机械制造结构钢

Chapter3机械制造结构钢主要内容调质钢弹簧钢滚动轴承钢渗碳钢氮化钢马氏体结构钢特殊用途钢根本要求：了解各类钢的服役条件、对钢的根本性能要求、化学成分特点和热处理特点；掌握常用调质钢、弹簧钢、渗碳钢、滚动轴承钢等的典型牌号。重点与难点：各类钢的化学成分特点、合金元素的作用、强韧化机制及热处理特点。教学要求Chapter3机械制造结构钢3.0引言Chapter3机械制造结构钢拨叉变速齿轮变速箱3.0引言Chapter3机械制造结构钢齿轮曲轴汽车万向节连杆3.0引言Chapter3机械制造结构钢弹簧拉力弹簧离合器弹簧蝶形弹簧3.0引言板弹簧Chapter3机械制造结构钢滚珠滚珠轴承3.0引言Chapter3机械制造结构钢履带铁轨分道叉破碎机颚板挖掘机斗齿3.0引言Chapter3机械制造结构钢3.0引言Chapter3机器零件用合金结构钢二、机械制造结构钢的服役条件主要是承受拉伸、压缩、扭转、剪切、弯曲、冲击、疲劳、摩擦等力的作用，或者是它们中的多种载荷的交互作用。服役环境是大气、水和润滑油，温度在-50℃~+100℃范围之间。机器零件要求结构紧凑、运转快速准确以及零件间有适宜的公差配合等。由此便决定机器零件用钢在性能上要求与工程构件用钢有所不同。3.0引言Chapter3机械制造结构钢3.0引言Chapter3机械制造结构钢对钢材的其它工艺性能〔如冶炼性能、浇注性能、可锻性能等〕也有要求，但一般问题不大。机器零件用钢通常以力学性能为主，工艺性能为辅。3.0引言Chapter3机械制造结构钢3.1调质钢Chapter3机械制造结构钢一、调质钢的化学成分特点碳中碳，碳含量一般在0.3%~0.5%；钢中的碳保证有足够多的碳化物体积分数以获得高的强度。碳含量过低时，淬硬性不够；碳含量过高那么韧性下降。3.1调质钢Chapter3机械制造结构钢2.合金元素

主加合金元素：Cr、Mn、Si、Ni；辅加合金元素：Mo、W、V、Ti、Al、B等。重要的调质钢，一般都含有多种合金元素。

合金元素SiMnCrNi含量范围(wt%)0.6-1.40.8-1.80.8-1.71.0-4.5合金元素MoVWTiAlB含量范围(wt%).0.1-0.50.05-0.20.6-1.20.05-0.10.5-1.2<0.004

Chapter3机械制造结构钢3.1调质钢Chapter3机械制造结构钢3.1调质钢二、对调质钢的淬透性要求Chapter3机械制造结构钢3.1调质钢3.1调质钢Chapter3机械制造结构钢Chapter3机械制造结构钢3.1调质钢3.1调质钢Chapter3机械制造结构钢四、调质钢的合金元素与机械性能

Chapter3机械制造结构钢3.1调质钢Chapter3机械制造结构钢3.1调质钢3.1调质钢Chapter3机械制造结构钢处理条件冷却方式室温冲击值

（J/cm2）40CrNi钢820℃淬火650℃回火炉冷9.640CrNi钢820℃淬火650℃回火空冷2440CrNi钢820℃淬火650℃回火油冷6140CrNi钢820℃淬火650℃回火水冷763.1调质钢Chapter3机械制造结构钢表3-13.1调质钢Chapter3机械制造结构钢3.1调质钢Chapter3机械制造结构钢五、常用调质钢的成分、热处理、

