第八章_調(diào)制鋼

1、1Chapter 5 機(jī)械制造結(jié)構(gòu)鋼機(jī)械制造結(jié)構(gòu)鋼 2主主 要要 內(nèi)內(nèi) 容容 調(diào)質(zhì)鋼 彈簧鋼 滾動軸承鋼 滲碳鋼 氮化鋼3基本要求： l了解各類鋼的服役條件、對鋼的基本性能要了解各類鋼的服役條件、對鋼的基本性能要求、化學(xué)成分特點(diǎn)和熱處理特點(diǎn)；求、化學(xué)成分特點(diǎn)和熱處理特點(diǎn)； l掌握常用調(diào)質(zhì)鋼、彈簧鋼、滲碳鋼、滾動軸掌握常用調(diào)質(zhì)鋼、彈簧鋼、滲碳鋼、滾動軸承鋼等的典型牌號。承鋼等的典型牌號。 重點(diǎn)與難點(diǎn)：l各類鋼的化學(xué)成分特點(diǎn)、合金元素的作用、各類鋼的化學(xué)成分特點(diǎn)、合金元素的作用、強(qiáng)韌化機(jī)制及熱處理特點(diǎn)。強(qiáng)韌化機(jī)制及熱處理特點(diǎn)。 教學(xué)要求教學(xué)要求Chapter 5 機(jī)械制造結(jié)構(gòu)鋼機(jī)械制造結(jié)構(gòu)鋼4 一

2、、應(yīng)用背景 機(jī)械制造結(jié)構(gòu)鋼機(jī)械制造結(jié)構(gòu)鋼也稱也稱機(jī)器零件用鋼機(jī)器零件用鋼，是在優(yōu)，是在優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，用于制質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，用于制造各種機(jī)械零件所用的鋼種，故此得名。造各種機(jī)械零件所用的鋼種，故此得名。 如各種齒輪零件、軸（桿）類零件、彈簧、如各種齒輪零件、軸（桿）類零件、彈簧、軸承及高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)件等。廣泛應(yīng)用在汽車、軸承及高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)件等。廣泛應(yīng)用在汽車、拖拉機(jī)、機(jī)床、工程機(jī)械、電站設(shè)備、飛機(jī)拖拉機(jī)、機(jī)床、工程機(jī)械、電站設(shè)備、飛機(jī)及火箭等裝置上。及火箭等裝置上。 5.0 引言引言Chapter 5 機(jī)械制造結(jié)構(gòu)鋼機(jī)械制造結(jié)構(gòu)鋼5撥叉撥叉變速齒輪變速齒輪變速箱變速

3、箱5.0 引言引言Chapter 5 機(jī)械制造結(jié)構(gòu)鋼機(jī)械制造結(jié)構(gòu)鋼6齒輪齒輪曲軸曲軸汽車萬向節(jié)汽車萬向節(jié)連桿連桿3.0 引言引言Chapter 3 機(jī)械制造結(jié)構(gòu)鋼機(jī)械制造結(jié)構(gòu)鋼7彈簧彈簧拉力彈簧拉力彈簧離合器彈簧離合器彈簧蝶形彈簧蝶形彈簧3.0 引言引言板彈簧板彈簧Chapter 3 機(jī)械制造結(jié)構(gòu)鋼機(jī)械制造結(jié)構(gòu)鋼8滾珠滾珠滾珠軸承滾珠軸承5.0 引言引言Chapter 3 機(jī)械制造結(jié)構(gòu)鋼機(jī)械制造結(jié)構(gòu)鋼9履帶履帶鐵軌分道叉鐵軌分道叉破碎機(jī)顎板破碎機(jī)顎板挖掘機(jī)斗齒挖掘機(jī)斗齒5.0 引言引言Chapter 3 機(jī)械制造結(jié)構(gòu)鋼機(jī)械制造結(jié)構(gòu)鋼103.0 引言引言Chapter 3 機(jī)器零件用合金結(jié)構(gòu)鋼機(jī)

4、器零件用合金結(jié)構(gòu)鋼 二、機(jī)械制造結(jié)構(gòu)鋼的服役條件 主要是承受拉伸、壓縮、扭轉(zhuǎn)、剪切、主要是承受拉伸、壓縮、扭轉(zhuǎn)、剪切、彎曲、沖擊、疲勞、摩擦等力的作用，彎曲、沖擊、疲勞、摩擦等力的作用，或者是它們中的多種載荷的交互作用。或者是它們中的多種載荷的交互作用。服役環(huán)境是大氣、水和潤滑油，溫度在服役環(huán)境是大氣、水和潤滑油，溫度在-50+100范圍之間。范圍之間。 機(jī)器零件要求結(jié)構(gòu)緊湊、運(yùn)轉(zhuǎn)快速準(zhǔn)確機(jī)器零件要求結(jié)構(gòu)緊湊、運(yùn)轉(zhuǎn)快速準(zhǔn)確以及零件間有合適的公差配合等。由此以及零件間有合適的公差配合等。由此便決定機(jī)器零件用鋼在性能上要求與工便決定機(jī)器零件用鋼在性能上要求與工程構(gòu)件用鋼有所不同。程構(gòu)件用鋼有所不同

