3 機械制造結構鋼

1、Chapter 3 機械制造結構鋼 1主 要 內 容3.1 調質鋼3.2 低溫回火狀態(tài)下使用的結構鋼3.3 高合金超高強度結構鋼3.4 軸承鋼3.5 滲碳鋼和氮化鋼3.6 其他機械制造結構鋼非調質結構鋼彈簧鋼易削鋼高錳鋼2根本要求： 了解各類鋼的服役條件、對鋼的根本性能要求。 掌握常用調質鋼、彈簧鋼、滲碳鋼、滾動軸承鋼等的典型牌號。 重點：各類鋼的化學成分特點、合金元素的作用、強韌化機制及熱處理特點。 教學要求Chapter 3 機械制造結構鋼3 一、應用背景 機械制造結構鋼也稱機器零件用鋼，是在優(yōu)質碳素結構鋼的根底上開展起來的，用于制造各種機械零件所用的鋼種，故此得名。 各種齒輪、軸桿類、彈

2、簧、軸承及高強度結構件等，廣泛應用在汽車、拖拉機、機床、工程機械、電站設備、飛機及火箭等裝置上。 引言Chapter 3 機械制造結構鋼4撥叉變速齒輪變速箱3.0 引言Chapter 3 機械制造結構鋼5連 桿 3.1 調質鋼軸 Chapter 3 機械制造結構鋼6電氣機車大軸 磨床主軸 3.1 調質鋼Chapter 3 機械制造結構鋼7汽輪機轉子 汽輪機轉子 AETC公司 3. 1 調質鋼8葉輪、轉子 3. 1 調質鋼9某軍艦汽輪機主軸 3. 1 調質鋼Chapter 3 機械制造結構鋼10齒輪曲軸汽車萬向節(jié)連桿3.0 引言Chapter 3 機械制造結構鋼11彈簧拉力彈簧離合器彈簧蝶形彈簧

3、3.0 引言板彈簧Chapter 3 機械制造結構鋼12滾珠滾珠軸承3.0 引言Chapter 3 機械制造結構鋼13履帶鐵軌分道叉破碎機顎板挖掘機斗齒3.0 引言Chapter 3 機械制造結構鋼143.0 引言Chapter 3 機器零件用合金結構鋼 二、服役條件 主要是承受拉伸、壓縮、扭轉、剪切、彎曲、沖擊、疲勞、摩擦等力的作用，或者是它們中的多種載荷的交互作用。服役環(huán)境是大氣、水和潤滑油，溫度在-50+100范圍之間。 機器零件要求結構緊湊、運轉快速準確以及零件間有適宜的公差配合等。由此便決定機器零件用鋼在性能上要求與工程構件用鋼有所不同。3.0 引言Chapter 3 機械制造結構鋼

4、15 三、對鋼的性能要求 足夠的強度、塑性和韌性：保證機器零件體積小、結構緊湊及平安性好； 良好的疲勞性能與耐磨性等。 使用狀態(tài)通常為淬火+回火態(tài)，即強化態(tài)。通過熱處理強化以充分發(fā)揮鋼材的性能潛力。對其它工藝性能如冶煉性能、澆注性能、可鍛性能等也有要求，但一般問題不大。 機器零件用鋼通常以力學性能為主，工藝性能為輔。3.0 引言Chapter 3 機械制造結構鋼163.1 調質鋼結構鋼在淬火+高溫回火后具有良好的綜合機械性能，即有較高的強度，良好的塑性和韌性，這類鋼稱為調質鋼，主要用于制造軸、齒輪類零件。Chapter 3 機械制造結構鋼17一、化學成分特點 碳中碳，碳含量一般在0.3%0.5

5、%； 鋼中的碳保證有足夠多的碳化物體積分數(shù)以獲得高的強度。 碳含量過低時，淬硬性不夠；碳含量過高那么韌性下降。 3.1 調質鋼Chapter 3 機械制造結構鋼182. 合金元素 主加合金元素：Cr、Mn、Si、Ni； 輔加合金元素：Mo、W、V、Ti、Al、 B等。 重要的調質鋼，一般都含有多種合金元素。 合金元素SiMnCrNi含量范圍(wt%)0.6-1.40.8-1.80.8-1.71.0-4.5合金元素MoVWTiAlB含量范圍(wt%).0.1-0.50.05-0.20.6-1.20.05-0.10.5-1.20.004Chapter 3 機械制造結構鋼3.1 調質鋼19合金元素的

6、作用：提高淬透性；Cr、Mn、Si、Ni溶于相，起固溶強化作用。Cr、Mo、W、V等阻礙相的再結晶，也可阻礙碳化物在高溫回火時的聚集長大，使鋼保持高硬度。參加Mo、W來防止回火脆性。V、Ti、Al起細化晶粒的作用。Chapter 3 機械制造結構鋼3.1 調質鋼20二、對淬透性的要求調質零件上馬氏體層的厚度應根據(jù)零件在工作時經受應力的類型及大小來確定，并據(jù)此來確定對淬透性的要求。 例如：某些軸類零件，它們承受彎曲力，外表受到最大的張應力，隨著離外表的距離增大，應力逐漸減低，所以只要求在淬火軸的1/2半徑處到達80馬氏體即可。 例如：某些重要的銷釘或螺栓，在工作時，整個截面上受到大的剪切力或拉力

7、，因此要求零件在整個截面上淬成馬氏體。需要根據(jù)淬透性曲線來選擇鋼種。Chapter 3 機械制造結構鋼3.1 調質鋼21三、熱處理特點 1 預備熱處理 為了便于切削加工和改善鋼件因熱加工不當而造成的粗晶組織和帶狀組織，需要進行預備熱處理。 合金含量較少的鋼在軋制和鍛造后的組織多半是珠光體，對此類鋼一般采用在AC3線以上加熱進行正火。3.1 調質鋼Chapter 3 機械制造結構鋼22合金含量較多的鋼在軋制和鍛造后的組織多為馬氏體組織，對此類鋼一般采用在AC3線以上加熱進行正火，隨后再進行一次高溫回火，使馬氏體型鋼的強度由HB380550降至HB207240，可以順利地進行切削加工。2 最終熱處