机械性能和用途

表3-2常用调质钢的成分和用途

钢号主要化学成分（%）用途CMnSiCrNiMo450.42-0.500.50-0.800.17-0.37

主轴、齿轮40Cr0.37-0.450.50-0.800.20-0.400.80-1.10

重要轴类、重要齿轮30CrMnSi0.27-0.340.80-1.100.90-1.200.80-1.10

高速轮轴40CrNiMo0.37-0.440.50-0.800.20-0.400.80-0.901.25-1.750.15-

0.25航空发动机机轴Chapter3机械制造结构钢3.1调质钢表3-3常用调质钢的热处理和机械性能钢号热处理机械性能淬火℃回火℃毛坯尺寸mmσb

MPaσsMPaδ5%Ψ%αk

J.cm45850水600空≤10≥650≥350≥17≥38≥4540Cr850油500油≤25≥1000≥800≥9≥45≥6030CrMnSi880油520油≤25≥1100≥900≥10≥45≥5040CrNiMo850油600油≤30≥1100≥900≥12≥55≥100Chapter3机械制造结构钢3.1调质钢典型调质钢及其应用：合金调质钢的钢种很多，按淬透性的上下可分为低、中、高淬透性三类。低淬透性合金调质钢：其油淬临界直径最大为30mm~40mm。典型钢种是40Cr、40CrV、40MnB、40MnV、38CrSi、40MnVB等。这类钢的淬透性较低，通常只用于制造一般尺寸的重要零件。40MnB、40MnVB是为节约Cr而开展的代用钢，40MnB的淬透性稳定性较差，切削加工性能也差一些。3.1调质钢Chapter3机械制造结构钢连

杆

3.1调质钢轴

Chapter3机械制造结构钢中淬透性合金调质钢：其油淬临界直径最大为40mm~60mm。典型钢种是35CrMo、40CrMn、40CrNi、30CrMnSi等。这类钢含有较多的合金元素。主要用于制造截面较大的零件，例如曲轴、连杆等。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。

3.1调质钢Chapter3机械制造结构钢电气机车大轴

磨床主轴

3.1调质钢Chapter3机械制造结构钢汽轮机转子

汽轮机转子〔AETC公司〕3.1调质钢叶轮、转子

3.1调质钢高淬透性合金调质钢：其油淬临界直径最大为60mm~100mm。典型钢种是37CrNi3A、40CrMnMo、40CrNiMoA、25Cr2Ni4WA等。这类钢多半是铬镍钢，较多的Cr和Ni的适当配合可大大提高钢的淬透性，并获得优良的机械性能。40CrNiMoA钢主要用于制造大截面、重载荷的重要零件，如航空发动机轴、汽轮机主轴、叶轮等。

3.1调质钢Chapter3机械制造结构钢3.1调质钢某军舰汽轮机主轴

3.1调质钢Chapter3机械制造结构钢3.2弹簧钢Chapter3机械制造结构钢一、弹簧的工作条件弹簧的主要作用是吸收冲击能量，缓和机器的振动和冲击作用，或储存能量使机件完成事先规定的动作，保证机器和仪表的正常工作。弹簧按其外形可分为板弹簧和螺旋弹簧。板弹簧主要用于机车、汽车、拖拉机上，起着车轮和车架之间联结的作用。受力那么以反复弯曲应力为主。提高板簧的使用寿命主要提高其疲劳强度。螺旋弹簧不管是受压或受拉，其承受的应力主要是扭转应力。螺旋弹簧的主要破坏方式是疲劳。3.2弹簧钢Chapter3机械制造结构钢二、对弹簧的性能要求1具有高的强度极限，特别是弹性极限σe，还要求有高的屈强比σs/σb，以提高强度的利用率。2具有高的疲劳极限。3具有良好的外表状态疲劳性能对于外表状态很敏感。所以要求弹簧钢的外表不应有裂纹、折叠、斑疤、发裂、气泡、夹杂和压入的氧物铁皮等，这就要求注意冶金质量，在加热处理过程中，尽量预防外表缺陷和减轻外表脱碳。采用喷丸处理可显著改善弹簧的外表状态，大大提高弹簧的使用寿命。4具有较好的工艺性能具有一定的塑性和淬透性，过热敏感性要小，不易脱碳。弹簧用钢在卷成型以前要有一定的塑性，以便于成型。Chapter3机械制造结构钢3.2弹簧钢三、弹簧钢的化学成分特点1碳含量碳素弹簧钢的碳含量一般为0.8%~0.9%，合金弹簧钢的碳含量为0.45%~0.7%。碳含量过低，达不到高强度的要求；碳含量过高，钢的脆性很大。3.2弹簧钢Chapter3机械制造结构钢3.2弹簧钢Chapter3机械制造结构钢3参加Cr、W、V、Nb克服硅锰弹簧钢的缺乏Cr、W、V、Nb为碳化物形成元素，它们可以防止过热〔细化晶粒〕和脱碳，从而保证重要用途弹簧具有高的弹性极限和屈服极限。4弹簧钢的纯度对疲劳强度有很大影响，因此，弹簧钢均为优质钢〔P≤0.04%，S≤0.04%〕或高级优质钢〔P≤0.035%，P≤0.035%〕。3.2弹簧钢Chapter3机械制造结构钢Chapter3机械制造结构钢3.2弹簧钢3.2弹簧钢Chapter3机械制造结构钢3.2弹簧钢Chapter3机械制造结构钢Chapter3机械制造结构钢3.2弹簧钢各式汽车板簧

