第三章機(jī)器零件用鋼

第三章機(jī)器零件用鋼1簡(jiǎn)介用途：軸類(lèi)、齒輪、彈簧、緊固件等。分類(lèi)：調(diào)質(zhì)鋼、低碳馬氏體鋼、超高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼、滲碳鋼、氮化鋼、彈簧鋼、軸承鋼和易削鋼等。工作條件：主要承受拉、壓、彎、扭、沖擊、疲勞等應(yīng)力，而且通常承受幾種載荷同時(shí)作用。23.1機(jī)器零件用鋼的性能要求

一、典型機(jī)械零件的服役條件、失效方法及對(duì)性能的要求機(jī)械零件的服役條件決定了零件的使用條件及對(duì)材料性能的要求。（見(jiàn)P89表3-1）二、成分及熱處理對(duì)性能的保證成分熱處理鋼的含碳量；鋼的合金化鋼的淬火和淬火后的回火工藝3

1、機(jī)器零件用鋼合金化特點(diǎn)

機(jī)械零件用鋼一般為亞共析鋼，鋼中合金元素總質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般小于5%，少數(shù)為5%~10%，也就是說(shuō)大部分機(jī)器零件用鋼為低合金鋼和中合金鋼，鋼的質(zhì)量也為優(yōu)質(zhì)鋼或者高級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼。合金元素的主要作用可以歸納為：提高鋼的淬透性降低鋼的過(guò)熱敏感性提高鋼的耐回火性消除回火脆性4主加元素

Cr、Mn、Si、Ni。主要作用：↑淬透性和力學(xué)性能。輔加元素

Mo、W、V等↓過(guò)熱敏感性，↓回脆，↑淬透性。最佳范圍

獲得最佳性能→稱為極限合金化理論結(jié)構(gòu)鋼常用范圍為：<1.2%Si,<2%Mn，1~2%Cr,1~4%Ni，<0.5%Mo，<0.2%V,<0.1%Ti，0.4~0.8%W?；蚴菃为?dú)加入，或是復(fù)合加入。鋼中加入的合金元素如下5辨證思維

由于不同機(jī)器零件的服役條件和失效方式不同，主要的設(shè)計(jì)依據(jù)和失效判據(jù)也不同，所以應(yīng)合理選擇鋼的含碳量和熱處理工藝。

應(yīng)該明確:

一般情況下，某零件制造的材料并不是唯一的；某一種鋼采用不同的熱處理工藝可以制造不同類(lèi)型的零件；某一零件用某一材料制造，其熱處理工藝方法也可能是多種的。

2、機(jī)器零件用鋼含碳量和回火溫度6低碳和中碳（合金）鋼淬火后，隨著回火溫度的升高，其一般規(guī)律是強(qiáng)度減低，而塑韌性提高(P91圖3-1）。低碳合金鋼的特點(diǎn)含碳量很低脆性較低而塑性韌性足夠高組織位錯(cuò)型板條馬氏體+板條相界殘余奧氏體+自回火析出的碳化物。在低于250℃回火時(shí)，由于消除了內(nèi)應(yīng)力，彌散析出的碳化物增多以及板條相界殘留奧氏體保持不變，使塑性，韌性都有明顯提高，這就得到了一個(gè)高的綜合力學(xué)性能。碳含量7碳含量中碳合金鋼的特點(diǎn)含碳量較高，塑性韌性較低組織位錯(cuò)和孿晶馬氏體混合組織在低溫回火時(shí)（200℃-250℃），雖然強(qiáng)度很高，但是塑韌性較低（一般不建議在此溫度回火），這類(lèi)鋼通常在550℃-600℃進(jìn)行回火，得到回火索氏體組織，與低碳M組織相類(lèi)似。8高碳合金鋼的特點(diǎn)含碳量介于中碳和高碳之間，脆性較大組織一般為回火托氏體組織在300℃回火時(shí)，由于未能消除淬火內(nèi)應(yīng)力和高碳馬氏體本身固有的脆性，所以呈現(xiàn)出脆性斷裂；大約在350℃回火時(shí)，呈現(xiàn)出最大的彈性極限和屈服極限，其顯微組織為回火索氏體。碳含量9結(jié)論：對(duì)于一種機(jī)械零件，根據(jù)其服役條件和性能要求，可以在不同的含碳量和不同的熱處理工藝方法之間進(jìn)行選擇。結(jié)構(gòu)鋼碳含量、熱處理工藝及應(yīng)用的選擇（補(bǔ)充了解）1、對(duì)于要求良好綜合力學(xué)性能，零件選材的途徑為：①低碳馬氏體型結(jié)構(gòu)鋼，采用淬火+低溫回火。為↑耐磨性，可進(jìn)行滲碳處理；汽車(chē)拖拉機(jī)齒輪類(lèi)為代表.②回火索氏體型，選擇中碳鋼，采用淬火+高溫回火。為↑耐磨性，可進(jìn)行滲氮處理或高頻感應(yīng)加熱淬火等表面硬化工藝方法。軸類(lèi)零件為典型。10

