀具磨损快。 硬度低，易黏刀，降低刀具寿命。 HB160-203适宜切削 组织 铁素体过多不利于得到光洁表面，尤其大块F降低切削能力。,中碳钢完全退火后，在硬度和组织上均符合切削需求。,切削,目的：赋予零件综合机械性能。 工艺：完全淬火+高温回火,最终热
10、处理,水淬：Ms点附近冷却速度快，易导致零件变形和开裂。 油淬：Ms点附近冷却速度比水小。,碳钢临界冷却速度大，因此用水冷。,高温回火冷却速度对碳素调质钢的性能没有影响，因此采用空冷。,淬火要求：1、要淬透；2、冷速尽量小,合金元素的加入使工艺的规范发生相应变化： 锻造温度范围小；锻前加热速度不宜过快；锻后冷却需要缓慢进行。 预备热处理：完全退火、正火。 最终热处理工艺：完全淬火+高温回火工艺。 通常合金钢的临界冷却速度小，可用油冷防止淬火后零件变形和开裂。 中碳合金钢存在第二类回火脆性，不含Mo和W的钢，高温回火后，需要快速冷却。,1、通过齿面接触而传递动力，易产生接触疲劳而形成剥落。 2、
11、两齿轮齿面相对运动而易产生摩擦磨损。,工作条件,3、齿根承受反复弯曲应力，易发生弯曲疲劳破坏。,4、高速运转齿轮间易产生胶合磨损。,齿轮工作的失效形式：齿根断裂、弯曲疲劳、接触疲劳与磨损。,(1)高的接触疲劳强度 表面硬度越高，接触疲劳的抗力越大。 应对齿轮表面进行淬火和低温回火。表面含碳量越高，抗接触疲劳性能越好。 要求齿轮表面碳含量为0.9%-1.0%，碳化物呈细而圆的形态均匀分布。夹杂物往往是接触疲劳的裂纹源，降低疲劳抗力。,性能要求,(2)高的耐磨性 钢的硬度越高，耐磨性能越高。 随钢中碳和碳化物元素量增加，淬火后钢中碳化物数量增多，马氏体硬度增大，耐磨性随之提高，且有利于防止黏合。(
12、3)高的弯曲疲劳强度和良好的韧性与塑性，防止齿轮断裂,有四种途径可以满足不同工作条件下齿轮的需求： (1)低碳钢渗碳淬火； (2)中碳钢感应加热表面淬火； (3)中碳钢调质处理加氮化处理； (4)热处理后再加表面冷塑性变形(如喷丸等)强化。,齿轮的性能要求：齿轮工作表面应坚硬耐磨；心部应具有良好的韧性和塑性。,影响表面性能的因素,(1)表层组织 采用合金化及表面热处理等方法综合强化表层，防止剥落、磨损和疲劳。 (2)表层内应力分布 通过碾压或喷丸等方法使表面存在过渡缓和的压应力，从而提高疲劳抗力。,(3)硬化层的厚度 硬化层深度不足，易使过渡层产生塑变而形成裂纹，造成硬化层剥落； 硬化层过厚，
13、降低表面残余压应力，降低弯曲疲劳强度。 (4)心部硬度 心部硬度过低，易使硬化层剥落；过高则降低表面残余压应力。,根据齿轮使用性能的要求，齿轮用钢及强化工艺主要有： 齿轮渗碳用钢及渗碳工艺； 感应加热表面淬火用钢及工艺； 氮化用钢及工艺。,1、渗碳用钢 (1)渗碳钢碳含量的确定 从齿表层和齿心部的性能考虑。 保证齿轮心部的韧性，渗碳钢碳含量在0.20%左右，上限为0.30%。 C%过低，强度低，过渡区易塑变，硬化层易脱落； C%过高，表层压应力低，疲劳强度降低，内部韧性下降。,渗碳用钢及强化工艺,(2)合金元素的作用 渗碳钢加入Cr、Ni、Mo、Mn等能获得适当的淬透性。合金元素还影响碳化物形