8、理 1淬火將鋼件加熱至AC3線以上進行淬火，淬火溫度由鋼的成分來決定，淬火介質根據(jù)鋼件尺寸大小和鋼的淬透性加以選擇。 Chapter 3 機械制造結構鋼3.1 調質鋼232回火 根據(jù)所要求的性能來決定回火溫度，高溫回火時應考慮回火脆性問題。3外表處理 某些零件除了要求較高的強、韌、塑性配合以外，往往還要求某些部位如軸類零件的軸頸或花鍵局部有良好的耐磨性。為此，經調質處理后，在局部部位進行高頻感應外表淬火。3.1 調質鋼Chapter 3 機械制造結構鋼24四、機械性能 1 硬度 回火索氏體的硬度取決于鐵素體的硬度和碳化物的彌散強化作用，并可用下式表示： H=HF + S 式中：H為鋼高溫回火后

9、的硬度；HF為鐵素體的硬度；為碳化物的強化系數(shù)；S為碳化物顆粒的總外表積。 上式說明：鐵素體的晶粒大小，合金元素在鐵素體中的固溶程度，碳化物的數(shù)量和彌散程度與硬度有著密切的關系。Chapter 3 機械制造結構鋼3.1 調質鋼252 回火溫度與綜合機械性能的關系 當調質鋼淬火成馬氏體，在450650溫度范圍內回火時，隨著回火溫度的升高，硬度、抗拉強度，屈服強度等不斷降低，而延伸率、斷面收縮率及沖擊韌性等不斷上升。 Chapter 3 機械制造結構鋼3.1 調質鋼263 韌性(1) 合金元素對韌性的影響碳：降低沖擊韌性 在保證鋼的硬度及強度的前提下，應把鋼中碳含量限制在較低范圍內。錳：參加量2%

10、，鋼的沖擊韌性有所改善，能稍降低韌脆轉化溫度；但含量2后，沖擊韌性惡化，韌脆性轉化溫度升高。 鎳：改善鋼的沖擊韌性，使韌脆轉化溫度下降。硅：降低韌性，韌脆性轉化溫度升高。 磷：對沖擊韌性危害甚大。提高韌脆轉化溫度，降低沖擊值。高級優(yōu)質鋼中的含磷量限制在0.035%，為了進一步改善鋼的韌性，甚至把含磷量降低到0.02%以下。3.1 調質鋼Chapter 3 機械制造結構鋼27 (2) 高溫回火脆性 回火脆性與冷卻速度關系 冷卻速度愈慢，室溫沖擊韌性愈低，韌脆轉化溫度愈高。 處理條件冷卻方式 室溫沖擊值（J/cm2）40CrNi鋼820淬火650回火爐冷 9.640CrNi鋼820淬火650回火空

11、冷2440CrNi鋼820淬火650回火油冷6140CrNi鋼820淬火650回火水冷763.1 調質鋼Chapter 3 機械制造結構鋼表3-1 28回火脆性與回火保溫時間的關系 在350600等溫回火保溫時間愈長，室溫沖擊韌性愈惡化，韌脆轉化溫度愈高，如教材圖4-8。回火脆性與化學成分的關系 碳素鋼對高溫回火脆性是不敏感的；鉻、錳、鎳、硅強烈促進回火脆性傾向；鉬、鎢降低高溫回火脆性； 稀土元素降低高溫回火脆性。3.1 調質鋼Chapter 3 機械制造結構鋼29 防止或減輕回火脆性的措施盡可能縮短回火保溫時間；回火后采用快冷； 采用含鉬、鎢鋼種，并盡可能降低鋼中的磷、錫、銻含量；對已感受回

12、火脆性的鋼，用重新加熱到650后快冷的方法來恢復。 3.1 調質鋼Chapter 3 機械制造結構鋼304 機械性能碳素調質鋼與合金調質鋼相比，經淬火、回火到相同抗拉強度和硬度時，屈服強度和延伸率相近，但斷面收縮率稍低，圖4-7。不同成分的合金調質鋼經淬火、回火到相同抗拉強度時，屈服強度、延伸率和斷面收縮率相近。只要淬透性相當，可以互換。31五、常用調質鋼的成分、熱處理、機械性能 和用途 表3-2 常用調質鋼的成分和用途 鋼 號主要化學成分（%）用 途CMnSiCrNiMo450.42-0.500.50-0.800.17-0.37主軸、齒輪40Cr0.37-0.450.50-0.800.20-

13、0.400.80-1.10重要軸類、重要齒輪30CrMnSi0.27-0.340.80-1.100.90-1.200.80-1.10高速輪軸40CrNiMo0.37-0.440.50-0.800.20-0.400.80-0.901.25-1.750.15-0.25航空發(fā)動機機軸Chapter 3 機械制造結構鋼3.1 調質鋼32表3-3 常用調質鋼的熱處理和機械性能鋼 號熱 處 理機 械 性 能淬火/回火/ 毛坯尺寸/mm Rm/MPa Rp0.2/MPa A/% /% k/J45850水600空1065035017384540Cr850油500油2510008009456030CrMnSi8

14、80油520油25110090010455040CrNiMo850油600油3011009001255100Chapter 3 機械制造結構鋼3.1 調質鋼33 典型調質鋼及其應用：低淬透性碳素調質鋼： 45鋼、45B鋼，用于截面尺寸較小或不要求完全淬透的零件。低淬透性合金調質鋼： 40Cr、45Mn2、40MnB、 35SiMn等，油淬臨界直徑最大為30mm40mm。通常用于制造一般尺寸的重要零件。3.1 調質鋼Chapter 3 機械制造結構鋼34中淬透性合金調質鋼： 35CrMo、40CrMn、40CrNi、42CrMo、40CrMnMo等。油淬臨界直徑最大為40mm60mm。主要用于制

