金屬材料及熱處理課件

金屬材料及熱處理1精益生產(chǎn)推進部金屬材料及熱處理1精益生產(chǎn)推進部一、Fe-C、Fe-Fe3C合金狀態(tài)圖繪圖：略1、A、γ：奧氏體——碳在γ鐵中的間隙固溶體；2、F、α：鐵素體——碳在α鐵中的間隙固溶體；3、α、δ：δ固溶體——碳在δ鐵中的間隙固溶體，又稱高溫鐵素體；4、Fe3C、Cm：滲碳體——結(jié)構(gòu)復(fù)雜的化合物。屬正交晶系；5、A3：在平衡條件下亞共析鋼γ+α兩相平衡的的上限溫度；6、ACm

：在平衡條件下過共析鋼γ+Fe3C兩相平衡的的上限溫度2精益生產(chǎn)推進部一、Fe-C、Fe-Fe3C合金狀態(tài)圖繪圖：略2精益生產(chǎn)推進二、合金元素對鋼組織的影響一、對奧氏體化過程的影響1、加速奧氏體化過程的元素：Co；2、延緩奧氏體化過程的元素：Ti、V、Mo、W；二、對馬氏體轉(zhuǎn)變的影響1、降低MS點：C、Mn、V、Cr、Ni、Cu、Mo、W；2、提高MS點：Co、Al；三、對奧氏體化晶粒度的影響1、阻礙晶粒張大：Ti、Ni、

Mo、Co；2、作用不明顯：形成比較易溶解碳化物的元素，Cr；3、加速晶粒張大：Mn、P；四、合金元素對熱處理工藝的影響1、對加熱溫度的影響①提高退、淬、回火溫度：Cr、Ti、Co、Al、V；②不宜高溫加熱：Mn；

3精益生產(chǎn)推進部二、合金元素對鋼組織的影響一、對奧氏體化過程的影響3精益生產(chǎn)二、合金元素對鋼組織的影響2、對加熱時間的影響①不宜長時間退火：W；②必須延長淬火加熱時間：Cr、W、V；3、對化學(xué)熱處理的影響促進碳吸收的元素：Cr、W、Mo、V；五、對淬透性的影響1、提高淬透性①易使晶粒張大的元素：Mn等；②降低奧氏體轉(zhuǎn)化臨界冷速的元素：P、Ni、Cr、mo；2、降低淬透性①易使晶粒細化的元素：Al等；②提高奧氏體轉(zhuǎn)化臨界冷速的元素：Ti、V、Co；

4精益生產(chǎn)推進部二、合金元素對鋼組織的影響2、對加熱時間的影響4精益二、合金元素對鋼組織的影響六、對回火的影響1、對回火穩(wěn)定性的影響①提高回火穩(wěn)定性的元素：V、W、Ti、Cr、Mo；②作用不明顯的元素：Al、Mn、Ni；2、對回火脆性的影響①促使回火脆性：Mn、Cr、Ni；②防止或延遲回火脆性：Mo；

5精益生產(chǎn)推進部二、合金元素對鋼組織的影響六、對回火的影響5精益生產(chǎn)推進部三、機械用鋼的選擇一、主要介紹結(jié)構(gòu)綱和工具鋼。二、結(jié)構(gòu)鋼用來制造工程結(jié)構(gòu)和機械結(jié)構(gòu)，它包括工程結(jié)構(gòu)鋼和機械制造結(jié)構(gòu)鋼兩大類；1、工程結(jié)構(gòu)鋼主要是指專門用來制造各種工程結(jié)構(gòu)的一大類鋼種，如制造橋梁、船體、油井或礦井架、鋼軌、高壓容器、管道和建筑鋼結(jié)構(gòu)等。主要是承受各種載荷，要求具有較高的屈服強度、良好的塑性和韌性、低溫韌性、耐大氣腐蝕等等。2、機械制造結(jié)構(gòu)鋼主要用于制造各種機械零件，如軸類、齒輪、緊固件、軸承等，廣泛應(yīng)用于汽車、拖拉機、機床、工程機械、電站設(shè)備、飛機及火箭等裝置上。主要是承受拉、壓、彎、扭、沖擊、疲勞應(yīng)力，且往往是幾種載荷同時作用，要求有良好的服役性能，有足夠高的強度、塑性、韌性和疲勞強度。

