第3章机器零件用钢

第3章机器零件用钢●机器零件用钢？用来制作各种机器零件的钢。如：机器上的轴类，齿轮、弹簧、轴承、紧固件等等。种类多，用量大。●受力、工作环境特点？十分复杂，性能要求高；且不同零件受力、工作环境不同，性能要求也不同：有可能受拉伸、压缩、弯曲、剪切、扭转、冲击、振动和摩擦等中的一种或多种；受力或恒定、或变化，或单向或反复，加载或逐渐或骤然；工作环境或高温或低温，有的还在腐蚀介质中使用。●性能要求？

高强韧、耐磨损、耐疲劳、高弹性等；将不同碳、合金元素的钢淬火成M后再回火形成不同的组织状态是机器零件用钢制备的基本思路。为了充分M化，所用钢还需有较高的淬透性。第1节机器零件用钢的强韧化一、性能要求机器零件失效形式：过量变形、表面损伤、脆性断裂等。●性能要求：塑性变形抗力、韧性、抗疲劳、抗冲击、抗接触疲劳和耐磨等

最基本要求是在具有尽可能高的强度的同时具有足够的韧性。●措施：M相变＋回火转变→回火M→固溶强化、沉淀强化、相变强化（细化、过饱和）→高强韧二、合金元素的作用

●钢的淬透性是指A化后的钢在淬火时获得M的能力，其大小用钢在一定条件下淬火获得的淬透层的深度表示。

●试验结果表明,不同成分的机器零件用钢完全淬透再回火到相同的硬度时,其各种常规力学性能（强度、塑性）都大致相同,此规律称为淬火回火钢力学性能相似性。说明机器零件用钢中的合金元素并不是直接赋予钢某项力学性能，而是保证钢有尽可能高的淬透性，使钢在一定的淬火条件下获得足够的M，而M量的多少对钢的综合力学性能有重要影响。

●一般，机器零件用钢要求较高的淬透性，在同样条件下得到更多的M,回火后得到较好的综合力学性能。（一）机器零件用钢的淬透性淬透性

是否淬透－－对钢性能的影响：●完全与未完全淬透的钢，热处理至相同的σb时，前者σS高（屈强比）；●处理至相同硬度，未完全淬透的钢疲劳强度低；●回火至相似硬度，淬透的钢冲击韧性高，TK低。（二）合金元素对钢淬透性的作用●镍、硅、铬、钼、锰、硼●多合金元素综合作用不是简单的叠加，而是强烈得多。●注意：只有溶入A合金元素才起作用；以碳化物的形态存在反而↓淬透性。增强（三）合金元素对机器零件用钢的其它作用1.提高回火稳定性硅铬钼钨钒钛推迟回火转变↑回火稳定性回火：M过饱和度↓，消除应力，残余A分解，↑塑韧性。2.细化晶粒除锰外，所有常用的合金元素均能细化A晶粒，使钢在热处理后获得较高的综合力学性能。强碳化物形成元素细化晶粒的作用较强。许多机器零件用钢中都加入了少量钒、钛等元素。3.固溶强化在钢中未形成碳化物而溶入固溶体的合金元素强化F，提高回火M的力学性能。4.防止第二类回火脆合金元素偏聚于晶界。钨、钼阻止偏聚，减弱或抑制第二类回火脆性的发展。5.改善切削性能在钢中加入一定量的硫、钙、碲、铅、硒等元素，或同时加入其中的某几个元素，能改善钢的被切削加工性能。这些元素常被称为易切削元素。易切削钢：加入易切削元素，改善切削性能的钢。易切削元素与其它元素形成非金属夹杂或金属间化合物或游离存在，加工时沿加工方向伸长成条状或纺锤状：硬度低，减小切削时把金属撕裂的能量，有些有润滑作用，延长刀具寿命。对钢力学性能不利，但对纵向力学性能影响不大。易切削钢适用于受力不大，但对尺寸、表面质量要求高的零部件，如仪器、仪表、医疗机械等。★钢中加入一种合金元素往往难于全面改进性能，所以重要的合金钢一般都含多种合金元素，可分为主加元素和辅加元素。主加元素：对提高淬透性和综合力学性能起主导作用，硅、锰、铬、镍等