15、造截面較大的零件，例如曲軸、連桿、汽輪機轉子、葉輪等。3.1 調質鋼Chapter 3 機械制造結構鋼35高淬透性合金調質鋼： 34CrNi3MoV、37CrNi3、40CrNiMoA、25Cr2Ni4WA等，油淬臨界直徑最大為60mm100mm。主要用于制造大截面、重載荷的重要零件，如航空發(fā)動機軸、汽輪機主軸、葉輪等。 3.1 調質鋼Chapter 3 機械制造結構鋼363.2 低溫回火狀態(tài)下使用的結構鋼37一、低溫回火鋼的顯微組織及力學性能1 顯微組織及強度 回火馬氏體。 碳在相過飽和固溶強化；-Fe2.4C與基體共格沉淀強化；馬氏體相變強化。含碳量在0.2-0.5%時，抗拉強度與碳含量呈

16、線性增加關系: Rm=2880C%+800MPa.382 回火脆性淬火鋼在250-350范圍內有低溫回火脆性，含雜質元素極低的超純鋼不產生低溫回火脆性，圖4-9。錳、鉻加劇低溫回火脆性，Mn 2，淬火態(tài)也可得到沿晶淬斷，低溫回火脆化傾向進一步加劇。鉬改善低溫回火脆性，但不能消除。硅、鋁將低溫回火脆化范圍推向350 以上。39二、低碳馬氏體結構鋼1 顯微組織和性能C0.3%時，淬火馬氏體為位錯型的板條馬氏體，具有高強度和良好韌性。低溫回火后綜合力學性能優(yōu)于中碳調質鋼，并且冷脆傾向小，有低缺口敏感度。402 與中碳調質鋼相比的優(yōu)點 冷變形性能好。例如：做高強度螺栓，可冷鐓變形，比熱鍛的螺栓精度高，

17、外表質量好，生產率高，減少切削量，節(jié)約鋼材。 41三、低合金超高強度結構鋼以調質鋼為根底開展起來的，用做飛機起落架、飛機機身大梁，火箭發(fā)動機外殼，火箭殼體、高壓容器等。碳：0.27-0.45%，參加鉻、錳、硅、鎳、鉬、釩等，保證足夠高的淬透性。高強度抗拉強度1500-2300MPa，隨強度提高，缺口敏感性增大，如圖4-10。脫碳傾向較大；熱處理變形較大，不易矯直；焊接性能不好。423.3 高合金超高強度結構鋼43一、馬氏體時效鋼中合金元素作用1 鎳主加元素，保證馬氏體的形成，從而增加基體的強度；有利于馬氏體中析出沉淀相。2 鈷降低剩余奧氏體含量：隨著鎳含量的增加，MS點會下降，因此要控制鎳的參

18、加量；參加鈷能升高MS點；鈷和鉬復合參加，使沉淀強化效應進一步加強協(xié)同效應，如圖4-11。44453 合金元素鈦、鋁、鉬、鈮參加合金元素鈦、鋁、鉬、鈮等，以形成金屬間化合物Ni3Al、Ni3Ti、Ni3Mo和Fe2Mo相等沉淀硬化相。雜質元素碳：與鉬、鈦、鈮形成穩(wěn)定碳化物在晶界析出，使韌性和缺口強度降低；并減少合金元素含量，使強化效應減少；假設固溶于馬氏體中，降低馬氏體塑性。氮：形成TiN和NbN，是裂紋源。464 雜質元素硅：對韌性有害，Si總量控制0.1%。硫、磷：含量控制很低。鉻、錳：局部代替鎳。硼、鋯、鈣、鎂和稀土元素：改善性能。 見表4-4。47二、馬氏體時效鋼的熱處理和性能固溶處理

19、，隨后空冷至室溫，合金冷卻時轉變?yōu)轳R氏體。由于合金含量很高，淬透性極高，因而常常在空氣中冷卻。固溶處理后其硬度在HRC 2832 ，很容易進行進一步的機械加工。 時效硬化，通過480時效36h來完成的。由于時效過程中形成金屬間化合物Ni3Al、Ni3Ti、Ni3Mo和Fe2Mo相等沉淀硬化相，此時硬度HRC 52。引起很小的尺寸變化，可以作為產品的最終熱處理。4849馬氏體時效鋼的性能特點：在高強度水平下還具有優(yōu)越的塑性、韌性和缺口強度； 比許多常用合金結構鋼有較好的氫脆和應力腐蝕抗力； 低加工硬化指數(shù)，高冷變形能力；在固溶處理和時效以后均可進行焊接而不需要預熱。 這類鋼的高合金度和生產工藝極

20、其嚴格，使得鋼的生產本錢很高。50馬氏體時效鋼的應用：航空、航天的重要構件：大型火箭發(fā)動機殼體、空間運載工具的扭力棒懸掛體、火箭發(fā)動機零件、直升飛機的柔性轉動軸、飛機起落架部件、旋轉機翼式飛機的鉸鏈結合部件、水翼艇及潛艇的零部件；制造高壓容器、螺栓、緊固件和機槍彈簧、槍管、噴油泵零件、低溫服役零件等。513.4 軸承鋼52特大型軸承大型圓錐滾子軸承 離合器別離軸承 各類標準軸承 四列圓錐滾子軸承 輪轂軸承 Chapter 3 機械制造結構鋼53一、滾動軸承的工作條件 滾動軸承的作用是支撐軸。滾動軸承通常由內套、外套、滾動體如滾珠、滾輪、滾針和保持架四局部組成。其中除保持架用低碳鋼08鋼薄板沖制

21、而成，其余三個局部均由軸承鋼制造。 滾動軸承內外套圈與滾動體之間呈點或線接觸，承受很大的壓應力高達1800MPa5000MPa和交變載荷。Chapter 3 機械制造結構鋼54滾動體與套圈之間不但有滾動摩擦，而且有滑動摩擦，有時在強大的沖擊載荷作用下，軸承也可能產生破碎；對在特殊條件條件下工作的軸承，常與大氣、水蒸氣及腐蝕介質相接觸，進而產生腐蝕。 滾動軸承損壞的正常形式是：疲勞剝落，即接觸疲勞破壞。Chapter 3 機械制造結構鋼55二、對滾動軸承鋼的性能要求1 高的淬硬性和必要的淬透性；2 高的耐磨性；3 高的接觸疲勞性能；4 高的彈性極限和一定的沖擊韌性；5 尺寸要精確而經久穩(wěn)定；6

