碳钢合金钢-调质刚弹簧钢轴承钢

第六章工业用钢1、钢中常存杂质对碳钢性能的影响：钢中常存杂质有Mn、Si、S、P等；1.1Mn和Si的影响：Mn和Si是炼钢中必须加入的脱氧剂；用于除去溶于钢液中的氧，将FeO还原为Fe，形成MnO和SiO2；第一节碳钢Mn可以用于除S，与钢液中的S结合为MnS，减轻S的危害；在碳钢中Mn的含量通常小于0.8%，Mn大部分溶于F中，形成置换固溶体，强化F，一部分则溶于Fe3C中，形成（Fe,Mn)3C；同时，Mn还能增加P的相对含量。这些都使钢的强度增加；Si也溶于F之中，起强化作用，但含量较高时，会使塑韧性下降，所以含量一般为小于0.5%。1.2S的影响：S是有害杂质，是炼钢时由矿石、燃料带到钢中的，它的最大危害是在热加工时开裂，即产生热脆。

钢中加入Mn可以一定程度上减少热脆的发生。所以，为避免热脆，钢中的含硫量必须严格控制：普通碳钢：含硫量≤0.055%

优质碳钢：含硫量≤0.040%

高级优质碳钢：含硫量≤0.030%1.3P的影响：P也是有害杂质，P可以完全溶入F中，使F的强度、硬度提高，但却剧烈的降低钢的塑韧性，从而时钢变脆，这种现象叫做冷脆。所以，为避免冷脆，钢中的含磷量必须严格控制：普通碳钢：含硫量≤0.045%

优质碳钢：含硫量≤0.040%

高级优质碳钢：含硫量≤0.035%2、碳钢的分类和编号：2.1分类：按含碳量分：按钢的质量分：按用途分：碳素结构钢、碳素工具钢；低碳钢：≤0.25％Ｃ；中碳钢：0.25～0.6％Ｃ；高碳钢：≥0.60％Ｃ普通碳素钢：Ｓ≤0.055％、Ｐ≤0.045％；优质碳素钢：Ｓ≤0.040％、Ｐ≤0.040％；高级优质钢：Ｓ≤0.030％、Ｐ≤0.035％；2.2、编号与用途：2.2.1普通碳素结构钢：主要保证力学性能，采用国标GB700－88；如表6－1所示。例如：Ｑ195；2.2优质碳素结构钢：既保证力学性能又保证化学成分，采用GB699-99，如表6－2所示；表6－3为优质碳素结构钢的力学性能。两位数字（含碳万分之几）+合金元素+专门用途标记例如：45钢：以0.01％Ｃ为单位；20g2.3碳素工具钢：采用GB3278-2001；碳（T）+数字（含碳量的千分之几）+合金元素（Mn）+A（表示高级优质）例如：Ｔ10：以0.1％Ｃ为单位；如表6－4所示。

合金钢的分类（按用途分类）

合金结构钢——低合金结构钢、渗C钢、调质钢、弹簧钢、轴承钢、易切削钢等。合金工具钢——刃具、模具、量具钢。特殊性能钢——不锈钢、耐热钢、耐磨钢。第二节合金钢一、合金钢的分类与编号2.合金钢的编号：合金钢编号的一般形式：字母+数字+化学元素符号+数字+字母①G-滚Y-易②含碳量合金结构钢两位数字（含碳量万分之几）例如：20MnVBA、36Mn2Si、40CrNiMo等。滚动轴承钢滚或G+Cr+数字（Cr含量的千分之几）,例如：GCr15合金工具钢一位数字含碳量≥1.0%时不标，＜1.0%时用千分之几表示,例如CrMn、9Mn2V等。高速钢中不标含碳量，如W18Cr4v，W6Mo5Cr4V2等。③主要合金元素种类和名义百分含量＜1.5%略1.5~2.5%标22.5~3.5%标3④钢的冶金质量A-高级优质钢E-特级优质钢2.合金工具钢含碳量+元素+数字，含碳量≥1.0%时不标，＜1.0%时用千分之几表示,例如CrMn、9Mn2V等。高速钢中不标含碳量，如W18Cr4v，W6Mo5Cr4V2等。结构钢——如60Si2Mn，w(C)=0.6%，w(Si)=2%，w(Mn)＜1.5%

工具钢、特殊性能钢——如9SiCr，w(C)=0.9%，w(Si)、w(Cr)均＜1.5%，而CrWMn中，w(C)＞1.0%专用钢——如，滚动轴承钢GCr15，w(C)=1.0%，w(Cr)=1.5%

高级优质钢——如，20Cr2Ni4A3.特殊性能钢：不锈钢与耐热钢数字+元素+数字第一个数字表示含碳量的千分之几,第二个数字表示合金元素的百分之几。起重要作用的微量元素也要标出。例如：9Cr18，00Cr18Ni10（平均含碳量≤0.03%)，0Cr18(平均含碳量≤0.08%)等。ωMe：<5%低合金钢；ωMe：5%~10%中合金钢；ωMe：

