机器零件用钢

1、第三章第三章 机械零件用钢机械零件用钢第三章第三章 机械零件用钢l定义： 用于制造各种机器零件的钢种。用于制造各种机器零件的钢种。l按用途分类： 调质钢（及低碳马氏体钢）、弹簧调质钢（及低碳马氏体钢）、弹簧钢、滚动轴承钢、渗碳钢、超高强度钢、钢、滚动轴承钢、渗碳钢、超高强度钢、耐磨钢、易切削钢、低温用钢等耐磨钢、易切削钢、低温用钢等. .第三章第三章 机械零件用钢3.1 概 述一、一般特点1.总体性能特点： 力学性能为主，工艺性能为辅 机器零件结构紧凑、配合准确、 运转灵活并且安全长寿 （1）高强度（强度极限，）高强度（强度极限，Mpa）l中碳调质钢、低碳中碳调质钢、低碳M钢钢 1200140

2、0 ；第三章第三章 机械零件用钢钢丝钢丝环带环带胎唇胎唇钢丝钢丝胎体胎体钢丝钢丝层层l中碳中碳M钢钢l14002000 ；lM时效钢时效钢l19002300 ；l高碳冷拉钢丝则达高碳冷拉钢丝则达l 30004000 。凸轮轴凸轮轴第三章第三章 机械零件用钢（2）较高塑性、韧性。）较高塑性、韧性。 ：1015% （工程结构钢为（工程结构钢为2030%）2.材质与成分：材质与成分： 优质（高级优质）；优质（高级优质）； 中低碳、中低合金（高合金）中低碳、中低合金（高合金）3.热处理：热处理： 淬火淬火+回火（高温，或中温、低温回火）回火（高温，或中温、低温回火）第三章第三章 机械零件用钢二、典型零

3、件服役条件、常见失效方式及性能要求1.应力特点（1）承受高负荷，甚至短时超负荷。，甚至短时超负荷。（2）复杂应力。 各种静载荷、交变应力、各种静载荷、交变应力、 缺口、摩擦磨损、冲击缺口、摩擦磨损、冲击（3）承受多种应力。第三章第三章 机械零件用钢2. 举例l轴类。 应力种类与状态应力种类与状态- -疲劳、冲击、疲劳、冲击、 弯、扭、弯、扭、 磨损（颈部）；磨损（颈部）； 失效方式失效方式- -脆断、磨损、疲劳；脆断、磨损、疲劳； 主要指标主要指标- -弯、扭复合疲劳强度，弯、扭复合疲劳强度， 颈部耐磨性。颈部耐磨性。第三章第三章 机械零件用钢l齿轮。 应力种类与状态应力种类与状态- -疲劳、

4、冲击、疲劳、冲击、 压、弯、磨损；压、弯、磨损； 失效方式失效方式- -脆断、过量磨损、接触疲劳；脆断、过量磨损、接触疲劳； 主要指标主要指标- -弯曲疲劳强度、弯曲疲劳强度、 接触疲劳强度、接触疲劳强度、 耐磨性、耐磨性、 心部屈服强度与冲击韧性。心部屈服强度与冲击韧性。第三章第三章 机械零件用钢三、机器零件用钢的强度与脆性1. 强度比工结钢高得多，、Ak低得多 为保证零件的正常运转而设计高强度，为保证零件的正常运转而设计高强度， 塑性韧性低得多（塑性韧性低得多（800MPa,b980MPa,10%, 45%, ak50J/cm2l调质钢调质钢l 淬火后淬火后M+残余残余A+碳化物。碳化物。

5、l 高温回火后，高温回火后，l 马氏体分解，马氏体分解，l 碳化物碳化物弥散弥散析出，析出，l 残余奥氏体转变，残余奥氏体转变，l 内应力消除内应力消除回火回火索氏体组织，综合力学性能好。索氏体组织，综合力学性能好。汽车万向节汽车万向节汽车曲轴汽车曲轴S细片状细片状P (600,650)片间距片间距0.20.4m (1000); 2536HRC。光镜形貌电镜形貌l淬火钢淬火钢450-600回火回火S回火回火。lS回火回火的碳化物分散度很大，呈球状。的碳化物分散度很大，呈球状。l故故S回火回火比比S具有更好的机械性能。具有更好的机械性能。S回回=F多多+Fe3C球球再结晶后的再结晶后的(多边形多

