第三章-機器零件用鋼

1、第三章 機器零件用鋼,,工程材料學(xué),機器零件用鋼是指用于制造各種機器零件所用的鋼種，如各種軸類零件、齒輪、彈簧和軸承等。機器零件在工作時承受拉伸、壓縮、剪切、扭轉(zhuǎn)、沖擊、震動、摩擦等力的作用，或幾種力同時作用，零件的截面上產(chǎn)生拉、壓、彎、抵、切等應(yīng)力。,工程材料學(xué),3.1 機器零件用鋼的性能要求,3.1 機械零件用鋼的性能要求,一、力學(xué)性能要求,工程材料學(xué),通常機器零件的生產(chǎn)工藝是：型材→改鍛→毛坯熱處理→切削加工→最終熱處理→磨削等。

2、其中以切削加工性能和熱處理工藝性能為機器零件用鋼的主要工藝性能。但對鋼材的其他工藝性能(如冶煉性能、澆注性能、可鍛性能等)也有一定的要求。,二、工藝性能要求,工程材料學(xué),三、機器零件用鋼的分類,調(diào)質(zhì)鋼、彈簧鋼、滲碳鋼、軸承鋼,低碳鋼、中碳鋼、高碳鋼C＝0.2％、0.4～0.6％、～1.0％,低溫回火鋼、中溫回火鋼、高溫回火鋼,3.1 機械零件用鋼的分類,工程材料學(xué),3.2 調(diào)質(zhì)鋼,,通常將經(jīng)過淬火和高溫回火(即調(diào)質(zhì)處理)處理而使用的結(jié)

3、構(gòu)鋼稱為調(diào)質(zhì)鋼。調(diào)質(zhì)處理后的組織為回火索氏體組織。調(diào)質(zhì)鋼是應(yīng)用最廣的機器零件用鋼，約占機械行業(yè)中機器零件用鋼的30％。近來有很多調(diào)質(zhì)鋼采用等溫淬火處理，獲得優(yōu)良的機械性能。此外，根據(jù)不同的技術(shù)要求，還可施以正火、表面淬火+低溫回火和化學(xué)熱處理等處理工藝。,3.2 調(diào)質(zhì)鋼,工程材料學(xué),許多機器設(shè)備上的重要零件如機床主軸、汽車拖拉機的后橋半軸、柴油發(fā)電機曲軸、連桿、高強度螺栓等，都是在多種應(yīng)力負荷作用下工作的，受力情況比較復(fù)雜。對調(diào)質(zhì)鋼的性

4、能提出如下要求：高的屈服強度和疲勞極限、良好的沖擊韌性和塑性、軸的表面和局部要有一定的耐磨性、以及斷裂韌性和疲勞性能。,一、調(diào)質(zhì)鋼的工作條件及性能要求,工程材料學(xué),曲軸 引擎的主要旋轉(zhuǎn)機件，裝上連桿后， 可承接連桿的上下(往復(fù))運動變成循環(huán)(旋轉(zhuǎn))運動,3.2 調(diào)質(zhì)鋼,工程材料學(xué),二、調(diào)質(zhì)鋼的組織特點,調(diào)質(zhì)鋼具有良好的綜合力學(xué)性能的原因與其在使用狀態(tài)下組織為中碳回火索氏體有關(guān)。具有以下特點： (1)強化相為彌散均勻分布的粒狀

5、碳化物，可以保證有較高的塑變抗力和疲勞強度。 (2)組織均勻性好，減少了裂紋在局部薄弱地區(qū)形成的可能性，可以保證有良好的塑性和韌性。 (3)作為基體組織的鐵素體是從淬火馬氏體轉(zhuǎn)變而成的，其晶粒細小，使鋼的冷脆傾向性大大減小。,3.2 調(diào)質(zhì)鋼,工程材料學(xué),二、調(diào)質(zhì)鋼的化學(xué)成分,調(diào)質(zhì)鋼在化學(xué)成分上的主要特點是中碳(w(C)=0.3％～0.5％)，合金元素有Mn、Cr、Si、Ni及B等。這些元素單獨加入或復(fù)合加入可以提高鋼

6、的淬透性，并保證機械零件整體具有良好綜合力學(xué)性能。,3.2 調(diào)質(zhì)鋼,車床主軸,工程材料學(xué),輔加元素有Mo、W、V、Ti等碳化物形成元素，它們一般不單獨加入，而是加在含有主加元素的鋼中，且含量較少。主要作用是細化晶粒、提高回火穩(wěn)定性和鋼的強韌性。調(diào)質(zhì)鋼的回火溫度正好處于第二類回火脆的溫度范圍，加入W、Mo元素可以抑制回火脆性。調(diào)質(zhì)鋼一般用以制作大的結(jié)構(gòu)件，所以淬透性至關(guān)重要。,3.2 調(diào)質(zhì)鋼,工程材料學(xué),四、調(diào)質(zhì)鋼的熱處理,3.2 調(diào)質(zhì)

7、鋼,1. 預(yù)備熱處理,改善切削加工性以及改善因軋、鍛不適當(dāng)而造成的晶粒粗大和帶狀組織,對于合金元素含量較低的調(diào)質(zhì)鋼可進行正火或退火處理。 對于合金元素含量較高的調(diào)質(zhì)鋼，因正火后可得到馬氏體組織，尚需正火后再在Ac1以下溫度進行高溫回火，使其組織轉(zhuǎn)變?yōu)榱钪楣怏w，降低硬度，便于切削加工。,2. 最終熱處理,粒狀珠光體,層片狀珠光體,工程材料學(xué),3.2 調(diào)質(zhì)鋼,1. 預(yù)備熱處理,2. 最終熱處理,調(diào)質(zhì)鋼的最終熱處理是淬火加高溫回火。,調(diào)質(zhì)

8、鋼的最終性能取決于回火溫度的選擇。當(dāng)要求高塑性、高韌性及一定的強度時，采用500-600℃回火，即調(diào)質(zhì)處理，獲得回火索氏體組織。如零件還要求表面有良好耐磨性時，則再進行表面淬火或化學(xué)熱處理如氮化處理。 當(dāng)零件要求較高的強度和適當(dāng)?shù)乃苄院晚g性時，采用200-250℃回火，以獲得回火馬氏體組織，或采用450℃左右回火，以獲得屈氏體組織。,工程材料學(xué),在小能量多次沖擊條件下工作的零件，即高周疲勞時，應(yīng)適當(dāng)降低回火溫度，以發(fā)揮材料的強