>10%高合金钢学习思路：用途→工作条件→性能要求→成分特点→热处理特点→典型钢种应用1954年冬天，英国3万2千吨的"世界协和"号油船，在爱尔兰寒风凛冽的海面上航行，突然船体中部发生断裂，船很快就沉没了。后来，又发生了几起类似的沉船事件。1938年3月14日清晨，比利时的哈什尔大铁桥在严寒中突然一声巨响，断为3截跌入河中。1940年1月19日，比利时的另一座叫海伦尔斯的钢铁大桥也在零下14度的严寒中突然断成两截。这些钢铁设备的断裂是由于温度降低时钢铁收缩产生巨大的拉力，加上外界温度太低，钢铁变脆，在巨大的拉力作用下就发生了断裂。第二节合金结构钢“泰坦尼克号”（图6-9）的沉没大概也与有关。这种材料的变脆现象因为是在低温下产生的，所以称之为"冷脆"。图6-9泰坦尼克邮轮引入：对于图中所示的轮船和钢桥，为了避免发生上述的事故，从材料的性能和成分的角度应如何考虑？合金结构钢：在工业上凡是用于制造各种机器零件和用于建筑工程结构的钢叫做合金结构钢；1、低合金结构钢：(一）性能要求：

高强度：一般屈服强度在300MPa以上。显著高于相同含碳量的普通碳钢，故又称为低合金高强钢（可以显著的降低构件的重量，节约钢材）高韧性：（要求延伸率为15%～20%，室温冲击韧性大于600kJ/m2～800kJ/m2。对于大型焊接构件，还要求有较高的断裂韧性。）良好的焊接性与冷成型性能。低的冷脆转变温度。良好的耐蚀性。2.合金元素含合金量小于3%，

主加Mn，1.8%以内(Cr、Ni)——固溶强化

辅加Ti、V、Nb、Mo、B——

细化晶粒，弥散强化，

细化铁素体、珠光体晶粒，强化铁素体，使强度、韧性改善;在钢中形成微细碳化物，起到弥散强化的作用；同时，锰还使三次渗碳体难于在晶界析出，减少了晶界裂纹源，改善钢的冲击韧性。

少量Cu（≤0.4%）和P（0.1%左右）等，Cu、P：提高钢对大气的抗蚀能力；（二）成分及作用1.低碳：含碳量一般小于0.2%，保证好的韧性、焊接性和冷成形性，加入微量稀土元素可以脱硫去气，净化钢材，并改善夹杂物的形态与分布，从而改善钢的力学性能和工艺性能。总之，普通低合金高强度结构钢合金化的思路是：低碳，以Mn为基础，适当加入Al、V、Ti、Nb、Cu、P及稀土等合金元素。表6-7低合金高强度结构钢的特性及用途牌号主要特性用途举例GB/T1591-1994GB1591-88Q29509MnV、09MnNb09Mn212Mn钢中只有极少量的合金元素强度不高，但有良好的塑性，冷弯，焊接及耐蚀性能主要适用于制造汽车、机车车辆，建筑结构、桥梁、船舶、油罐、容器、冷变形钢、低温用钢、冲压件等。Q34512MnV、14MnNb、16Mn、16MnRE、18Nb钢的强度较高，具有良好的综合性能和焊接性能用于建筑结构，桥梁、压力容器、化工容器、重型机械、车辆、锅炉等Q39015MnV、15MnTi、16MnNb钢中加入V、Nb、Ti使晶粒细化，提高强度。具有良好的力学性能，工艺性能和焊接性能。适用于制造中高压锅炉，高压容器、车辆、起重机械设备、汽车、大型焊接结构等。Q42015MnVN、14MnVTiRE具有良好的综合性能和焊接性能适用于制造大吨位船舶，高压容器，桥梁、电站设备等Q460强度高，在正火、正火回火或淬火加回火的状态下有很高的综合力学性能适用于制造各种大型工程结构及要求强度高，载荷大的轻型结构中的部件1．低合金结构钢钢号旧钢号主要化学成分，%机械性能CMnSi，s

，MPab

，MPa5，%Q29509MnNb

12Mn0.160.80

~1.500.5529557023Q34516Mn

16MnRe0.18

~0.201.00

~1.600.5534563021~22Q39016MnNb

15MnTi0.201.00

~1.600.5539065019~20Q42014MnVTiRe

15MnVN0.201.00

~1.700.5542068018~19Q46014MnMoV

18MnMoNb0.201.00

~1.700.5546072017常用低合金结构钢的牌号、成分、性能（厚度(直径)16mm，AKV≥34J）含碳量都比较低一般规定δ>5%为塑性材料，δ<5%为脆性材料。2.牌号:Q345345MPa屈服强度

（三）热处理特点

通常在热轧状态或退火、正火状态下使用

组织：铁素体75~90%+珠光体10%~25%

不需最终热处理

珠光体占10%~25%左右，铁素体占75~90%。图6-10基于CSP工艺Q345B钢的组织Q460钢含Mo、B，强度高，用于石化中温高压容器。南京长江大桥Q345钢(16Mn)综合性能好，

用于船舶、桥梁、车辆等大型钢结构。

Q390钢含V、Ti、Nb，强度高，用于中等压力的容器。万吨远洋轮应用：工程结构

——桥梁，船舶，车辆外壳、支架、锅炉、压力容器、输油输气管道、大型钢结构等

高压容器-储气罐船舶车辆桥梁车辆容器Q420强度较高，且韧性、焊接性及低温韧性也较好，被广泛用于制造桥梁、锅炉、船舶等大型结构。

实例1：南京长江大桥就是由Q345钢所造的实例2：柳州双拥大桥跨越柳江的主桥3跨连续钢箱梁悬索桥。钢箱梁采用单箱双室全焊结构，钢箱梁全宽为38m，中心高为3.5m。钢箱梁全长分为53个吊装节段，节段间在桥位吊装就位采用全熔透对接焊缝焊接。钢箱结构采用Q345C钢材。