6精益生產(chǎn)推進部三、機械用鋼的選擇一、主要介紹結(jié)構(gòu)綱和工具鋼。6精益生產(chǎn)推進三、機械用鋼的選擇三、機械制造結(jié)構(gòu)鋼的選擇1、一般機械零件的主要失效形式是變形和斷裂。為了保證機械零件的正常運轉(zhuǎn)，傳統(tǒng)設(shè)計只考慮鋼的彈性和塑性，有的根據(jù)彈性來設(shè)計，這叫彈性設(shè)計；有些零件只允許少量塑性變形，可根據(jù)屈服強度來計算，稱為塑性設(shè)計。這些情況都是只考慮到強度的強度設(shè)計。然而現(xiàn)在對于結(jié)構(gòu)鋼，強調(diào)了強度和韌性的配合，在追求提高鋼的強度的同時也保證有良好的韌性。2、結(jié)構(gòu)的淬透性具有十分重要的意義。淬透的鋼可獲得高強度和高屈服比，鋼中的合金元素對增大淬透性有很大的作用(Ni、Si、Cr、Mo、Mn、B)，碳是鋼中的主要元素，它決定了鋼的淬硬性，即淬成馬氏體的硬度，同時碳也是一個有效增加淬透性的元素。對淬透性要求不高的合金結(jié)構(gòu)鋼才采用單一合金元素合金化方案，如40Cr、45Mn2；要求較高淬透性的均采用多種合金元素綜合合金化方案，22CrMo、20CrNi3等

7精益生產(chǎn)推進部三、機械用鋼的選擇三、機械制造結(jié)構(gòu)鋼的選擇7精益生產(chǎn)推進部三、機械用鋼的選擇3、汽車齒輪用鋼的選擇①、汽車齒輪多數(shù)要求表面有高的疲勞強度和耐磨性，而心部又要有高強度和韌性，這就需要進行表面化學(xué)熱處理。滲碳鋼是為了適用于滲碳熱處理的需要而發(fā)展起來的一種鋼種。

②滲碳鋼通過表面滲碳、整體淬火，得到表面是高碳馬氏體，沿截面過渡到心部是低碳馬氏體或半馬氏體，可使表面有高的彎曲和疲勞強度及耐磨性，而心部又有高強度和韌性。

③齒輪用滲碳鋼都是低碳鋼，應(yīng)根據(jù)零件對淬透性的要求，并考慮合金元素對滲碳工藝的影響，進行綜合合金化。如：活塞銷等小零件，采用低淬透性的15號和20號鋼即可；制作齒輪、小軸等要求一定的淬透性的用20Cr、20MnV等；制作汽車、拖拉機上承受高速中載荷并要求抗沖擊和耐磨的齒輪、后橋和軸，用中淬透性滲碳鋼，如20CrMnTi及22CrMn；制作大型齒輪和軸類采用高淬透性鋼，如：20CrNi3、20Cr2Ni4、18Cr2Ni4W等。

8精益生產(chǎn)推進部三、機械用鋼的選擇3、汽車齒輪用鋼的選擇8精益生產(chǎn)三、機械用鋼的選擇四、工具鋼對各種材料進行加工，需要采用各種工具，主要是各種刃具和模具，隨著加工工業(yè)的發(fā)展，刃具和模具的負(fù)荷不斷加大，因而要求更耐用的材料制造。1、工具鋼按其用途可分為刃具鋼、模具鋼和量具鋼。①刃具鋼在切削過程中受到彎曲、剪切、沖擊、扭轉(zhuǎn)、震動、摩擦等力的作用，產(chǎn)生熱量，使刀刃溫升到600℃甚至更高，同時刃部也發(fā)生磨耗。所以要求刃具有高強度、高耐磨性、一定的韌性和塑性，有的還要求熱硬性。②模具鋼可分為熱作模具鋼和冷作模具鋼，熱作模具用于加工赤熱金屬或液態(tài)金屬，受到熱疲勞，還受巨大壓力、沖擊、摩擦和沖刷，要求具有高溫下的強度和硬度，抗熱疲勞和良好的韌性。冷作模具鋼如冷沖模、剪切片、冷軋輥等要求高硬度、耐磨性和一定韌性。③量具鋼用來制作量規(guī)、卡尺、樣板等，用來測量工件尺寸和形狀，要保證測量的準(zhǔn)確度，要求高硬度、耐磨性和尺寸穩(wěn)定性。

9精益生產(chǎn)推進部三、機械用鋼的選擇四、工具鋼9精益生產(chǎn)推進部三、機械用鋼的選擇五、工具鋼的選擇1、工具鋼可分為碳素工具鋼和合金工具鋼兩大類。高速工具鋼因其成分和組織的特殊性以及產(chǎn)量大，而另為一類。①碳素工具鋼的碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.65%~1.35%，鋼號從T7~T13，經(jīng)不完全淬火和低溫回火，硬度在HRC58~64范圍，可作為低速切削的刃具，不足在于淬透性低，必須用鹽水或堿水淬火，淬火變形開裂傾向大，工作溫度低于200℃。②合金工具鋼是為了彌補碳素鋼的不足而加入合金元素。如Cr、Mn、Si、W、Mo、V。主要鋼種有Cr2、9SiCr、CrMn、CrWMn等，可做刃具和量具。合金元素的加入提高了鋼的淬透性，可用油淬減少了變形開裂。③合金工具鋼如9SiCr適于制作形狀較復(fù)雜的小形工件，如絲錐、扳牙、鉆頭、絞刀等；CrWMn鋼有較高的淬透性，淬火后變形小，適于制作形狀復(fù)雜的工件，如拉刀、量具和形狀復(fù)雜的高精度沖摸等；CrW5鋼由于W多，形成了M6C碳化物，820℃淬火、回火后硬度HRC64~65，而且耐磨性好，適于制作慢速切削較硬合金的刀具，如銑刀、刨刀和雕刻用刀具。