14、态，从而影响表面性能： Cr使碳化物呈粒状分布，产生有利影响；W、Mo及Si等使碳化物呈长条和网状分布，产生不利影响。,(3)齿轮渗碳用钢 按强度(b)级别或淬透性的大小，可将渗碳用钢分为以下三类： 低强度渗碳用钢。强度(b)为800MPa以下，又称低淬透性渗碳用钢。 如：15、20、20Mn2。 适用于心部强度要求不高的齿轮，如中、小型机床变速箱齿轮。,中强度渗碳用钢。强度(b)为800-1200MPa之间，又称中淬透性渗碳用钢。 如：20Cr、20CrMnTi、20Mn2TiB。 适用于淬透性与心部强度较高的齿轮，可用于制造较重要的齿轮，如汽车、拖拉机的变速箱齿轮。,汽车变速箱齿轮,高强度
15、渗碳用钢。强度(b)大于1200MPa，又称高淬透性渗碳用钢。 如：20Cr2Ni4、18Cr2Ni4W。 具有很高的淬透性和心部强度，适用于制造界面大的重负荷渗碳件，如飞机、坦克的变速箱齿轮。,2、低碳钢的渗碳淬火 目的：赋予齿轮表面良好的耐磨性及较高的接触疲劳强度。 (1)齿轮的渗碳,气体渗碳法 渗剂为气体(甲烷、乙烷、煤油等)。,渗碳过程包括：渗碳介质分解、零件表面吸附碳及碳的进一步扩散。,(2)渗碳工艺规范 控制渗碳层含碳量及渗碳速度的重要参数：渗碳温度、渗碳时间及介质浓度。 提高渗碳温度，渗碳速度和渗层深度急剧增加。,(3)渗碳后的热处理淬火+低温回火， 回火温度为150-200。目
16、的： 淬火使表面抗压强度和耐磨性增加，心部保持高韧性； 低温回火可消除内应力。热处理后，齿轮表面硬度为HRC60左右，心部硬度为HRC15-30。,淬火规范应考虑两点： (1)消除长时间渗碳引起的晶粒长大； (2)渗碳温度较高，对于机械性能要求高的齿轮不可直接淬火。 如：20Cr等，对组织性能要求较高的零件，渗碳后先空冷，再加热至850-900oC，进行淬火，又称一次淬火法。,渗碳后的热处理示意图,对于由18Cr2Ni4WA钢制性能要求特别高的齿轮，采用二次淬火。,第一次加热至850-900oC，为细化心部，消除渗碳网； 第二次加热到780-800oC，为得到细针状马氏体和分布其间的剩余碳化物
17、。,渗碳后的热处理示意图,3、渗碳钢齿轮的加工工艺 锻造正火高温回火(高合金钢)切削加工镀铜(不渗碳部位)渗碳淬火冷处理(高合金钢)低温回火喷丸精磨,锻后预备热处理： 对于低碳钢和低、中合金渗碳钢，锻后采用正火而不用完全退火。 原因：完全退火使组织中出现大块铁素体，降低加工后粗糙度。 高合金钢，如12Cr2Ni4A，淬透性高，正火后还要高温回火，降低硬度。,18Cr2Ni4WA齿轮表面的Mf点在0oC以下，普通淬火和回火工艺后，残余奥氏体量较多，降低渗碳层硬度。 措施：冷处理，-60 -70oC。,18Cr2Ni4WA，淬透性大，且没有珠光体转变区，贝氏体和马氏体转变区重合，因此锻后缓慢冷却，
18、高温回火软化，得到索氏体，利于切削。,淬火和回火后，为进一步提高齿轮表面疲劳强度，需进行喷丸处理。,喷丸处理使工件表面产生塑性变形，形成加工硬化层，同时获得残余压应力。,感应加热表面淬火用钢及强化工艺,对于小模数轻载齿轮或特大尺寸的齿轮，使用中碳钢、中碳低合金钢或低淬透钢制造，并采用感应加热表面淬火。,1、中碳钢(中碳低合金钢) 轻载齿轮可用中碳钢或中碳合金钢，如45、40Cr等；重载齿轮可采用37CrNi3A等。 齿轮放入感应器内，通入高频电流，齿轮表层中产生同频率交变磁场而产生感应电流，心部电流密度接近0，这一现象为集肤现象。 根据所用频率不同分为：高频、中频、工频。频率越高，淬硬层深度越