小结

(1)低碳：韧性、焊接性和冷成形性能要求高，碳质量分数不超过0.20%。(2)锰为主要的合金元素。固溶强化F，细化P，增加P的含量，提高钢的强度。(3)铌、钛、钒：形成细碳化物或碳氮化合物，获得细小铁素体晶粒和提高钢的强度和韧性。(4)少量铜（≤0.4%）和磷（0.1%左右），可提高抗腐蚀性能。一般在热轧退火或正火状态下使用，不需要进行专门的热处理。使用状态下的显微组织一般为铁素体+珠光体。2.微合金钢一、背景

微合金化钢是上世纪70年代在低合金高强度结构钢基础上发展起来的一大类高强度低合金钢。化学成分特点是低碳（＜0.1%），加入适量微合金化合金元素，如钛、铌、钒等；工艺特点是运用控制轧制和控制冷却生产工艺。通过化学成分和制备工艺的最佳配合达到了铁素体型钢的最佳强化效果，即细化晶粒强化和沉淀强化的最佳组合。

σs=450-525Mpatc≤-80℃二、微量合金元素钛、铌、钒等的作用

1.抑制奥氏体形变再结晶通过固溶、偏聚在奥氏体晶界、应变诱导析出氮化物，阻止了奥氏体再结晶的晶界和位错运动，从而抑制再结晶过程的进行。微合金化元素Nb、V、Ti延缓轧制时奥氏体再结晶能力的比较见图6-12由强到弱的顺序是铌、钛、钒图6-12Nb、V、Ti对再结晶临界温度的影响2.阻止奥氏体晶粒的长大通过加入钛和铌形成TiN或Nb(C,N)，它们在高温下非常稳定，弥散分布对控制高温下的晶粒长大有强烈的抑制作用。微量铌（W≤0.06%）形成的Nb(C,N)阻止奥氏体晶粒长大作用可达1150℃；微量钛（W≤0.02%）以TiN从高温固态钢中析出，呈弥散分布，对阻止奥氏体晶粒长大很有效。Nb、V、Ti对正火状态的低合金钢的晶粒度的影响见图6-13Nb最有效，Ti次之，V则基本上不起细化晶粒的作用。图6-13Nb、V、Ti对低合金高强度钢正火态晶粒度的影响3.形成沉淀相促进沉淀强化作用钛和铌的碳化物和氮化物有足够低的固溶度和高的稳定性。钒只有在氮化物中才这样。一般微合金化钢中的沉淀强化相主要是低温下析出的Nb(C,N)和VC。当W(Nb)≤0.04%时，其细化晶粒对屈服强度的贡献大于沉淀强化的作用；当W(Nb)＞0.04%时，其沉淀强化作用对屈服强度的贡献大于细化晶粒的作用。微合金化元素钒的沉淀强化对屈服强度的作用最大，而钛的作用处于铌和钒之间。4.改善钢的显微组织钛、钒、铌等合金碳化物和氮化物随奥氏体化温度的升高有一定的溶解量，溶于奥氏体的微合金化元素提高了过冷奥氏体的稳定性，降低了发生先共析铁素体和珠光体的温度范围，低温下形成的先共析铁素体和珠光体组织更细小，并使相间沉淀Nb(C,N)和V(C,N)的粒子更细小。三、控制轧制与控制冷却

控制轧制是高温形变热处理的一种派生形式，其主要目的是细化晶粒组织，从而提高热轧钢的强韧性。控制轧制主要由三个阶段组成：①高温下的再结晶区变形；

②在紧靠Ar3以上的低温无再结晶区变形；

③在奥氏体-铁素体两相区变形。图2-6控制轧制三阶段即每个阶段变形及纤维组织第一阶段：高温下的再结晶区变形。粗大的奥氏体多次变形和再结晶而细化，但这时由A转变的铁素体仍然较粗大；第二阶段：在紧靠Ar3以上的低温无再结晶区变形。在伸长而未再结晶的奥氏体内形成变形带，而且使铁素体在变形带以及晶界上形核，从而形成细小的铁素体；第三阶段：在奥氏体-铁素体两相区变形。此时铁素体发生变形并形成亚结构。变形之后的冷却过程中，未再结晶的奥氏体转变为等轴的铁素体晶粒，同时变形的铁素体产生亚结构常规热轧和控制轧制之间的基本差别在于：前者中，α只在γ晶界上形核，而在后者中，α形核发生在晶内及晶界上，这就导致这两者之间最后的α晶粒有很大的差别。目前控制轧制在冶金厂广泛采用，用于生产钢板、钢带和钢棒。经常采用的规范是“粗轧→待温→终轧”工艺，即在高温快速再结晶区内轧几道，待温度降低一些再进行终轧。待温主要是保证终轧在无再结晶区和两相区进行。具有铁素体-珠光体组织的低合金钢和微合金化钢其屈服强度的极限约为460MPa。若要求更高强度和韧性的配合，就需要考虑选择其它类型组织的低合金钢，如采用相变强化，因而发展了低碳贝氏体型、低碳索氏体型及低碳马氏体型钢。主要是适当降低钢的含碳量以改善韧性，由此造成的强度损失可由加入合金元素通过控制轧制和控制冷却后形成低碳贝氏体或马氏体的相变强化的方法得到补偿。配合加入微合金化元素，如铌以细化晶粒并进一步提高韧性。2.3低碳贝氏体型钢、针状铁素体型钢及铁素体-马氏体双相钢一、低碳贝氏体型钢低碳贝氏体钢在轧制或正火后控制冷却，直接得到低碳贝氏体组织，与相同碳含量的铁素体--珠光体组织钢相比具有更高的强度和良好的韧性。利用贝氏体相变强化，钢的屈服强度可达到490MPa-780MPa。