5、。5.0 引言引言Chapter 5 機(jī)械制造結(jié)構(gòu)鋼機(jī)械制造結(jié)構(gòu)鋼11 三、機(jī)器零件用鋼對力學(xué)性能要求 要求強(qiáng)度和韌性以保證機(jī)器零件體積小、要求強(qiáng)度和韌性以保證機(jī)器零件體積小、結(jié)構(gòu)緊湊及安全性好；結(jié)構(gòu)緊湊及安全性好； 要求有良好的疲勞性能與耐磨性等。要求有良好的疲勞性能與耐磨性等。 l因此對機(jī)器零件用鋼必須進(jìn)行熱處理強(qiáng)化因此對機(jī)器零件用鋼必須進(jìn)行熱處理強(qiáng)化以充分發(fā)揮鋼材的性能潛力，所以機(jī)器零以充分發(fā)揮鋼材的性能潛力，所以機(jī)器零件用鋼的使用狀態(tài)通常為件用鋼的使用狀態(tài)通常為淬火加回火態(tài)淬火加回火態(tài)，即強(qiáng)化態(tài)。即強(qiáng)化態(tài)。5.0 引言引言Chapter 5 機(jī)械制造結(jié)構(gòu)鋼機(jī)械制造結(jié)構(gòu)鋼12對鋼材的其它

6、工藝性能（如冶煉性能、對鋼材的其它工藝性能（如冶煉性能、澆注性能、可鍛性能等）也有要求，但澆注性能、可鍛性能等）也有要求，但一般問題不大。一般問題不大。 機(jī)器零件用鋼通常機(jī)器零件用鋼通常以力學(xué)性能為主，工藝以力學(xué)性能為主，工藝性能為輔性能為輔。 5.0 引言引言Chapter 3 機(jī)械制造結(jié)構(gòu)鋼機(jī)械制造結(jié)構(gòu)鋼13調(diào)質(zhì)鋼調(diào)質(zhì)鋼1調(diào)質(zhì)鋼的基本特點(diǎn)： 具有中等的碳含量； 熱處理工藝為：淬火500650高溫回火； 具有良好的強(qiáng)度、塑性及韌性配合。2. 調(diào)質(zhì)鋼的合金化及熱處理的主要原則： 保證鋼具有必需的淬透性，使零件在淬火后具有足夠厚的馬氏體層； 鋼在高溫回火后能獲得預(yù)期的綜合機(jī)械性能。143.3.調(diào)

7、質(zhì)鋼的化學(xué)成分：調(diào)質(zhì)鋼的化學(xué)成分：碳含量一般在0.30.5%之間； 主加合金元素： 輔加合金元素： 重要的調(diào)質(zhì)鋼一般都含有多種合金元素。 鋼合金元素 SiMnCrNi含量范圍(wt%) 0.6-1.4 0.8-1.80.8-1.71.0-4.5合金元素 MoVWTiAlBMin.(wt%)Max. 0.10.50.050.20.61.20.050.10.51.20.004154.4.調(diào)質(zhì)鋼的組織：調(diào)質(zhì)鋼的組織：調(diào)質(zhì)鋼經(jīng)淬火高溫回火后的金相組織是回火索氏體（多邊形鐵素體粒狀碳化物）。16二、對調(diào)質(zhì)鋼淬透性的要求：二、對調(diào)質(zhì)鋼淬透性的要求：調(diào)質(zhì)零件上馬氏體層的厚度應(yīng)根據(jù)零件在工作時(shí)經(jīng)受應(yīng)力的類型及

8、大小來確定，并據(jù)此來確定對淬透性的要求。例如：某些軸類零件，它們承受彎曲應(yīng)力，表面受到最大的張應(yīng)力，隨著離表面距離的增大，應(yīng)力逐漸減小，所以只要求在淬火后軸的1/2半徑處達(dá)到80馬氏體即可。典型的鋼種40，40Cr，42CrMo的淬透性曲線見圖7-1-2。圖7-1-2 典型的鋼種40, 40Cr, 42CrMo的淬透性曲線(括號內(nèi)是淬火加熱溫度)17三、調(diào)質(zhì)鋼的合金元素與機(jī)械性能三、調(diào)質(zhì)鋼的合金元素與機(jī)械性能1.調(diào)質(zhì)鋼的硬度馬氏體經(jīng)高溫回火后的金相組織是回火索氏體（多邊形的鐵素體粒狀碳化物）?；鼗鹚魇象w的硬度取決于鐵素體的硬度和碳化物的彌散強(qiáng)化作用，并可用下式表示：H=HFS式中：H為鋼高溫回