9、度潛力；只有對于大能量沖擊條件下的零件即低周疲勞時才適宜采用較高的回火溫度，以保證有足夠的塑性和韌性。,3.2 調(diào)質(zhì)鋼,工程材料學(xué),五、常用調(diào)質(zhì)鋼,3.2 調(diào)質(zhì)鋼,①低淬透性調(diào)質(zhì)鋼,如40、45淬火臨界直徑為8-17 mm，而45MnV、40Cr、38CrSi、40CrV、40MnVB鋼等油淬臨界淬火直徑為30-40 mm；,②中淬透性調(diào)質(zhì)鋼,油淬臨界淬火直徑為40-60 mm，如40CrMn、40CrNi、35CrMo、30CrMnS

10、i等鋼；,③高淬透性調(diào)質(zhì)鋼,油淬臨界淬火直徑大于60-100 mm，如40CrNiMo、40CrMnMo、25Cr2Ni4WA鋼等 。,工程材料學(xué),,注：試樣尺寸φ25mm；38CrMoAl鋼試樣尺寸為φ30mm。,常用合金調(diào)質(zhì)鋼的牌號、化學(xué)程分、熱處理、力學(xué)性能及用途（摘自GB/T 3077-1999）,3.2 調(diào)質(zhì)鋼,工程材料學(xué),調(diào)質(zhì)鋼——調(diào)質(zhì)后使用的鋼種。 1、成分特點中碳(0.3-0.5%C)，合金元素作用為：① 提高淬透

11、性：Mn、Si、Cr、Ni、B② 強化鐵素體：Mn、Si、Cr、Ni③ 細化晶粒：Ti、V④ 防止第二類回火脆性：W、Mo,2、性能：良好的綜合力學(xué)性能。3、常用鋼號及用途 常用鋼號為45、40Cr、40CrNi。用于制造較小的齒輪、軸、螺栓等零件。制造大截面重載荷零件，如曲軸等用高淬透性的40CrNiMo等 。,3.2 調(diào)質(zhì)鋼-小結(jié),柴油機凸輪軸,工程材料學(xué),3.3 彈簧鋼,在機械產(chǎn)品中，彈簧是重要的基礎(chǔ)零部件之一

12、，在各種機械產(chǎn)品中都少不了各種各樣的彈簧，按其使用場合和結(jié)構(gòu)外形的不同，可分為板彈簧和螺旋彈簧兩大類。用以制造彈簧或制造類似彈簧性能的零件的鋼種稱為彈簧鋼。,彈簧在外力作用下發(fā)生彈性變形以吸收能量；外力去除后，彈性變形又恢復(fù)放出能量，從而保證彈簧本身不受損害?？梢姡瑥椈梢彩窃诮蛔冚d荷下工作，其破壞形式是疲勞斷裂和由于塑性變形而失去彈簧作用。,3.3 彈簧鋼,工程材料學(xué),工程材料學(xué),根據(jù)以上工作要求，彈簧應(yīng)具有如下性能： (1)高

13、的彈性極限、屈服極限和高的屈強比，以保證彈簧有足夠高的彈性變形能力，并能承受大的載荷。 (2)高的疲勞極限，以保證彈簧在長期的振動和交變應(yīng)力作用下不產(chǎn)生疲勞破壞。 (3)為了滿足成型的需要和可能承受的沖擊載荷，彈簧應(yīng)具有一定的塑性和韌性。δk≥20％即可，而對ak不做明確要求。,一、彈簧的工作條件與性能要求,3.3 彈簧鋼,工程材料學(xué),彈簧的性能以強度要求為主，由此便決定了彈簧鋼在化學(xué)成分和熱處理工藝上有如下特點： (

14、1)彈簧鋼的化學(xué)成分： ①彈簧鋼中的碳質(zhì)量分數(shù)較大，以保證高的彈性極限與疲勞極限。一般碳素彈簧鋼的w(c)=0.8-0.9％，合金彈簧鋼的w(C)=0.5-0.7％。,3.3 彈簧鋼,二、彈簧鋼的特點和常用鋼種,工程材料學(xué),②加入Si、Mn。Si和Mn是彈簧鋼中經(jīng)常應(yīng)用的合金元素，目的是提高淬透性、強化鐵素體(Si、Mn固溶強化效果最好)、提高鋼的回火穩(wěn)定性，使其在相同回火溫度下具有較高的硬度和強度。其中Si的作用最大，但Si的質(zhì)量分

15、數(shù)大時有石墨化傾向，且在加熱時使鋼易于脫碳。Mn能增加鋼過熱敏感性，也應(yīng)加以注意。③加入Cr、W、V。為了克服硅錳鋼的不足，加入碳化物形成元素，它們可以防止鋼的過熱和脫碳，提高淬透性(主要是Cr)，W、V可細化晶粒，并保證鋼在高溫下仍具有較高的彈性極限和屈服極限。,3.3 彈簧鋼,工程材料學(xué),(2)最終熱處理采用淬火加中溫回火，回火溫度一般在350～450℃，為回火屈氏體組織，其目的是為了追求高的彈性極限和疲勞極限。 (3)要求有較

16、高的冶金質(zhì)量，以防鋼中夾雜物引起應(yīng)力集中而成為疲勞裂紋源，故指標(biāo)中規(guī)定彈簧鋼為優(yōu)質(zhì)鋼。 (4)對鋼材表面質(zhì)量有嚴格要求，防止表面有脫碳、裂紋、折疊、斑疤、氣泡、夾雜和壓入的氧化皮等引起應(yīng)力集中，降低鋼的疲勞極限。,3.3 彈簧鋼,工程材料學(xué),對于小型彈簧，如絲徑小于8mm以下的螺旋彈簧或彈簧鋼帶等，可以在熱處理強化或冷變形強化后成型，即用冷拔鋼絲冷卷成型。冷拔鋼絲具有高的強度，這是利用冷拔變形使鋼產(chǎn)生加工硬化而獲得的。冷拔彈簧鋼絲按其

