工程材料学-机器零件用钢

第三章机器零件用钢应有较高的强度较好的耐磨性、韧性、以及疲劳性能良好的制造工艺性，如锻造性、切削加工性等一般都经过适当热处理后使用。力学性能要求工艺性能要求按用途可分为调质钢、表面硬化钢（包括渗碳钢、渗氮钢、低淬透性钢）、易切削钢、弹簧钢和滚动轴承钢等。调质钢调质钢，一般是指含碳量在0.3-0.5%的中碳钢。一般用这类钢制作的零件要求具有很好的综合机械性能，即在保持较高的强度的同时又具有很好的塑性和韧性，人们往往使用调质处理来达到这个目的，所以人们习惯上就把这一类钢称作调质钢。调质：淬火+高温回火。钢调质处理后的金相组织是回火索氏体。特点：中碳、调质后具有好的强度与塑性的配合，局部表面淬火+低温回火后具高硬度和耐磨性。Mn、Cr、Ni、B、Si用来提高淬透性，Mo、W可抑制第二类回火脆性，Ti、V细化晶粒。典型合金调质钢分类低淬透性调质钢钢含合金元素总量＜3%，40Cr、40MnB等。

中淬透性调质钢钢含合金元素总量在4%左右。38CrSi、35CrMo等，常用于制造较小的齿轮、轴、螺栓等零件。高淬透性调质钢钢含合金元素总量在4%～10%。38CrMoAl、40CrMnMo、25Cr2Ni4W等，制造大截面重载荷零件，如曲轴等用高淬透性的零件等。大多数调质钢为中碳合金结构，屈服强度在490-1200Mpa。以焊接性能为突出要求的调质钢，为低碳合金结构钢，屈服强度一般为490-800Mpa，有很高的塑性和韧性。少数沉淀硬化型调质钢，屈服强度可到1400Mpa以上，属高强度和超高强度调质钢。弹簧钢汽车板簧大型热卷弹簧热卷大弹簧弹簧丝性能要求高的弹性极限和屈服强度

高的疲劳极限有足够的韧性和塑性，以防在冲击力作用下脆断碳的质量分数较大合金元素：Si、Mn

、Cr、W、V等要有较高的冶金质量好的表面质量最终热处理：淬火＋高温回火，回火屈氏体弹簧的制造工艺冷拔——等温淬火——冷拔——卷簧——低温回火冷拔——退火——冷拔——卷簧——低温回火冷拔——淬火＋中温回火——卷簧——低温回火加热——卷簧——余热淬火——中温回火渗碳钢性能要求①表面具有高硬度和高耐磨性，心部具有足够的韧性和强度，即表硬里韧；②具有良好的热处理工艺性能，如高的淬透性和渗碳能力

渗碳钢的化学成分含碳量：心部;0.25％，表层：0.8％Cr、Ni、Mo、W、Mn、Si和B提高淬透性中等碳化物形成元素易使碳化物呈粒状分布，强碳化物形成元素和非碳化物形成元素易使碳化物呈条状或网状分布。渗碳方法：气体渗碳、固体渗碳和液体渗碳。目前广泛应用的是气体渗碳法。（1）气体渗碳一类：以可控气氛（加热金属时为了保护金属表面和调节金属表面化学成分而使用的成分可以控制的气体）作为载体气，加入碳氢化合物气体以调节碳势（碳势是指某一温度下炉气与钢表面奥氏体中的碳量相平衡时的碳量，简单地可理解为炉气的渗碳能力）。另一类：将含碳有机液体直接滴入渗碳炉，在炉中产生所需要的气氛。生成活性碳原子：

2CO→[C]+CO2CH4→[C]+2H2

CO+H2→[C]+H2O

随后活性碳原子被钢表面吸收而溶入奥氏体中，并向内部扩散而形成一定深度的渗碳层。优点：生产率高，劳动条件好，渗碳过程容易控制，容易实现机械化、自动化，适用于大批量生产。气体渗碳工艺渗碳前，零件需除油、清洗。局部渗碳零件，不渗处涂防渗膏或镀铜保护。控制气氛碳势、温度和时间。渗后淬火。（2）固体渗碳渗碳工艺：工件+渗碳剂密封装入渗碳箱中，加热至900～950℃保温。固体渗碳剂：碳粉和碳酸盐(BaCO3或Na2CO3)的混合物。化学反应：

C+O2→2CO

BaCO3或Na2CO3→BaO（或Na2O）+CO2

CO2+C→2CO2CO→[C]+CO2优点：操作简单缺点：表面碳含量难精确控制；渗速慢；劳动条件差。渗碳钢的热处理（1）直接淬火法直接淬火工艺示意图180-200℃渗碳900-930℃回火温度/℃时间淬火A1（2）一次淬火法热处理后的组织低碳M回+FM回+Cm+A残低碳合金钢F+PM回+Fe3C+A残低碳钢心部组织表层组织钢种20CrMnTi钢渗碳层组织(化染)320渗碳体(白色块状)+高碳M(兰色针状)+残余A(棕黄色)根据淬透性不同，可将渗碳钢分为三类：

