机械制造结构钢

机械制造结构钢第1页，课件共69页，创作于2023年2月绪论钢的合金化概论工程结构钢机械制造结构钢工模具钢不锈钢耐热钢与耐热合金铸铁铝合金铜合金钛合金镁合金第2页，课件共69页，创作于2023年2月用于制造轴、齿轮、紧固件、轴承等各种机械零件汽车、机床、工程机械、电站设备主要承受拉、压、弯、扭、冲击、疲劳应力，几种载荷同时作用；恒载或变载，力的方向是单向或反复；环境是大气、水、润滑油；温度：-50~100℃；强度、塑性、韧度、疲劳强度、耐磨性汽车曲轴第3页，课件共69页，创作于2023年2月机械制造结构钢概述分类特点与合金化原则零件工艺选择概论整体强化态钢调质钢弹簧钢滚动轴承钢表面强化态钢渗碳钢氮化钢耐磨钢第4页，课件共69页，创作于2023年2月机械制造结构钢的分类按强度：Rel<700MPa低强度钢，大多数构件钢Rel=700~1400MPa中强度钢，机械制造结构钢Rel>1400MPa超高强度，宇航/重工业按热处理强化工艺特点：

整体强化态钢/表面强化态钢按钢的生产工艺和用途：

调质钢、非调质钢、低碳马氏体钢、

超高强度结构钢、渗碳钢、氮化钢、弹簧钢、轴承钢第5页，课件共69页，创作于2023年2月机械制造钢的特点与合金化机器零件用钢的性能要求（1）具有良好的冷热加工工艺性如锻造、冲压、热处理、车、铣、刨、磨等（2）具有良好的力学性能强、塑、韧、疲劳、耐磨性等

一般为亚共析钢，低合金或中合金，优质钢或高级优质钢零件：区分易换、不易换；重要、不重要第6页，课件共69页，创作于2023年2月合金元素在机械制造钢中的作用主加元素Ni,Si,Cr,Mn（由弱到强）主要作用：↑淬透性和力学性能辅加元素Mo、W、V、B等↓过热敏感性，↓回脆，↑淬透性合金元素在机器零件用钢中的其他作用1）↑回火稳定性：韧；2）↓d：强韧3）固溶强化：强；4）防止第二类回火脆性：韧5）改善切削性能<1.2%Si<2%Mn1~2%Cr1~4%Ni<0.5%Mo<0.2%V0.4~0.8%W<0.1%Ti≤0.003%B第7页，课件共69页，创作于2023年2月C含量与热处理工艺的选择回火温度↑→K长大、球化；强度、硬度↓，塑性↑，韧性↑（一类、二类脆性）综合力学性能要求不高时：中碳、正火表面要求耐磨、接触疲劳抗力→渗碳钢轴承→轴承钢调质、弹簧、轴承、渗碳、氮化钢、耐磨、易切削等可以用不同钢种制造同一零件；同一钢种采用不同热处理制度，获得不同组织，生产不同零件；某一零件用某一钢种制造，热处理制度也可不同第8页，课件共69页，创作于2023年2月①低碳马氏体型结构钢，采用淬火+低温回火为↑耐磨性，可进行渗碳处理（实际上就是复合材料）；汽车拖拉机齿轮类为代表②回火索氏体型，选择中碳钢，采用淬火+高温回火；为↑耐磨性，可进行渗氮处理或高频感应加热淬火等表面硬化工艺方法；轴类零件为典型1、对于要求良好综合力学性能，零件选材料的途径为：第9页，课件共69页，创作于2023年2月2、如要求更高的强度，则适当牺牲塑韧性；可选择中碳钢，采用低温回火工艺。如低合金中碳马氏体钢农业机械较多3、如要求高的弹性极限和屈服强度，又要有较高的塑性和韧度，则选择中高碳钢，进行中温回火；如弹簧钢4、零件要求高强度、高硬度，高接触疲劳性和一定的塑性和韧度，可用高碳钢，淬火+低温回火；如轴承钢第10页，课件共69页，创作于2023年2月机械制造结构钢概述分类特点与合金化原则零件工艺选择概论整体强化态钢调质钢弹簧钢滚动轴承钢表面强化态钢渗碳钢氮化钢耐磨钢第11页，课件共69页，创作于2023年2月整体强化态钢基本情况