17、強化工藝不同可分為三種情況：,三、彈簧鋼的熱處理,1．冷成型彈簧的熱處理,3.3 彈簧鋼,工程材料學(xué),(1)鉛浴等溫淬火冷拔鋼絲。即將盤條先冷拔到一定尺寸，再加熱到Ac3+80-100℃奧氏體化后，在450-550℃鉛浴中等溫以得到細片狀珠光體組織，然后多次冷拔至所需要直徑。通過調(diào)整鋼中含碳量和冷拔形變量(形變量可高達85-90％)，以得到高強度和一定塑性的彈簧鋼絲。這種鉛淬拔絲處理實質(zhì)上是一種形變熱處理，即珠光體相變后形變，可使鋼絲強

18、度達到3000 MPa左右。,3.3 彈簧鋼,工程材料學(xué),(2)冷拔鋼絲。這種鋼絲主要是通過冷拔變形而得到強化，但與鉛淬冷拔鋼絲不同，它是通過在冷拔工序中間加入一道約680℃中間退火而改善塑性，使鋼絲得以繼續(xù)冷拔到所需最終尺寸，其強度比鉛淬冷拔鋼絲強度低。 (3)淬火回火鋼絲：這種鋼絲是在冷拔到最終尺寸后，再經(jīng)淬火加中溫回火強化，最后冷卷成型的。此種強化方式的缺點是工藝較復(fù)雜，而強度比鉛淬冷拔鋼絲低。,3.3 彈簧

19、鋼,工程材料學(xué),經(jīng)上述三種方式強化的鋼絲在冷卷成型后必加一道低溫回火工藝，其回火溫度為250-300℃＋1h。低溫回火的目的是消除應(yīng)力、穩(wěn)定尺寸，并提高彈性極限。實踐中發(fā)現(xiàn)已經(jīng)過強化處理的鋼絲在冷卷成型后彈性極限往往并不高，這是因為冷卷成型將使易動位錯數(shù)量增多，且由于包申格效應(yīng)引起起始塑變抗力降低。因此在冷卷成型后必須進行一次低溫回火，以造成多邊化過程，提高彈性極限。,3.3 彈簧鋼,工程材料學(xué),熱成型彈簧一般是將淬火加熱與熱成型結(jié)合起

20、來，即加熱溫度略高于淬火溫度，加熱后進行熱卷成型，然后利用余熱淬火，最后進行350-450℃的中溫回火，從而獲得回火屈氏體組織。這是一種形變熱處理工藝，可有效地提高彈簧的彈性極限和疲勞壽命。 一般汽車上大型板彈簧均采用此方法。對于中型螺旋彈簧也可以在冷態(tài)下成型，而后進行淬火和回火處理。,2.熱成型彈簧的熱處理,工程材料學(xué),,,常用合金彈簧鋼的牌號、化學(xué)程分、熱處理、力學(xué)性能及用途（摘自GB/T 1222-1984）,3.3 彈

21、簧鋼,工程材料學(xué),彈簧鋼——制造彈簧或類似性能零件的鋼種。1、性能要求 (彈簧是儲存能量或緩和沖擊的零件)高的σs、σs/σb、σ-1；足夠的韌性2、成分特點：中高碳碳素彈簧鋼為0.6-0.9%C；合金彈簧鋼為0.45-0.7%C3、合金元素作用： ①提高淬透性、強化鐵素體：Mn、Si、Cr ②提高?s/?b：Si ③細化晶粒：V,4、常用鋼號及用途常用鋼號為65Mn、60Si2Mn用于制造較大截面彈簧。 制造大截

22、面、大載荷、耐熱的彈簧用50CrV 。,汽車板簧,大型熱卷彈簧,3.3 彈簧鋼,工程材料學(xué),3.4 滲碳鋼,某些機械零件，如汽車、拖拉機上的變速箱齒輪，內(nèi)燃機上的凸輪、活塞銷和部分量具等，根據(jù)服役條件，要求表面耐磨、耐接觸疲勞破壞及有一定沖擊韌性。對于這種類型的零件，通常只要求表面強化，而對心部沒有過多的要求。,3.3 滲碳鋼,工程材料學(xué),,對零件采用表面強化的方法有：感應(yīng)加熱表面淬火、滲碳或碳氮共滲、滲氮以及表面冷塑性變形(如噴丸、

23、輾壓)等。其中除表面冷塑性變形強化方法外，其余三種強化法都屬于熱處理過程，都有相對適用的鋼種。如感應(yīng)加熱表面淬火用鋼、滲碳鋼、碳氮共滲鋼、氮化鋼等，統(tǒng)稱為表面強化零件用鋼。,3.3 滲碳鋼,工程材料學(xué),一、滲碳鋼的工作條件及對性能要求,齒輪為例,潘存云教授研制,失效形式,輪齒折斷一般發(fā)生在齒根處，嚴重過載突然斷裂、疲勞折斷。,齒面接觸疲勞齒面接觸應(yīng)力按脈動循環(huán)變化當(dāng)超過疲勞極限時，表面產(chǎn)生微裂紋、高壓油擠壓使裂紋擴展、微粒剝落。點蝕首先

24、出現(xiàn)在節(jié)線處，齒面越硬，抗點蝕能力越強。軟齒面閉式齒輪傳動常因點蝕而失效。,齒面膠合高速重載傳動中，常因嚙合區(qū)溫度升高而引起潤滑失效，致使齒面金屬直接接觸而相互粘連。當(dāng)齒面向?qū)瑒訒r，較軟的齒面沿滑動方向被撕下而形成溝紋。,齒面塑性變形,表面凸出,表面凹陷,,,,,,3.3 滲碳鋼,工程材料學(xué),,齒輪用鋼不但應(yīng)有高的耐磨性、接觸疲勞強度、彎曲疲勞強度和屈服強度，而且還應(yīng)有較高的塑性和韌性。,滲碳鋼性能要求,工程材料學(xué),,用低碳(合金)鋼

25、滲碳(或碳氮共滲)后進行淬火加低溫回火處理，即可達到目的。經(jīng)滲碳處理后表層w(C)>0.8％，淬火并低溫回火，其組織為回火馬氏體和粒狀碳化物及一定的殘余奧氏體。 它具有高硬度(HRC>58-62)、高耐磨性和高接觸疲勞強度；齒輪心部仍為低碳鋼，其組織為低碳回火馬氏體(全部淬透)或部分鐵素體加屈氏體(未淬透)，其硬度可達38-42 HRC；大多數(shù)情況下心部組織為回火馬氏體、屈氏體和少量鐵索體的混合組織硬度在25-40