19、小。,为获得沿齿轮分布的淬火硬化层，对于模数小于2.5-4的齿轮，采用高频加全齿淬火；对于模数大于5的采用高频或中频沿齿沟淬火；对于模数很大的齿轮，采用单齿淬火法。,2、低淬透性钢 指淬透性很低，甚至低于普通碳素钢。 适用于中等模数齿轮(模数4-6)进行感应加热表面淬火。,利用低淬透性钢进行中频感应加热。,降低钢的淬透性可采用如下措施： (1)限制钢中元素Si和Mn含量 (2)加入w(Ti)0.04%-0.10%，形成TiC以细化晶粒，并成为奥氏体转变珠光体的核心。,3、感应加热表面淬火齿轮加工工艺 对于承受较大冲击载荷的齿轮 锻造完全退火切削加工调质精加工感应加热表面淬火低温回火 对于承受较
20、小冲击载荷的齿轮 锻造正火切削加工精加工感应加热表面淬火低温回火 感应加热后立即低温回火去应力。,自回火：齿轮表面淬火后，高频加热产生的热量传递到内部的热量使以淬火的表面回火。,对于精度要求较高的精密齿轮，工作中受到强烈摩擦，常常采用氮化用钢及氮化处理。 1、氮化用钢 常使用38CrMoAlA，加入1%的Al提高氮化速度和氮化层的硬度；加入0.2%的Mo以抑制第二类回火脆并提高回火抗力。 氮化前，先进行调质处理，使心部获得回火索氏体来支撑表面氮化层。,齿轮氮化用钢及氮化处理,2、齿轮的氮化 氨分解的气体氮化(500-600oC)法应用较多。,井式气体氮化炉,氮原子渗入钢中，形成-Fe2(C、N
21、)和 -Fe4(C、N) 、合金氮化物。,氮化优点： 氮化后表面硬度可达HRC65-72，高于渗碳层的HRC58-62； 氮化后齿轮不需要淬火，避免变形； 具有高的疲劳强度和较低的缺口敏感性； 化学稳定性高，防腐蚀。,氮化缺点：渗氮时间长，如渗0.3-0.5mm厚的渗氮层，需要30-50h；脆性大。,氮化适用于精度高、变形小、高耐磨和耐蚀齿轮。,工艺路线：锻造完全退火切削加工调质精加工氮化研磨。,弹簧是在交变应力作用下工作的零件，破坏形式为疲劳断裂。,板状弹簧,螺旋弹簧,弹簧是利用弹性变形储存能量或缓和冲击的零件。,(1) 高的弹性极限s 可储备更多能量，并防止弹簧产生塑性变形。(2)高的疲劳
22、强度-1 防止疲劳断裂。(3)具有一定塑性和韧性 k5%；k20%； k不做要求。,碳含量控制在0.6%-0.9% 最终热处理为淬火+中温回火，钢可获得最高的弹性极限和疲劳极限； 弹簧钢需用优质钢，保证其疲劳寿命； 小型弹簧可用碳素钢；而大型弹簧需用合金钢。,碳素弹簧钢的特点,碳质量分数0.5-0.7%之间。 为提高淬透性和回火稳定性，加入Mn、Si、Cr和V等元素。 Mn提高淬透性；但增加晶粒尺寸，一般控制在1%以下。 Si提高淬透性，强化铁素体基体，提高弹性极限和疲劳极限；提高回火稳定性、硬度和强度。但Si增加表面脱碳倾向，降低疲劳强度；促进出现石墨而降低强度。 加入Cr和V代替Si、Mn