1.低碳贝氏体钢的化学成分:W(C)=0.10-0.20%，W(Mo)=0.30-0.60%，W((Mn)=0.60-1.60%，W(B)=0.001%-0.005%，W(V)=0.04-0.10%，W(Nb)或W(Ti)=0.010-0.06%，并经常加W(Cr)=0.4-0.7%。主加合金元素是能显著推迟先共析铁素体和珠光体转变，而对贝氏体转变推迟较少的钼和硼。对CCT图的影响如图6-16。

再加入锰、铬、镍等元素，进一步推迟先共析铁素体和珠光体转变并使BS点下降，以获得下贝氏体组织。

2.低碳贝氏体型钢中的合金化

通过微合金化，充分发挥铌、钛、钒细化晶粒和沉淀强化的作用。我国已研制成功的低碳贝氏体型低合金高强度钢的化学成分与性能如下表。3.典型低碳贝氏体型钢:14MnMoV和14MnMoVBRE钢是我国发展的典型的低碳贝氏体型钢，其屈服强度为490MPa级。主要用于制造容器的板材和其它钢结构。板厚小于14mm时，在热轧态即可得到贝氏体；板厚大于14mm时，需要正火处理。为了提高钢的室温和低温韧性，改善焊接性，发展了超低碳贝氏体钢，钢的含碳量降低到W(C)=0.02%(C)，并加入W(Ti)=0.01%使之成为Mn-Mo-Nb-Ti-B超低碳贝氏体型钢。通过控制轧制和控制冷却可以得到高位错密度的细小贝氏体组织。这种钢可在0℃以下的温度环境中服役。3双相钢

1).双相钢的特征传统的低合金高强度钢对汽车压力加工件来说，没有具备足够的冷成形性，因而需要改善强度-成形性的综合性能，以满足汽车冲压成型件的要求。双相钢的开发，使这类问题在一定程度上得到了解决。双相钢的开发目标是把显微组织从铁素体+珠光体改变为铁素体+马氏体（实际上还包含少量奥氏体）的双相组织，这样使这类钢具有低的屈服强度、高的应变硬化速率和优良的抗拉强度与塑性的配合。图3-19比较了一般低合金高强度钢和双相钢的σ-ε曲线。图中的应力-应变曲线表明，双相钢具有较低的屈服强度，高的应变硬化率，高的延伸率。在双相钢中得到了光滑的连续σ-ε曲线。起始屈服强度较低，随后，σ-ε曲线的其余部分迅速增加，它意味着双相钢具有高的应变硬化速率。双相钢的组织为：铁素体+马氏体（岛状）+少量的残余奥氏体。图3-19两种钢的应力应变曲线2).双相组织的获得方法

A、热处理双相处理钢在Ac1与Ac3双相区加热，其组织为α＋γ，随着加热温度的升高，钢中γ相也随着增加。在冷却过程中，应保证转变产物为α＋M，而不是α＋P。双相钢的力学性能与组织有密切的关系，钢的化学成分、亚临界区的加热温度、最终冷却速度，将起着决定性的作用。B、热轧双相钢生产双相钢的另一工艺是在热轧状态下，控制转运台的冷却，使钢形成80～90％的细小多边形铁素体。在剩余奥氏体岛中C和一些合金元素富集，提高奥氏体的稳定性，而避免形成珠光体和贝氏体，最后得到铁素体+马氏体双相组织，并在这个范围内卷板。

卷板缓慢冷却过程中，可能发生铁素体的进一步小量析出，从而使奥氏体岛进一步富化和稳定，因此它既不转变为珠光体，也不转变为贝氏体，而是在较低相变温度下形成M-A组成体。显然这个工艺工程要求仔细控制钢的相变特性以及冷却循环过程。这个工艺生产双相钢工艺简单，经济效益高，但技术难度较大，而且需要合理设计合金成分和控轧、控冷工艺。二、渗碳钢案例：某汽车变速箱齿轮，如图6—24a)要求σb≥1080MPa，aKU2≥55J，齿面硬度≥HRC58。采用20CrMnTi来制造。引入：20CrMnTi钢中的合金元素起什么作用？应对其采用什么样的热处理工艺来满足使用性能？图6-24汽车变速箱齿轮案例九：曲轴图6-22b)是柴油机中最重要和承受负荷最大的零件之一。柴油机工作过程中,曲轴承受着拉伸、压缩、弯曲和扭转的复合应力的作用。此外，随着柴油机不断向高指标、高增压方向发展,故要求曲轴具有很高的强度、刚度、耐疲劳强度及冲击韧性,同时要求曲轴的主轴颈和连杆轴颈具有良好耐磨性。引入：制造如图所示柴油机的曲轴，应选择何种材料？热处理工艺？柴油机曲轴1.渗碳钢的服役条件