辅加元素：加入含有上述主加元素的钢中，进一步改善钢的性能。含量低，通常为千分之几，如钼、钨、钒、钛、硼等，但不可忽视。三、机器零件用钢的含碳量和热处理工艺选择1不重要的机器零件：综合力学性能要求不高中碳（0.3～0.5％），正火（细片状P＋F）。2.变速箱齿轮等：表面要求耐磨＋高接触疲劳抗力＋心部要求较高强韧性（承受冲击）渗碳钢，低碳钢或低碳合金钢渗碳→淬火＋低温回火3.各类轴、连杆、螺栓等：综合力学性能要求较高调质钢，中碳或中碳合金钢→调质处理(淬火＋高温回火)→高强＋高韧4.要求更高强度时：对含碳量较低的合金调质钢，可适当牺牲韧性，淬火＋低温回火5.弹簧钢：要求高弹性极限＋高疲劳强度较高含碳量（0.6～0.9％）的碳素钢和合金钢→淬火＋中温回火6.轴承：高硬度＋高耐磨性＋高接触疲劳抗力＋适当的韧性

高碳（0.95～1.15％）滚动轴承钢→淬火＋低温回火第2节渗碳钢一、组织性能渗碳钢：经渗碳处理后使用的钢种。问题：汽车、拖拉机变速箱等齿轮，根部受交变弯曲应力，齿面接触疲劳、磨损，齿牙受冲击。齿轮主要的失效形式是齿面磨损和剥落以及齿牙断裂。要求：齿轮用钢应有高的弯曲疲劳强度和接触疲劳强度，高的耐磨性，心部组织还应有较高的强韧性以防止齿轮断裂。措施：低碳钢或低碳合金钢→经渗碳→淬火＋低温回火。渗碳后（成分）：

表面至心部由高碳(0.8％-1.1％)至低碳(0．10％-0．25％)连续过渡；组织性能（经淬火＋低温回火后）：表面组织为回火M和细粒状碳化物及少量残余A，高硬度+高耐磨性+高接触疲劳强度。心部仍为低碳，组织为低碳M(淬透的条件下)或低碳M加F(未淬透)，具有较高的强韧性。此外，由于表层和心部的M转变量和含碳量不同，还会在表层形成有利的残余压应力，显著提高钢的弯曲疲劳强度，提高齿轮的疲劳寿命。二、渗碳钢化学成分（一）低C

0.1～0.25％（渗C前，即渗C零件中心C含量）过低：心部强度不足，且表面→中心C浓度梯度过大，表面渗C层易脱过高：心部塑韧性低，且↓表面层有利的压应力，↓弯曲疲劳强度（二）合金元素的作用

1.↑淬透性心部强度取决于钢的含C量与淬透性。淬透性足够时，心部得到全部低碳M，获得满意的强韧性，否则心部为M转变，↓承载能力。常单独或复合加入铬、镍、锰、钼、钨、硼提高其淬透性。钢中加入微量硼(0.001％-0．004％)就能明显↑淬透。硼的作用随钢含C量减低而增加。渗碳钢发展历程：碳素钢→单合金化→复合合金化2.改进渗C性能

●渗C：渗C温度下（A状态），由渗C介质分解出的活性C原子被钢表面吸收后向内扩散，形成一定的C浓度梯度。

●碳化物形成元素（Cr、Mo、W等）：↑表面吸收C能力，↓C在A中扩散，渗碳层C含量分布变陡；

●非碳化物形成元素（Ni、Si）：作用则相反。

★两类元素合理搭配：即加快渗碳速度，较快获得必要的表面碳浓度及渗碳层厚度，又能避免形成过陡的碳浓度梯度或形成有害的块状碳化物。但Si使渗C困难，一般不加入。3.晶粒细化渗碳一般在900-950℃高温下进行，时间可能长达10h以上。因此，常加入少量的强碳化物形成元素（钒、钛等），以阻止A晶粒长大。4.对表层碳化物形态的不同影响强碳化物形成元素钒、钨、钼及非碳化物形成元素硅易使表层碳化物呈长条状或网状分布，增大表层的脆性；而中等碳化物形成元素铬则易使碳化物呈粒状分布，甚至在表面C浓度高达2％-3％情况下，韧性也不明显下降，并能改善钢的耐磨性和接触疲劳抗力。三、常用渗碳钢及热处理（一）常用渗C钢