6、边形)粗粒状粗粒状e3C。回火索氏体回火索氏体l调质件的加工工艺路线为：下料调质件的加工工艺路线为：下料锻造锻造退火退火粗粗加工加工调质调质精加工精加工装配装配l调质目的：获得良好综合力学性能调质目的：获得良好综合力学性能l使用状态下的组织为：使用状态下的组织为：S回回(表面淬火表面淬火+低温回火低温回火)装配装配为表面淬火作组织准备；为表面淬火作组织准备；获得最终心部组织获得最终心部组织.表面：表面： M回回；心部：心部：S回回为提高表面耐磨性，调质后可为提高表面耐磨性，调质后可进行表面淬火或氮化。进行表面淬火或氮化。感应加热表面淬火感应加热表面淬火集肤效应示意图集肤效应示意图加热感加热感应

7、线圈应线圈淬火层淬火层淬火喷淬火喷水套水套火焰加热表面淬火火焰加热表面淬火l中碳中碳 wC=0.250.5%l 中合金中合金 Mn, Cr, Si , Ni, B l wMe=37%l 有时加微量有时加微量V，以细化晶粒，以细化晶粒l 高级优质高级优质 wS,P0.025%l 回火脆性小回火脆性小 W、Mo（一）成分特点（一）成分特点Me作用作用-提高淬透性提高淬透性 固溶强化（固溶强化（Si、Mn显著），显著）， 细化晶粒（细化晶粒（V、Ti、Al显著），显著）， 提高基体韧性（提高基体韧性（Ni），）， 提高回火稳定性（提高回火稳定性（K元素），元素）， 防第二类回火脆性（防第二类回火脆性

8、（W、Mo）（二）（二） 典型牌号典型牌号l低淬透性合金调质钢低淬透性合金调质钢lDC水水60mm, 常用常用40CrNiMo, 用于制造大截面重载用于制造大截面重载荷零件，如曲轴等。荷零件，如曲轴等。 37CrNi3 还适用于低温还适用于低温调质钢的牌号（摘自调质钢的牌号（摘自GB/T30771999）淬淬透透性性钢号钢号主主 要要 成成 分分, %淬火淬火回火回火CMnSiCr低低450.420.500.500.800.170.37830840水水580640空空40Cr0.370.450.500.80Cr 0.81.10850油油500 水，油水，油中中高高35CrMo0.320.400

9、.400.70Cr 0.81.10850油油550 水，油水，油38CrMoAlA0.350.42Al 0.71.1Cr 1.351.65940水，油水，油640水，油水，油40CrMnMo0.370.450.901.20Cr 0.91.20850油油600 水，油水，油机械性能机械性能 bMPa sMPaaKU2J 600 3553940MnB0.370.441.101.400.200.40850油油500 水，油水，油98078547980785479808356398083571980785633.4、低碳、低碳M型机器结构钢型机器结构钢1.思路： 低碳合金钢钢 淬火淬火+ +低温回火，

10、低温回火， 充分挖掘材料强度。充分挖掘材料强度。2.性能特点（1 1）力性。）力性。 强度、塑性及常温韧性强度、塑性及常温韧性调质钢；调质钢； 低温韧性和和抗缺口敏感性提高，提高， 尤适用于低温下。尤适用于低温下。 9014046低碳低碳M20SiMn2MoV407038调质调质态态40Cr70-809041低碳低碳M15MnVBk-50 （J/cm-2）k室温下室温下（J/cm-2）硬度硬度HRC状态状态钢号钢号（2 2）工艺性。）工艺性。 可冷变形可冷变形 热处理脱碳和淬火应力小。热处理脱碳和淬火应力小。低碳马氏体低碳马氏体3.强韧化途径 组织组织： 位错位错M+ 条间残余条间残余A薄膜薄

11、膜+ 条内细小条内细小K 强化强化： C、Me固溶强化；固溶强化； 高密度位错强化；高密度位错强化； Me提高淬透性获位错提高淬透性获位错M； 板板M细晶强化细晶强化-比回火比回火S细细 强强K细化细化A； 细小细小K沉淀强化。沉淀强化。 韧化韧化： 细晶、细晶、 位错亚结构、位错亚结构、 低碳低碳M无显微裂纹、无显微裂纹、 残余残余A薄膜、薄膜、 细小细小K最大限度保持韧性、最大限度保持韧性、 降低第一类回火脆性降低第一类回火脆性 （Si,K元素）元素） 以及采用低碳。以及采用低碳。4.钢号钢号：（1）合金渗碳钢合金渗碳钢（2）某些普通低合金钢某些普通低合金钢5.存在问题存在问题：淬透性低些