渗碳钢主要用于受冲击和强烈磨损、摩擦的零件（各类齿轮、凸轮）这类零件在工作中同时又承受较大的交变载荷，特别是冲击载荷。

拨叉活塞销活塞销(20Cr)凸轮机构：接触表面受到强烈的摩擦磨损。

2.性能要求

(1)表面硬度高、耐磨

保证优异的耐磨性和接触疲劳抗力，同时具有适当的塑性和韧性。

(2)心部具有高的韧性和足够高的强度

在冲击载荷或过载作用下不易断裂。

(3)有良好的热处理工艺性能

在高的渗碳温度（900℃～950℃）下，奥氏体晶粒不易长大，并有良好的淬透性。

3.成分特点

(1)低碳：碳质量分数一般为0.10%～0.25%，使零件心部有足够的塑性和韧性。（韧性好）

(2)主加合金元素：Cr、Ni、Mn、B

提高淬透性（心部得M板条）

(3)辅加元素：少量强碳化物形成元素W、Mo、V、Ti形成稳定的合金碳化物，阻碍奥氏体晶粒长大。即细化晶粒（VC,TiC,耐磨性↑）表6-9渗C钢的牌号（摘自GB/T3077-1999）（渗C:930℃，回火：200℃）4.热处理渗碳后缓冷组织：表面：过共析组织P+Fe3CⅡ心部：亚共析组织F+P渗碳→淬火→低温回火的组织：表层—回火M+点状碳化物+A′心部——低C回火M（+S+F）完全淬透时为回火马氏体（低碳），硬度为40HRC～48HRC；低c的回火M+贝氏体—淬透性中（40~48HRC）；低c回火屈氏体-淬透性小（25~40HRC）心部韧性一般都高于700kJ/m2。

渗碳→淬火→低温回火渗碳（加热至900-950℃

，渗碳6-8h）淬火——预冷直接淬火，一次淬火，二次淬火低温回火——180-200℃，保温1-2h

渗碳钢渗碳后的热处理工艺（最终热处理）

1）渗碳后直接淬火，再低温回火。图6-2320CrMnTi钢齿轮的热处理规范采用这种工艺的零件通常只要求表面高硬度和耐磨性，而对基体性能要求不高。

主要用于渗碳后不容易过热的钢种。如20CrMnTi、20CrTi等。2）一次淬火渗碳后先进行空冷（即正火处理）使组织细化，而后再按渗碳后的表面成分重新加热淬火并低温回火。当要求表面高硬度、高耐磨性，同时对基体性能有较高要求时，可采用这种工艺。主要用于渗碳时易过热的碳钢及低合金钢工件，或固体渗碳后的零件等。如15、20、20Cr、20Mn2等。3）两次淬火

渗碳后缓冷至室温，重新加热两次淬火并低温回火。当对零件表面和基体性能的要求都很严格时，可用这种工艺。第一次按钢的基体成分加热淬火，加热温度较高（870℃左右），目的是细化心部组织并消除表面渗碳层中的网状渗碳体；第二次按高碳钢的成分（表面）进行淬火，目的是使表面获得细小的马氏体加粒状碳化物组织，以满足表面高性能的要求；最后进行低温回火起消除应力、稳定组织和稳定尺寸的作用。案例分析：当采用20CrMnTi钢制造汽车拖拉机的后桥变速箱齿轮、离合器轴、锥齿轮和主动轴时，Cr和Mn配合加入，能更有效地提高淬透性，并使渗碳时表面碳含量比较容易得到控制。Ti的加入可以防止晶粒长大，因此渗碳后可以直接淬火。其典型的热处理工艺曲线如图6-25所示。

图6-2520CrMnTi钢齿轮的热处理规范案例分析：案例中柴油机的曲轴应选择渗碳钢18Cr2Ni4WA，930℃渗碳后，进行两次淬火，然后进行低温回火。具体工艺参数见表渗碳后缓慢冷却的平衡组织：表面——过共析组织P+Fe3CⅡ；心部——亚共析组织F+P。渗碳后淬火+低温回火的组织、硬度：表面—高碳回火M+细小的颗粒状碳化物+少量A′，硬度（60-62HRC)，耐磨性高。心部——低C的回火M+F+S，（30~50HRC），心部的冲击韧性一般都高于700kJ/m2。4.合金渗碳钢的牌号20

Mn2

Ti

A等级:高级优质含钛量WTi≤1.5%含锰量WMn2%含碳量WC20%00典型合金渗碳钢种介绍

低淬透性合金渗碳钢15Cr、20Cr、15Mn2

20Mn2。淬透性小，心部强度低，强韧性配合差 钢含合金元素总量＜3%，用于受力小的耐磨件，如柴油机的活塞销、小轴（凸轮轴）等。活塞销(20Cr)中淬透性合金渗碳钢20CrMnMo、20CrMnTi、20MnVB、20Mn2TiB。淬透性和力学性能均较高钢含合金元素总量在4%左右。用于中等载荷的耐磨件，如汽车变速齿轮。典型合金渗碳钢种介绍高淬透性合金渗碳钢钢含合金元素总量在

4%～6%。18Cr2Ni4W、

20Cr2Ni4A等。淬透性大，心部强度高，强度与韧性配合很好用于大载荷的耐磨件，如柴油机曲轴、连杆。飞机齿轮

柴油机曲轴实例1：本溪钢铁集团1500热轧线主减速机一轴和二轴用轴承套圈和滚子选取了渗碳钢G20Cr2Ni4A。如图6-29。

实例2：某机械厂采用20CrNi2Mo钢代替20Cr2Ni4钢用作重载齿轮，经渗碳表面强化处理后，热处理变形趋势减小，渗层性能和心部性能配合理想，表面抗粘着磨损性好，综合性能优于20Cr2Ni4钢。图6-29轴承套圈