整体强化态钢均承受拉、压、扭等交变应力，大部分是整体受力；其主要失效形式是疲劳破坏，主要性能指标σ-1、AK、KIC等；总体上要求良好的综合力学性能；主要应用

主要制造轴、杆、轴承类等机器零件，如连杆、螺栓、主轴、半轴等；这类钢主要有调质钢、弹簧钢、轴承钢、低碳马氏体钢、超高强度钢等第12页，课件共69页，创作于2023年2月调质钢组织性能特点F基体＋均匀粒状K（回火索氏体）组织均匀，↓裂纹的形成，↑塑性、韧性F晶粒细小，Tk↓化学成分碳含量：中碳0.25%～0.5%，多为0.4%左右，以保证调质处理后优良的强度和韧性的配合；合金元素：主加Mn、Si、Cr、Ni、B等，辅加Mo、W、V作用：↑淬透性；固溶强化；防止第二类回火脆性；↓d力学性能指标范围

σb800~1100MPa,σ0.2700~1000MPa,δ:9~15%φ:45~55%αk60~120J/cm2Tk≤-40℃第13页，课件共69页，创作于2023年2月曲轴

连杆

第14页，课件共69页，创作于2023年2月淬透性原则：淬透性相同的同类调质钢，可互相代用

0.25~0.45%C的合金钢经调质后室温性能变化

屈服强度相同的碳钢和合金结构钢断面收缩率变化

第15页，课件共69页，创作于2023年2月在机械制造工业中，调质钢是按淬透性高低来分级的低淬透性调质钢:

45、45Mn、40Cr、35SiMn、42Mn2V等中淬透性调质钢:38CrSi、35CrMo、40CrNi、42CrMo、40CrMn、30CrMnSi等

高淬透性调质钢:有37SiMn2MoVA、37CrNi3、25Cr2Ni4WA、40CrNiMo、40CrMnMo等常用调质钢第16页，课件共69页，创作于2023年2月下料→锻造→预备热处理→机加工(粗加工)→调质→机加工(半精加工)→表面淬火或氮化→精加工调质钢零件生产过程第17页，课件共69页，创作于2023年2月调质钢的热处理调质钢的预先热处理（1）改善切削加工性，改善热变形过程中的晶粒粗大，带状组织（2）合金元素低→正火、退火处理；（3）合金元素高→正火后得到马氏体，需要高温回火调质钢的最终热处理（1）要求较高的综合性能：高温回火（500~600℃）→调质（2）要求强度较高：低温回火（200~250℃）、中温回火（450℃）第18页，课件共69页，创作于2023年2月调质钢的热处理选择AK是一次大能量冲击性能指标，小能量多冲条件下工作的，很难正确反映；有些重要零件应以断裂韧度KIC来衡量；由于服役条件差异，钢最佳综合性能也不一定都是高温回火态好；零件在承受冲击能量大时，钢强度应低些，塑性和韧度宜高些，回火温度高；冲击能量较小时，强度应高些，以达最佳配合，回火温度低第19页，课件共69页，创作于2023年2月调质机械制造钢的发展动向低碳马氏体钢组织：高密度位错的板条M+自回火均匀分布碳化物+板条间残余奥氏体薄膜热处理：淬火＋低温回火成分：确保Ms>200℃