1.常用牌号、牌号写法与符号意义

注意牌号与普低钢的区别2.分类与用途

（二）渗C钢

的热处理1.预先热处理正火→F＋细片状P组织（硬度179-270HBS）→↓硬度，↑切削加工性能。合金元素含量较高的，正火＋高温回火→进一步↓硬度2.渗C温度：一般在900-950℃；时间：据渗C方法(气体渗碳或固体渗碳)及技术要求而定。3.渗后热处理渗C后→淬火＋低温回火→高硬度的表层＋强韧的心部组织。●降温预冷直接淬火用于过热敏感性不高的低合金渗C钢。预冷可减小淬火变形，并在预冷时析出一些碳化物而↓淬后渗层中残余A量，提高表层硬度和疲劳强度。预冷温度应高于Ar3，以防止心部析出F。●一次淬火碳素渗碳钢或易于过热的合金渗碳钢(如20Mn2、20Mn2B、20Cr等)，渗后缓冷至室温再重新加热至略高于心部Ac3温度淬火，称为一次淬火法。目的在于细化心部晶粒并消除表层网状组织。●二次淬火此法适于性能要求很高的工件，但工艺复杂，成本较高，目前已不多用。●出现的问题及两种减少残余A方法问题：

高淬透性渗碳钢（如20Cr2Ni4、18Cr2Ni4WA）含有较多的合金元素，渗碳后表层C浓度也很高，将导致钢的Ms点大幅度下降，使淬火后在表层产生大量残余A，降低硬度和疲劳强度。措施：

在淬火前进行一次或几次高温回火(高于600℃)，使碳化物从M和残余A中析出，随后的淬火加热选用较低的加热温度，使这些析出的碳化物不再溶入A，Ms点回升，减少淬火后残余A;也可以在淬火后立即进行冷处理(-60～-100℃)，使残余A继续转变为M;也可以同时采用上述两种方法减少残余A。（三）几种重要的渗碳钢●

20Cr

使用较广泛，与相应含C量的碳素渗碳钢相比，有较高的强度和淬透性。渗碳时有晶粒长大的倾向，一般不采用降温直接淬火。用于制造心部强度要求较高、表面承受磨损、截面在30mm以下或形状复杂但负荷不大的渗碳零件，如机床变速箱齿轮、齿轮轴、凸轮、活塞销等。●20MnVB性能较好，淬透性较高（油淬临界直径达27-53mm）。切削加工性、渗碳及热处理工艺性能均良好，高温长时间渗C无晶粒长大现象，渗碳层C浓度梯度平缓，可渗后降温直接淬火。缺点是淬火变形较大，脱碳现象较多。制造尺寸较大、负荷较重零件。如重型机床齿轮和轴、汽车后桥齿轮等。●20CrMnTi油淬临界直径12-30，渗碳热处理后有硬而耐磨的表面与强韧的心部，并具有较高的低温冲击韧度。过热敏感性小，渗碳速度快，过渡层均匀，可降温直接淬火，淬火变形小。可与20MnVB等钢互作代用钢，用于截面小于30mm高速并承受中、重负荷及冲击、摩擦的重要渗碳零件。●

18Cr2Ni4WA高强度、高韧性、高淬透性的高级中合金渗碳钢，油中淬火200mm以下截面可完全淬透，空气中完全淬透直径达110-130mm。渗碳淬火低温回火后表面有高硬度和高耐磨性，心部有很高的强度和韧性，是渗碳钢中力学性能最好的钢种。渗碳后淬火前应先620-660℃高温回火(1至3次)，促使碳化物析出，减少淬火后残余A量，同时改善钢的切削加工性能。用于制造航空发动机和高速柴油机上的重负荷和耐磨零件等第3节调质钢一、调质钢及其组织、性能特点