10精益生產(chǎn)推進部三、機械用鋼的選擇五、工具鋼的選擇10精益生產(chǎn)推進部三、機械用鋼的選擇2、高速工具鋼高速工具鋼適用于高速切削刃具，由于合金度高，可保證刃部在650℃時實際硬度仍高于HRC50，從而具有優(yōu)良的切削性和耐磨性。

①根據(jù)鋼中元素成分，高速鋼可分為三類：鎢系高速鋼、鉬系高速鋼、鎢鉬系高速鋼。其中鎢系的W18Cr4V和鎢鉬系的W6Mo5Cr4V2應(yīng)用最普遍，屬于通用型高速鋼；而高碳高釩、高鈷和超硬高速鋼屬于特殊高性能高速鋼。②高速鋼的熱處理高速鋼經(jīng)鍛軋后，鋼材需要退火。高速鋼的AC1在820~860℃范圍，故退火溫度選擇870~880℃，保溫2~3小時，大部分合金碳化物未溶入奧氏體，此時奧氏體中合金元素含量不多，冷切時易轉(zhuǎn)變成粒狀珠光體和剩余碳化物。一般以冷卻速度小于30℃/h，冷到600℃出爐空冷。這樣退火后W18Cr4V鋼中碳化物體積百分?jǐn)?shù)約為30%。③高速鋼的淬火是為了獲得高合金的馬氏體，淬火后獲得高合金的馬氏體，具有高的抗回火穩(wěn)定性，在高溫回火時析出彌散合金碳化物產(chǎn)生次生硬化，使鋼具有高的硬度和熱硬性。11精益生產(chǎn)推進部三、機械用鋼的選擇2、高速工具鋼11精益生產(chǎn)推進部四、鋼的滲碳一、滲碳工藝參數(shù)1、滲碳介質(zhì)的化學(xué)成分，主要有幾種類型①、氣體滲碳：天然氣、甲烷、煤油等；②、液體滲碳：鹽浴等；③、固體滲碳：木炭等；

12精益生產(chǎn)推進部四、鋼的滲碳一、滲碳工藝參數(shù)12精益生產(chǎn)推進部四、鋼的滲碳2、常用氣體滲碳

類別滲劑組成、特點使用方法液體煤油石蠟烴、烷烴及芳香烴的混合物，一般燈用煤油S<0.04%者均可使用，價格便宜，但易產(chǎn)生碳黑。直接滴入滲碳爐內(nèi)，調(diào)節(jié)液滴數(shù)量以控制工件表面碳濃度。多用于井式爐。用甲醇添加酮或脂可實現(xiàn)滴注式可控氣氛滲碳。甲醇添加酮、脂類有機化合物甲醇添加一定比例酮或脂滴入爐內(nèi)裂解，靠調(diào)整酮或脂量來控制碳勢。氣體天然氣主要成分是甲烷直接通入爐內(nèi)裂解。工業(yè)丙烷和丁烷工業(yè)丙烷和丁烷是煉油廠副產(chǎn)品，價格便宜。直接通入爐內(nèi)或添加少量空氣在爐內(nèi)裂解。吸熱式氣體用天然氣或工業(yè)丙烷和丁烷與空氣按一定比例，在高溫和有鎳催化劑作用下裂解而成。一般用吸熱式氣體作運載氣體，用天然氣或丙烷作富化氣，以調(diào)整爐內(nèi)碳勢13精益生產(chǎn)推進部四、鋼的滲碳2、常用氣體滲碳類別滲劑組成、特點使用方四、鋼的滲碳3、滲碳溫度常用920~930℃，對淺層滲碳，有時也采取較低的滲碳溫度，如δ=0.35~0.65mm時，滲碳溫度選用880±10℃，當(dāng)δ在0.65~0.85mm時，滲碳溫度選用900±10℃，當(dāng)δ在0.85~1.0mm以上時，滲碳溫度選用920±10℃，4、滲碳時間滲層深度確定后，所需滲碳時間可根據(jù)滲碳介質(zhì)的碳勢、滲碳工藝方法、滲碳溫度和滲碳件所用的鋼種等，利用擴散方程的解進行計算。