各类汽车用变截面钢板弹簧12/14/16Ton车轴用钢板弹簧50CrV这类钢可用于制造350℃-400℃下承受重载的大型弹簧，如阀门弹簧、高速柴油机的汽门弹簧等。Cr和V的复合参加，不仅提高弹簧钢的淬透性，而且有较高的高温强度、韧性和较好的热处理工艺性能。表3-4常用弹簧钢的化学成分和用途。表3-5常用弹簧钢的热处理和力学性能。Chapter3机械制造结构钢3.2弹簧钢表3-4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Chapter3机械制造结构钢3.2弹簧钢表3-5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

MPaσ0。2

MPaδ10

%ψ

%75820480108088073065Mn83048098078083060Si2Mn8704601270118052555SiMnMoV880520-580≥1370≥1270≥7≥3550CrV850520127010801045Chapter3机械制造结构钢3.2弹簧钢一、滚动轴承的工作条件滚动轴承的作用是支撑轴。滚动轴承通常由内套、外套、滚动体〔如滚珠、滚轮、滚针〕和保持架四局部组成。其中除保持架用低碳钢〔08钢〕薄板冲制而成，其余三个局部均由轴承钢制造。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。3.3滚动轴承钢3.3滚动轴承钢Chapter3机械制造结构钢滚动体与套圈之间不但有滚动摩擦，而且有滑动摩擦，有时在强大的冲击载荷作用下，轴承也可能产生破碎；对在特殊条件条件下工作的轴承，常与大气、水蒸气及腐蚀介质相接触，进而产生腐蚀。滚动轴承损坏的正常形式是：疲劳剥落，即接触疲劳破坏。3.3滚动轴承钢Chapter3机械制造结构钢二、滚动轴承的性能要求1高的淬硬性和必要的淬透性；2高的耐磨性；3高的接触疲劳性能；4高的弹性极限和一定的冲击韧性；5尺寸要精确而经久稳定；6一定的抗腐蚀能力；7良好的工艺性能。Chapter3机械制造结构钢3.3滚动轴承钢三、滚动轴承钢的化学成分特点1高碳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。一局部存在于马氏体基体中以强化马氏体；另一局部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。3.3滚动轴承钢Chapter3机械制造结构钢3.4滚动轴承钢Chapter3机械制造结构钢当铬含量高于1.65%以后，那么会使剩余奥氏体增加，使钢的硬度和尺寸稳定性降低，同时还会增加碳化物的不均匀性，降低钢的韧性。3参加硅、锰、钒等以进一步提高淬透性。大型轴承用钢中还需参加更多的合金元素以提高淬透性，通常参加Mn、Si提高淬透性，适量的Si〔0.40%~0.60%〕还能明显地提高钢的强度和弹性极限；3.4滚动轴承钢Chapter3机械制造结构钢3.3滚动轴承钢Chapter3机械制造结构钢四、滚动轴承钢的原始组织要求

1原始组织必须无缩孔，皮下气泡、白点和过烧；2严格控制非金属夹杂物；3严格控制疏松级别；4改善碳化物不均匀性〔网状、带状和液析〕。Chapter3机械制造结构钢3.3滚动轴承钢3.3滚动轴承钢Chapter3机械制造结构钢Chapter3机械制造结构钢3.3滚动轴承钢3.3滚动轴承钢Chapter3机械制造结构钢3.3滚动轴承钢Chapter3机械制造结构钢Chapter3机械制造结构钢3.3滚动轴承钢3.3滚动轴承钢Chapter3机械制造结构钢3.3滚动轴承钢Chapter3机械制造结构钢六、滚动轴承钢的应用实例3.3滚动轴承钢1常用轴承钢根据其合金元素的种类分为两类：铬轴承钢典型代表是GCr15，使用量占轴承钢的绝大局部。由于淬透性不是很高，因此多用于制造中小型轴承。Chapter3机械制造结构钢添加Mn、Si、Mo、V的轴承钢。在铬轴承钢中参加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，可以参加Mo、V，得到不含铬的轴承钢，如GSiMnMoV、GSiMnMoVRE钢等，其性能和用途与GCr15相近。3.3滚动轴承钢Chapter3机械制造结构钢特大型轴承大型圆锥滚子轴承