22、一定的抗腐蝕能力；7 良好的工藝性能。Chapter 3 機械制造結構鋼56三、化學成分特點 1 高碳 保證有高的硬度和耐磨性，含碳量一般為0.95%1.15%，屬于過共析鋼。 一局部存在于馬氏體基體中以強化馬氏體； 另一局部形成足夠數(shù)量的碳化物以獲得所要求的耐磨性。 過高的碳含量會增加碳化物分布的不均勻性，且易生成網狀碳化物而降低其性能。Chapter 3 機械制造結構鋼572 主加合金元素鉻提高鋼的淬透性和耐腐蝕性能。 局部鉻形成的合金滲碳體(Fe,Cr)3C在淬火加熱時溶解較慢，可減少過熱傾向，經熱處理后可以得到較細的組織；碳化物能以細小質點均勻分布于鋼基體組織中，既可提高鋼的回火穩(wěn)定性

23、，又可提高鋼的硬度，進而提高鋼的耐磨性和接觸疲勞強度。適宜的鉻含量為0.40%1.65%。Chapter 3 機械制造結構鋼58當鉻含量高于1.65%以后，那么會使剩余奧氏體增加，使鋼的硬度和尺寸穩(wěn)定性降低，同時還會增加碳化物的不均勻性，降低鋼的韌性。 3 參加硅、錳、釩等以進一步提高淬透性。 大型軸承用鋼中還需參加更多的合金元素以提高淬透性，通常參加Mn、Si提高淬透性，適量的Si0.40%0.60%還能明顯地提高鋼的強度和彈性極限；Chapter 3 機械制造結構鋼59參加V一局部溶于奧氏體，提高淬透性，另一局部形成碳化釩VC，提高鋼的耐磨性并防止過熱。通常無鉻鋼中都含有釩。 4 降低S、

24、P含量，減少氧化物、硅酸鹽夾雜物的數(shù)量，提高冶金質量。 由于軸承鋼的接觸疲勞性能對鋼材的微小缺陷十分敏感，所以要求S0.02%，P0.027%，一般采用電渣重熔、電爐冶煉及真空冶煉等技術以減少夾雜物數(shù)量。 Chapter 3 機械制造結構鋼60四、對滾動軸承鋼的原始組織要求 1 原始組織必須無縮孔，皮下氣泡、白點和過燒；2 嚴格控制非金屬夾雜物；3 嚴格控制疏松級別；4 改善碳化物不均勻性網狀、帶狀和液析。 Chapter 3 機械制造結構鋼61五、熱處理特點 1 預先熱處理 通常采用球化退火。 GCr15鋼的球化退火加熱溫度范圍為770810，790被認為是最適宜的加熱溫度。加熱溫度過高，奧

25、氏體中未溶碳化物量過少，奧氏體成分進一步均勻化，冷卻后得到的是粗片層珠光體，或有大塊聚集碳化物，這是不合格的過熱組織；加熱溫度缺乏，片狀珠光體溶解得不充分，奧氏體成分很不均勻，冷卻過程中碳化物沿著原片層析出，或呈細小的鏈狀特征。Chapter 3 機械制造結構鋼62碳化物的彌散度取決于冷卻速度。冷卻速度越大，彌散度越大，其硬度也越高。球化退火冷卻方式有兩種，一種是連續(xù)冷卻，按冷卻速度20-30/h冷到650出爐；或者在700等溫2-4h，再爐冷到650出爐。Chapter 3 機械制造結構鋼632 最終熱處理 通常采用淬火+低溫回火。 對GCr15鋼，淬火加熱溫度為820-840。溫度過高會引

26、起過熱，晶粒長大，使鋼的韌性和疲勞強度下降，且易淬裂和變形；溫度過低，那么奧氏體中溶解的鉻和碳的含量不夠，鋼淬火后硬度缺乏。 馬氏體中的碳含量在0.45%-0.5%時，軸承鋼既具有高硬度，又有良好的韌性，還具有最高的接觸疲勞壽命。Chapter 3 機械制造結構鋼64Chapter 3 機械制造結構鋼65軸承零件淬火后一般要滿足以下要求：1細小均勻的奧氏體晶粒(58級)；2顯微組織是隱晶馬氏體基體上分布著均勻細小的碳化物；未溶碳化物數(shù)量應占78%左右，剩余奧氏體量不大于8左右，固溶體的碳含量在0.500.60%之間。3淬火組織硬度為HRC6466；4零件外表不應有氧化脫碳及軟點。Chapter

27、 3 機械制造結構鋼66淬火后應立即回火，以消除內應力，提高韌性、穩(wěn)定組織和尺寸；回火溫度一般為150160，保溫時間為24h。為使回火性能均勻一致，回火溫度也要嚴格控制，最好在油中進行。 淬火及回火后的組織為極細的回火馬氏體、均勻分布的細粒狀碳化物以及少量的剩余奧氏體，硬度為HRC6266。Chapter 3 機械制造結構鋼67軸承在淬火及回火后的磨削加工過程中，還會產生磨削應力，通常還要進行一次附加回火回火溫度為120150，回火時間為23h以穩(wěn)定組織和尺寸。 對于精密軸承，為了保證能長期存放和使用中不變形，在淬火后要立即進行“冷處理，以使鋼中未轉變的剩余奧氏體進一步發(fā)生轉變；再在磨削加工

28、后進行附加回火溫度為120150，時間為510h。 Chapter 3 機械制造結構鋼68六、滾動軸承鋼的應用實例 1 常用軸承鋼 根據(jù)其合金元素的種類分為兩類：鉻軸承鋼 典型代表是GCr15，使用量占軸承鋼的絕大局部。由于淬透性不是很高，因此多用于制造中小型軸承。Chapter 3 機械制造結構鋼69添加Mn、Si、Mo、V的軸承鋼。 在鉻軸承鋼中參加Mn、Si可提高淬透性，如GCr15SiMn鋼等，主要用于制造大型軸承； 為了節(jié)約Cr，可以參加Mo、V，得到不含鉻的軸承鋼，如GSiMnMoV、GSiMnMoVRE鋼等，其性能和用途與GCr15相近。Chapter 3 機械制造結構鋼70Ch