層深δ(mm)=660×ｅ-8287/Tt1/2式中t——時間(h)T——溫度(K)對幾個常用滲碳溫度的層深計算公式可簡化為：925℃時，δ(mm)=0.635t1/2900℃時，δ(mm)=0.533t1/2870℃時，δ(mm)=0.457t1/2

14精益生產(chǎn)推進部四、鋼的滲碳3、滲碳溫度14精益生產(chǎn)推進部四、鋼的滲碳二、滲碳的原理

C含量高金相組織粗大碳化物級別高：脆性高；C含量低硬度不夠：不耐磨，麻點剝落等。15精益生產(chǎn)推進部四、鋼的滲碳二、滲碳的原理15精益生產(chǎn)推進部四、鋼的滲碳三、對滲碳質(zhì)量的技術(shù)要求1、有效硬化層深度：根據(jù)國標(biāo)是從表面到550HV處的距離；2、滲碳層表面硬度：58~63HRC或710HV，受力較大的工件心部硬度控制在29~43HRC。3、表面含碳量：通常為0.7~1.05%，對低碳鋼可取0.9~1.05%，鎳鉻合金鋼為0.7~0.8%，其他合金鋼為0.8~0.9%。要求耐磨和抗麻點剝落則選擇上限，要求強韌受沖擊載荷而又一定耐磨性則選下限。4、滲層與心部組織：滲層為細針狀馬氏體+少量殘余奧氏體及均勻分布的粒狀碳化物，不允許網(wǎng)狀碳化物存在，心部組織應(yīng)為低碳馬氏體或下貝氏體，不允許有塊狀或沿晶界析出的鐵素體。

16精益生產(chǎn)推進部四、鋼的滲碳三、對滲碳質(zhì)量的技術(shù)要求16精益生產(chǎn)推進部五、連續(xù)式滲碳爐的工藝流程1、預(yù)氧化爐/脫脂爐(460℃±10)：①燃燒產(chǎn)品表面冷加工的機械油；②緩慢升高溫度，防止開裂、變形。2、加熱區(qū)：緩慢升溫3、強滲區(qū)：1.2C%碳勢，達到快速滲碳的目的。4、擴散：910℃此時擴散效果最好，0.7C%，技術(shù)、質(zhì)量要求，此時產(chǎn)品綜合性能較好。5、保溫為淬火作準(zhǔn)備，得到適當(dāng)馬氏體，表面硬度。6、回火得到適當(dāng)硬度，穩(wěn)定組織，消除殘留內(nèi)應(yīng)力等。

17精益生產(chǎn)推進部五、連續(xù)式滲碳爐的工藝流程1、預(yù)氧化爐/脫脂爐(46六、鋼的其它熱處理一、鋼的其它熱處理1、鋼的滲氮①滲氮爐有井式、箱式等基本類型，由于氣體污染對人體傷害較大，故它們都有一個密封良好的爐罐，一般用不銹鋼制造。②滲氮氣體一般用脫水氨氣，通過氨分解度的測定來調(diào)節(jié)通入爐入的氨量以控制滲氮過程。③滲氮前的熱處理，常用的滲氮前熱處理是調(diào)質(zhì)，調(diào)質(zhì)的高溫回火溫度至少要比滲氮溫度高10℃。④常用結(jié)構(gòu)鋼滲氮前的調(diào)質(zhì)熱處理工藝，如：40Cr在860℃油淬+610℃回火，可得HBS220~250。⑤局部滲氮的防護方法：不滲部分可以渡錫或鎳來保護。也可以用涂料法，常用水玻璃+20%~30%石墨粉。⑥滲氮主要參數(shù)選擇：滲氮溫度常在480~560℃，形狀復(fù)雜、表面硬度要求高的采取下限；時間0.4mm內(nèi)的，平均速度0.015~0.02mm/h，0.4~0.7mm時，0.005~0.015mm/h。爐冷到200℃以下出爐。

18精益生產(chǎn)推進部六、鋼的其它熱處理一、鋼的其它熱處理18精益生產(chǎn)推進部六、鋼的其它熱處理2、鋼的碳氮共滲氣體：煤油+氨液體：鹽浴，氰化物NaCN等固體：木炭+亞鐵氰化鉀K4Fe(CN)6

技術(shù)要求：CN濃度最佳為C：0.7~0.95%；N：0.25~0.40%。表面硬度51~61HRC。組織為：針狀馬氏體和少量殘奧。

工藝溫度：一般在840~850℃，也有920℃。

3、調(diào)質(zhì)；高頻、中頻感應(yīng)淬火、感應(yīng)退火等。

19精益生產(chǎn)推進部六、鋼的其它熱處理2、鋼的碳氮共滲19精益生產(chǎn)推進七、熱處理缺陷及原因分析一、退、正火缺陷1、退火：加熱溫度過高使晶界氧化或局部熔化(產(chǎn)品報廢)加熱溫度過高或冷速過慢形成網(wǎng)狀鐵素體或滲碳體(重新退火)