26、 HRC，心部沖擊韌性一般高于70J/cm2。,工程材料學(xué),表層、心部C的質(zhì)量分數(shù)不同導(dǎo)致淬火時，在表面形成極為有利的殘余壓應(yīng)力，這將顯著提高鋼的彎曲疲勞強度。通過滲碳提高表層C的質(zhì)量分數(shù)也可以看成是一種合金化強化方式，而滲碳后的淬火，則為熱處理強化。,3.3 滲碳鋼,滲碳鋼性能要求,工程材料學(xué),滲碳鋼的表層、心部的成分組織和性能有很大的差異。這種使用狀態(tài)實際上巧妙地制成了一種天然復(fù)合鋼，即表層高碳鋼、心部低碳鋼。 滲碳鋼

27、的發(fā)展思路是： 低碳鋼+滲碳工藝+淬火+低溫回火。,箱式氣體滲碳爐,井式氣體滲碳爐,3.3 滲碳鋼,工程材料學(xué),通常認為，滲碳件心部的w(c)=0.10-0.20％范圍內(nèi)，低的含碳量的目的是為了保證心部有良好的韌性。低滲碳鋼心部的含碳量卻易于使硬化層剝落，目前總的趨向是將滲碳鋼中C的質(zhì)量分數(shù)增大到0.25％左右。如對韌性要求較低時，C的質(zhì)量分數(shù)也可提高至0.3-0.4％，但要適當(dāng)采取減薄滲層深度等工藝措施。例

28、如，有的吉普車齒輪用40Cr鋼制造，滲層深度減至0.5 mm左右，否則易于斷齒。總之，滲鋼心部的w(C)=0.1-0.25％，而表層C的質(zhì)量分數(shù)可達0.8％。,二、滲碳鋼的化學(xué)成分,1．鋼材的含碳量,3.3 滲碳鋼,工程材料學(xué),2．鋼材的淬透性,滲碳件心部的硬度和強度取決于鋼材的含碳量和淬透性兩方面的因素。鋼材的含碳量決定著心部馬氏體的硬度，而心部是否易于得到馬氏體組織又取決于鋼材的淬透性。,3.3 滲碳鋼,滲碳鋼的淬透性是通過加入合

29、金元素來保證的，為了提高鋼的淬透性，常在鋼中加入Cr、Mo、Ni、W、Mn、Si、B等元素。特別是B提高淬透性效果很好，因而在我國汽車、拖拉機制造業(yè)中已得到應(yīng)用。,工程材料學(xué),3．表層碳化物的形態(tài),滲碳層中所形成的碳化物呈網(wǎng)狀，則滲層的脆性加大，易于脫落；而碳化物呈粒狀時，即使在表面C的質(zhì)量分數(shù)大于2-3％的情況下，韌性也不至于有很大的下降，且耐磨性與接觸疲勞性能得到大大的改善。中等碳化物形成元素如Cr的影響較為有利，易使碳化物呈粒狀

30、分布；而強碳化物形成元素如W、Mo、V以及非碳化物形成元素如Si等，則易使碳化物呈長條狀或網(wǎng)狀分布。,3.3 滲碳鋼,工程材料學(xué),4．合金元素對滲碳鋼工藝性能的影響,合金元素對滲碳鋼的影響，還表現(xiàn)在影響滲碳速度、滲層深度和表層碳濃度上。一般說來，碳化物形成元素如Cr、Mo、w、Ti、V、Mn等都促使表層含碳量增多；而非碳化物形成元素如Si、Ni、Co、Al等，都減少表層碳濃度。同時，提高表層碳濃度的元素通常又增加滲層的深度與滲入速度，而

31、減少表層碳濃度的元素，則相應(yīng)降低滲層深度，并減慢滲入速度。,3.3 滲碳鋼,工程材料學(xué),,就熱處理工藝而言，通常要求滲碳后直接降溫淬火。但眾所周知，滲碳溫度高達930℃，為了阻止奧氏體晶粒長大，滲碳鋼應(yīng)是用鋁脫氧的本質(zhì)細晶粒鋼。Mn在鋼中有促進奧氏體晶粒長大的傾向，所以，在含錳的滲碳鋼中常加入少量V、Ti、Mo等來阻止奧氏體晶粒的長大。,3.3 滲碳鋼,工程材料學(xué),三、滲碳鋼的熱處理特點,滲碳只是改變表層的含碳量，而隨后的淬火、回火工藝

32、才賦予鋼以最終的力學(xué)性能。滲碳鋼的熱處理一般是滲碳后直接淬火加低溫回火。但根據(jù)滲碳鋼化學(xué)成分的差異，常用的熱處理方法有： (1)合金元素含量較低，但又不易過熱的鋼，如20CrMnTi鋼，滲碳后預(yù)冷直接淬火及低溫回火。 (2)滲碳時易過熱的碳鋼及低合金鋼，如固體滲碳后的零件，一般采用滲碳后緩冷至室溫，重新加熱淬火并低溫回火。 (3)合金元素含量較高的中合金鋼及對性能要求較高的鋼，一般采用滲碳后緩冷至室溫，重新加熱二

33、次淬火及低溫回火。,工程材料學(xué),四、常用的滲碳鋼,(1)低強度滲碳鋼。其強度級別抗拉強度在800 MPa以下，又常稱低淬透性滲碳鋼。常用鋼號有15、20、20Mn2、20MnV、15Cr等。適用于對心部要求不高的小型滲碳件，如套筒、鏈條等。 (2)中強度滲碳鋼。其強度級別抗拉強度在800-1200 MPa范圍內(nèi)，又常稱為中淬透性滲碳鋼。常用鋼號有20CrMnTi、20MnVB、20Mn2TiB、20SiMnVB等。這類鋼的心