9、火后的硬度；HF為鐵素體的硬度；為碳化物的強(qiáng)化系數(shù)；S為碳化物顆粒的總表面積。上式說明：鐵素體的晶粒大小，合金元素在鐵素體中的固溶程度，碳化物的數(shù)量和碳化物的彌散程度與調(diào)質(zhì)鋼的硬度有著密切的關(guān)系。 18例 1：高溫回火后Si、Mn、Ni等元素固溶在鐵素體中，提高了調(diào)質(zhì)后的硬度。見圖7-1-3。圖7-1-3 Si對調(diào)質(zhì)鋼回火后硬度的影響19例 2：Cr、Mo、W、V等元素阻止?jié)B碳體在高溫回火時(shí)的長大，增加了碳化物顆粒的總表面積，使鋼在高溫回火后，保持較高的硬度。見圖7-1-4。圖7-1-4 Cr、Mo等對調(diào)質(zhì)鋼回火后硬度的影響202.2.回火溫度與調(diào)質(zhì)鋼綜合機(jī)械性能的關(guān)系：回火溫度與調(diào)質(zhì)鋼綜合機(jī)

10、械性能的關(guān)系：當(dāng)調(diào)質(zhì)鋼淬火成馬氏體，在450650溫度范圍內(nèi)回火時(shí)，隨著回火溫度的升高，硬度、抗拉強(qiáng)度，屈服強(qiáng)度等不斷降低，而延伸率、斷面收縮率及沖擊韌性等不斷上升。見圖7-1-5：圖7-1-5 40Cr鋼淬火并回火后的機(jī)械性能變化趨勢213.3.調(diào)質(zhì)鋼在高溫回火后的韌性調(diào)質(zhì)鋼在高溫回火后的韌性(1)(1)調(diào)質(zhì)工藝與鋼的韌性調(diào)質(zhì)工藝與鋼的韌性對同一化學(xué)成分的鋼，淬火后經(jīng)不同溫度的回火，可以得到一系列不同等級的強(qiáng)度值。鋼調(diào)質(zhì)后的強(qiáng)度越高，其常溫的沖擊韌性越低。見圖7-1-6。圖7-1-6 含0.45%碳的Cr-Mo-V鋼，處理到不同強(qiáng)度后的沖擊韌性 22(2)(2)合金元素與調(diào)質(zhì)鋼的韌性合金元素

11、與調(diào)質(zhì)鋼的韌性碳：是降低調(diào)質(zhì)鋼沖擊韌性的元素，見圖7-1-7：圖7-1-7 碳與調(diào)質(zhì)鋼的沖擊韌性23碳：在保證鋼調(diào)質(zhì)后的硬度及強(qiáng)度的前提下，應(yīng)把鋼中碳含量限制在較低的范圍內(nèi)。對于重要的零件，一般選用高淬透性的低碳合金鋼。磷：對鋼的沖擊韌性危害甚大。它提高脆性轉(zhuǎn)化溫度，降低沖擊值，因此在高級優(yōu)質(zhì)鋼中的含磷量限制在0.035%，為了進(jìn)一步改善鋼的韌性，甚至應(yīng)把含磷量降低到0.02%以下。錳：調(diào)質(zhì)鋼中加入2%的錳后，鋼的沖擊韌性有所改善，但含錳量超過2后，鋼的脆性轉(zhuǎn)化溫度反而升高，沖擊韌性惡化。鎳：可改善鋼的沖擊韌性，使脆性轉(zhuǎn)化溫度不斷下降。24(3)(3)調(diào)質(zhì)鋼的高溫回火脆性調(diào)質(zhì)鋼的高溫回火脆性回

12、火脆性與冷卻速度關(guān)系：回火脆性與冷卻速度關(guān)系：某些調(diào)質(zhì)鋼在高溫回火并以不同速度冷卻后，緩慢冷卻試樣的沖擊韌性明顯低于快速冷卻的試樣，見下表7-1：表7-1-1 一種Cr-Ni鋼經(jīng)650回火并以不同速度冷卻后的沖擊值處理?xiàng)l件 冷卻方式 室溫沖擊值（J/cm2） 40CrNi鋼820淬火650回火 爐冷 9.6 40CrNi鋼820淬火650回火 空冷 24 40CrNi鋼820淬火650回火 油冷 61 40CrNi鋼820淬火650回火 水冷 76 25回火脆性與回火保溫時(shí)間的關(guān)系回火脆性與回火保溫時(shí)間的關(guān)系: :高溫回火脆化現(xiàn)象還表現(xiàn)在鋼的脆性轉(zhuǎn)化溫度的升高。在高溫回火溫度范圍內(nèi)保溫時(shí)間與發(fā)