离合器别离轴承各类标准轴承

四列圆锥滚子轴承

轮毂轴承

3.3滚动轴承钢Chapter3机械制造结构钢3.3滚动轴承钢Chapter3机械制造结构钢必须指出的是高碳铬轴承钢也可用于制造精密量具、冷冲模、机床丝杠等耐磨件。滚珠丝杠副

丝杠3.3滚动轴承钢Chapter3机械制造结构钢2其它类型的轴承钢渗碳轴承钢：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，不仅要求其外表硬度高、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〞。3.3滚动轴承钢Chapter3机械制造结构钢3.3滚动轴承钢Chapter3机械制造结构钢高碳铬不锈轴承钢和高温轴承钢，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。3.3滚动轴承钢Chapter3机械制造结构钢水下轴承

外球面轴承

3.3滚动轴承钢Chapter3机械制造结构钢3.3滚动轴承钢Chapter3机械制造结构钢超高温轴承高温、耐腐蚀、自润滑轴承3.3滚动轴承钢Chapter3机械制造结构钢3.3滚动轴承钢Chapter3机械制造结构钢3.4渗碳钢Chapter3机械制造结构钢一、渗碳钢的服役条件及对性能要求有一些机器零件，在工作时零件整体受到周期性变化的扭转或弯曲力的作用，并且零件与零件外表之间还有相对的摩擦，并有高的接触应力。这些零件对材料的机械性能要求：(1)外表具有高的弯曲、接触疲劳强度和高的耐磨性。(2)心部具有高强度和韧性。Chapter3机械制造结构钢3.4渗碳钢二、渗碳钢的化学成分特点1低碳一般在0.12%~0.25%。主要目的是为了保证心部有良好的韧性。2合金化常参加的合金元素有Mn、Cr、Ni、Mo、W、Si、V、Ti、B等。〔1〕提高钢材的淬透性，提高机件的强度和韧性；V、Ti可以细化奥氏体晶粒。3.4渗碳钢Chapter3机械制造结构钢〔2〕根据渗碳工艺碳化物形成元素对渗碳的作用：〔a〕增大钢外表吸收碳原子的能力；〔b〕增大渗碳层外表碳浓度；〔c〕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。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。Chapter3机械制造结构钢3.4渗碳钢非碳化物形成元素对渗碳的作用与碳化物形成元素相反：总的效果是镍、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，造成外表脆性。所以合金元素的含量要适当。锰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。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。Chapter3机械制造结构钢3.4渗碳钢图3-2沿钢的渗碳层深度，碳的浓度分布1-碳钢2-以碳化物元素合金化的钢3-以非碳化物元素合金化的钢

3.1合金渗碳钢Chapter3机械制造结构钢图3-3925℃渗碳时，合金元素对渗碳层深度的影响

3.1合金渗碳钢Chapter3机械制造结构钢三、渗碳钢的热处理特点1预先热处理合金渗碳钢零件，在机械加工前的预先热处理通常分两步进行。3.4渗碳钢第二步：Chapter3机械制造结构钢3.4渗碳钢Chapter3机械制造结构钢2最终热处理〔1〕渗碳在机械加工到只留有磨削余量时，进行渗碳处理。3.4渗碳钢Chapter3机械制造结构钢渗碳零件的渗碳过程大都是在910～930℃温度进行的。钢外表的固溶碳极限是由奥氏体在渗碳温度时对碳的饱和溶解度决定的。如超过碳在奥氏体中的极限溶解度，在外表层中就会出现碳化物。渗碳扩散层的厚度决定于：〔1〕碳在奥氏体中的极限溶解度；〔2〕碳在奥氏体中的扩散速度；〔3〕扩散的时间。Chapter3机械制造结构钢3.4渗碳钢3.4渗碳钢图3-420CrMnTi钢齿轮的热处理标准采用这种工艺的零件通常只要求外表高硬度和耐磨性，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。Chapter3机械制造结构钢3.4渗碳钢Chapter3机械制造结构钢3.4渗碳钢Chapter3机械制造结构钢3.4渗碳钢Chapter3机械制造结构钢3.4渗碳钢Chapter3机械制造结构钢3.4渗碳钢Chapter3机械制造结构钢3.4渗碳钢这类热处理工艺主要用于航空发动机齿轮的热处理。航空发动机齿轮(可达GB10095-884级)Chapter3机械制造结构钢四、典型渗碳钢及其应用碳素渗碳钢：15、20合金渗碳钢按淬透性的上下可分为：〔1〕低淬透性合金渗碳钢20Cr、20Mn2等。〔2〕中淬透性合金渗碳钢20CrMnTi、20Mn2TiB、20MnVB等。〔3〕高淬透性合金渗碳钢12Cr2Ni4A、15CrMn2SiMo、18Cr2Ni4WA、20Cr2Ni4A等。3.4渗碳钢Chapter3机械制造结构钢3.4渗碳钢碳素钢