12、；冶金工艺：淬透性低些；冶金工艺复杂些。复杂些。3.5、合金弹簧钢、合金弹簧钢是用来制造弹簧和其是用来制造弹簧和其它弹性零件的钢种。如拖它弹性零件的钢种。如拖拉机和火车上的板弹簧和拉机和火车上的板弹簧和螺旋弹簧。螺旋弹簧。弹性比功是关键。弹性比功是关键。212eE弹性比功应力 应变 e汽车板簧汽车板簧大型热卷弹簧大型热卷弹簧热卷大弹簧热卷大弹簧弹簧弹簧丝丝 弹簧弹簧拉力弹簧拉力弹簧 离合器弹簧离合器弹簧 蝶形弹簧蝶形弹簧（一）（一） 成分及性能特点成分及性能特点1、弹簧是利用弹性变、弹簧是利用弹性变形储存能量或缓和冲形储存能量或缓和冲击的零件击的零件 高的高的s， s/b； 高的高的-1； 足

13、够的韧性足够的韧性 高的淬透性高的淬透性。 含含C量比合金调质量比合金调质钢高，钢高，l保证高强度和高保证高强度和高的弹性极限。的弹性极限。l2、成分特点、成分特点l 中高碳：中高碳：l碳素弹簧钢：碳素弹簧钢：0.60.9%Cl合金弹簧钢：合金弹簧钢：0.450.7%C 合金元素作用：合金元素作用： 提高淬透性、强化提高淬透性、强化铁素体：铁素体：Mn、Si、Cr 提高提高 s/ b：Si 细化晶粒：细化晶粒：Cr、W、V等等l加加Si、 Mn、Cr、V、Nb、Mo、W, 以以钢钢的淬透性和回火抗的淬透性和回火抗力，强化铁素体力，强化铁素体l加加Mo、W、V、Nb，以以因因Si的加入造成的加入

14、造成的脱的脱C敏感性敏感性lCr、V、W：细化；：细化；降低降低Mn引起的过热；引起的过热；降低降低Si引起的脱碳引起的脱碳汽车弹簧汽车弹簧l3、热处理及组织特点、热处理及组织特点l 冷成型弹簧：冷拔冷成型弹簧：冷拔 冷成冷成型型定型处理定型处理(250300)。l用于用于10mm)大型热卷弹簧大型热卷弹簧l弹簧的表面质量对其寿命弹簧的表面质量对其寿命影响很大。影响很大。l提高表面质量的方法提高表面质量的方法:l 防止表面脱碳；防止表面脱碳；板簧喷丸处理示意图板簧喷丸处理示意图 避免表面缺陷；避免表面缺陷； 进行喷丸处理，进行喷丸处理，使表使表 面产生压应力。面产生压应力。 板簧喷丸处理示意图

15、板簧喷丸处理示意图表面压应力S1压应力压应力层深度层深度（二）典型牌号（二）典型牌号60Si2Mn含含Si、Mn元素的元素的合金弹簧钢，用于制合金弹簧钢，用于制造截面尺寸造截面尺寸25mm的的弹簧，如汽车、拖拉弹簧，如汽车、拖拉机的板弹簧机的板弹簧l50CrVA含含Cr、V元素的合金弹簧钢，用元素的合金弹簧钢，用于截面于截面30mm并在并在350400工作的重载弹簧，如阀门弹簧工作的重载弹簧，如阀门弹簧3.6、 滚动轴承钢滚动轴承钢l高硬度、高耐磨、高碳的铬轴承钢，高硬度、高耐磨、高碳的铬轴承钢，l含含C量在量在0.91.11%含含Cr0.51.65%l用于制造轴承套和滚动体的专用于制造轴承套

16、和滚动体的专用钢种。用钢种。l1、性能要求、性能要求l轴承工作时轴承工作时, 承受承受接触应力接触应力(达达30003500MPa)、交变载荷、交变载荷圆柱滚圆柱滚子轴承子轴承自动调自动调心球轴承心球轴承 (频率达数万次频率达数万次/分分)和摩和摩擦。擦。 l 高而均匀的硬度和耐高而均匀的硬度和耐磨性。磨性。 l 高的高的 b和接触疲劳强和接触疲劳强度。度。l 足够的韧性、淬透性足够的韧性、淬透性和耐蚀性和耐蚀性.推力球轴承推力球轴承滚针滚针轴承轴承l2、成分特点、成分特点l 高碳：高碳：0.91.10%C l 合金元素：以合金元素：以Cr为主为主,加入加入Mn、Si。lCr、Mn、Si：淬淬