20CrMnTi钢制造齿轮的热处理工艺曲线用途：受冲击和强烈磨损、摩擦的零件（各类齿轮、凸轮）性能：表面——高的硬度、耐磨性心部——强而韧成分：0.1~0.25%C——低碳钢主加元素：Cr,Ni,Mn,B——↑淬透性（心部得M板条）辅加元素：W,Mo,V,Ti——细化晶粒（VC,TiC,耐磨性↑），最终热处理：渗碳+淬火+低温回火组织：表层：高碳回火M+Fe3C或碳化物+残A

心部：淬透：低碳回火M

未淬透：低碳回火M+F+S常用钢号：20,20Cr,20CrMnTi,18Cr2Ni4W

淬透性：低中高适用：机床齿轮汽车变速齿轮飞机齿轮渗碳钢小结

案例十：拖拉机连杆螺栓(图6-28是发动机中的一个重要的连接零件，在工作时，它承受冲击性的周期变化的拉应力和装配时的预应力，在发动机运转中，连杆螺栓如果破断，就会引起事故。因此，要求它应具有足够的强度、冲击韧性和抗疲劳能力。为了满足上述综合机械性能的要求，确定选用40Cr钢制作连杆螺栓。连杆螺栓生产工艺路线如下：下料→锻造→预备热处理→机加工→最终热处理→机加工→装配三、调质钢☆重点内容

图6-28连杆螺栓案例十一：汽车上的曲轴，如图6-29所示，工作时既传动扭矩又承受弯矩，所受的应力是交变的应力。曲轴颈与轴承有滑动摩擦。其最常见的失效形式是疲劳断裂和轴颈严重磨损。因此材料要有高强度、一定的冲击韧性、足够弯曲、扭转疲劳强度和刚度，轴颈表面有高硬度和耐磨性。为了满足上述综合机械性能的要求，确定选用35CrMo来制造。图6-29汽车曲轴引入：为满足上述综合机械性能要求，上述两种材料应选用什么预备热处理和最终热处理工艺？经过淬火和高温回火（调质处理）处理后的结构钢叫做调质钢。受复合应力的重要结构件（齿轮、连杆、机床主轴）（一）性能要求：要求具有比较全面的机械性能——很高的强度，良好的塑性和韧性，即良好的综合机械性能。合金调质钢还要求有好的淬透性。

（二）成分和作用1.中碳：0．25～0．50％，以0.4%居多含碳量过低，不易淬硬，钢的强度较低含碳量过高，钢的塑、韧性较差；碳素调质钢：40、45、50；合金调质钢：40Cr、25Cr2Ni4WA、30CrMnSi2.合金元素

主加元素：Ni、Cr、Mn、Si——↑淬透性，形成合金铁素体，提高钢的强度。即强化铁素体基体，提高韧性

辅加元素：W,Mo,V,Ti——细化晶粒,↑回火稳定性，防止第二类回火脆性。适宜含量：Mo的质量分数为0.15%～0.30%，或W的质量分数为0.8%～1.2%。

加入防止第二类回火脆性的元素调质钢的回大温度正好处于第二类回火脆性温度范围内，钢中含有Mn、Cr、Ni、B元素时，会增大回火脆性的敏感性，除回火快速冷却外，可加入抑制回火脆性的元素Mo和W。加入细化奥氏体晶粒的元素回火索氏体中的铁素体晶粒越细小，则钢的强韧性越好，为了细化铁索体晶粒，首先必须先细化奥氏体晶粒，常用的元素有W、Mo、V、Ti等。（三）调质钢的热处理特点预备：正火——S——改善组织，消除锻造应力，便于切削加工最终：调质——回火S——获得良好的综合机械性能表面要求高硬度,耐磨,↑σ-1，→表面淬火+低温回火（回火M）

1.预备热处理正火或退火处理热加工后，预备热处理可以降低硬度，便于切削加工，消除热加工时的组织缺陷（如带状组织）、细化晶粒、改善组织，为最终热处理做好准备。最终热处理

最终热处理是淬火加高温回火。⑴淬火：淬火温度：加热到850℃左右，AC3以上30~50℃;淬火介质：合金钢的淬透性比较高，可以采用较慢的冷却速度淬火，一般都用油淬，以避免出现热处理缺陷；⑵高温回火：一般为500~650℃。某些零件除了要求有良好的综合机械性能外，还要求工件（局部）表面有较高的耐磨性（如轴类零件的轴颈或花键部分），这时零件经调质处理后，还应对零件（局部）表面进行感应加热淬火，最后低温回火，表层硬度可达HRC56～58。调质处理后获得回火索氏体具有良好的综合机械性能的原因，调质处理后的组织为回火索氏体，这种组织状态有以下几个特点：（1）在铁素体基体上均匀分布的粒状碳化物起弥散强化作用，溶于铁素体中的合金元素起固溶强化作用，从而保证钢有较高的屈服强度和疲劳强度。（2）组织均匀性好，减少了裂纹在局部薄弱地区形成的可能性，可以保证有良好的塑性和韧性。（3）作为基体组织的铁素体是从淬火马氏体转变而成的，晶粒细小，使钢的冷脆倾向性大大减小。用途：许多机器设备上的重要零件，如：机床齿轮、主轴、汽车拖拉机的后桥半轮、汽车发动机曲轴、连杆、高强度螺栓等，在多种应力负荷下工作的，受力情况比较复杂。机床齿轮（四）常用的调质钢