特点：具有良好的综合性能（强韧匹配）应用：石油钻机提升系统的吊环、吊卡等中碳微合金化非调质钢：在中碳钢（wc=0.30%～0.50%）中加入微量V、Ti、Nb等强化物形成元素（组织为：F+P+弥散K）工艺特点：锻轧过程中结合机加工，改善切削性加S、Pb（微）优点：简化工序、节约能源、↓成本第20页，课件共69页，创作于2023年2月机械制造结构钢概述分类特点与合金化原则零件工艺选择概论整体强化态钢调质钢弹簧钢滚动轴承钢表面强化态钢渗碳钢氮化钢耐磨钢第21页，课件共69页，创作于2023年2月弹簧钢组织性能要求弹簧功能储能减振弹簧类型板簧，螺簧；压簧、拉簧和扭簧等第22页，课件共69页，创作于2023年2月弹簧拉力弹簧离合器弹簧蝶形弹簧板弹簧第23页，课件共69页，创作于2023年2月汽车板簧火车螺旋弹簧第24页，课件共69页，创作于2023年2月板簧弯曲载荷螺簧扭转应力疲劳破坏弹性减退高的弹性极限、屈强比：保证吸收大量的弹性能而不产生塑性变形；高疲劳强度；有足够的塑性和韧性：以防止冲击断裂其他要求:淬透性、冶金质量、表面质量；良好的热处理和塑性加工性能；特殊条件下工作的耐热性或耐蚀性要求等；过热敏感性小，不易脱碳弹性减退：长期在动/静载荷作用下，室温发生塑性变形/弹性模量降低裂纹源第25页，课件共69页，创作于2023年2月弹簧钢的化学成分碳：wc＝0.6%-1.05%（碳素弹簧钢）wc＝0.4%-0.74%（合金弹簧钢）合金元素：主加Si、Mn、Cr等，辅加Mo、W、V等铬和锰主要是提高淬透性，硅提高弹性极限，钒提高淬透性和细化晶粒

硅、锰复合：高的弹性极限，屈强比可达到0.8~0.9；硅、锰↑淬透性，硅有效↑回稳性；两者复合，脱碳（Si）和过热敏感性（Mn）较硅钢、锰钢为小第26页，课件共69页，创作于2023年2月

常用的硅锰弹簧钢有60Si2Mn、55SiMnVB、55Si2Mn等常用弹簧钢60Si2Mn：（1）Si、Mn复合，强化F→↑σe，σs/σb可达0.8~0.9；（2）Si/Mn↑淬透性，Ms点不过分降低，开裂倾向小；（3）Si有效↑回稳性，但↑脱C倾向；（4）Si、Mn复合，脱碳和过热敏感性较硅钢、锰钢小50CrVA：（1）Cr、V均↑回稳性，韧性好；（2）V细化晶粒，↓过热敏感性；（3）含Si少，脱C敏感性↓，热处理不易脱C；常用于受力高的螺旋弹簧及<300℃工作的阀门弹簧第27页，课件共69页，创作于2023年2月弹簧钢常用的热处理工艺是淬火和中温回火，得到回火托氏体；具有一定的冲击韧度，较高的弹性极限、屈强比和最高的疲劳强度；回火工艺主要应考虑弹性参数和韧性参数之间的平衡或最佳配合60Si2Mn钢力学性能与回火温度的关系55Si2Mn钢疲劳强度随回火温度的变化第28页，课件共69页，创作于2023年2月基本工艺方式热成形弹簧冷成形弹簧大型弹簧

热成形后+淬、回火小型弹簧冷变形或热处理强化+冷成形+低温退火弹簧钢生产工序与热处理第29页，课件共69页，创作于2023年2月板簧最适合形变强化：滚压、喷丸等冷变形强化都能有效地提高板簧使用寿命，如结合高温形变热处理则更好疲劳强度（MPa）板厚/mm未喷丸喷丸应力喷丸1339047080011350700850第30页，课件共69页，创作于2023年2月机械制造结构钢概述分类特点与合金化原则零件工艺选择概论整体强化态钢调质钢弹簧钢滚动轴承钢表面强化态钢渗碳钢氮化钢耐磨钢第31页，课件共69页，创作于2023年2月滚动轴承内外套圈与滚动体之间呈点或线接触，承受很大的压应力（高达1800MPa－5000MPa）和交变载荷滚动轴承钢第32页，课件共69页，创作于2023年2月滚动轴承钢的工作特点及性能要求工作条件高负荷→最大接触应力可高达3000~5000MPa高转速→循环周次高达每分钟数万次；高灵敏度→精度要求高→磨损、麻点→噪音失效形式

接触疲劳破坏，麻点、剥落滚动轴承的作用是支撑轴，滚动轴承由内、外圈和滚动体（珠、柱、锥、针）及保持器组成第33页，课件共69页，创作于2023年2月性能要求高而均匀的硬度和耐磨性→足够淬透性和淬硬性（>60HRC）；高接触疲劳强度→以免过早失效→