23、。,合金弹簧钢的特点,两位数字（表示平均含碳量的万分之几）+合金元素符号+该元素百分含量数字+ 当合金元素的平均含量小于1.50%时，只标元素符号，不标含量；当合金元素的平均含量为1.502.49%、2.50 3.49%时，在相应的合金元素符号后标2、3等数字。 高级优质钢在牌号后加字母A，如60Si2MnA。 特级优质钢在牌号后加字母E，如30CrMnSiE。,编号与轴类用钢相同。,弹簧钢的牌号、性能及用途,弹簧钢可分为五类： 1、碳素弹簧钢 淬透性差，适于小截面弹簧，线径小于12-15mm，一般制成冷拔钢丝后用冷成型法制弹簧，如坐垫弹簧。 2、锰弹簧钢，如65Mn 与碳素弹簧钢强度相当，但
24、淬透性高，有过热倾向。适于制造界面尺寸小于15mm的中小型低应力弹簧。,3、硅锰弹簧钢，如60Si2MnA 淬透性、回火抗力和弹性极限高于65Mn。但存在脱碳、石墨化倾向。适于机车车辆等的板状弹簧及耐热弹簧(250oC)。 4、铬钒弹簧钢，如50CrVA 淬透性高于60Si2MnA，具有很高的弹性极限、韧性和强度，不易脱碳和石墨化。 适于大截面，应力较高的螺旋弹簧和工作在300oC以下的弹簧。,5、硅铬弹簧钢，如60Si2CrA 淬透性与50CrVA相当，过热敏感性小。主要用于承受高应力的弹簧和耐热低于300-350oC的受冲击载荷弹簧。,原料为：0.1-12mm的钢丝或圆钢等 原料状态：硬化
25、状态和退火状态,冷卷螺旋弹簧制造工艺,硬化状态 (1)钢丝经冷拔变形而强化； (2)钢丝冷拔后，再经淬火和回火强化； (3)铅淬冷拔钢丝。 正火+酸洗去皮+冷拔+Ac3上80-100oC+550oC铅浴 最后得到强度很高、具有一定塑性的弹簧钢丝，又称白钢丝或钢琴丝(细片状索氏体)。 冷卷去应力回火,退火状态 钢丝不具弹簧的性能，需进行淬火+回火处理 回火温度一般选在400-520oC(防硬度过高及缺陷) 冷卷淬火+回火处理端面加工,下料加热卷簧成型最终热处理喷丸强化端面加工,热成型螺旋弹簧的制造工艺,卷簧温度为950-980oC 热处理为：淬火+回火(与退火状态冷卷弹簧一致)。,进一步提高疲劳
26、强度采用喷丸处理。,大型热卷弹簧,向心球轴承,1 内层 2 外层 3 滚动体 4 保持架,1、2、3均为滚动轴承钢,轴承内套与轴紧密配合，承受轴的等大小反作用力。 轴承内外套和滚动体周期进入负荷带，受交变接触应力作用。 滚动体与内外套及保持架间存在相对滑动，产生相对摩擦，会产生磨损。,工作条件,对于承受负荷较大的轴承，主要失效形式是滚动体、内外套工作表面上产生麻点剥落，属接触疲劳。 对于精密轴承，疲劳前就由于磨损及组织变化造成尺寸变化而失效。 强大的冲击负荷作用下，轴承零件可能破碎。 摩擦表面温度过高而造成表面烧伤。,失效形式,(1)高接触疲劳。即高硬度，HRC61-65。 (2)高耐磨性。
27、(3)良好的尺寸稳定性。即减少残余奥氏体含量。 (4)具有一定的韧性和良好的冶金质量(保证疲劳寿命) (5)要求承受高温和腐蚀作用时，具有一定耐磨性和抗蚀性能。,性能要求,常用钢号应用最广的是GCr15,(1)高碳 0.91.11%C (2)合金元素 以Cr(0.5%-1.65%)为主，加入Mn、Si。 Cr、Mn、Si的主要作用是提高淬透性；Cr还提高耐磨性（形成合金渗碳体）和耐蚀性。,成分特点,滚珠：冷墩成型+淬火+低温回火。 普通轴承套圈加工工艺：锻造预备热处理(正火+球化退火)切削加工淬火低温回火磨削加工,始锻温度小于1100oC； 终锻温度在800-850oC之间。,锻造,预备热处理