调质钢：

经调质处理后使用的中碳钢或中碳合金钢。应用领域及工作条件：

机床主轴、汽车拖拉机后桥半轴、柴油机曲轴、连杆等－－工作时负荷经常变动，有时还有冲击，在轴颈或花键等部位还存在较剧烈摩擦。－－要求较高强度(屈服强度和疲劳强度)，局部的耐磨性及较好的韧性。材料及热处理方式：中碳钢调质处理（较渗碳钢强韧性好，综合力学性能好）调质：淬火＋高温回火（500～650℃）→回火索氏体：细晶过饱和F＋均匀弥散粒状碳化物

二、调质钢的化学成分（一）中碳（0.3％-0.5％）C含量过低，弥散强化和固溶强化作用不足，强度下降；C含量过高，损害钢的塑性和韧性。满足强度的条件下，尽可能↓C含量，以↑塑韧性。（二）合金元素的作用1）↑淬透性单独或复合加入锰、铬、镍、钼、硅、硼等。40钢水淬临界直径仅10-15，40CrMnMo、40CrNiMo钢油淬临界直径分别达到60和70。↑淬透性→截面力学性能均匀＋可使用较缓和的介质，↓↓淬火变形开裂2）固溶强化合金元素溶入F形成置换固溶体，硅、锰、镍强化效果最显著。3）防止第二类回火脆性高温回火温度正好处于第二类回火脆温度范围，钢中锰、镍、铬、硅、磷会增大回火脆性倾向。措施：除在回火后快冷外，还可加入抑制第二类回火脆的钼或钨。一般Mo0.2％-0.3％或W0.6％-0.8％，这对于较大截面的调质零件特别有意义。4）细化晶粒加入碳化物形成元素钨、钼、钒、钛，可有效地阻止A晶粒长大，使最终组织细化，提高强韧性。为什么？三、常用调质钢注意牌号，C含量与渗碳钢的区别几种常用调质钢简介1）45钢淬透性低，水淬有形成裂纹倾向，零件直径≥80mm时，调质状态与正火状态力学性能相近，所以只适于中、小型零件。还适于高频或火焰表面淬火，部分代替渗碳钢制造一些耐磨零件。2）40Cr钢最常用的合金调质钢，与45钢相比，具有较高淬透性，调质后有较高的屈服强度、疲劳强度、韧性。450-680℃间回火产生第二类回火脆。淬火＋中温回火：制造承受高负荷、冲击及中等速度工作的机器零件；淬火＋低温回火：制造承受重负荷、低冲击、耐磨，截面厚度≤25零件；调质及高频表面淬火：制造较高表面硬度、耐磨、不受很大冲击的零件；调质及经碳氮共渗，传动、承受重负荷的较大或大截面的机器零件。3）35CrMo钢淬透性比40Cr好，高σs、疲劳强度、αIK、高温蠕变强度、持久强度、低温韧性。属细晶粒钢，且淬火变形小。适于承受重负荷较大或大截面零件。也可在高中频表面淬火或淬火及低、中温回火后使用，用在高负荷的重要机器零件，特别是受冲击、振动、弯曲、扭转负荷的机件；还适用于工作温度较高的锅炉用螺栓、螺母等。4）40CrNiMoA钢高强度、高韧性和良好的淬透性。一般经调质后使用，制作要求强度高、韧性好及大尺寸的重要零件；也可以用于工作温度超过400℃的转子轴和叶片等；此外还可进行渗氮处理制成有特殊性能的重要零件。四、调质钢的热处理

1.预先热处理调质钢热加工后可能为F和细片P，也可能出现M。前者加热至Ac3以上完全退火(若碳、合金元素含量较低，可用正火代替)，以细化晶粒、减轻带状程度，改善切削加工性能；对于后者应在正火后，再于Ac1以下高温回火，降低硬度，便于切削加工。