2、如要求更高的強(qiáng)度，則適當(dāng)犧牲塑韌性?？蛇x擇中碳鋼，采用低溫回火工藝。如低合金中碳馬氏體鋼。農(nóng)業(yè)機(jī)械較多.

3、如要求高的彈性極限和屈服強(qiáng)度，又要有較高的塑性和韌度，則選擇中高碳鋼，進(jìn)行中溫回火。如彈簧鋼。

4、零件要求高強(qiáng)度、高硬度，高接觸疲勞性和一定的塑性和韌度，可用高碳鋼，淬火+低溫回火。如軸承鋼。

113.2常用機(jī)械零件用鋼用途：用于制造汽車(chē)、拖拉機(jī)、機(jī)床和其它機(jī)器上的各種重要零件，如機(jī)床齒輪、主軸、汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸、連桿、螺栓等。汽車(chē)萬(wàn)向節(jié)齒輪連桿曲軸12軸、桿、齒輪、彈簧等零件疲勞、沖擊等滿足條件的主要性能指標(biāo)：疲勞強(qiáng)度S、抗拉強(qiáng)度Rm、吸收能量KV、斷裂韌度KIc調(diào)制鋼、彈簧鋼、軸承鋼、低碳馬氏體鋼、超高強(qiáng)度鋼等13作用：傳動(dòng)力矩受力：主要承受交變扭轉(zhuǎn)、彎曲力；一定的沖擊力；配合處摩擦力。一、調(diào)制鋼1．工作條件（以軸類(lèi)零件為例）

(1)磨損：花鍵處，由于硬度低，耐磨性差造成的。

(2)疲勞斷裂：彎曲疲勞、扭轉(zhuǎn)疲勞2．失效方式結(jié)構(gòu)鋼經(jīng)過(guò)淬火+高溫回火后具有良好的綜合力學(xué)性能，較高的強(qiáng)韌性。適于這種熱處理的鋼叫做調(diào)制鋼，是機(jī)械零件中使用量最大的一類(lèi)鋼。14（1）高強(qiáng)度，尤其是高的疲勞強(qiáng)度；（2）高硬度、高耐磨性；（3）塑性韌性好；（4）良好的綜合力學(xué)性能即強(qiáng)韌性的良好配合。（5）足夠的淬透性，依靠合金化Cr、Mn、Ni、Si等。（6）防止第二類(lèi)回火脆，可加入Mo和W，也可以快速冷卻、細(xì)化晶粒、避開(kāi)脆性區(qū)。（7）良好的加工性能即鍛、鑄、熱處理及切削加工性。3．力學(xué)和工藝性能要求15調(diào)質(zhì)鋼的組織特點(diǎn)回火托氏體或者索氏體組織特點(diǎn)：強(qiáng)化相為彌散均勻分布的粒狀碳化物，可以保證具有較高的塑變抗力和疲勞強(qiáng)度；組織均勻性好，減小了裂紋形成的可能性，所以具有良好的塑性和韌性；基體鐵素體是從淬火M而來(lái)的，其晶粒細(xì)小，使鋼的冷脆傾向減小。調(diào)制鋼的含碳量在中碳范圍內(nèi)，調(diào)制處理后的組織為在鐵素體機(jī)體上分布有細(xì)小碳化物的回火托氏體或者回火索氏體。16

0.25~0.45%C的合金鋼經(jīng)調(diào)質(zhì)后室溫性能變化

屈服強(qiáng)度相同的碳鋼和合金結(jié)構(gòu)鋼斷面收縮率變化

ZA淬透性原則調(diào)制鋼所具有的綜合力學(xué)性能，首先要求有足夠的淬透性。碳主要作用起強(qiáng)化作用；合金元素不僅可以改善淬透性同時(shí)還可以改善回火索氏體的韌性。171、調(diào)質(zhì)鋼的化金化與性能特點(diǎn)