2、正火：加熱溫度過高得到粗大的魏氏組織(重新正火)

3、球化退火不均勻：球化退火前未消除網(wǎng)狀碳化物(正火并退火)

4、退火硬度過高：退火冷速相對較高，形成索氏體、托氏體、奧氏體、馬氏體等(重新退火)

20精益生產(chǎn)推進部七、熱處理缺陷及原因分析一、退、正火缺陷20精益生產(chǎn)推進部七、熱處理缺陷及原因分析二、淬、回火缺陷及原因分析1、淬火硬度不足：①加熱溫度過低②冷速過慢③表面脫碳④淬透性不夠⑤殘奧過多

2、組織缺陷：①M、A超級②C超級③大快鐵素體④大量殘奧

3、回火缺陷：①回火溫度過低、過高造成產(chǎn)品硬度不合格，或沒達到回火的目的②在回火脆性溫區(qū)回火造成回火脆性

4、淬火變形：①形狀變化系淬火應(yīng)力所引起②工件體積發(fā)生變化系相變時的比容變化所至

5、淬火開裂：淬火冷卻時拉應(yīng)力超過材料斷裂強度造成，200℃以下由馬氏體轉(zhuǎn)變產(chǎn)生較大組織應(yīng)力，此時塑性低最易開裂21精益生產(chǎn)推進部七、熱處理缺陷及原因分析二、淬、回火缺陷及原因分析21精益七、熱處理缺陷及原因分析由以上缺陷所造成后果：表面硬度低——齒面磨損、剝落；心部硬度低——硬化層剝落、斷齒M、A超級——齒面易剝落；正確選材、合理的工藝來提高零件表面硬度、耐磨性及強韌性。

22精益生產(chǎn)推進部七、熱處理缺陷及原因分析22精益生產(chǎn)推進部金屬材料及熱處理23精益生產(chǎn)推進部金屬材料及熱處理1精益生產(chǎn)推進部一、Fe-C、Fe-Fe3C合金狀態(tài)圖繪圖：略1、A、γ：奧氏體——碳在γ鐵中的間隙固溶體；2、F、α：鐵素體——碳在α鐵中的間隙固溶體；3、α、δ：δ固溶體——碳在δ鐵中的間隙固溶體，又稱高溫鐵素體；4、Fe3C、Cm：滲碳體——結(jié)構(gòu)復(fù)雜的化合物。屬正交晶系；5、A3：在平衡條件下亞共析鋼γ+α兩相平衡的的上限溫度；6、ACm

：在平衡條件下過共析鋼γ+Fe3C兩相平衡的的上限溫度24精益生產(chǎn)推進部一、Fe-C、Fe-Fe3C合金狀態(tài)圖繪圖：略2精益生產(chǎn)推進二、合金元素對鋼組織的影響一、對奧氏體化過程的影響1、加速奧氏體化過程的元素：Co；2、延緩奧氏體化過程的元素：Ti、V、Mo、W；二、對馬氏體轉(zhuǎn)變的影響1、降低MS點：C、Mn、V、Cr、Ni、Cu、Mo、W；2、提高MS點：Co、Al；三、對奧氏體化晶粒度的影響1、阻礙晶粒張大：Ti、Ni、

Mo、Co；2、作用不明顯：形成比較易溶解碳化物的元素，Cr；3、加速晶粒張大：Mn、P；四、合金元素對熱處理工藝的影響1、對加熱溫度的影響①提高退、淬、回火溫度：Cr、Ti、Co、Al、V；②不宜高溫加熱：Mn；

25精益生產(chǎn)推進部二、合金元素對鋼組織的影響一、對奧氏體化過程的影響3精益生產(chǎn)二、合金元素對鋼組織的影響2、對加熱時間的影響①不宜長時間退火：W；②必須延長淬火加熱時間：Cr、W、V；3、對化學(xué)熱處理的影響促進碳吸收的元素：Cr、W、Mo、V；五、對淬透性的影響1、提高淬透性①易使晶粒張大的元素：Mn等；②降低奧氏體轉(zhuǎn)化臨界冷速的元素：P、Ni、Cr、mo；2、降低淬透性①易使晶粒細化的元素：Al等；②提高奧氏體轉(zhuǎn)化臨界冷速的元素：Ti、V、Co；

26精益生產(chǎn)推進部二、合金元素對鋼組織的影響2、對加熱時間的影響4精益二、合金元素對鋼組織的影響六、對回火的影響1、對回火穩(wěn)定性的影響①提高回火穩(wěn)定性的元素：V、W、Ti、Cr、Mo；②作用不明顯的元素：Al、Mn、Ni；2、對回火脆性的影響①促使回火脆性：Mn、Cr、Ni；②防止或延遲回火脆性：Mo；