保证材质、组织；一定韧度→承受冲击，以免碎裂；高的弹性极限→避免产生永久形变尺寸稳定性好→保证精度；一定耐蚀性→大气、润滑油腐蚀性能要求接触面小应力集中大易产生裂纹材质纯净、组织均匀第34页，课件共69页，创作于2023年2月高碳轴承钢的化学成分为了保证轴承钢有高的硬度和耐磨性，轴承钢的碳含量很高，一般为0.95%~1.15%，属于过共析钢：一部分存在于马氏体基体中以强化马氏体；另一部分形成足够数量的碳化物以获得所要求的耐磨性；

过高的碳含量会增加碳化物分布的不均匀性，且易生成网状碳化物而降低其性能合金化加入Cr、Si、Mn等如GCrl5、GCrl5SiMnGCrl5成分：0.95~1.05%C，0.2~0.4%Mn，0.15~0.35%Si，≤0.02%S，≤0.027%P，

1.30~1.65%Cr，≤0.1%Mo，≤0.3%Ni，≤0.25%Cu第35页，课件共69页，创作于2023年2月冶金质量高纯净→夹杂物要少：主要有各种氧化物（如A12O3）和硅酸盐等；危害程度依次递减：A12O3、球状不变形夹杂、铝硅酸盐轴承钢的性能要求第36页，课件共69页，创作于2023年2月第37页，课件共69页，创作于2023年2月组织均匀

碳化物要细小均布，主要有三类K：

K液析→结晶时枝晶偏析而存在→高温扩散退火，不允许液析严重；

带状K→轧制时二次碳化物偏析→高温扩散退火；

网状K→冷却时在晶界析出→控制终轧温度、冷却控制、正火第38页，课件共69页，创作于2023年2月滚动轴承钢的牌号及其热处理轴承钢的种类高碳铬轴承钢渗碳钢高温轴承钢第39页，课件共69页，创作于2023年2月高碳铬轴承钢的热处理热处理特点