28、(正火、球化退火),锻后出现网状碳化物或终锻温度过高形成粗大奥氏体时，需要使用正火。,为使钢易于切削，消除内应力及获得球状珠光体为淬火做组织准备，需要使用球化退火工艺。,球化退火温度为Ac1与Acm之间，过高和过低易形成片状组织，而不是球状碳化物。 退火后冷却速度越快，碳化物分布越弥散。,影响切削因素：硬度和组织 球化后硬度：一般为HB179-207； 组织：碳化物应小、圆且均匀。,目的：获得高硬度、强度和耐磨性 工艺：不完全淬火+低温回火 组织：针状马氏体或隐晶马氏体 残余奥氏体过多时，还应使用冷处理。,切削加工,最终热处理,易切削钢是在低碳、中碳或高碳的钢中加一种或几种合金元素，通过相应的
29、工艺使其具有良好的切削加工性能。,常加入S、Pb、P及微量Ca等元素改善切削性能。S和Mn形成颗粒，轧制时形成纤维组织，中断了钢基体的连续性，使钢易于切削；同时硬度和摩擦系数低，减小刀具磨损。,Pb以孤立颗粒形式存在，中断钢基体而增加切削性；同时切削产生热量使铅熔化，降低了摩擦，从而提高刀具寿命。 P溶于铁素体，提高强度、硬度，降低塑性和韧性。编号Y12、Y15、Y20、Y30、Y40、Y40Mn,按工作条件和用途工具钢分为: 刃具钢；模具钢；量具钢,制造工具的材料：工具钢、硬质合金及陶瓷材料,刃具钢：用来制造各种切削加工工具的钢种。,大的切削压力，可能导致车刀变形和断裂； 与工件、切屑间的摩
30、擦，可能导致刃口磨损； 切削产生的热量使刀具温度升高，可高达500oC； 零件组织和尺寸的不均等，刀具受一定的冲击载荷。,失效形式：卷刃、刃口崩断、刃口磨损、整体断裂等，以磨损为主。,工作条件,1、高硬度 (HRC60) 主要取决于含碳量。 2、高耐磨性 靠高硬度和析出细小均匀硬碳化物来达到。 3、足够的韧性 以防止脆断和崩刃。 4、高红硬性 红硬性即高温下保持高硬度的能力。,性能要求,含碳量足够的条件下，增加Cr、W、Mo、V可提高钢的红硬性。 原因： 1、回火时碳化物阻止马氏体在高温时析出碳原子； 2、析出后产生二次硬化的效果。,较宽的锻造温度范围，锻裂、冷裂、析出网状碳化物倾向低； 球化
31、退火后硬度低，形成珠光体倾向低； 良好的淬透性和淬硬性，淬后变形、开裂倾向小； 高温时，不易过热和脱碳； 抗磨裂性好。制造刃具钢的钢种：碳素刃具钢、低合金刃具钢和高速钢。,工艺性能,马氏体中碳质量分数在0.6%以上时，具有较高硬度； 组织中的多余碳化物可提高耐磨性，需增加碳含量； 过多的含碳量影响淬火后钢的强度和韧性。综合考虑硬度、耐磨性、强度和韧性，碳素刃具钢碳含量在0.65%-1.35%范围内。,碳素刃具钢使用性能特点,不利因素 高碳片状马氏体中含有较多碳化物，使高碳钢韧性降低，脆性增加。 高于250oC回火后碳的析出使硬度显著降低，导致其红硬性较低。,工艺：下料锻造预处理机械加工淬火、回