27精益生產(chǎn)推進部二、合金元素對鋼組織的影響六、對回火的影響5精益生產(chǎn)推進部三、機械用鋼的選擇一、主要介紹結(jié)構(gòu)綱和工具鋼。二、結(jié)構(gòu)鋼用來制造工程結(jié)構(gòu)和機械結(jié)構(gòu)，它包括工程結(jié)構(gòu)鋼和機械制造結(jié)構(gòu)鋼兩大類；1、工程結(jié)構(gòu)鋼主要是指專門用來制造各種工程結(jié)構(gòu)的一大類鋼種，如制造橋梁、船體、油井或礦井架、鋼軌、高壓容器、管道和建筑鋼結(jié)構(gòu)等。主要是承受各種載荷，要求具有較高的屈服強度、良好的塑性和韌性、低溫韌性、耐大氣腐蝕等等。2、機械制造結(jié)構(gòu)鋼主要用于制造各種機械零件，如軸類、齒輪、緊固件、軸承等，廣泛應(yīng)用于汽車、拖拉機、機床、工程機械、電站設(shè)備、飛機及火箭等裝置上。主要是承受拉、壓、彎、扭、沖擊、疲勞應(yīng)力，且往往是幾種載荷同時作用，要求有良好的服役性能，有足夠高的強度、塑性、韌性和疲勞強度。

28精益生產(chǎn)推進部三、機械用鋼的選擇一、主要介紹結(jié)構(gòu)綱和工具鋼。6精益生產(chǎn)推進三、機械用鋼的選擇三、機械制造結(jié)構(gòu)鋼的選擇1、一般機械零件的主要失效形式是變形和斷裂。為了保證機械零件的正常運轉(zhuǎn)，傳統(tǒng)設(shè)計只考慮鋼的彈性和塑性，有的根據(jù)彈性來設(shè)計，這叫彈性設(shè)計；有些零件只允許少量塑性變形，可根據(jù)屈服強度來計算，稱為塑性設(shè)計。這些情況都是只考慮到強度的強度設(shè)計。然而現(xiàn)在對于結(jié)構(gòu)鋼，強調(diào)了強度和韌性的配合，在追求提高鋼的強度的同時也保證有良好的韌性。2、結(jié)構(gòu)的淬透性具有十分重要的意義。淬透的鋼可獲得高強度和高屈服比，鋼中的合金元素對增大淬透性有很大的作用(Ni、Si、Cr、Mo、Mn、B)，碳是鋼中的主要元素，它決定了鋼的淬硬性，即淬成馬氏體的硬度，同時碳也是一個有效增加淬透性的元素。對淬透性要求不高的合金結(jié)構(gòu)鋼才采用單一合金元素合金化方案，如40Cr、45Mn2；要求較高淬透性的均采用多種合金元素綜合合金化方案，22CrMo、20CrNi3等

29精益生產(chǎn)推進部三、機械用鋼的選擇三、機械制造結(jié)構(gòu)鋼的選擇7精益生產(chǎn)推進部三、機械用鋼的選擇3、汽車齒輪用鋼的選擇①、汽車齒輪多數(shù)要求表面有高的疲勞強度和耐磨性，而心部又要有高強度和韌性，這就需要進行表面化學(xué)熱處理。滲碳鋼是為了適用于滲碳熱處理的需要而發(fā)展起來的一種鋼種。

②滲碳鋼通過表面滲碳、整體淬火，得到表面是高碳馬氏體，沿截面過渡到心部是低碳馬氏體或半馬氏體，可使表面有高的彎曲和疲勞強度及耐磨性，而心部又有高強度和韌性。

③齒輪用滲碳鋼都是低碳鋼，應(yīng)根據(jù)零件對淬透性的要求，并考慮合金元素對滲碳工藝的影響，進行綜合合金化。如：活塞銷等小零件，采用低淬透性的15號和20號鋼即可；制作齒輪、小軸等要求一定的淬透性的用20Cr、20MnV等；制作汽車、拖拉機上承受高速中載荷并要求抗沖擊和耐磨的齒輪、后橋和軸，用中淬透性滲碳鋼，如20CrMnTi及22CrMn；制作大型齒輪和軸類采用高淬透性鋼，如：20CrNi3、20Cr2Ni4、18Cr2Ni4W等。