球化退火→为最终淬火作组织准备磨削后进行一次附加回火→稳定组织和尺寸一般采用保护气氛加热或真空加热（防止脱碳）160℃保温3h或更长回火，硬度61~66HRC要求消除Ar（残余奥氏体）→淬火后立即进行冷处理，而后立即低温回火锻（轧）→球化退火→机加工→淬火、回火→磨第40页，课件共69页，创作于2023年2月球化退火GCr15钢的球化退火加热温度范围为770～810℃，790℃被认为是最适宜的加热温度；加热温度过高，奥氏体中未溶碳化物量过少，奥氏体成分进一步均匀化，冷却后得到的是粗片层珠光体，或有大块聚集碳化物，这是不合格的过热组织；加热温度不足，片状珠光体溶解得不充分，奥氏体成分很不均匀，冷却过程中碳化物沿着原片层析出，或呈细小的链状特征第41页，课件共69页，创作于2023年2月轴承钢的最终热处理是淬火加低温回火；对GCr15钢，淬火加热温度为830℃-860℃；温度过高会引起过热，晶粒长大，使钢的韧性和疲劳强度下降，且易淬裂和变形；温度过低，则奥氏体中溶解的铬和碳的含量不够，钢淬火后硬度不足；马氏体中的碳含量在0.45%-0.5%时，轴承钢既具有高硬度，又有良好的韧性，还具有最高的接触疲劳寿命最终热处理（1）第42页，课件共69页，创作于2023年2月淬火后应立即回火，以消除内应力，提高韧性、稳定组织和尺寸；回火温度一般为（150~160）℃，保温时间为2－4h。为使回火性能均匀一致，回火温度也要严格控制，最好在油中进行；轴承钢经淬火及回火后的组织为极细的回火马氏体、均匀分布的细粒状碳化物以及少量的残余奥氏体，硬度为62－66HRC最终热处理（2）第43页，课件共69页，创作于2023年2月轴承在淬火及回火后的磨削加工过程中，还会产生磨削应力，因此通常还要进行一次附加回火（回火温度为120~150℃，回火时间为2~3h）以稳定组织和尺寸对于精密轴承，为了保证能长期存放和使用中不变形，在淬火后要立即进行“冷处理”（-70~-80℃），以使钢中未转变的残余奥氏体进一步发生转变，淬火和冷处理之间的间隔不超过4h，冷处理后立即低温回火；最终热处理（3）第44页，课件共69页，创作于2023年2月回火温度对GCr15力学性能的影响第45页，课件共69页，创作于2023年2月第46页，课件共69页，创作于2023年2月铬轴承钢典型代表是GCr15，使用量占轴承钢的绝大部分；由于淬透性不是很高，因此多用于制造中小型轴承；添加Mn、Si、Mo、V的轴承钢；在铬轴承钢中加入Mn、Si可提高淬透性，如GCr15SiMn钢等，主要用于制造大型轴承；为了节约Cr，可以加入Mo、V，得到不含铬的轴承钢，如GSiMnMoV等，其性能和用途与GCr15相近滚动轴承钢的应用实例第47页，课件共69页，创作于2023年2月轧钢机械、矿山挖掘机械、建筑机械等一些受冲击负荷较大的机械使用的轴承，不仅要求其表面硬度高、耐磨性好，具有较高的接触疲劳强度，还要求心部有一定的韧性、足够的强度和硬度，可以选用渗碳钢制造；渗碳轴承钢，采用合金结构钢的牌号表示方法，另在牌号头部加符号“G”。例如：G20CrNiMo高级优质渗碳轴承钢，在牌号尾部加“A”。例如：“G20CrNiMoA”。渗碳轴承钢第48页，课件共69页，创作于2023年2月用渗碳轴承钢制造轴承，加工工艺性能好，可以采用冷冲压技术，提高材料的利用率，再经渗碳、淬火及回火处理后，在零件的表面形成有利的残余压应力，提高轴承的使用寿命第49页，课件共69页，创作于2023年2月采用不锈钢和耐热钢的牌号表示方法，牌号头部不加符号“G”。例如：高碳铬不锈轴承钢“9Cr18”和高温轴承钢“10Cr14Mo”；不锈轴承钢：对于在酸、碱、盐等腐蚀介质中使用的轴承，要求具有良好的化学稳定性，故而常采用高碳高铬不锈钢制造，如9Cr18等高碳铬不锈轴承钢和高温轴承钢第50页，课件共69页，创作于2023年2月燃汽轮机、航空及航天工业用轴承的工作温度已超过300℃以上，因此对所用轴承的材料要求有足够的高温硬度、高温强度、耐磨性、抗氧化性及一定的腐蚀性能、良好的尺寸稳定性和高温下的寿命；GCr15轴承钢的最高工作温度不超过180℃；常用的高温轴承钢有Cr4Mo4V、Cr14Mo4；高温轴承钢第51页，课件共69页，创作于2023年2月机械制造结构钢概述分类特点与合金化原则零件工艺选择概论整体强化态钢调质钢弹簧钢滚动轴承钢表面强化态钢渗碳钢氮化钢耐磨钢第52页，课件共69页，创作于2023年2月表面强化态钢零件在滑动、滚动、接触应力、摩擦等工况下工作磨损和接触疲劳是主要失效形式表面应具有高硬度、高接触疲劳抗力和良好耐磨性而心部有一定塑韧性渗碳钢、渗氮钢、感应加热淬火钢等

这类钢适宜制造表面和心部性能要求不同的零件，通过某种工艺使零件表面硬度高耐磨而心部具有较好强韧性配合以满足要求。典型零件有齿轮、凸轮等第53页，课件共69页，创作于2023年2月第54页，课件共69页，创作于2023年2月渗碳钢的合金化一般含碳量在0.12~0.25％

保证得到强韧性好的板条M常用合金化元素Mn、Cr、Ni主要↑淬透性

Ti、V、W、Mo细化晶粒

渗碳层性能:表层碳量、表层浓度梯度和渗层深度渗碳层深度根据零件需要确定，原则上渗碳层深度应大于零件的最大切应力深度合金渗碳钢第55页，课件共69页，创作于2023年2月对于一般零件:(1)渗碳层的含碳量限制为0.8～1.1%C；(2)渗碳层的深度控制在0.6～2.0mm之内碳化物形成元素的作用：增大钢表面吸收碳原子的能力；增大渗碳层表面碳浓度；阻碍碳在奥氏体中的扩散。