含碳量在0.25~0.45%。常用合金元素作用：Mn：↑↑淬透性，但↑過(guò)熱傾向，↑回脆傾向；

Cr：↑↑淬透性，↑回穩(wěn)性，但↑回脆傾向；

Ni:↑基體韌度，Ni-Cr復(fù)合↑↑淬透性，↑回脆；

Mo：↑淬透性，↑回穩(wěn)性，細(xì)晶，↓↓回脆傾向；

V：有效細(xì)晶，(↑淬透性)，↓↓過(guò)熱敏感性。18

在機(jī)械制造工業(yè)中，調(diào)質(zhì)鋼是按淬透性高低來(lái)分級(jí)的。DC為油淬臨界直徑

低淬透性合金鋼:DC<30~40mm,有40Cr、40Mn2、42SiMn、35CrMo、42Mn2V等

中淬透性合金鋼:DC:40~60mm,有40CrNi、42CrMo、40CrMn、30CrMnSi等

高淬透性合金鋼:DC≥60~100mm,有37CrNi3、40CrNiMo、40CrMnMo等19

分析比較：40Cr→40CrNi→40CrNiMo淬透性回脆性回穩(wěn)性塑韌性

40CrNiMo>40CrNi>40Cr

40CrNiMo>40CrNi>40Cr

40CrNiMo>40CrNi>40Cr

40CrNi>40Cr>40CrNiMo20

3、調(diào)質(zhì)鋼強(qiáng)韌化工藝的發(fā)展

正確認(rèn)識(shí)性能指標(biāo)

AK是一次大能量沖擊性能指標(biāo)，小能量多沖條件下工作的，很難正確反映。有些重要零件應(yīng)以斷裂韌度KIC來(lái)衡量。由于服役條件差異，鋼最佳綜合性能也不一定都是高溫回火態(tài)好。零件在承受沖擊能量大時(shí)，鋼強(qiáng)度應(yīng)低些，塑性和韌度宜高些；沖擊能量較小時(shí)，強(qiáng)度應(yīng)高些。以達(dá)最佳配合。21綜合強(qiáng)化工藝

如復(fù)合熱處理，即熱處理強(qiáng)化、表面處理及形變強(qiáng)化工藝結(jié)合起來(lái)。如汽車(chē)轉(zhuǎn)向節(jié)圓角處進(jìn)行高頻淬火處理后，疲勞壽命提高了50倍冷變形鍛造余熱淬火

如滾壓、噴丸等冷變形方法的效果也比較好,能提高零件壽命既能節(jié)約能源、簡(jiǎn)化工序，又能細(xì)化組織，提高零件的強(qiáng)韌性。如柴油機(jī)連桿，已普遍采用鍛造余熱淬火工藝222．熱處理特點(diǎn)（1）預(yù)備熱處理

根據(jù)合金元素的種類(lèi)和組織特點(diǎn)不同，調(diào)質(zhì)鋼可以通過(guò)退火、正火或者正火

+高溫回火進(jìn)行處理。（2）最終熱處理（調(diào)質(zhì)處理）

淬火+高溫回火。合金調(diào)質(zhì)鋼的最終性能決定于回火溫度。一般采用500℃～650℃回火。通過(guò)選擇回火溫度，可以獲得所要求的性能。為防止第二類(lèi)回火脆性，回火后快冷（水冷或油冷），有利于韌性的提高。

40Cr(直徑D=12mm,油淬)23常用調(diào)質(zhì)鋼的性能特點(diǎn)及應(yīng)用（了解）1．M鋼、M-B鋼：強(qiáng)度高，淬透性強(qiáng)；2．Cr鋼、Cr-Mo、Cr-Mn、Cr-V鋼：3．Cr-Ni、Cr-Ni-Mo鋼：例題

40Cr鋼連桿螺栓的熱處理工藝設(shè)計(jì)