1.低淬透性调质钢

40Cr

在机械制造中应用十分广泛，淬透性小，用于要求不高的零件，40Cr钢有较高的机械性能和工艺性能，应用广泛，油淬临界直径为30～40m2.中淬透性调质钢其油淬临界直径最大为40mm-60mm含有较多合金元素，加入Mo不仅使淬透性显著提高，而且可防止回火脆性，用于制造截面尺寸较大的零件，如大截面曲轴、拖拉机上的连杆。35CrMo、40CrMn等钢可用于500℃以下的较高温度下服役的零件如汽轮机转子、叶轮等。

3.高淬透性调质钢多半是Ni-Cr钢，并含钼，少数钢不含钼。用于制造大截面、重载荷的重要零件。如航空发动机轴、汽轮机主轴、叶轮等。40CrNiMo、40CrMnMo。油淬临界直径为60mm～100mm40Cr钢制作拖拉机连杆螺栓为例说明其热处理工艺方法的选定和工艺路线的安排连杆螺栓是发动机中的一个重要的连接零件，在工作时，它承受冲击性的周期变化的拉应力和装配时的预应力，在发动机运转中，连杆螺栓如果破断，就会引起事故。因此，要求它应具有足够的强度、冲击韧性和抗疲劳能力。为了满足上述综合机械性能的要求，确定选用40Cr钢制作连杆螺栓。连杆螺栓生产工艺路线如下：下料→锻造→退火（或正火）→机加工→调质→机加工→装配退火（或正火）是为了改善切削加工，并为随后调质处理做好组织准备。调质工艺如图，经840℃加热油冷后得马氏体组织，540℃回火后，其组织为回火索氏体。调质钢小结1、用途：受复合应力的重要结构件（齿轮、连杆、机床主轴）2、性能：良好的综合机械性能3、成分：0.3~0.5%C——中碳钢主加元素：Cr,Ni,Mn,Si——↑淬透性，强化基体辅加元素：W,Mo,V,Ti——细化晶粒,↑回火稳定性4、热处理：预备：正火——S——改善组织，消除锻造应力，便于切削加工最终：调质——回火S——获得良好的综合机械性能表面要求高硬度,耐磨,↑σ-1，→表面淬火+低温回火（回火M）5、常用钢号：40Cr，35CrMo、40CrMnMo四、弹簧钢案例十二：采用热轧60Si2Mn制造汽车板簧如图6-35所示，其热成形制造弹簧的工艺路线大致如下：扁钢剪断→加热压弯成形→热处理→喷丸→装配。

图汽车板簧引入：若想获得高的弹性极限和屈服极限，应选择什么热处理工艺？合金弹簧钢是一种专用结构钢，用于制造各种弹簧或要求高弹性的其他零件。定义：弹簧钢是指用于制造各种弹簧的钢种。（一）弹簧钢的性能特点：高的σe、σs

、σb、σ-1，一定的塑韧性

弹簧的作用：通过弹性变形所储存的能量缓和机械所承受的震动和冲击。（1）高的弹性极限或屈服极限和高的屈强比，以保证弹簧有足够高的弹性变形能力，并能承受大的载荷。（2）高的疲劳极限，以保证弹簧在长期的振动和交变应力作用下不产生疲劳破坏。（3）为了满足成形的需要和可能承受的冲击载荷，弹簧钢应具有一定的塑性和韧性。此外，一些在高温及易蚀条件下工作的弹簧，还应具有良好的耐热性和抗蚀性。（二）弹簧钢的化学成分及作用碳含量中、高碳——提高弹性极限和屈服极限。碳素弹簧钢的含碳量=0.60～0.90％，合金弹簧钢＝0.45～0.70％。

2.合金元素加入Si、MnSi和Mn是常用合金元素，↑淬透性；强化铁素体（固溶强化）,↑回火稳定性，相同回火温度下具有较高的硬度和强度，其中Si的作用最大。Si和Mn同时也提高屈强比。含硅量高时易石墨化，加热时易脱碳，Mn增大钢的过热倾向。加入Cr、V、Mo重要用途的弹簧钢还须加入Cr、V、W等元素。克服Si－Mn钢的缺点，防止过热和脱碳，提高淬透性（主要是Cr），V、Mo可以细化晶粒，保证钢在高温下仍具有较高的弹性极限和屈服极限。保证↑σe

弹簧的冶金质量对疲劳强度有很大的影响，弹簧钢均为优质钢或高级优质钢。（三）弹簧钢的热处理弹簧的加工处理方法有两种类型：热成形弹簧和冷成形弹簧1.热成形弹簧：尺寸大，60Si2Mn

现以汽车板簧为例，其热成形制造弹簧的工艺路线大致如下：扁钢剪断→加热压弯成形→淬火+中温回火→喷丸→装配组织为回火托氏体：用T’表示（F+粒状碳化物）HRC43～48；

⑴淬火温度：AC3以上30~50℃,

在淬火加热时，防止氧化和脱碳，应采用快速加热（盐炉或带有保护性气氛的炉），淬火后尽量快回火，以防延迟断裂。⑵对于含Si弹簧钢来说，回火温度一般为400～450oC。具有很高的屈服强度和弹性极限，并有一定的塑性和韧性，一般用来制作为较大型的弹簧。2.冷成型弹簧（尺寸小，65Mn）：对于直径小于8mm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形成，即用冷卷或冷冲压成形。小尺寸弹簧一般用冷拔弹簧钢丝（片）卷成。冷拉钢丝(索氏体化处理或是油淬回火后的钢丝)→冷绕成型→去应力退火(200~300℃)退火状态供应的----冷成形--淬火+中温回火提示:为了提高弹簧的疲劳寿命，广泛采用喷丸强化处理。（四）常用的弹簧钢：如表7-6

碳素弹簧钢65钢用于制造小截面（直径＜12～15mm）弹簧，缺点是淬透性差.