29、apter 3 機械制造結構鋼71高碳鉻軸承鋼也可用于制造精密量具、冷沖模、機床絲杠等耐磨件。滾珠絲杠副 絲杠Chapter 3 機械制造結構鋼722 其它類型的軸承鋼 滲碳軸承鋼：軋鋼機械、礦山挖掘機械、建筑機械等一些受沖擊負荷較大的機械使用的軸承，不僅要求其外表硬度高、耐磨性好，具有較高的接觸疲勞強度，還要求心部有一定的韌性、足夠的強度和硬度?？梢赃x用滲碳鋼制造。 滲碳軸承鋼，采用合金結構鋼的牌號表示方法，另在牌號頭部加符號“G。例如：“G20 CrNiMo。Chapter 3 機械制造結構鋼73可用于制造軸承鋼的滲碳鋼，如20Mn、20NiMo、12Cr2Ni4A、20Cr2Ni4A、2

30、0Cr2Mn2MoA等，并開展了一些新鋼種，如G10CrNi3Mo、G20CrMo、G20Cr2Mn2Mo、G20CrNiMo、G20CrNi2Mo及G20Cr2Ni4等。 用滲碳軸承鋼制造軸承，加工工藝性能好，可以采用冷沖壓技術，提高材料的利用率，再經滲碳、淬火及回火處理后，在零件的外表形成有利的剩余壓應力，提高軸承的使用壽命。Chapter 3 機械制造結構鋼74高碳鉻不銹軸承鋼和高溫軸承鋼，采用不銹鋼和耐熱鋼的牌號表示方法，牌號頭部不加符號“G。例如：高碳鉻不銹軸承鋼“9Cr18和高溫軸承鋼“10Cr14Mo。 不銹軸承鋼：對于在酸、堿、鹽等腐蝕介質中使用的軸承，要求具有良好的化學穩(wěn)定性

31、，故而常采用高碳高鉻不銹鋼制造，如9Cr18等。Chapter 3 機械制造結構鋼75水下軸承 外球面軸承 Chapter 3 機械制造結構鋼76高溫軸承鋼：燃汽輪機、航空及航天工業(yè)用軸承的工作溫度已超過300以上，因此對所用軸承的材料要求有足夠的高溫硬度、高溫強度、耐磨性、抗氧化性及一定的腐蝕性能、良好的尺寸穩(wěn)定性和高溫下的壽命。 GCr15軸承鋼的最高工作溫度不超過180，含抗回火穩(wěn)定性元素Si、Mo、V、Al的低合金軸承鋼的工作溫度也不能超過260。因此在更高溫度下使用的軸承必須采用高溫軸承鋼。Chapter 3 機械制造結構鋼77超高溫軸承高溫、耐腐蝕、自潤滑軸承Chapter 3 機

32、械制造結構鋼78常用的高溫軸承鋼有Cr4Mo4V、Cr14Mo4、Cr15Mo4、GCr18Mo、W6Mo5Cr4V2等。這類鋼的成分特點是含有大量的W、Mo、Cr、V等碳化物形成元素，淬火后可獲得高合金化的高碳馬氏體，具有良好的回火穩(wěn)定性，并在高溫回火后產生二次硬化現(xiàn)象，能在高溫下保持高硬度、高耐磨性和良好的接觸疲勞強度。 Cr4Mo4V鋼是航空發(fā)動機上最常用的高溫軸承鋼。這種鋼在熱處理和性能上具有高速鋼的特點，但含合金元素含量略少，故高溫硬度不如高速鋼，但這種鋼的加工性能好于高速鋼。Chapter 3 機械制造結構鋼793.5 滲碳鋼和氮化鋼Chapter 3 機械制造結構鋼80一、滲碳鋼

33、的服役條件及對性能要求有一些機器零件，在工作時整體受到周期性變化的扭轉或彎曲力作用，并且零件與零件外表之間還有相對的摩擦，并有高的接觸應力。這些零件對材料的機械性能要求： (1) 外表具有高的彎曲、接觸疲勞強度和高的耐磨性。(2) 心部具有高強度和韌性。Chapter 3 機械制造結構鋼81二、滲碳鋼的化學成分特點 1 低碳 一般在0.12% 0.25%。主要目的是為了保證心部有良好的韌性。 2 合金化 常參加的合金元素有Mn、Cr、Ni、 Mo、 W、Si、V、Ti、B等。 1提高鋼材的淬透性，提高機件的強度和韌性； V、Ti可以細化奧氏體晶粒。 Chapter 3 機械制造結構鋼822對滲

34、碳的影響 碳化物形成元素：a增大鋼外表吸收碳原子的能力；b增大滲碳層外表碳濃度；c阻礙碳在奧氏體中的擴散。 前兩因素加速滲碳，有利于滲碳層的加厚，而后一因素不利于滲碳層的加厚。 總的效果：鉻、錳、鉬等元素加大滲碳層的厚度，鈦減小滲碳層的厚度。 Chapter 3 機械制造結構鋼83 非碳化物形成元素： 與碳化物形成元素的作用相反。 總的效果：鎳、硅、銅等元素減慢滲碳，不利于滲碳層的加厚。 碳化物形成元素含量過多，將在滲碳層中產生許多塊狀碳化物，造成外表脆性。所以合金元素的含量要適當。錳是一個較好的合金元素，既可以加速滲碳層增厚，又不過多提高滲碳層的含碳量。Chapter 3 機械制造結構鋼84

35、 對于一般零件:(1)滲碳層的含碳量限制為0.81.1%；(2)滲碳層的深度控制在0.62.0mm。 85圖3-2 沿鋼的滲碳層深度，碳的濃度分布 1-碳鋼 2-以碳化物元素合金化的鋼 3-以非碳化物元素合金化的鋼 Chapter 3 機械制造結構鋼86圖3-3 925滲碳時，合金元素對滲碳層深度的影響 Chapter 3 機械制造結構鋼87三、滲碳鋼的熱處理特點 1 預先熱處理 合金滲碳鋼零件，在機械加工前的預先熱處理通常分兩步進行。第一步：正火退火對P型鋼第二步：高溫回火對M型鋼Chapter 3 機械制造結構鋼88正火的目的：細化晶粒，減少組織中的帶狀程度并調整好硬度，便于機械加工。經過