17、透性透性推力球轴承推力球轴承lCr: （0.501.65%）l钢的淬透性，钢的淬透性，l形成形成合金渗碳体合金渗碳体，阻阻A晶粒长大；晶粒长大；耐磨耐磨性；性； l Cr 耐蚀性耐蚀性lCr回火稳定性回火稳定性但但Cr1.65%，淬火钢中淬火钢中A，硬度和硬度和稳定性稳定性滚动轴承钢的牌号滚动轴承钢的牌号G Cr9 Si Mn 滚动轴承钢滚动轴承钢 含含Cr量量WCr 0.9 % 含含Si量量WSi1.5 % 含含Mn量量WMn1.5 %l3 、热处理和组织特点、热处理和组织特点l滚动轴承钢是滚动轴承钢是过共析钢过共析钢。l 热处理：热处理： 球化退火球化退火+淬火淬火+低温回低温回火火轴承生

18、产车间轴承生产车间铬轴承钢制造轴承的工艺路线铬轴承钢制造轴承的工艺路线锻造锻造 球化退火球化退火 机加工机加工 淬火淬火 + 冷处理冷处理 ( 60 80;1h ) 低温回火低温回火 磨削加工磨削加工 稳定稳定化处理化处理 ( 120 130；5 10h )滚动轴承钢的球化退火退火目的目的细化晶粒，均匀组织，细化晶粒，均匀组织，为淬火做准备为淬火做准备降低硬度，提高塑性降低硬度，提高塑性韧性，便于切削加工韧性，便于切削加工球化退火球化退火+ 淬火淬火+ 低温回火低温回火极细回火马氏体极细回火马氏体+ +细粒状碳化物细粒状碳化物+ +少量残余奥氏体少量残余奥氏体滚动轴承钢低温回火金相组织滚动轴承

19、钢低温回火金相组织 组织：组织：l淬火淬火细针状马氏体，细针状马氏体，钢的钢的韧性，韧性，l淬火后保留一部分合金渗碳体，淬火后保留一部分合金渗碳体，有利于有利于钢的接触疲劳强度及钢的接触疲劳强度及耐磨性。耐磨性。l淬火淬火+低温回火低温回火回火马氏体回火马氏体 M回回+颗粒状碳化物颗粒状碳化物+A(少量少量)l淬火后进行冷处理淬火后进行冷处理(-60 -80), 可以减可以减少少A、稳定尺寸、稳定尺寸. l4、常用钢号及用途、常用钢号及用途l应用最广的是应用最广的是GCr15，大量用于大中大量用于大中型轴承；型轴承；l大型轴承用大型轴承用GCr15SiMn。l这类钢还可用于制造模具这类钢还可用

20、于制造模具、量具等量具等.滚针轴承滚针轴承滚柱轴承滚柱轴承滚珠轴承滚珠轴承大型轴承大型轴承3.7、 耐磨钢耐磨钢 在强大冲击在强大冲击和磨损条件下和磨损条件下使用的钢。如使用的钢。如铁道岔口、坦铁道岔口、坦克履带、挖土克履带、挖土机铲斗。机铲斗。工艺工艺不易切削加工，铸造成型（不易切削加工，铸造成型（ZGMn13)l是指在冲击载荷作用下是指在冲击载荷作用下发生冲击硬化的高锰钢发生冲击硬化的高锰钢.l只有只有ZGMn13一个钢号一个钢号.l1、成分特点、成分特点l 高碳：高碳：1.01.3%Cl 以保持高耐磨性。以保持高耐磨性。l 高锰：高锰：1114%Mn 以保证形成奥氏体组织以保证形成奥氏体

21、组织.高锰钢铸件高锰钢铸件高锰钢高锰钢加入大量的加入大量的Mn，得到单相，得到单相A，水冷（，水冷（水韧处理水韧处理）。）。使用中受到剧烈冲击时，表面使用中受到剧烈冲击时，表面A转变为转变为M。高高Mn A M（加工硬化）（加工硬化）水韧处理水韧处理冲击冲击原理原理l2、热处理及组织l铸态组织为奥氏体+碳化物, 性能硬而脆.l热处理采用水韧处理。即将钢加热到1100，使碳化物溶入奥氏体，并进行水淬。l室温组织为过饱和单相奥氏体。高锰钢水韧处理组织高锰钢水韧处理组织浇铸高锰钢件浇铸高锰钢件l3、使用及用途、使用及用途l水韧处理后，韧性高，硬度低水韧处理后，韧性高，硬度低.使用使用时必须伴随着压力