34、部強度和淬透性較高，可用于制造中等強度較為重要的滲碳件，如汽車、拖拉機齒輪等。,3.3 滲碳鋼,工程材料學(xué),,(3)高強度滲碳鋼。其強度級別在1200 MPa以上，又常稱為高淬透性滲碳鋼。 常用鋼號有20Cr2Ni4A、18Cr2Ni4WA、15CrMn2SiMo等。由于具有高淬透性和高的心部強度，可用以制造截面較大的重負荷滲碳件，如坦克齒輪、飛機齒輪等。,工程材料學(xué),,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,常用合

35、金滲碳鋼的牌號、化學(xué)程分、熱處理、力學(xué)性能及用途（摘自GB/T 3077-1999）,工程材料學(xué),滲碳鋼——制造滲碳零件的鋼種1、性能要求：⑴ 表硬里韌⑵ 良好淬透性和滲碳能力。2、成分特點：低碳(0.1-0.25%C), 加Cr、Mn、Ni、B等元素 ① Cr、Mn、Ni、B：提高淬透性② Cr、Mn、Ni ：強化鐵素體③ W、Mo、Ti、V ：細化晶粒,3、常用鋼號及用途低淬透性鋼：20、20Cr。用于受力

36、小的耐磨件，如柴油機的活塞銷、凸輪軸等。中淬透性鋼：20CrMnTi。用于中等載荷的耐磨件，如變速箱齒輪。高淬透性鋼：18Cr2Ni4WA。用于大載荷的耐磨件，如柴油機曲軸。,柴油機曲軸,活塞銷(20Cr),柴油機凸輪軸,3.3 滲碳鋼,工程材料學(xué),3.5 滾動軸承鋼,滾動軸承是一種重要的基礎(chǔ)零件，其作用主要在于支撐軸徑。滾動軸承由內(nèi)套、外套、滾動體(滾珠、滾輪、滾針)和保持架四部分組成。,,滾動體,內(nèi)套,外套,保持架,除保持架常用

37、低碳鋼(08鋼)薄板沖制外，內(nèi)套、外套和滾動體則均用軸承鋼制成。,3.5 滾動軸承鋼,工程材料學(xué),,軸承鋼還廣泛用于制造各類工具和耐磨零件，如精密量具、冷變形模具、絲杠、冷軋輥和高強度的軸類等。,3.5 滾動軸承鋼,工程材料學(xué),一、滾動軸承的工作條件及性能要求,1．滾動軸承的工作條件,內(nèi)外套圈與滾動體之間接觸面上承受極大的壓應(yīng)力和交變載荷；強烈的摩擦磨損，甚至產(chǎn)生大量的摩擦熱；特殊條件下工作的軸承，常與大氣、水蒸氣及腐蝕介質(zhì)相接觸，進而

38、產(chǎn)生腐蝕。,3.5 滾動軸承鋼,工程材料學(xué),(1)高的彈性極限、抗拉強度和接觸疲勞強度； (2)高的淬硬性和必要的淬透性，保證高耐磨性，其硬度為61-65HRC； (3)一定的沖擊韌性； (4)良好的尺寸穩(wěn)定性(或組織穩(wěn)定性)，這對精密軸承特別重要； (5)在和大氣或潤滑油接觸時要能抵抗化學(xué)腐蝕。,2．滾動軸承鋼的性能要求,3.5 滾動軸承鋼,工程材料學(xué),二、滾動軸承鋼的化學(xué)成分,軸承鋼含碳量高，屬于過共析鋼。高碳可以保

39、證鋼有高的硬度和耐磨性。軸承鋼的W(C)：0.95％-1.15％。,1．高碳,2．加入Cr、Mn、Si等合金元素,Cr是軸承鋼中最主要的合金元素，其作用是：Cr可提高鋼的淬透性；鋼中部分Cr可溶于滲碳體，形成穩(wěn)定的合金滲碳體(FeCr)3C，可減少過熱傾向，得到較細的組織；細小均勻分布碳化物，既可提高鋼的回火穩(wěn)定性，又可提高鋼的硬度，進而提高鋼的耐磨性和接觸疲勞強度；Cr還可以提高鋼的耐腐蝕性能。 Mn、Si提高淬透性。,3.5 滾動軸

40、承鋼,工程材料學(xué),3．高的冶金質(zhì)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，所以非金屬夾雜物對鋼的使用壽命有很大影響。危害性最大的是氧化物，其次是硅酸鹽，它們的多少主要取決于冶金質(zhì)量和鑄造工藝。因此，在冶煉和澆鑄時必須嚴格控制非金屬夾雜物的數(shù)量。通常w(S)<0.02％、w(P)≤0.02％。,3.5 滾動軸承鋼,工程材料學(xué),三、滾動軸承鋼的牌號及其熱處理,應(yīng)用最廣的是GCr15鋼，約占軸承用鋼的90％左右。國外所用軸承

41、鋼的成分，大體與GCr15鋼相同。,3.5 滾動軸承鋼,工程材料學(xué),1．軸承鋼的種類,軋鋼機械、礦山挖掘機械和其他一些受沖擊負荷較大的機械使用的軸承，要求表面硬度高、耐磨性好，高的接觸疲勞強度，心部有一定的韌性、強度和硬度，選用滲碳鋼。常用的鋼號有20Mn、20NiMo、12Cr2Ni4A、20Cr2Ni4A、20Cr2Mn2MoA等，經(jīng)滲碳→淬火→低溫回火處理。,3.5 滾動軸承鋼,工程材料學(xué),,250℃以上(航空發(fā)動機軸承有的達38

42、0℃)的軸承，由于溫度高，使材料的硬度、耐磨性等性能顯著下降，此時必須采用高溫軸承鋼。我國已試驗和使用的高溫軸承鋼有Cr4Mo4V、W6Mo5Cr4V2、Crl4Mo4V、9Cr18Mo等。,3.5 滾動軸承鋼,工程材料學(xué),,石油機械、造船工業(yè)及食品工業(yè)中的軸承常在酸、堿、鹽等腐蝕介質(zhì)中工作，要求具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性，因此需要采用不銹鋼制造軸承，如9Cr18及9C18Mo鋼等。,3.5 滾動軸承鋼,工程材料學(xué),2. GCr15軸承鋼的熱