①低淬透性渗碳钢：典型钢种如20、20Cr等，其淬透性和心部强度均较低，水中临界直径不超过20~35mm。只适用于制造受冲击载荷较小的耐磨件，如小轴、小齿轮、活塞销等。②中淬透性渗碳钢：典型钢种如20CrMnTi等，其淬透性较高，油中临界直径约为25~60mm，力学性能和工艺性能良好，大量用于制造承受高速中载、抗冲击和耐磨损的零件，如汽车、拖拉机的变速齿轮、离合器轴等。③高淬透性渗碳钢：典型钢种如18Cr2Ni4WA等，其油中临界直径大于100mm，且具有良好的韧性，主要用于制造大截面、高载荷的重要耐磨件，如飞机、坦克的曲轴和齿轮等。滚动轴承钢运行速度200公里/小时，最高速度240公里/小时，轴承温升40℃

高速客车轴箱轴承

轴承钢是用于制造滚动轴承的滚珠，滚柱和套筒等的钢种，也可用于制作精密量具，冷冲模，机床丝杠及柴油机油泵的精密偶件。轴承转动时承受很高的交变应力，除要求材料有较高的抗压强度、接触疲劳强度和耐磨性外，还要有一定的韧性、耐蚀性、良好的尺寸稳定性和工艺性。含碳0.95％～1.15％主要合金元素Cr、Si、Mn轴承钢的化学成分滚动轴承钢可分为高碳铬轴承钢、渗碳铬轴承用钢、不锈轴承用钢和高温轴承用钢四大类。在轴承制造工业中应用面广、使用量大的是高碳铬轴承钢。典型牌号：GCr15，含C量1%左右、Cr量为1.5%制造轴承的工艺路线锻造球化退火机加工淬火低温回火磨削加工

稳定化处理回火马氏体+细粒状碳化物+少量残余奥氏体①韧性－脆性转变温度低于使用温度；②满足设计要求的强度；③在使用温度下组织结构稳定；④良好的焊接性和加工成型性；低温钢低温用钢分类1.奥氏体低温钢奥氏体低温钢具有较高的低温韧性，按合金成分不同，可分为三个系列：①Fe-Cr-Ni系主要为18-8型铬镍不锈耐酸钢。这种钢低温韧性、耐蚀性和工艺性均较好，已不同程度地应用于各种深冷(-150～269℃)技术中。②Fe-Cr-Ni-Mn和Fe-Cr-Ni-Mn-N系这类钢种以锰、氮代替部分镍来稳定奥氏体。氮还有强化作用，使钢具有较高的韧性、极低的磁导率和稳定的奥氏体组织，适用于作超低温无磁钢（即材料的磁导率很小）。如0Cr21Ni6Mn9N、0Cr16Ni22Mn9Mo2等在-269℃作无磁结构部件。③Fe-Mn-Al系奥氏体低温无磁钢是中国研制的节约铬、镍的新钢种，如15Mn26Al4等可部分代替铬镍奥氏体钢,用于-196℃以下的极低温区。2.铁素体低温钢铁素体低温钢一般存在明显的韧性－脆性转变温度，当温度降低至某个临界值（或区间）会出现韧性的突然下降。铁素体低温钢按成分分为三类：①低碳锰钢低碳锰钢(C0.05～0.28％,Mn0.6～2％)。使Mn/C≈10，降低氧、氮、硫、磷等有害杂质，有的还加入少量铝、铌、钛、钒等元素以细化晶粒。这类钢最低使用温度为－60℃左右。②低合金钢主要有低镍钢(Ni2～4％)、锰镍钼钢(Mn0.6～1.5％,Ni0.2～1.0％，Mo0.4～0.6％，C≤0.25％)、镍铬钼钢(Ni0.7～3.0％，Cr0.4～2.0％，Mo0.2～0.6％，C≤0.25％)。这些钢种的强度高于低碳钢，最低使用温度可达-110℃左右。中国研制了几种节镍的低温用低合金钢如09Mn2V等。③中（高）合金钢主要有6％Ni钢、9％Ni钢、36％Ni钢，其中9％Ni钢是应用较广的深冷用钢。这类高镍钢的使用温度可低至-196℃。3.马氏体低温钢属于这类钢主要是1Ni9。镍可以改善铁素体的低温韧性，降低脆性转变温度。1Ni9可用制造－196℃条件下使用的液氮、液化天然气设备。

1Ni9钢具有良好的可焊性，但经过冷变形后须在565℃消除应力退火，以提高室温和低温时钢的韧性。

减速机大齿轮风机主轴大锻件用钢由于锻件的尺寸很大，截面很厚，所以大锻件用钢在合金设计和生产工艺上都有许多特点：为保证锻件的大尺寸，在冶炼上需采用大容量的冶炼炉，在铸造上需采用特大锭型；为解决大钢锭加热温度高、保温时间长，晶粒易粗大化和锻造比小、变形不均匀、易出现混晶等问题，在制造工艺上需采取相应措施；为保证良好的综合性能，需采用调质热处理；为保证厚截面锻件的淬透性，添加较多的镍、铬、钼等合金元素。分类按用途的不同，大锻件用钢主要可分为转子用钢、冷轧辊用钢和压力容器用钢。如：34CrNiMo、18MnMoNi、50SiMnMoV等大锻件的热处理主要有两种：第一热