2.最终热处理1）淬火因调质钢是亚共析钢，其淬火温度应＞AC3，具体温度由钢的成分确定。淬火介质据钢的淬透性和零件尺寸形状而定，一般都在油中淬火。

2）回火A．高温回火：一般500-650℃，得回火索氏体，获得较高强度、塑性、韧性。注意，对于有第二类回火脆倾向的钢，高温回火后应迅速入水(油)冷却。B．低温回火：当零件要求很高的强度(σb=1600-1800MPa)时，只有适当牺牲塑性，在200-250℃回火，获得中碳回火马氏体组织。3）渗氮如果调质零件还需要高耐磨性、更好的疲劳强度，可在调质后渗氮处理。此时一般选用合金调质钢，广泛使用的是38CrMoAl。五、调质钢的发展动向（自学）第4节弹簧钢一、弹簧钢1.弹簧钢及其组织性能弹簧钢：用于制造各种弹簧的钢种。主要作用：利用其弹性变形吸收冲击能量，减轻机械振动和冲击；储存能量，使机器零件完成规定的动作；性能要求：高弹性极限σe(亦可考虑为屈服强度)、高的疲劳强度、良好的工艺性能（具有一定的塑性以利于成形）、过热敏感性小，不易脱碳等。另外，在高温、易蚀条件下工作的弹簧，还应有良好的耐热性和耐蚀性。热处理及组织：较高碳含量的碳素钢或合金钢→淬火＋中温回火→回火托氏体回火托氏体：微观宏观内应力已大量消除，α相尚未再结晶（仍保持强化状态)，由M分解产生的大量细微碳化物颗粒分布于α基体，弥散强化－－高弹性模量、屈服强度和疲劳强度。2.弹簧钢的化学成分

碳素弹簧钢C含量0.6％-0.9％，接近共析成分；合金弹簧钢C含量0.45％-0.70％（因合金元素作用，共析点C含量↓）

●硅、锰：提高淬透性、强化F基体、提高回火稳定性。

●硅提高σe，含量高易石墨化，并引起加热时脱碳；锰增大钢的过热敏感性。

●少量铬、钼、钨、钒等碳化物形成元素：进一步↑淬透性，防止加热时晶粒长大和脱碳，增加回火稳定性及耐热性。注意牌号写法二、常用弹簧钢1.碳素弹簧钢（65钢）：淬透性差，只用于制造小截面弹簧。2.65Mn：常用，较65钢有较高强度、硬度和淬透性，价格低廉。可制造尺寸稍大的弹簧，如厚度5-15mm承受中等负荷的板弹簧和直径7-20mm的螺旋弹簧及弹簧垫圈、弹簧环等零件。3.硅锰弹簧钢：应用很广，因硅显著↑σe、屈强比、回火稳定性，并能与锰相配合↑淬透性。60Si2Mn，用于制造铁道车辆、汽车拖拉机上承受较大负荷的扁形弹簧和直径为20-25mm螺旋弹簧，油淬即可淬透，使用温度不能超过250℃。4.50CrVA：较高级的弹簧钢，热处理不易过热，无石墨化，回火稳定性很好，适于制作截面＞30mm的高负荷重要弹簧及在＜300℃工作的各种弹簧。5.60CrMnBA：有很好的淬透性（油淬透100-150mm）。适合制作超大型弹簧，如推土机上的迭板弹簧、船舶上的大型螺旋弹簧和大型扭力弹簧。6.30W4Cr2VA：高强度耐热弹簧钢，由于钨、铬、钒的作用，具有良好的室温和高温力学性能，淬透性特别高，回火稳定性甚好。用于制作工作温度在500℃以下的耐热弹簧，如锅炉主安全阀弹簧、汽轮机汽封弹簧片等。弹簧钢除用于制作各类弹簧外，还可用于制造弹性零件，如弹性轴、耐冲击的工模具等。三、弹簧钢的制作及热处理