30精益生產(chǎn)推進部三、機械用鋼的選擇3、汽車齒輪用鋼的選擇8精益生產(chǎn)三、機械用鋼的選擇四、工具鋼對各種材料進行加工，需要采用各種工具，主要是各種刃具和模具，隨著加工工業(yè)的發(fā)展，刃具和模具的負(fù)荷不斷加大，因而要求更耐用的材料制造。1、工具鋼按其用途可分為刃具鋼、模具鋼和量具鋼。①刃具鋼在切削過程中受到彎曲、剪切、沖擊、扭轉(zhuǎn)、震動、摩擦等力的作用，產(chǎn)生熱量，使刀刃溫升到600℃甚至更高，同時刃部也發(fā)生磨耗。所以要求刃具有高強度、高耐磨性、一定的韌性和塑性，有的還要求熱硬性。②模具鋼可分為熱作模具鋼和冷作模具鋼，熱作模具用于加工赤熱金屬或液態(tài)金屬，受到熱疲勞，還受巨大壓力、沖擊、摩擦和沖刷，要求具有高溫下的強度和硬度，抗熱疲勞和良好的韌性。冷作模具鋼如冷沖模、剪切片、冷軋輥等要求高硬度、耐磨性和一定韌性。③量具鋼用來制作量規(guī)、卡尺、樣板等，用來測量工件尺寸和形狀，要保證測量的準(zhǔn)確度，要求高硬度、耐磨性和尺寸穩(wěn)定性。

31精益生產(chǎn)推進部三、機械用鋼的選擇四、工具鋼9精益生產(chǎn)推進部三、機械用鋼的選擇五、工具鋼的選擇1、工具鋼可分為碳素工具鋼和合金工具鋼兩大類。高速工具鋼因其成分和組織的特殊性以及產(chǎn)量大，而另為一類。①碳素工具鋼的碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.65%~1.35%，鋼號從T7~T13，經(jīng)不完全淬火和低溫回火，硬度在HRC58~64范圍，可作為低速切削的刃具，不足在于淬透性低，必須用鹽水或堿水淬火，淬火變形開裂傾向大，工作溫度低于200℃。②合金工具鋼是為了彌補碳素鋼的不足而加入合金元素。如Cr、Mn、Si、W、Mo、V。主要鋼種有Cr2、9SiCr、CrMn、CrWMn等，可做刃具和量具。合金元素的加入提高了鋼的淬透性，可用油淬減少了變形開裂。③合金工具鋼如9SiCr適于制作形狀較復(fù)雜的小形工件，如絲錐、扳牙、鉆頭、絞刀等；CrWMn鋼有較高的淬透性，淬火后變形小，適于制作形狀復(fù)雜的工件，如拉刀、量具和形狀復(fù)雜的高精度沖摸等；CrW5鋼由于W多，形成了M6C碳化物，820℃淬火、回火后硬度HRC64~65，而且耐磨性好，適于制作慢速切削較硬合金的刀具，如銑刀、刨刀和雕刻用刀具。

32精益生產(chǎn)推進部三、機械用鋼的選擇五、工具鋼的選擇10精益生產(chǎn)推進部三、機械用鋼的選擇2、高速工具鋼高速工具鋼適用于高速切削刃具，由于合金度高，可保證刃部在650℃時實際硬度仍高于HRC50，從而具有優(yōu)良的切削性和耐磨性。

①根據(jù)鋼中元素成分，高速鋼可分為三類：鎢系高速鋼、鉬系高速鋼、鎢鉬系高速鋼。其中鎢系的W18Cr4V和鎢鉬系的W6Mo5Cr4V2應(yīng)用最普遍，屬于通用型高速鋼；而高碳高釩、高鈷和超硬高速鋼屬于特殊高性能高速鋼。②高速鋼的熱處理高速鋼經(jīng)鍛軋后，鋼材需要退火。高速鋼的AC1在820~860℃范圍，故退火溫度選擇870~880℃，保溫2~3小時，大部分合金碳化物未溶入奧氏體，此時奧氏體中合金元素含量不多，冷切時易轉(zhuǎn)變成粒狀珠光體和剩余碳化物。一般以冷卻速度小于30℃/h，冷到600℃出爐空冷。這樣退火后W18Cr4V鋼中碳化物體積百分?jǐn)?shù)約為30%。③高速鋼的淬火是為了獲得高合金的馬氏體，淬火后獲得高合金的馬氏體，具有高的抗回火穩(wěn)定性，在高溫回火時析出彌散合金碳化物產(chǎn)生次生硬化，使鋼具有高的硬度和熱硬性。33精益生產(chǎn)推進部三、機械用鋼的選擇2、高速工具鋼11精益生產(chǎn)推進部四、鋼的滲碳一、滲碳工藝參數(shù)1、滲碳介質(zhì)的化學(xué)成分，主要有幾種類型①、氣體滲碳：天然氣、甲烷、煤油等；②、液體滲碳：鹽浴等；③、固體滲碳：木炭等；