43、處理,軸承鋼一般要經(jīng)過球化退火處理和淬火加低溫回火處理，球化退火的目的是降低硬度，改善切削加工性，同時獲得均勻分布的細粒狀珠光體，為最終熱處理做好組織上的準備。 軸承鋼的淬火溫度應(yīng)嚴格控制，GCr15鋼淬火溫度控制在(840±10)℃范圍內(nèi)，淬火組織為隱晶馬氏體。淬火后應(yīng)立即回火，以消除內(nèi)應(yīng)力、提高韌性、穩(wěn)定組織和尺寸。其回火溫度為150-160℃，回火時間為2-3 h。,3.5 滾動軸承鋼,工程材料學(xué),為了消除零件在

44、磨削時產(chǎn)生的磨削應(yīng)力，以及進一步穩(wěn)定組織和尺寸，在磨削加工后再進行一次附加回火，回火溫度為120-150℃，回火時間為2-3 h。 對于精密軸承，為了保證尺寸的穩(wěn)定性，淬火后立即進行冷處理，然后再回火，磨削加工后再進行一次尺寸穩(wěn)定性處理，在120-150℃保溫5-10 h。 GCr5鋼經(jīng)淬火回火處理后，鋼的組織為：馬氏體(80％)+殘余奧氏體(10％)+碳化物(10％)，其硬度為61-65HRC。,3.5 滾動軸承鋼,工程材

45、料學(xué),常用軸承鋼牌號、化學(xué)成分、熱處理及用途（鉻軸承鋼摘自 YB（T）1-1980）,3.5 滾動軸承鋼,工程材料學(xué),滾動軸承鋼——制造軸承套和滾動體專用鋼種1、性能要求 (軸承承受接觸應(yīng)力、交變載荷和摩擦)高而均勻的硬度、耐磨性、?b、接觸疲勞強度和足夠的韌性。2、成分特點：高碳(0.95-1.10%C)，主加Cr ① Cr、Mn、Si：提高淬透性② Cr 還提高耐磨性和耐蝕性。,3、常用鋼號及用途 應(yīng)用最廣的是

46、GCr15，大量用于大中型軸承；大型軸承用GCr15SiMn。這類鋼還可用于制造模具、量具等。,3.5 滾動軸承鋼,工程材料學(xué),鋼鐵材料熱處理是通過加熱、保溫和冷卻方式借以改變合金的組織與性能的一種工藝方法，其基本內(nèi)容包括熱處理原理及熱處理工藝兩大方面。,附：鋼的熱處理,鋼鐵材料的強韌化重要有兩個途徑：一是對鋼鐵材料實施熱處理；二是通過調(diào)整鋼的化學(xué)成分，加入合金元素（亦即鋼的合金化原理），以改善鋼的性能。,附：鋼的熱處理,工程材料學(xué),鋼

47、的熱處理原理,鋼的熱處理相變溫度,鋼在加熱時，實際轉(zhuǎn)變溫度往往要偏離平衡的臨界溫度，冷卻時也是如此。隨著加熱和冷卻速度的增加，滯后,現(xiàn)象將越加嚴重。通常把加熱時的臨界溫度標(biāo)以字母“C”，如AC1、AC3、ACm等；把冷卻時的臨界溫度標(biāo)以字母“r”，如Ar1、Ar3、Arm等。,附：鋼的熱處理,工程材料學(xué),加熱時鋼的組織轉(zhuǎn)變,1、奧氏體的形成過程 鋼在加熱時奧氏體的形成過程又稱為奧氏體化。以共析鋼的奧氏體形成過程為例。,附：鋼的熱

48、處理-加熱時鋼的組織轉(zhuǎn)變,工程材料學(xué),3）殘留滲碳體的溶解： 鐵素體全部消失以后，仍有部分剩余滲碳體未溶解，隨著時間的延長，這些剩余滲碳體不斷地溶入到奧氏體中去，直至全部消失。,1）奧氏體形核：奧氏體的晶核優(yōu)先在鐵素體與滲碳體的界面上形成。,2）奧氏體晶核長大： 奧氏體晶核形成以后，依靠鐵、碳原子的擴散，使鐵素體不斷向奧氏體轉(zhuǎn)變和滲碳體不斷溶入到奧氏體中去而進行的。,附：鋼的熱處理-加熱時鋼的組織轉(zhuǎn)變,工程材料學(xué),4）奧氏體均

49、勻化： 滲碳體全部溶解完畢時，奧氏體的成分是不均勻的，只有延長保溫時間，通過碳原子的擴散才能獲得均勻化的奧氏體。,亞共析鋼的加熱過程：,過共析鋼的加熱過程：,附：鋼的熱處理-加熱時鋼的組織轉(zhuǎn)變,工程材料學(xué),2、奧氏體晶粒大小及其控制,1）晶粒大小的表示方法 晶粒大小廣泛采用的是與標(biāo)準金相圖片（標(biāo)準評級圖）相比較的方法來評定晶粒大小的級別。通常將晶粒大小分為8級，1級最粗，8級最細。通常1～4級為粗晶粒度，5～8級為

50、細晶粒度。,2）奧氏體晶粒大小的控制加熱溫度與保溫時間 加熱溫度越高，保溫時間越長，奧氏體晶粒越粗大，因為這與原子擴散密切相關(guān)。,附：鋼的熱處理-加熱時鋼的組織轉(zhuǎn)變,工程材料學(xué),合金元素Ti、Zr、V、Nb、Al等，當(dāng)其形成彌散穩(wěn)定的碳化物和氮化物時，由于分布在晶界上，因而阻礙晶界的遷移，阻止奧氏體晶粒長大，有利于得到細晶粒鋼。Mn和P是促進奧氏體晶粒長大的元素。,加熱速度 加熱速度越快，過熱度越大，奧氏

51、體實際形成溫度越高，可獲得細小的起始晶粒。,鋼的化學(xué)成分 碳全部溶于奧氏體時，隨奧氏體中含碳量的增加，晶粒長大傾向增大。,附：鋼的熱處理-加熱時鋼的組織轉(zhuǎn)變,工程材料學(xué),冷卻時鋼的組織轉(zhuǎn)變,1、鋼的冷卻方式 熱處理時常用的冷卻方式有兩種：一是等溫冷卻（常用于理論研究）；二是連續(xù)冷卻（常用于生產(chǎn)）。,附：鋼的熱處理-冷卻時鋼的組織轉(zhuǎn)變,工程材料學(xué),1）等溫冷卻試驗：（a） 首先將若干薄圓片狀試樣放入錫熔爐中，