1.热成形

一般用于大中型和形状复杂弹簧，热成形后淬火和中温回火。工艺：扁钢剪断－－机械加工(倒角钻孔等)－－加热压弯－－淬火中温回火－－喷丸

2.冷成形

适用于小尺寸弹簧，用已强化的弹簧钢丝冷成形后再进行去应力退火。工艺：

已经强化的弹簧钢丝－－绕簧－－去应力退火－－磨端面－－喷丸－－第二次去应力退火－－发蓝。三种强化工艺：

铅浴等温冷拔钢丝；冷拔钢丝；油淬回火钢丝。第5节滚动轴承钢一、工况及性能要求滚动轴承钢：用于制造滚动轴承套圈和滚动体的钢种。工况：轴承旋转时，内套和滚珠发生转动和滚动，承受周期性高压负荷，迅速从零→极大值，又极大值→零，存在着局部应力集中，存在摩擦、冲击，并与水、润滑剂接触，受一定的腐蚀。

其损坏形式主要有套圈和滚珠的疲劳剥落、磨损、破裂、锈蚀等。性能要求：●高的接触疲劳强度和屈服强度。●高而均匀的硬度和耐磨性。●适当的韧性和耐蚀性。采用高碳合金钢。滚动轴承钢还用于制造多种工具和耐磨件。二、化学成分

1.高碳

C含量0.95％-1.15％－－保证了淬硬性，与碳化物形成元素形成高硬度的碳化物，↑硬度和高耐磨性。2.加入铬、硅、锰铬：滚动轴承钢中最常用的元素－－↑淬透性；溶于渗碳体形成较稳定的合金渗碳体(Fe、Cr)3C，并以细小颗粒状均匀分布在基体上，↑耐磨性和接触疲劳强度；↑耐蚀性。控制在1.65％以下，过高会增大碳化物不均匀性。硅、锰：进一步↑钢的淬透性；硅还可↑钢的回火稳定性。三、冶金质量1.钢的纯净度

冶炼过程中带来的夹杂包括：塑性夹杂物（硫化物和塑性的铁锰硅酸盐）、脆性夹杂物（氧化铝、尖晶石类氧化物及氮化物）、点状夹杂物（含钙镁的铝酸盐）●点状、脆性夹杂物与基体弹塑性变形不协调，引起应力集中，易产生微裂纹，↓接触疲劳寿命；●塑性夹杂物易随基体一起塑变，对钢的危害较小。●总之，为了减轻非金属夹杂物对滚动轴承钢性能的危害，不仅要降低钢中夹杂物数量，而且要控制其类型、尺寸、形态和分布，理想的状态是数量少，塑性好，尺寸小，并呈细条均匀分布。轴承由原材料质量引起的失效占65％。因此必须严格控制冶金质量。2.钢的组织均匀性

原始组织中可能有网状碳化物、带状碳化物和液析碳化物。网状碳化物是锻轧后冷却时形成的，退火、淬火、回火都不能完全消除，严重降低钢的力学性能；带状碳化物是钢锭在结晶时产生的枝晶偏析引起，热变形后偏析区被拉长形成的；液析碳化物是在枝晶偏析很严重时，粗大的共晶碳化物从共晶组织中分离出来，并在热加工后形成条带状。这些碳化物使轴承钢的组织和性能不均匀，增加内应力，易形成疲劳裂纹、增加钢淬火变形的倾向等。

降低碳化物不均匀性主要依靠改进冶炼、浇铸、锻轧工艺来解决。四、常用轴承钢及热处理牌号：“G”，Cr后的数字

1.铬轴承钢典型的是GCrl5，制造中小型轴承和部分大型轴承。GCr9SiMn与GCr15SiMn，制造部分大型轴承和部分特大型轴承进一步↑淬透性，Si还↑回火稳定性铬轴承钢的热处理（以GCrl5为例）●预先热处理：球化退火，目的是获得均匀分布的粒状珠光体，为淬火作好组织准备的同时↓硬度（便于切削加工)。退火温度780-800℃。温度过高，未溶碳化物量过少，冷却后得到粗片状P；温度过低，原始片状组织溶解不充分，冷却时碳化物沿原片层析出，或呈细小链状。导致硬度偏高。应尽量提高钢材的锻轧质量，避免原始组织中网状碳化物。