36、正火后的鋼材具有等軸狀晶粒。 對珠光體型鋼通常用在800左右的一次退火代替正火，可得到相同的效果，即既細化晶粒又改善切削加工性能； 對馬氏體型鋼，那么必須在正火之后，再在Ac1以下溫度進行高溫回火，以獲得回火索氏體組織，這樣可使馬氏體型鋼的硬度由HB380550降低到HB207240，以順利地進行切削加工。 Chapter 3 機械制造結構鋼892 最終熱處理1滲碳在機械加工到只留有磨削余量時，進行滲碳處理。Chapter 3 機械制造結構鋼90滲碳溫度：910930。鋼外表的固溶碳極限是由奧氏體在滲碳溫度時對碳的飽和溶解度決定的。如超過碳在奧氏體中的極限溶解度，在外表層中就會出現(xiàn)碳化物。 滲

37、碳擴散層的厚度決定于：1碳在奧氏體中的極限溶解度；2碳在奧氏體中的擴散速度； 3擴散的時間。 Chapter 3 機械制造結構鋼912淬火和低溫回火。圖3-4 20CrMnTi鋼齒輪的熱處理標準采用這種工藝的零件通常只要求外表高硬度和耐磨性，而對基體性能要求不高。 主要用于滲碳后不容易過熱的鋼種。Chapter 3 機械制造結構鋼92淬火和低溫回火后的組織： 零件的滲碳外表：高碳回火馬氏體加細小的碳化物，硬度高6062HRC，耐磨性高。 零件的非滲碳外表和基體局部心部： 低碳回火馬氏體淬透性高的鋼種； 低碳回火馬氏體加貝氏體4048HRC淬透性中等的鋼種； 低碳回火屈氏體2540HRC淬透性小

38、的鋼種。 這些組織使零件具有更好的強硬度與韌塑性的配合，心部的沖擊韌性一般都高于700kJ/m2。Chapter 3 機械制造結構鋼93滲碳后先進行空冷即正火處理使組織細化，而后再按滲碳后的外表成分進行淬火并低溫回火。當要求外表高硬度、高耐磨性外，對基體性能有較高要求時，可采用這種工藝。主要用于滲碳后容易過熱的鋼種，如20Cr、20Mn2等。Chapter 3 機械制造結構鋼94滲碳空冷后，進行兩次淬火。當對零件外表和基體性能的要求都很嚴格時，可用這種工藝。 第一次按鋼的基體成分加熱淬火，加熱溫度較高870左右，目的是細化心部組織并消除外表滲碳層中的網狀滲碳體； 第二次按高碳鋼的成分進行外表淬

39、火，目的是使外表獲得細小的馬氏體加粒狀碳化物組織，以滿足外表高性能的要求； 最后進行低溫回火起消除應力、穩(wěn)定組織和穩(wěn)定尺寸的作用。Chapter 3 機械制造結構鋼95這類熱處理工藝主要用于航空發(fā)動機齒輪的熱處理。航空發(fā)動機齒輪(可達GB10095-88 4級)Chapter 3 機械制造結構鋼96四、滲碳鋼及其應用 碳素滲碳鋼：15、20合金滲碳鋼1低淬透性合金滲碳鋼 典型鋼種：20Cr、20Mn2等。抗拉強度通常為8001000MPa。 通常只用于制造受沖擊載荷較小的，且對于心部要求不高的小型滲碳件，如小齒輪、活塞銷、套筒、鏈條等。Chapter 3 機械制造結構鋼972中淬透性合金滲碳鋼

40、 典型鋼種:20CrMnTi、20Mn2TiB、20MnVB等。抗拉強度通常為10001200MPa。大量用于制造承受高速、中載并要求抗沖擊和耐磨損的零件，特別是汽車、拖拉機上的重要齒輪及離合器軸等。Chapter 3 機械制造結構鋼983高淬透性合金滲碳鋼 典型鋼種：12Cr2Ni4A、15CrMn2SiMo、18Cr2Ni4WA、20Cr2Ni4A等?？估瓘姸韧ǔ８哂?200MPa。這類鋼含有較多的Ni，使鋼具有很好的韌性，特別是低溫沖擊韌性，因此主要用于制造大截面、高載荷的重要齒輪和耐磨件，如飛機、坦克中的重要齒輪及曲軸等。Chapter 3 機械制造結構鋼99這類鋼由于含有較多的Cr和

41、Ni等合金元素，滲碳后表層的C含量又很高，這樣就導致了馬氏體轉變溫度大幅度下降。假設滲碳后直接淬火，滲碳層中將保存大量的剩余奧氏體，使外表硬度下降，因此必須設法減少剩余奧氏體的數(shù)量。100為了減少剩余奧氏體的數(shù)量，通?？梢圆捎孟旅娴娜N方法： 第一種方法：淬火后進行冷處理-60-100，使剩余奧氏體繼續(xù)轉變?yōu)轳R氏體。Chapter 3 機械制造結構鋼101第二種方法： 滲碳及正火后進行一次高溫回火600620，使碳化物從馬氏體和剩余奧氏體中進一步析出高淬透性鋼在正火時就可形成馬氏體； 隨后再加熱到較低溫度Ac1+3050，淬火時，這些碳化物不再溶入奧氏體中，故減少了奧氏體中碳及合金元素含量，使

42、馬氏體轉變溫度有所升高，淬火后剩余奧氏體數(shù)量減少。 最后再進行低溫回火，以消除內應力并提高滲層的強度和韌性。假設將上述兩種減少奧氏體的方法同時采用，效果更好。Chapter 3 機械制造結構鋼102第三種方法：在滲碳后進行噴丸強化，可以有效地使?jié)B層中的剩余奧氏體轉變?yōu)轳R氏體。 滲碳鋼還可以用來制造軸承。本溪鋼鐵集團1500熱軋線主減速機一軸和二軸用 軸承套圈和滾子選取了滲碳鋼G20Cr2Ni4A Chapter 3 機械制造結構鋼103表3-7 典型滲碳鋼的成分鋼 號主要化學成分（%）CMnSiCrTiNi150.12-0.190.35-0.650.17-0.3720Cr0.17-0.240.