52、在高于共析溫度的條件下進行奧氏體化；（b）將上述奧氏體化后的試樣迅速放入另一錫熔爐保溫，爐溫低于共析溫度；（c）依據(jù)試樣保溫時間的差異，分別從爐中取出試樣，置于水中快冷；（d）磨制金相試樣，并觀察顯微組織。,附：鋼的熱處理-冷卻時鋼的組織轉(zhuǎn)變,工程材料學(xué),在不同溫度重復(fù)上述等溫轉(zhuǎn)變試驗，可根據(jù)試驗結(jié)果繪制出奧氏體鋼的等溫冷卻曲線。,附：鋼的熱處理-冷卻時鋼的組織轉(zhuǎn)變,工程材料學(xué),曲線的左邊一條線為過冷奧氏體轉(zhuǎn)變開始線；右邊一條線

53、為過冷奧氏體轉(zhuǎn)變終了線。該曲線下部還有兩條水平線，分別表示奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變的開始溫度Ms線和轉(zhuǎn)變結(jié)束溫度Mf線。,2）過冷奧氏體等溫冷卻曲線曲線分析,在C曲線中，在不同過冷奧氏體開始出現(xiàn)組織轉(zhuǎn)變的時間不同，這段時間稱為“孕育期”。其中，以C曲線最突出處（凸點）所對應(yīng)的溫度孕育期最短。,過冷奧氏體等溫冷卻曲線形似“C”字，故俗稱C曲線，反應(yīng)了“溫度-時間-轉(zhuǎn)變量”的關(guān)系，所以C曲線又稱為TTT圖(Temperature-Time-Tra

54、nsformation Diagram)。,附：鋼的熱處理-冷卻時鋼的組織轉(zhuǎn)變,工程材料學(xué),附：鋼的熱處理-冷卻時鋼的組織轉(zhuǎn)變,工程材料學(xué),3、非共析成分碳鋼的等溫轉(zhuǎn)變,非共析鋼的C曲線與共析鋼的C曲線不同。區(qū)別在于：亞共析鋼曲線左移，在其上方多了一條過冷奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體的轉(zhuǎn)變開始線； 過共析鋼曲線右移，在其上方多了一條過冷奧氏體析出二次滲碳體的開始線。,亞共析鋼的等溫轉(zhuǎn)變圖,附：鋼的熱處理-冷卻時鋼的組織轉(zhuǎn)變,

55、工程材料學(xué),4、共析鋼的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變,C曲線（TTT圖）反應(yīng)了過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變的全貌，但在實際生產(chǎn)中，鋼的熱處理大多是采用連續(xù)冷卻，因此，測出奧氏體的連續(xù)冷卻曲線，即CCT圖（右圖陰影部分），有很大的現(xiàn)實意義。,Continuous Cooling Transformation Diagram,附：鋼的熱處理-冷卻時鋼的組織轉(zhuǎn)變,工程材料學(xué),臨界冷卻速度：是指使奧氏體在冷卻過程中直接轉(zhuǎn)變成馬氏體而不發(fā)生其它轉(zhuǎn)變的最小冷卻速度，即臨界

56、淬火速度。,附：鋼的熱處理-冷卻時鋼的組織轉(zhuǎn)變,工程材料學(xué),鋼的普通熱處理,退火,將鋼加熱到一定溫度進行保溫，緩冷至600℃以下，再空冷至室溫的熱處理工藝。,各種退火和正火的一般加熱范圍,附：鋼的熱處理-鋼的普通熱處理,工程材料學(xué),常用退火工藝制度小結(jié),附：鋼的熱處理-鋼的普通熱處理,工程材料學(xué),正 火,正火將鋼加熱到AC3以上溫度并保溫，出爐空冷至室溫的熱處理工藝。由于正火比退火加熱溫度略高，冷卻速度大，故珠光體的分散度

57、大，先共析鐵素體的數(shù)量少，因而正火后強度、硬度較高。,正火的應(yīng)用：① 用正火作為性能要求的一般結(jié)構(gòu)件的最終熱處理。② 亞共析鋼采用正火來調(diào)整硬度，改切削加工性能。③ 過共析鋼的正火可消除網(wǎng)狀碳化物。,附：鋼的熱處理-鋼的普通熱處理,工程材料學(xué),淬 火,1、定義：淬火是將鋼加熱到AC1或 AC3以上溫度并保溫，出爐快速冷卻，使奧氏體轉(zhuǎn)變成為馬氏體的熱處理工藝。,附：鋼的熱處理-鋼的普通熱處理,工程材料學(xué),（b）冷卻速度超過臨

58、界冷卻速度；（c）在Ms～Mf溫度范圍使過冷奧氏體發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變。,附：鋼的熱處理-鋼的普通熱處理,工程材料學(xué),馬氏體形成過程示意圖,工程材料學(xué),板條馬氏體,片狀馬氏體,W（C）≥0.60%時：形成片狀馬氏體（針狀馬氏體），片狀馬氏體內(nèi)部的亞結(jié)構(gòu)主要是孿晶。因此，片狀馬氏體又稱為孿晶馬氏體。,0.20 %≤W（C）≤0.60%時：形成上述兩種馬氏體的混合組織，含碳量越高，條狀馬氏體量越少而片狀馬氏體量越多。,附：鋼的熱處理-鋼的普通熱

59、處理,工程材料學(xué),4）馬氏體的力學(xué)性能,馬氏體的塑性和韌性主要取決于它的亞結(jié)構(gòu)。在相同屈服強度條件下，板條（位錯）型馬氏體比片狀（孿晶）型馬氏體的韌性好得多。,馬氏體的硬度主要取決于馬氏體的含碳量，通常情況是隨含碳量的增加而升高。,附：鋼的熱處理-鋼的普通熱處理,工程材料學(xué),將鋼加熱到Ac1或Ac3以上，保溫一定時間，然后快速冷卻以獲得馬氏體組織的熱處理工藝稱為淬火。,1）淬火加熱溫度,淬火加熱溫度的選擇應(yīng)以得到細而均勻的奧氏體晶粒為原