＋Mn＋Cr

＋Ni20Cr-850-550-10-40-60淬油临界直径15~20mm

13Ni2A、21Ni3A价昂，已不应用＋MnV

＋CrMo

15CrMo、20CrMo-1000-800-12-50-80

＋CrNi

＋CrMnTi

＋CrMnMo

＋CrNiMo＋CrNiW

＋CrMn

20CrMn-950-750-10-45-60淬油临界直径20~25mm

Chapter3机械制造结构钢低淬透性合金渗碳钢抗拉强度通常为800~1000MN/m2。典型钢种是20Cr、20Mn2等。这类钢通常只用于制造受冲击载荷较小的，且对于心部要求不高的小型渗碳件，如小齿轮、活塞销、套筒、链条等。

中淬透性合金渗碳钢抗拉强度通常为1000~1200MN/m2。典型钢种是20CrMnTi、20Mn2TiB、20MnVB等。3.4渗碳钢Chapter3机械制造结构钢3.4渗碳钢Chapter3机械制造结构钢20Mn2TiB、20MnVB是为节约Cr而开展的代用钢，它们的缺点是淬透性不够稳定，热处理变形稍大且缺乏规律。3.1合金渗碳钢Chapter3机械制造结构钢3.4渗碳钢Chapter3机械制造结构钢3.4渗碳钢Chapter3机械制造结构钢3.4渗碳钢Chapter3机械制造结构钢第三，在渗碳后进行喷丸强化，也可以有效地使渗层中的剩余奥氏体转变为马氏体。渗碳钢还可以用来制造轴承。3.4渗碳钢本溪钢铁集团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G20Cr2Ni4AChapter3机械制造结构钢表3-7典型渗碳钢的成分钢号主要化学成分（%）CMnSiCrTiNi150.12-0.190.35-0.650.17-0.3720Cr0.17-0.240.50-0.800.20-0.400.70-1.0020CrMnTi0.17-0.240.80-1.100.20-0.401.00-1.300.06-0.1220Cr2Ni40.17-0.240.30-0.600.20-0.401.25-1.753.25-3.75Chapter3机械制造结构钢3.4渗碳钢表3-8典型渗碳钢的热处理和机械性能钢号热处理（℃）机械性能渗碳预备处理淬火回火σb

MPaσs

MPaδ

%ψ

%αk

J.cm15930890空790200≥500≥300≥15≥1520Cr930880油800200≥850≥550≥10≥40≥6020CrMnTi930880油870200≥1100≥850≥10≥45≥7020Cr2Ni4930880油780200≥1200≥1100≥10≥45≥80Chapter3机械制造结构钢3.4渗碳钢最后应该指出的是，目前碳氮共渗用钢大多沿用如上所述的渗碳钢，但对碳氮共渗钢而言还要更加注意外表剩余奥氏体含量以及力求使碳和氮原子同时渗入等问题。通常碳氮共渗用钢常参加Cr、Mo、B等元素而不用Ni合金化，对Mn的含量也宜加以限制。为了提高碳氮共渗温度而不降低氮的浓度，可参加Al0.2%，Al能促进氮的渗入，并使碳氮共渗温度提高到875℃~880℃。典型的钢号为20Cr2MoAlB。3.4渗碳钢Chapter3机械制造结构钢3.5氮化钢Chapter3机械制造结构钢对于一些要求疲劳强度高、耐磨性好、尺寸精度高的机器零件，如镗床、磨床的主轴、主轴套筒、蜗杆、柴油机上的曲轴等，往往采用氮化处理。氮化是用氮饱和钢的外表的工艺过程。Chapter3机械制造结构钢3.5氮化钢一、氮化钢的特点1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