32、火精加工 过共析钢的锻造目的： 与被加工件相近的尺寸和形状； 使碳化物分布均匀。,碳素刃具钢工艺性能的特点(过共析钢),球状珠光体,预备热处理正火+球化退火球化退火目的： 降低硬度, 便于加工; 为淬火作组织准备; 消除应力.正火目的：消除网状碳化物(球化退火无法实现),碳化物球化程度越高，越利于切削。,T12钢正常淬火组织,热处理：淬火+低温回火,淬火目的：提高硬度和耐磨性。,使用状态下的组织： M回+颗粒状碳化物+A(少量),回火目的：消除内应力，降低脆性。温度为150-180oC。,牌号：T+数字(含碳量的千分之几)+A(高级优质钢) 亚共析刃具钢(T7、T7A)：良好的强韧性，制造承受
33、冲击的工具，如木工工具：冲子、凿子、锤子等。,共析刃具钢 T8、T8A：良好的淬透性，无网状碳化物析出，可制造大截面刃具。,过共析刃具钢 T10T11：制造硬度和耐磨性较高的切削工具，如钻头、丝锥、车刀等。 T12T13：韧性低，不易受冲击，制造耐磨工具，如锉刀、锯条等。,由碳素工具钢基础上加入少量合金元素形成。 克服了碳素刃具钢的低淬透性和低红硬性的缺点。,合金元素作用 提高淬透性: Cr、Mn、Si 提高耐回火性及耐磨性 ： Cr、Mn、 V、Si 细化晶粒: W、V,俗称风钢，制造高速切削刃具用钢。,性能特点: 高红硬性(600)、高淬透性 成分特点 高碳: 0.71.5%C 合金元素作
34、用 提高淬透性：Cr 提高红硬性：W 耐磨性: W、Mo、V,W18Cr4V(又称18-4-1) ：w(C)=0.7-0.8%; w(W)=17.5-19%; w(Cr)=3.8-4.4%; w(V)=1-1.4%。 W以Fe4W2C形式存在。加热时，部分溶于奥氏体，起稳定作用；淬火后存在于马氏体，强化马氏体和提高马氏体稳定性。 钢回火时(560oC左右)，W2C析出并弥散分布，产生二次硬化效果。 另一部分Fe4W2C不溶于奥氏体，可防奥氏体长大，提高钢耐磨性。,Cr形成Cr23C6，可全部溶入奥氏体而提高淬透性。 V形成碳化物部分溶入奥氏体，而另一部分可阻止奥氏体长大。,W18Cr4V钢的铸
35、态组织,高速钢是莱氏体钢，其铸态组织为亚共晶组织，含大量的鱼骨状莱氏体。,莱氏体中碳化物含量为27-28%。,碳化物分布不均：钢的抗弯强度与塑性显著降低；机械性能和热处理后的变形呈各向异性；易崩刀，易引起奥氏体变大，增大淬火应力。,碳化物的均匀分布无法通过热处理实现，只能通过热加工改善。 锻造目的：打碎粗大的鱼骨状碳化物，使其均匀分布于基体中。 低升温速度防开裂；锻造开始压下量要小，保证碳化物逐渐破碎，防止钢开裂。,加工工艺路线：下料锻造退火（球化）机加工淬火回火磨削,球化退火目的：降低硬度，便于切加工；为淬火作组织准备。,W18Cr4V钢的退火组织,W18Cr4V钢的淬火组织,Ms点低，A
36、多。,淬火工艺：远大于Ac1，1280oC左右；过低无法实现各种碳化物溶解；过高奥氏体急剧长大，还容易过烧。,淬火后组织： M+未溶碳化物(10%)+A (30%),淬火目的: 获得高合金元素含量的马氏体。,硬度与回火温度关系,回火目的： 主要为减少A。消除内应力、稳定组织。, 残余奥氏体中，碳及合金元素含量下降，Ms点上升，回火冷却时，A转变为M，称二次淬火。 每次回火加热都使前一次的淬火马氏体回火。,常用560三次回火。 回火时的组织变化(多次回火原因)： 析出弥散小的W、Mo、V的碳化物，产生二次硬化。,模具钢：用于制作模具的钢材。,按照被加工毛坯状态分：冷作模具和热作模具。,冲裁模：