13、生回火脆化程度的關(guān)系如圖7-1-8所示。圖7-1-8高溫回火保溫時(shí)間與回火脆化程度示意圖26圖中，曲線上的溫度表示著沖擊試驗(yàn)時(shí)鋼的脆性轉(zhuǎn)化溫度，這個(gè)溫度越高，表明鋼感受的回火脆化的程度越嚴(yán)重；每條曲線代表在不同溫度保溫產(chǎn)生脆化程度所需的時(shí)間，在500550之間回火發(fā)生得最快；隨著保溫時(shí)間的延長，脆化程度曲線上的溫度越來越高。在600以上溫度回火，雖然在回火溫度內(nèi)沒有回火脆性現(xiàn)象，但回火以后緩慢冷卻，也會產(chǎn)生脆化，而回火以后快速冷卻，則可避免回火脆性。27 避免或減輕回火脆性的措施：避免或減輕回火脆性的措施：a.避免在易發(fā)生高溫回火脆性的溫度范圍內(nèi)回火；b.盡可能縮短在回火脆性溫度內(nèi)的回火時(shí)間；

14、c.回火后用快冷的工藝方法；d.采用含鉬鋼種，并盡可能降低鋼中的磷、錫、銻含量；e.對已感受回火脆性的鋼，用重新加熱到650后快冷的方法來恢復(fù)。28四、未淬透的調(diào)質(zhì)鋼的性能比較：四、未淬透的調(diào)質(zhì)鋼的性能比較： 以上討論的都是鋼淬透成全馬氏體組織，經(jīng)調(diào)質(zhì)后的機(jī)械性能。如果鋼在淬火時(shí)沒有淬透，工件在調(diào)質(zhì)后的性能將有很大的不同。淬透成全馬氏體的鋼與未淬透的鋼提高調(diào)節(jié)回火溫度的高低可達(dá)到兩者具有相同的硬度或相同的抗拉強(qiáng)度，但是這兩者的屈服強(qiáng)度、斷面收縮率、沖擊韌性、疲勞強(qiáng)度等因原始金相組織的不同而有明顯的差別。見圖7-1-9和圖7-1-10： 29圖7-1-9金相組織與調(diào)質(zhì)鋼的疲勞強(qiáng)度30圖7-1-1

15、0 金相組織對鋼的沖擊韌性的影響31五、調(diào)質(zhì)鋼的熱處理特點(diǎn)：五、調(diào)質(zhì)鋼的熱處理特點(diǎn)：1.1.預(yù)備熱處理：預(yù)備熱處理：為了便于切削加工和改善鋼件因熱加工不當(dāng)而造成的粗晶組織和帶狀組織，需要進(jìn)行預(yù)備熱處理。合金含量較少的鋼在軋制和鍛造后的組織多半是珠光體，對此類鋼一般采用在AC3線以上加熱進(jìn)行正火。而合金含量較多的鋼在軋制和鍛造后的組織則為馬氏體組織，對此類鋼一般采用在AC3線以上加熱進(jìn)行正火，隨后再進(jìn)行一次高溫回火，使馬氏體型鋼的強(qiáng)度由HB380550降至HB207240，可以順利地進(jìn)行切削加工。正火的目的是細(xì)化晶粒，減少組織中的帶狀程度，并調(diào)整好硬度，便于機(jī)械加工。32淬火： 將鋼件加熱至AC3線以上進(jìn)行淬火，淬火溫度由鋼的成分來決定， 淬火介質(zhì)根據(jù)鋼件尺寸大小和鋼的淬透性加以選擇。 回火： 根據(jù)所要求的性能來決定回火溫度，因此回火是使調(diào)質(zhì)鋼的性能定型化的重要工序。高溫回火時(shí)應(yīng)考慮鋼材的回火脆性問題。 表面處理： 某些零件除了要求較高的強(qiáng)、韌、塑性配合以外，往往還要有良好的耐磨性。為此，經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后，在局部部位進(jìn)行高頻感應(yīng)表面淬火。如對耐磨性要求更高，可用氮化鋼在調(diào)質(zhì)后進(jìn)行氮化處理。 2.2.最后熱處理最后熱