服役條件：承受從沖擊性和周期性的拉應(yīng)力和裝配時(shí)的預(yù)應(yīng)力；

性能要求：足夠的強(qiáng)度、沖擊韌性和疲勞性能

工藝路線：下料-鍛造-退火（或正火）-機(jī)加工（粗加工）-調(diào)質(zhì)-機(jī)加工（精加工）-裝配24二、彈簧鋼用途：用于制造各種彈性元件或有類(lèi)似性能要求的零件，特別是各種彈簧，如螺旋彈簧、板簧等，是一種專(zhuān)用結(jié)構(gòu)鋼。彈簧鋼的分類(lèi)：熱成型彈簧鋼

冷成型彈簧鋼拉力彈簧蝶形彈簧汽車(chē)板簧

離合器彈簧

25

彈簧功能儲(chǔ)能減振彈簧類(lèi)型板簧，螺簧；壓簧、拉簧和扭簧等一．彈簧的條件、失效方式、性能要求26

典型的螺旋彈簧及板簧壓縮螺簧拉伸螺簧扭轉(zhuǎn)螺簧單板彈簧橢圓板簧疊形板簧27板簧彎曲載荷螺簧扭轉(zhuǎn)應(yīng)力疲勞破壞彈性減退1)．力學(xué)性能：高的σs、σe、σs/σb、σ-1，足夠的韌性及塑性；2)．工藝性能（1）淬透性要高；（2）過(guò)熱敏感性要低；（3）氧化、脫碳傾向小；（4）成型性好。1、性能要求二、對(duì)彈簧鋼力學(xué)性能和工藝性能的基本要求282、冶金質(zhì)量及表面狀態(tài)彈簧鋼應(yīng)有較好的冶金質(zhì)量和組織均勻性，要嚴(yán)格控制材料的內(nèi)部缺陷。由于彈簧工作時(shí)，表面承受的應(yīng)力最大，所以彈簧應(yīng)具有良好的表面質(zhì)量不允許有裂紋、夾雜、折疊、嚴(yán)重脫碳等，這些表面會(huì)成為應(yīng)力高度集中的地方和疲勞裂紋源，顯著地降低彈簧的疲勞強(qiáng)度。29三．彈簧鋼的化學(xué)成分及熱處理特點(diǎn)1．化學(xué)成分碳素彈簧鋼：C：0.6-0.9%合金彈簧鋼：C：0.5-0.7%主加合金元素：Si、Mn、Cr；輔加合金元素：Mo、V、Nb、B。合金元素有作用：提高淬透性：Si、Mn、Cr，（B）；提高回火穩(wěn)定性：Si、Mn、Cr；細(xì)化晶粒：Mo、V、Nb；提高σs、σe、σs/σb：Si、Mn；30

65Mn鋼：Mn含量0.90%-1.20%，優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，淬透性好，強(qiáng)度較高，但有脫碳敏感性、過(guò)熱傾向和回火脆性，淬火時(shí)易開(kāi)裂。55Si2Mn、60Si2Mn:①Si、Mn復(fù)合,強(qiáng)化F,→↑σe，σs/σb可達(dá)到0.8~0.9；

②Si

/Mn

↑淬透性，Ms不過(guò)分↓,開(kāi)裂傾向小;

③Si有效↑回穩(wěn)性,但↑脫C傾向;

④Si、Mn復(fù)合，脫碳和過(guò)熱敏感性較硅鋼、錳鋼為小。四．常用彈簧鋼常用硅錳板簧鋼有65Mn鋼、60Si2Mn、55Si2Mn等31

50CrVA:①Cr、V均↑回穩(wěn)性,韌性好；

②V細(xì)化晶粒,↓過(guò)熱敏感性;

③含Si，脫C敏感性↓,熱處理不易脫C;

常用于受應(yīng)力高的螺旋彈簧及<300℃工作的閥門(mén)彈簧。常用螺旋彈簧鋼有50CrVA322．熱處理特點(diǎn)

冷成型彈簧（強(qiáng)化后成型）：小型彈簧，先最終熱處理+成型+低溫退火（200-400℃）（冷拔彈簧鋼絲）熱成形彈簧：用熱軋鋼絲或鋼板制成，然后淬火+中溫（450℃～550℃）回火，獲得回火屈氏體組織，具有很高的屈服強(qiáng)度和彈性極限，并有一定的塑性和韌性，一般用來(lái)制作為較大型的彈簧。扁鋼剪短→加熱壓彎成型后淬火+中溫回火→噴丸→裝配淬火溫度一般為830-880℃（不允許脫碳）→中溫回火33