37、工作中应保持刃口的完整锐利，不变形，不易磨损； 刃口具有高硬度、良好耐磨性和强韧性。,镦锻模和挤压模： 工作中模具冲头受很大的压力，而凹模受张力；且金属流导致模具受到摩擦并产生热量。 应具有高硬度，好的强韧性和高的断裂抗力和高耐磨性。,其他冷作模具工作条件介于冲裁和冷镦、冷挤压模之间,冷作模具在工作条件上与刃具类似，一般可用刃具用钢制造冷作模具。 差别：1、冷作模具钢热处理后变形尽量小；2、红硬性要求不高，但对强韧性、耐磨性、淬透性较高。,与冷作模具比，最大差别为： 工作温度较高，如机锻模在700oC以上，需要冷却。 受力为机械作用力和循环热应力。,性能要求： 1、高的变形抗力 除室温有较高的
38、硬度，还需要高回火抗力、热稳定性和高温硬度。 2、良好的断裂抗力 较高的抗拉强度、断裂韧性及冲击韧性,失效形式：塑性变形、断裂、磨损及热疲劳。 热疲劳由循环热应力导致，裂纹不深，但会加速磨损。,4、良好的淬透性 热作模具较大，因此需要好的淬透性。,3、高的热疲劳抗力 碳量：0.5%-0.6%。过高则导热差，降低热疲劳抗力。 W量2%时，增加Cr可显著提高热疲劳抗力,为保证良好的综合性能使用调质处理。,卡尺,塞规,千分尺,精密块规,制造各种量具用钢。如千分尺、卡尺、块规、塞规等。,量具在使用过程中与被测零件接触，承受摩擦和冲击，还存在时效。 时效效应：由于组织和应力上的原因，会引起量具在长期使用
39、或存放中尺寸精度的变化。 原因： (1)残余奥氏体转变为马氏体，发生膨胀； (2)马氏体分解，体积收缩； (3)残余应力变化及重新分布引起的弹塑性变形。,性能要求 高硬度和耐磨性； 高的尺寸稳定性(组织)。,常用钢种 碳素工具钢 如T10A，适宜制造精度不很高的量具，如量规等。 高碳合金工具钢 如GCr15，用于制造高精度量具，如块规等。 渗碳钢 如15、15Cr，用于制造长形或平板型量具，如卡规、直尺等。,量具钢的热处理工艺：淬火+低温回火,附加热处理： (1)淬火前调质处理 得到与马氏体体积相当的回火索氏体，降低淬火应力，有利于减少时效效应。 (2)常规处理之间的冷处理 使残余奥氏体转变为
40、马氏体，增加稳定性。 (3)常规处理后的时效处理 稳定磨削后的二次淬火层组织。,特殊钢是指用于制造在特殊工作条件或特殊环境(腐蚀介质、高温等)下具有特殊性能的构件和零件的钢材。特殊钢一般包括不锈钢、耐热钢、高耐磨钢、磁钢等。,不锈钢：一般指在大气和弱腐蚀介质中耐蚀的钢；耐酸钢：在各种强腐蚀介质(酸)中耐腐蚀的钢。,化学腐蚀是指金属在非电解质中的腐蚀。,金属腐蚀包括化学腐蚀和电化学腐蚀。,如化学腐蚀产物与基体牢固且致密的结合，会阻碍腐蚀的进行。,致密氧化膜的形成能阻止腐蚀的进行，称为钝化。,产生电化学腐蚀的条件： 有两个电位不同的电极； 有电解质溶液； 两电极构成通路。,电化学腐蚀是指金属在电解