22、和冲击作用。时必须伴随着压力和冲击作用。l在在压力及冲击作用压力及冲击作用下，下，表面奥氏体表面奥氏体迅迅速速加工硬化加工硬化，形成马氏体并析出碳化，形成马氏体并析出碳化物，使表面硬度提高物，使表面硬度提高到到HB500550，获得高耐磨性。而获得高耐磨性。而心部心部仍为奥氏体组仍为奥氏体组织织,具有高耐冲击能力。具有高耐冲击能力。颚式破碎机颚式破碎机挖掘机挖掘机l高锰钢广泛用于既要求耐磨又要求高锰钢广泛用于既要求耐磨又要求耐冲击的零件。如拖拉机的履带板、耐冲击的零件。如拖拉机的履带板、球磨机衬板、破碎球磨机衬板、破碎机牙板、挖机牙板、挖掘机铲齿和掘机铲齿和铁路辙岔等铁路辙岔等. . 球磨机衬

23、板球磨机衬板挖掘机铲齿挖掘机铲齿铁路辙岔铁路辙岔破碎机牙板破碎机牙板Fe-Fe3C相图123456ABCDEFGHNJPMOSKQ15381394115411489107707387272301493LCm L+Cm CmFeFe3C+ L符符 号号温温 度度/ （C）/%说说 明明A15380纯铁的熔点纯铁的熔点B14930.53包晶转变时液态合金的成分包晶转变时液态合金的成分C11474.30共晶点共晶点D12276.69渗碳体的熔点渗碳体的熔点E11472.14碳在碳在-Fe中的最大溶解度中的最大溶解度F11476.69共晶反应生成的渗碳体共晶反应生成的渗碳体G9120-Fe向向-Fe转

24、变温度（转变温度（A3）H14930.09碳在碳在-Fe中的最大溶解度中的最大溶解度J14930.16包晶点包晶点K7276.69共析反应生成的渗碳体共析反应生成的渗碳体M7700纯铁的磁性转变点纯铁的磁性转变点N13940-Fe向向-Fe的转变温度（的转变温度（A4）O7700.5（C）0.5合金的磁性转变温度合金的磁性转变温度P7270.022碳在碳在-Fe中的最大溶解度中的最大溶解度S7270.76共析点（共析点（A1）Q6000.0057600时碳在时碳在-Fe中的溶解度中的溶解度碳钢与合金钢碳钢与合金钢钢的选用一、非热处理状态使用一、非热处理状态使用1.重要主体结构件，如桥梁、船舶、

25、车辆等，承载重要主体结构件，如桥梁、船舶、车辆等，承载 较大较大 低合金高强度结构钢，如低合金高强度结构钢，如Q345（16Mn）、）、 Q295（09MnNb）等。）等。2.一般结构件，如支架、吊钓、普通螺钉（栓）等，一般结构件，如支架、吊钓、普通螺钉（栓）等， 承载一般承载一般 碳素结构钢，如碳素结构钢，如Q195、Q235等。等。3.壳体类零件，如驾驶室、灯罩等壳体类零件，如驾驶室、灯罩等 塑性好的低塑性好的低 碳成分钢，如碳成分钢，如Q195、08F、10F等。等。钢的选用二、热处理后使用二、热处理后使用1. 1. 渗碳件，渗碳件，如齿轮如齿轮 低碳成分的钢低碳成分的钢小尺寸，优质碳素

26、结构钢（低碳钢）：小尺寸，优质碳素结构钢（低碳钢）：20大尺寸，合金渗碳钢，如高速齿轮：大尺寸，合金渗碳钢，如高速齿轮：20CrMnTi热处理工艺：正火热处理工艺：正火 + + 渗碳渗碳 + + 淬火淬火 + + 低温回火低温回火组织：表面高碳回火马氏体，心部低碳回火马氏体组织：表面高碳回火马氏体，心部低碳回火马氏体碳钢与合金钢碳钢与合金钢钢的选用二、热处理后使用二、热处理后使用2. 2. 轴（旋转）类，空间运动类零件，轴（旋转）类，空间运动类零件，如曲轴、连杆如曲轴、连杆 中碳成分的钢中碳成分的钢小尺寸，优质碳素结构钢（中碳钢）：曲轴、齿小尺寸，优质碳素结构钢（中碳钢）：曲轴、齿 轮，轮，45钢钢大尺寸（或工作温度较高），合金调质钢，如半大尺寸（或工作温度较高），合金调质钢，如半 轴、连杆，轴、连杆，40Cr热处理工艺：调质（正火）热处理工艺：调质（正火）+（表面淬火（表面淬火 + 低温低温 回火）回火）组织：回火索氏体（索氏体）（表面回火马氏体）组织：回火索氏体（索氏体）（表面回火马氏体）注意注意：根据承载和表面耐磨性情况，碳量可适当：根据承载和