火車(chē)緩沖壓縮螺旋彈簧熱成形的三種熱處理工藝

a)常規(guī)熱處理b)熱卷簧余熱淬火c)高溫形變熱處理343.3.2滾動(dòng)承軸鋼1、滾動(dòng)軸承鋼的服役條件和性能要求

主要用來(lái)制造滾動(dòng)軸承的滾動(dòng)體（滾珠、滾柱、滾針）、內(nèi)外套圈等，屬專(zhuān)用結(jié)構(gòu)鋼。從化學(xué)成分上看它屬于工具鋼，所以也用于制造精密量具、冷沖模、機(jī)床絲杠等耐磨件。滾珠滾珠軸承高溫耐腐蝕軸承角接觸球軸承推力滾子軸承組合軸承滾動(dòng)軸承滾珠絲杠35滾針保持架組件滾子軸承圓柱滾子推力軸承圓錐滾子推力軸承36服役條件高負(fù)荷→最大接觸應(yīng)力可高達(dá)3000~5000MPa高轉(zhuǎn)速→循環(huán)周次高達(dá)每分鐘數(shù)萬(wàn)次；高靈敏度→精度要求高→磨損、麻點(diǎn)→噪音失效形式接觸疲勞破壞，麻點(diǎn)、剝落化學(xué)浸濕→誘蝕37滾動(dòng)軸承及其受到載分布情況

38性能要求

1)高而均勻的硬度和耐磨性→足夠淬透性和淬硬性，>60HRC；

2)高接觸疲勞強(qiáng)度→以免過(guò)早失效

3)高的彈性極限和→保證材質(zhì)、組織；

4)一定的韌性→承受沖擊，以免碎裂；

5)尺寸穩(wěn)定性好→保證精度；

6)一定耐蝕性→大氣、潤(rùn)滑油腐蝕。

7)具有良好的冷熱加工性能關(guān)鍵因素化學(xué)成分、冶金質(zhì)量和加工工藝39

3、冶金質(zhì)量冶金質(zhì)量要求純凈→非金屬夾雜物要少，按化學(xué)成分分：①簡(jiǎn)單氧化物（如A12O3）；②復(fù)雜氧化物（MnO.Al2O3）③硅酸鹽和硅酸鹽玻璃；④硫化物（MnS）接觸面小應(yīng)力集中大易產(chǎn)生裂紋材質(zhì)純凈、組織均勻軸承鋼由于冶金質(zhì)量缺陷造成的失效占總失效的65%，主要指非金屬夾雜和碳化物不均勻性所造成的冶金缺陷。40非金屬夾雜按金相形態(tài)（熱變形能力）可分為：脆性?shī)A雜：Al2O3，尖晶石，沿軋制方向排列，呈點(diǎn)鏈狀分布；塑性?shī)A雜：MnS和Fe-Mn硅酸鹽：，在熱變形中有良好的塑性；球狀不變形夾雜物：主要是鈣的鋁酸鹽；半塑性?shī)A雜物：復(fù)相鋁酸鹽，含有Al2O3或者尖晶石氧化物，軋后成紡錘狀。軸承的接觸疲勞壽命隨著鋼中氧化物級(jí)別的增加而降低，對(duì)軸承鋼的危害程度按照剛玉、尖晶石、球狀不變形夾雜、半塑性鋁硅酸鹽、塑性鋁硅酸鹽、硫化物依次遞減。失效形式：應(yīng)力集中41組織均勻碳化物細(xì)小均布。主要有三類(lèi)K：

K液析→結(jié)晶時(shí)枝晶偏析而存在→高溫?cái)U(kuò)散退火，不允許液析嚴(yán)重；

帶狀K→軋制時(shí)二次碳化物偏析→高溫?cái)U(kuò)散退火；

網(wǎng)狀K→冷卻時(shí)在晶界析出→正火42

氧化物夾雜數(shù)量對(duì)軸承鋼疲勞壽命的影響43常用軸承鋼(1)鉻軸承鋼最常用的是GCr15(2)添加Mn、Si、Mo、V的軸承鋼，如GCr15SiMn、GCr15SiMnMoV等。為了節(jié)鉻,加入Mo、V可得到無(wú)鉻軸承鋼,如GSiMnMoV、GSiMnMoVRE等，其性能與GCr15相近。(3)對(duì)于工作溫度高于250℃（航空發(fā)動(dòng)機(jī)工作溫度可達(dá)380℃）的軸承，溫度升高使材料的硬度、耐磨性顯著下降，因此必須采用高溫軸承鋼，如Cr4Mo4V、W6Mo5Cr4V2、Cr14Mo4V、9Cr18Mo等，因有W、Mo、Cr、V強(qiáng)K形成元素，淬火后M具有良好的回火穩(wěn)定性，并具有二次硬化現(xiàn)象，高溫下可保持高硬度、高耐磨性和良好的接觸疲勞強(qiáng)度。(4)對(duì)于要求耐蝕的軸承，可采用不銹鋼制造，9Cr18、9Cr18Mo等。44