34精益生產(chǎn)推進部四、鋼的滲碳一、滲碳工藝參數(shù)12精益生產(chǎn)推進部四、鋼的滲碳2、常用氣體滲碳

類別滲劑組成、特點使用方法液體煤油石蠟烴、烷烴及芳香烴的混合物，一般燈用煤油S<0.04%者均可使用，價格便宜，但易產(chǎn)生碳黑。直接滴入滲碳爐內(nèi)，調(diào)節(jié)液滴數(shù)量以控制工件表面碳濃度。多用于井式爐。用甲醇添加酮或脂可實現(xiàn)滴注式可控氣氛滲碳。甲醇添加酮、脂類有機化合物甲醇添加一定比例酮或脂滴入爐內(nèi)裂解，靠調(diào)整酮或脂量來控制碳勢。氣體天然氣主要成分是甲烷直接通入爐內(nèi)裂解。工業(yè)丙烷和丁烷工業(yè)丙烷和丁烷是煉油廠副產(chǎn)品，價格便宜。直接通入爐內(nèi)或添加少量空氣在爐內(nèi)裂解。吸熱式氣體用天然氣或工業(yè)丙烷和丁烷與空氣按一定比例，在高溫和有鎳催化劑作用下裂解而成。一般用吸熱式氣體作運載氣體，用天然氣或丙烷作富化氣，以調(diào)整爐內(nèi)碳勢35精益生產(chǎn)推進部四、鋼的滲碳2、常用氣體滲碳類別滲劑組成、特點使用方四、鋼的滲碳3、滲碳溫度常用920~930℃，對淺層滲碳，有時也采取較低的滲碳溫度，如δ=0.35~0.65mm時，滲碳溫度選用880±10℃，當(dāng)δ在0.65~0.85mm時，滲碳溫度選用900±10℃，當(dāng)δ在0.85~1.0mm以上時，滲碳溫度選用920±10℃，4、滲碳時間滲層深度確定后，所需滲碳時間可根據(jù)滲碳介質(zhì)的碳勢、滲碳工藝方法、滲碳溫度和滲碳件所用的鋼種等，利用擴散方程的解進行計算。

層深δ(mm)=660×ｅ-8287/Tt1/2式中t——時間(h)T——溫度(K)對幾個常用滲碳溫度的層深計算公式可簡化為：925℃時，δ(mm)=0.635t1/2900℃時，δ(mm)=0.533t1/2870℃時，δ(mm)=0.457t1/2

36精益生產(chǎn)推進部四、鋼的滲碳3、滲碳溫度14精益生產(chǎn)推進部四、鋼的滲碳二、滲碳的原理

C含量高金相組織粗大碳化物級別高：脆性高；C含量低硬度不夠：不耐磨，麻點剝落等。37精益生產(chǎn)推進部四、鋼的滲碳二、滲碳的原理15精益生產(chǎn)推進部四、鋼的滲碳三、對滲碳質(zhì)量的技術(shù)要求1、有效硬化層深度：根據(jù)國標(biāo)是從表面到550HV處的距離；2、滲碳層表面硬度：58~63HRC或710HV，受力較大的工件心部硬度控制在29~43HRC。3、表面含碳量：通常為0.7~1.05%，對低碳鋼可取0.9~1.05%，鎳鉻合金鋼為0.7~0.8%，其他合金鋼為0.8~0.9%。要求耐磨和抗麻點剝落則選擇上限，要求強韌受沖擊載荷而又一定耐磨性則選下限。4、滲層與心部組織：滲層為細針狀馬氏體+少量殘余奧氏體及均勻分布的粒狀碳化物，不允許網(wǎng)狀碳化物存在，心部組織應(yīng)為低碳馬氏體或下貝氏體，不允許有塊狀或沿晶界析出的鐵素體。

38精益生產(chǎn)推進部四、鋼的滲碳三、對滲碳質(zhì)量的技術(shù)要求16精益生產(chǎn)推進部五、連續(xù)式滲碳爐的工藝流程1、預(yù)氧化爐/脫脂爐(460℃±10)：①燃燒產(chǎn)品表面冷加工的機械油；②緩慢升高溫度，防止開裂、變形。2、加熱區(qū)：緩慢升溫3、強滲區(qū)：1.2C%碳勢，達到快速滲碳的目的。4、擴散：910℃此時擴散效果最好，0.7C%，技術(shù)、質(zhì)量要求，此時產(chǎn)品綜合性能較好。5、保溫為淬火作準(zhǔn)備，得到適當(dāng)馬氏體，表面硬度。6、回火得到適當(dāng)硬度，穩(wěn)定組織，消除殘留內(nèi)應(yīng)力等。

39精益生產(chǎn)推進部五、連續(xù)式滲碳爐的工藝流程1、預(yù)氧化爐/脫脂爐(46六、鋼的其它熱處理一、鋼的其它熱處理1、鋼的滲氮①滲氮爐有井式、箱式等基本類型，由于氣體污染對人體傷害較大，故它們都有一個密封良好的爐罐，一般用不銹鋼制造。②滲