前两因素加速渗碳，有利于渗碳层的加厚，而后一因素不利于渗碳层的加厚；合金元素对渗碳层性能参数的影响第56页，课件共69页，创作于2023年2月总的效果是铬、锰、钼等元素加大渗碳层的厚度，钛减小渗碳层的厚度；镍、硅、铜等元素减慢渗碳，不利于渗碳层的加厚；碳化物形成元素含量过多，将在渗碳层中产生许多块状碳化物，造成表面脆性，所以合金元素的含量要适当；Mn是一个较好的合金元素，既可以加速渗碳层增厚，又不过多提高渗碳层的含碳量；但增大过热敏感性，应和Ti、V配合加入；第57页，课件共69页，创作于2023年2月常用渗碳钢按淬透性可分为低、中和高淬透性钢三类低淬透性：20Cr钢：不宜渗碳后直接淬火；20CrV钢可中淬透性：20CrMnTi钢特点:①Cr、Mn复合，淬透性好，D油约40mm；②较高耐磨性和强韧度，特别是低温韧度较好；③渗碳工艺性较好，晶粒长大倾向小，可直接淬火，变形也比较小制造汽车变速箱齿轮，离合器轴和车辆上的伞齿轮及主动轴等高淬透性：18Cr2Ni4WA，20Cr2Ni4A第58页，课件共69页，创作于2023年2月渗碳钢的热处理直接淬火、一次淬火、二次淬火直接淬火：渗碳热处理温度一般为930℃，渗碳结束后冷至淬火温度淬火一次淬火：渗碳后缓冷，重新加热淬火渗碳层与心部分属不同含碳量的钢种18Cr2Ni4W的热处理工艺表层Ms：80℃心部Ms：310℃第59页，课件共69页，创作于2023年2月机械制造结构钢概述分类特点与合金化原则零件工艺选择概论整体强化态钢调质钢弹簧钢滚动轴承钢表面强化态钢渗碳钢氮化钢耐磨钢第60页，课件共69页，创作于2023年2月氮化钢服役条件：有些零件工作时载荷不大，基本上无冲击力；有摩擦，但比齿轮等零件的磨损要轻，同时也受到交变的疲劳应力。这一类零件重要的要求是能保持高的精度。常采用氮化钢进行渗氮处理。第61页，课件共69页，创作于2023年2月氮化钢的特点优点明显提高零件疲劳强度和耐磨性；具有对水、油等介质的耐腐蚀的能力；零件的变形量很小；氮化层在较高的温度仍能保持其硬度缺点生产周期长，成本高第62页，课件共69页，创作于2023年2月氮化处理后的性能1表面硬度要求高耐磨性的零件，表面硬度高达HV900～1000；仅要求高疲劳强度的零件，表面硬度可以为HV500～8002心部硬度在氮化处理前零件经受调质处理，零件硬度为HV200～300，为回火索氏体组织，经氮化处理后，心部还具有良好的综合机械性能第63页，课件共69页，创作于2023年2月氮化钢：多为碳含量偏低的中碳铬钼铝钢；国内外广泛使用的氮化钢是38CrMoAl钢，获得最高氮化层硬度，达到900~1000HV；仅要求高疲劳强度的零件，可采用不含铝的CrMo型氮化钢，如35CrMo、40CrV、40Cr等，氮化层的硬度控制在500-1000HV；工艺：氮化前，要经过调质热处理以得到稳定的回火索氏体组织，以保证零件最终的使用性能和使用过程中的尺寸稳定性，同时也为获得好的氮化层作组织准备一般采用气体氮化、离子氮化，氮化温度500~565℃，表层形成γ’（Fe4N）、ε（Fe3-2N），氮化层形成Cr、Mo、W、V、Al的氮化物，5nm，与基体共格，弥散强化第64页，课件共69页，创作于2023年2月机械制造结构钢概述分类特点与合金化原则零件工艺选择概论整体强化态钢调质钢弹簧钢滚动轴承钢