43、50-0.800.20-0.400.70-1.0020CrMnTi0.17-0.240.80-1.100.20-0.401.00-1.300.06-0.1220Cr2Ni40.17-0.240.30-0.600.20-0.401.25-1.753.25-3.75Chapter 3 機械制造結構鋼104表3-8 典型滲碳鋼的熱處理和機械性能鋼號熱處理（）機械性能滲碳預備處理淬火回火RmMPaRp0.2MPaA%kJ.cm15930890空790200500300151520Cr930880油80020085055010406020CrMnTi930880油87020011008501045702

44、0Cr2Ni4930880油78020012001100104580Chapter 3 機械制造結構鋼105碳氮共滲用鋼大多沿用如上所述的滲碳鋼，但對碳氮共滲鋼而言還要更加注意外表剩余奧氏體含量以及力求使碳和氮原子同時滲入等問題。 通常碳氮共滲用鋼常參加Cr、Mo、B等元素而不用Ni合金化，對Mn的含量也宜加以限制。 為了提高碳氮共滲溫度而不降低氮的濃度，可參加0.2%Al，Al能促進氮的滲入，并使碳氮共滲溫度提高到875880。典型的鋼號為20Cr2MoAlB。Chapter 3 機械制造結構鋼106具有較高的疲勞強度和耐磨性；較強的對水、油等介質的耐腐蝕能力；零件的變形量很?。簧a周期長，

45、本錢高。尺寸精度要求高的機器零件，如鏜床、磨床的主軸、主軸套筒、蝸桿、柴油機上的曲軸等，往往采用氮化處理。Chapter 3 機械制造結構鋼五 氮化鋼的特點及應用107六、氮化鋼的合金化1 合金元素對氮化的影響 氮化物形成元素：鋁、鈦、鈮、釩、鉬、鉻、鎢等能在相中形成微細的氮化物顆粒，對相起強化作用。鋁、鈦、鈮、釩是最有效的元素，其次是鉻、鉬、鎢等元素。阻礙氮原子向內部擴散，減少氮化層的層深。 非氮化物形成元素：鎳、硅、銅等阻礙氮原子的吸收，降低外表氮濃度，減少氮化層的深度。Chapter 3 機械制造結構鋼108不同氮化鋼的氮化層深度與硬度的關系 Chapter 3 機械制造結構鋼3.5 氮

46、化鋼109圖3-7 Fe-N相圖 3.5 氮化鋼Chapter 3 機械制造結構鋼110圖3-8 合金元素對氮化層深度和外表硬度的影響3.5 氮化鋼Chapter 3 機械制造結構鋼1112 鋼的淬透性和淬火工藝 氮化鋼在氮化以前要進行調質處理，因此就必須考慮鋼的淬透性和其它淬火工藝性能。 鋁是非碳化物形成元素，鋁的存在并不增加鋼中碳化物的溶解溫度； 鉻、鉬是增大鋼淬透性的重要元素； 鈦、鈮、釩等強碳化物形成元素存在時，需要提高淬火溫度，使含鈦、鈮、釩的碳化物溶于奧氏體中，增大鋼的淬透性。 要使氮化過程中擴散進入相的氮原子能與釩、鉬、鉻、鋁等原子形成超細微的氮化物，對相基體起有效的硬化作用，那

47、么，在調質處理淬火時，首先要使這些元素較多地溶入奧氏體，淬火成馬氏體時使這些元素被保存在馬氏體中。 Chapter 3 機械制造結構鋼3.5 氮化鋼1123 合金元素與回火 鉻、鉬、釩元素溶入馬氏體中時，分別能使鋼在400500、500600、550650回火時保持高的強度。 鉬可使鋼在510580氮化長期保溫和隨后爐冷時，不致產生回火脆化。 Chapter 3 機械制造結構鋼113七、氮化鋼的熱處理 淬火高溫回火氮化 氮化溫度：510-570。氮化層的厚度一般是0.30.5mm。氮化層外表形成相Fe4N和相Fe2-3N。Chapter 3 機械制造結構鋼114八、氮化處理后的性能 1 外表硬

48、度 要求高耐磨性的零件，外表硬度高達HV9001000； 僅要求高疲勞強度的零件，外表硬度可以為HV500800。 提高零件疲勞強度和耐磨性的原因：外表形成高硬度的- Fe4N和-Fe2-3N相；滲入的氮原子與氮化物形成元素形成彌散的合金氮化物；外表滲入氮原子后體積膨脹，在外表產生剩余壓應力。2 心部硬度 在氮化處理前零件經受調質處理，零件硬度為HV200300，為回火索氏體組織，經氮化處理后，心部還具有良好的綜合機械性能。 Chapter 3 機械制造結構鋼115九、典型氮化鋼種及應用廣泛應用的氮化鋼主要是38CrMoAlA、38Cr2WVAlA、 35CrMo、 40CrV等。經調質和外表

49、氮化處理后，38CrMoAl鋼外表可獲得最高氮化層硬度，到達HV9001000。僅要求高疲勞強度的零件，可采用不合鋁的Cr-Mo型氮化鋼，如35CrMo、40CrV等，其氮化層的硬度控制在HV500800。Chapter 3 機械制造結構鋼116超精密鏜床 防震鏜桿 3.5 氮化鋼Chapter 3 機械制造結構鋼117真空隔離閘板閥閥桿 3.5 氮化鋼Chapter 3 機械制造結構鋼118RN2-25-6氮化爐 3.5 氮化鋼Chapter 3 機械制造結構鋼1193.6 其他機械制造結構鋼Chapter 3 機械制造結構鋼1203.6.1 非調質結構鋼不經過調質處理，只經過鍛造或控軋控冷

50、即到達調質鋼要求的強度和韌性水平的新型合金結構鋼。減少熱處理費用，降低生產本錢；簡化生產工序，縮短生產周期；減少氧化脫碳、熱處理變形及廢品。121一、鐵素體-珠光體型中碳微合金非調質結構鋼 在中碳錳鋼根底上參加釩0.12%或鈮0.06% 和釩復合微合金化。屈服強度：500-650MPa，伸長率：12-23%，沖擊值：40-72J。釩微合金化：35MnVN, 32Mn2SiV等，沖擊韌性較低，用于制造汽車、拖拉機的曲軸、連桿等受沖擊力小的部件。鈮和釩復合微合金化： 35MnVNb, 38MnSiVNb,45CrMnVNb等，用于制造汽車、拖拉機上傳動的聯(lián)軸節(jié)臂、前軸和聯(lián)動節(jié)等。122二、低碳貝氏