41、质溶液中的腐蚀，是有电流参与作用的腐蚀。,不同组织、成分、应力区域之间可构成微电池,在碳钢的平衡组织中，除铁素体还有碳化物，这两相构成电极；前者电位低为阳极，后者为阴极，由于大气中水分的存在而形成微电池。,防止电化学腐蚀的措施合金化 获得均匀的单相组织。 提高合金的电极电位，减小电极间电位差。 使表面形成致密的钝化膜，如Al2O3等。,常加入Cr、Ni、Ti、Mo、V、Nb等 Cr：是提高耐蚀性的主要元素 形成稳定致密的Cr2O3氧化膜； 缩小区，形成单相铁素体组织； 提高基体电极电位。,碳具有双重作用： 碳量增加，因形成碳化铬导致固溶体中铬的减少，从而使耐蚀性降低，因此要求含碳量低； 对强度
42、、硬度和耐磨性等有具体要求时，应适当增加碳含量。,常用不锈钢：马氏体型、奥氏体型、铁素体型、奥氏体-铁素体型和控制相转变型不锈钢。,按正火组织分为：马氏体型、奥氏体型和铁素体型。,气轮机叶片,用于制造在一定温度下(再结晶温度以上)工作的零件及构件所用的钢均称耐热钢或耐热合金。,(1)耐热不起皮钢及合金： 在热的气体介质中无载荷或低载荷状态下工作时，表面具有耐化学腐蚀抗力的钢基合金，用于加热炉内原件； (2)热强钢及合金： 承受高温气体介质作用外，还承受一定载荷作用的钢及合金。,工作条件：受力很小，但受热气体介质作用。 时效形式：高温氧化 性能要求：高温抗氧化性，即热稳定性。 表面形成的致密氧化
43、膜对抗氧化起决定作用: Fe3O4和Fe2O3有保护作用；而FeO因存在空位没有抗氧化的保护作用。 加入Cr、Al、Si等元素可形成致密氧化膜。,对于在应力和温度作用下工作的，需要有良好的抗氧化性能和高的热强性。 (一)热强性 材料在高温和载荷作用下抵抗塑性变形和破裂的能力，称为热强性。 其高温力学性能与温度、时间和组织有关。,(1)温度对钢性能的影响 随着温度的升高，材料的强度逐渐下降，塑性逐渐增加。 (2)载荷时间的影响 常温时，材料强度与时间无关； 随温度升高，材料强度随时间增加而不断下降，温度越高，时间的影响越大。 (3)组织变化的影响 组织向稳定状态转变，并伴随着强度下降。,金属的蠕
44、变：金属在高温下，当外加应力低于弹性极限时，随时间的延长逐渐发生缓慢的塑性变形直至断裂的现象。,对于高温工作的零件，应避免蠕变。如汽轮机叶片蠕变后与汽缸间隙消失，导致叶片与汽缸碰撞，造成重大事故。,典型蠕变曲线分为四段：,A,B,C,D,O,OA段为加载后立即发生的弹性变形和塑性变形阶段； AB段为不稳定变形阶段，金属以不均匀速度变形(逐渐变慢)；,CD段为最后阶段，蠕变速度加快，直至断裂(D点)。,BC段为稳定形变阶段，金属以恒速变形；,蠕变条件：一定温度以上、超过一定的应力。 温度界限为再结晶温度，应力界限为弹性极限。防止蠕变措施： (1)金属再结晶温度高于工作温度； (2)工作应力高于弹
45、性极限。,持久强度：在一定温度下，经过一定时间引起断裂的应力。,蠕变极限：在一定温度下引起一定变形速度的应力。,热强性指标,耐磨钢：主要应用于使用过程中经受强烈冲击和严重磨损的零件。 普遍使用高锰钢Mn13。,牌号为ZGMn13,WC1.01.3% WMn11.0%14.0%,由于冷速很快，碳化物来不及析出，使钢得到单相奥氏体组织，此时钢的硬度很低，而韧性很好。,高锰钢水韧处理后不再回火（否则碳化物会重新析出）,水韧处理：将铸造后的高锰钢加热到10001100 C，并保持一定时间，使碳化物完全溶入奥氏体中，然后水中冷却。,高锰钢广泛应用于既要求耐磨又要求耐冲击的一些零件：铁路辙叉、挖掘机、坦克履带板、碎石机的颚板等。,