60、則，以便冷卻后獲得細小的馬氏體組織。亞共析鋼的淬火加熱溫度通常為Ac3以上30～50℃；過共析鋼的淬火加熱溫度通常為Ac1以上30～50℃。,4、鋼的淬火工藝,附：鋼的熱處理-鋼的普通熱處理,工程材料學(xué),2）淬火保溫時間,淬火保溫時間主要根據(jù)鋼的成分特點、加熱介質(zhì)和零件尺寸來確定。,（a）含碳量越高，含合金元素越多，導(dǎo)熱性越差，則保溫時間就越長；,（b）零件尺寸越大，保溫時間越長；,（c）生產(chǎn)中常根據(jù)經(jīng)驗確定保溫時間；,附：鋼的熱處理-

61、鋼的普通熱處理,工程材料學(xué),3）淬火冷卻速度,淬火冷卻介質(zhì)選擇的原則：（a）為保證獲得馬氏體組織，要求V冷卻≥V臨界；（b）為保證零件不因淬火應(yīng)力而開裂，要求V冷卻不應(yīng)太 大，應(yīng)該選擇合適的冷卻介質(zhì)。,附：鋼的熱處理-鋼的普通熱處理,工程材料學(xué),采用有機物和無機物等配制而成的水溶性聚合物淬火介質(zhì)，和淬火油改性添加劑，由于冷卻能力可調(diào)整，使用中介質(zhì)濃度可簡便測定，有減少變形、防止淬裂，不銹蝕、免清洗、 無味、無煙霧、不著火，

62、使用溫度高，環(huán)保、少無污染，正常消耗是傳統(tǒng)油淬火的40%等特點，因而在國外已普及推廣應(yīng)用。 但我國仍普遍采用通用的礦物油，一定比例的氯化鈉水溶液、堿溶液及硝鹽溶液為冷卻介質(zhì)。因而造成嚴重的污染。,附：鋼的熱處理-鋼的普通熱處理,工程材料學(xué),5、常用淬火冷卻方法,為了保證獲得所需淬火組織，又要防止變形和開裂，必須采用已有的淬火介質(zhì)再配以各種冷卻方法才能解決。,通常的淬火方法包括單液淬火、雙液淬火、分級淬火和等溫淬火等，如圖所示。,

63、附：鋼的熱處理-鋼的普通熱處理,工程材料學(xué),6、鋼的淬透性和淬硬性,鋼的淬透性是指鋼在淬火時獲得馬氏體的能力。其大小通常用規(guī)定條件下淬火獲得淬透層的深度（又稱有效淬硬深度）的距離作為淬透層深度。,生產(chǎn)中也常用臨界淬火直徑表示鋼的淬透性。所謂臨界淬火直徑，是指圓棒試樣在某介質(zhì)中淬火時所能得到的最大淬透直徑（即心部被淬成半馬氏體的最大直徑），用Do表示。在相同冷卻條件下，Do越大，鋼的淬透性越好。,附：鋼的熱處理-鋼的普通熱處理,工程材料學(xué)

64、,淬透性的應(yīng)用：（1）淬透性大的工件易淬透，組織和性能均勻一致；（2）淬火性大的工件在淬火時，可選用冷卻能力較小的 淬火介質(zhì)以減小淬火應(yīng)力。（3）對受力大而復(fù)雜的工件，為確保組織性能均勻一致， 可選用淬透性大的鋼。（4）當(dāng)要求工件表面硬度高，而心部韌性好時，可選用 低淬透性鋼。,鋼的淬硬性是指淬火后馬氏體所能達到的最高硬度，淬硬性主要決定于馬氏體的碳含量。,附：鋼的熱處理-鋼的普通熱處理,工程材料

65、學(xué),回 火,1、定義：回火是把淬火后的鋼件，重新加熱到A1以下某一溫度，經(jīng)保溫后空冷至室溫的熱處理工藝。,2、目的：淬火鋼件經(jīng)回火可以減少或消除淬火應(yīng)力，穩(wěn)定組織，提高鋼的塑性和韌性，從而使鋼的強度、硬度和塑性、韌性得到適當(dāng)配合，以滿足不同工件的性能要求。,附：鋼的熱處理-鋼的普通熱處理,工程材料學(xué),第二階段（230～280℃）：馬氏體繼續(xù)分解，同時殘余奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)檫^飽和固溶體與碳化物，得到回火馬氏體組織。,第三階段（260～360℃

66、）：馬氏體繼續(xù)分解，碳原子繼續(xù)析出使過飽和α固溶體轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體；回火馬氏體中的FexC 轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的粒狀滲碳體，得到鐵素體和極細滲碳體的機械混合物，即回火屈氏體。,第四階段（400℃以上）：碳化物聚集長大，溫度越高碳化物越大，得到粒狀碳化物與鐵素體的機械混合物，即回火索氏體。,工程材料學(xué),回火的目的是降低應(yīng)力和脆性，獲得回火馬氏體組織，使鋼具有高的硬度、強度和耐磨性。低溫回火一般用來處理要求高硬度和高耐磨性的工件，如刀具、量具、滾動軸承

67、和滲碳件等。（HRC≥60）,4、回火的種類：,1）低溫回火（150～250℃）,工程材料學(xué),3）高溫回火（500～650℃）,回火的目的是具備良好的綜合機械性能（較高的強度、塑性、韌性），得到回火索氏體組織。一般把淬火加高溫回火的熱處理稱為“調(diào)質(zhì)處理”。適用于中碳結(jié)構(gòu)鋼制作的曲軸、連桿、連桿螺栓、汽車拖拉機半軸、機床主軸及齒輪等重要機器零件。（28≤HRC≤33）,工程材料學(xué),需要指出，有些鋼在250～400℃和450～650℃的范圍

68、內(nèi)回火時，其沖擊韌性比在較低溫度回火時還顯著下降，這種脆化現(xiàn)象稱為回火脆性。在250～400℃回火時出現(xiàn)的脆性稱為低溫回火脆性，又叫,第一類回火脆性；而在450～650℃溫度范圍內(nèi)回火時出現(xiàn)的脆性稱為高溫回火脆性，也叫第二類回火脆性。,為防止低溫回火脆性，通常的辦法是避免在脆化溫度范圍內(nèi)回火。防止高溫回火脆性的方法是加熱后快冷。,工程材料學(xué),鋼的表面熱處理,鋼的表面淬火,表面淬火是將工件表面快速加熱到淬火溫度，然后迅速冷卻，僅使表面層獲