51、體和馬氏體型合金非調質結構鋼成分特點： 低碳、參加Mn、Mo、Nb、B等。顯微組織和力學性能取決于鋼的成分、熱加工制度和冷卻速度。1233.6.2 彈簧鋼124一、彈簧的工作條件 彈簧的主要作用是吸收沖擊能量，緩和機器的振動和沖擊作用，或儲存能量使機件完成事先規(guī)定的動作，保證機器和儀表的正常工作。彈簧按其外形可分為板彈簧和螺旋彈簧。板彈簧主要用于機車、汽車、拖拉機上，起著車輪和車架之間聯(lián)結的作用。受力那么以反復彎曲應力為主。提高板簧的使用壽命主要提高其疲勞強度。螺旋彈簧不管是受壓或受拉，其承受的應力主要是扭轉應力。螺旋彈簧的主要破壞方式是疲勞。Chapter 3 機械制造結構鋼125二、對彈簧

52、鋼的性能要求1 具有高的強度極限，特別是彈性極限，還要求有高的屈強比，以提高強度的利用率。 2 具有高的疲勞極限。 疲勞性能對于外表狀態(tài)很敏感。所以要求彈簧鋼的外表不應有裂紋、折疊、斑疤、發(fā)裂、氣泡、夾雜和壓入的氧物鐵皮等，這就要求注意冶金質量，在熱處理過程中，盡量預防外表缺陷和減輕外表脫碳。采用噴丸處理可顯著改善彈簧的外表狀態(tài)，大大提高彈簧的使用壽命。3 具有較好的工藝性能 具有一定的塑性和淬透性，過熱敏感性要小，不易脫碳。彈簧鋼在卷成型以前要有一定的塑性，以便于成型。Chapter 3 機械制造結構鋼126三、化學成分特點 1 碳含量碳素彈簧鋼：一般為0.60%1.05%， 合金彈簧鋼：0

53、.45%0.70%。 碳含量過低，達不到高強度的要求； 碳含量過高，鋼的脆性很大。Chapter 3 機械制造結構鋼1272 參加Si、Mn 提高淬透性、 固溶強化鐵素體、提高鋼的回火穩(wěn)定性。 Si提高彈性極限，含量高時增大C石墨化傾向，且在加熱時易于脫碳。3 參加Cr、W、V、Nb細化晶粒和防止脫碳，從而提高彈簧的彈性極限和屈服極限。Chapter 3 機械制造結構鋼128四、熱處理特點1 冷成形彈簧 通過冷變形或熱處理，使鋼材具備一定性能之后，再用冷成形方法制成一定形狀的彈簧。冷成形的彈簧在冷成形之后要進行200400的去應力退火。由于冷成形彈簧在成形之前，鋼絲已具備了一定的性能，即已處于

54、硬化狀態(tài)，所以通常只能制造小型彈簧。 Chapter 3 機械制造結構鋼1292 熱成形彈簧一般用于制造大型彈簧或形狀復雜的彈簧。鋼材在熱成形之前并不具備彈簧所要求的性能，在熱成形之后，進行淬火及中溫回火，以獲得所要求的性能。 在成形及熱處理過程中，要特別注意防止外表產生氧化脫碳及傷痕。彈簧在熱處理后通常還要進行噴丸處理，使外表強化并在外表產生剩余壓應力以提高疲勞強度。Chapter 3 機械制造結構鋼130五、典型彈簧鋼及應用表3-4 1 碳素彈簧鋼65、 70、75和85鋼：淬透性低，用于制造小截面尺寸彈簧。65Mn為高錳碳素彈簧鋼：和其他碳素彈簧鋼比較，具有稍高的淬透性，脫碳傾向小，但容

55、易過熱并有回火脆性的傾向，故使用于制造截面尺寸稍大的普通彈簧。Chapter 3 機械制造結構鋼1312 合金彈簧鋼60Si2Mn 主要用于制造汽車、拖拉機和機車上的板簧1012mm厚和螺旋彈簧直徑為2025mm等，淬透性和性能高于65Mn。50CrV 主要用于制造350-400下承受重載的大型彈簧，如閥門彈簧、高速柴油機的汽門彈簧等。Chapter 3 機械制造結構鋼132各式汽車板簧 各類汽車用變截面鋼板彈簧12/14/16Ton車軸用鋼板彈簧133表3-4 典型彈簧鋼的成分和用途鋼 號主要化學成分(%) 用 途C Mn Si Cr V65 0.620.700.500.800.170.37

56、截面小于12-15mm的小彈簧65Mn0.620.700.901.200.170.37截面小于25mm的各種螺旋彈簧、板彈簧60Si2Mn0.570.650.600.901.502.00截面小于25mm的各種螺旋彈簧、板彈簧50CrVA0.460.540.500.800.170.370.801.100.100.20截面小于30mm強度要求較高的彈簧Chapter 3 機械制造結構鋼134表3-5 典型彈簧鋼的熱處理和機械性能鋼 號 熱處理 機械性能淬火 回火 RmMPa Rp0.2MPa A% %75 820 480 1080 880 7 3065Mn 830 480 980 780 8 30

57、60Si2Mn 870 460 1270 1180 5 25 55SiMnMoV880520-5801370127073550CrV850 520 1270 1080 10 45 Chapter 3 機械制造結構鋼1353.6.3 易削鋼136Chapter 3 機械制造結構鋼137切削加工性是鋼的重要工藝性能之一。自動機床的廣泛應用，對高強度鋼的切削加工性能提出了新的要求，即要求提高切削加工速度，提高機械加工的生產率，延長刀具壽命，降低本錢，為此開展了易切削鋼這類鋼也稱為自動機鋼。鋼的切削加工性受材料的硬度和組織狀態(tài)影響，還與非金屬夾雜物或金屬間化合物的數(shù)量、形態(tài)、性能、分布等有關。Chapter 3 機械制造結構鋼138一、 合金元素鋼中參加一定量的S、P、Se、T