合金弹簧钢一般以Si－Mn钢为基本类型，65Mn钢的价格低廉，淬透性优于碳素弹簧钢，可制造尺寸为8～15mm的小型弹簧，如各种小尺寸的扁簧和座垫弹簧、弹簧发条等。小尺寸的沙发弹簧

60Si2Mn钢中由于同时加入了Si和Mn，制造厚度为10～12mm的板簧和直径为25～30mm的螺旋弹簧，油冷即可淬透，性能优于65Mn，制造汽车、拖拉机等的减震板簧和螺旋弹簧；大尺寸的汽车板簧

50CrVA

含Cr、V、W等元素的弹簧钢。Cr、V复合合金化，不仅提高钢的淬透性，还提高钢的高温强度、韧性和热处理工艺性能。可制作在350℃～400℃温度下承受重载的较大弹簧。合金弹簧钢

离合器弹簧蝶形弹簧蝶形弹簧拉力弹簧表6-14典型弹簧钢的热处理和机械性能钢

号

热处理

机械性能淬火

℃

回火

℃

σb

MPaσs

MPaδ10

%ψ

%65840油

480100080093565Mn830油

480100080083060Si2Mn870油

4801300120052550CrVA850油

48018001600520表6-14典型弹簧钢的成分和用途钢号主要化学成分(%)用途CMnSiCrV650.62

0.700.50

0.800.17

0.37

截面小于12-15mm的小弹簧65Mn0.62

0.700.90

1.200.17

0.37

截面小于25mm的各种螺旋弹簧、板弹簧60Si2Mn0.57

0.650.60

0.901.50

2.00

截面小于25mm的各种螺旋弹簧、板弹簧50CrVA0.46

0.540.50

0.800.17

0.370.80

1.100.10

0.20截面小于30mm强度要求较高的弹簧弹簧钢小结1、用途：弹性元件2、性能：高的σe、σb、σ-1，一定的塑韧性3、成分：0.45~0.7%C（碳钢0.6~0.9%C）——保证↑σe

主加元素：Mn,Si,Cr——↑淬透性，强化基体,↑回火稳定性辅加元素：Mo,W,V——防脱碳，细化,↑σe，4、热处理：热成型弹簧（尺寸大，60Si2Mn）：加热成型→淬火+中温回火→喷丸（回火T）38~50HRc冷成型弹簧（尺寸小，65Mn）：冷拉钢丝→冷绕成型→去内应力退火（200~300℃）5、常用钢号：65，65Mn，小尺寸的沙发弹簧60Si2Mn大尺寸的汽车板簧

汽车板簧火车螺旋弹簧五、滚动轴承钢案例：采用GCr15制造如图所示的滚珠轴承。引入：GCr15钢的退火工艺如何制定？退火后的组织是什么？滚珠轴承用途：滚动轴承元件，冷冲模，量具（滚珠、滚柱、轴承套）

（一）滚动轴承的工作条件及对性能的要求

制造滚动轴承套圈和滚动体钢。还用于制造各类工具和耐磨零件。主要有以下几个方面：（1）很高的强度与硬度：点接触或线接触下工作，承受极大的压应力，可达1500～000MN／mm2。高的抗压屈服强度和硬度，一般硬度应在HRC62～64之间。（2）很高的接触疲劳强度↑σ-1

。高速运转，应力变变次数每分钟可达数万次甚至更高，易接触疲劳破坏，如产生麻点剥落等。（3）很高的耐磨性：有滚动摩擦且有滑动摩擦，因此要有很高的耐磨性。还应有一定的韧性，抗腐蚀性、尺寸稳定性等。（二）轴承钢的成分及作用1.碳含量高碳0.95~1.15%C——硬、耐磨

含碳量＝0.95～1.15％，保证有高的硬度及耐磨性。决定钢硬度的主要是马氏体的含碳量，碳还形成一部分高硬度的碳化物，提高钢的硬度和耐磨性。2.主加元素：Cr——↑淬透性，硬，耐磨

Cr为主要合金化元素，Cr提高淬透性，形成合金渗碳体，细小均匀，提高耐磨性和接触疲劳强度。提高耐蚀性。含量不能太多，如果＞1.65％，增加残余奥氏体，降低硬度及尺寸稳定性,还增加碳化物的不均匀性，降低钢的韧性和疲劳强度。在1．65％以下。3.其它合金元素Si、Mn、Mo、V

制造大型轴承时，加入Si和Mn以提高钢的淬透性。高的冶金质量接触疲劳性能对非金属夹杂物有要求。危害最大的是氧化物，其次为硫化物和硅酸盐，必须严格控制S、P；S＜0．02％，P＜0．027％。轴承钢采用电炉冶炼和真空去气处理。常用的滚动轴承钢GCr9、GCr15（三）轴承钢的热处理

预备：球化退火——球状P（180~270HBS），改善切削加工性最终：淬火+低温回火——回火M+细碳化物+残A1.球化退火：目的：降低硬度：GCr15钢的硬度降至(179～207HB)，以利于切削加;获得均匀分布的细粒状珠光体，为最终热处理作组织准备。GCr15钢球化退火温度：780～810oC，保温时间为2～6