4、熱處理特點(diǎn)球化退火→為最終淬火作組織準(zhǔn)備，同時(shí)為機(jī)加工做準(zhǔn)備。退火加熱溫度一般為780-810℃，冷卻方式分為連續(xù)冷卻及等溫冷卻兩種。淬回→淬火溫度要求十分嚴(yán)格，溫度過(guò)高會(huì)過(guò)熱，晶粒長(zhǎng)大，使韌性和疲勞強(qiáng)度下降，且易淬裂和變形；溫度過(guò)低，則奧氏體中溶解的鉻量和碳量不夠，鋼淬火后硬度不足。例：GCr15鋼的淬火溫度：820℃～840℃正火→消除鍛造毛坯的網(wǎng)狀碳化物45回火：低溫（150-160℃）保溫兩小時(shí)，去應(yīng)力，提高韌性，穩(wěn)定尺寸。組織：極細(xì)馬氏體+均勻分布碳化物+少量殘余奧氏體時(shí)效：磨削后再進(jìn)行120-130℃保溫5-10h的低溫實(shí)效處理，以消除內(nèi)應(yīng)力，穩(wěn)定尺寸。

冷處理：對(duì)于精密滾動(dòng)軸承及構(gòu)件必須保證在長(zhǎng)期存放和使用中不變形。為了穩(wěn)定尺寸，在淬火后要在1-2h內(nèi)進(jìn)行冷處理，要求溫度在-70℃～-80℃保溫1-2h，使殘余奧氏體兩達(dá)到4-6%。463.2.4低碳馬氏體型結(jié)構(gòu)鋼基本性能

抗拉強(qiáng)度σb

：1150~1500MPa；屈服強(qiáng)度σs

：950~1250MPa

；

ψ≥40%；伸長(zhǎng)率δ，≥10%；沖擊韌度AK≥6J。這些性能指標(biāo)和中碳合金調(diào)質(zhì)鋼性能相當(dāng)，常規(guī)的力學(xué)性能甚至優(yōu)于調(diào)質(zhì)鋼。

低碳M結(jié)構(gòu)鋼采用淬火+低回工藝，可得到位錯(cuò)板條M→強(qiáng)度、韌度和塑性的最佳配合。47對(duì)低碳馬氏體型鋼的基本性能要求

1．淬透性好（低碳，只能從合金化上考慮）；2．過(guò)熱敏感性低（低碳，相變點(diǎn)高，必須防止晶粒長(zhǎng)大）；3．回火穩(wěn)定性高（MS點(diǎn)高，有自回火現(xiàn)象，穩(wěn)定性差）。合金化特點(diǎn)低碳：0.15-0.25%→以保證淬火后獲得板M合金元素：Si、Mn、B、Ti、V、Nb、Mo等作用：提高淬透性Si、Mn、B

降低過(guò)熱敏感性：Ti、V、Nb、Mo；提高回火穩(wěn)定性：Si、Ti、V、Nb、Mo

降低MS點(diǎn)，防止自回火：Si、Mn48零件斷面尺寸↑，心部可能淬不透，→綜合性能↓應(yīng)根據(jù)零件的尺寸大小來(lái)選擇相應(yīng)淬透性的鋼高溫加熱較長(zhǎng)T保溫快速冷卻低碳馬氏體的熱處理工藝特點(diǎn)2、低碳馬氏體結(jié)構(gòu)鋼及應(yīng)用

應(yīng)用

在礦山、汽車(chē)、石油、機(jī)車(chē)車(chē)輛、農(nóng)業(yè)機(jī)械等制造工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用493.2.5超高強(qiáng)度鋼低合金中碳馬氏體型二次硬化型高強(qiáng)度鋼馬氏體時(shí)效型超高強(qiáng)度不銹鋼（不銹鋼中講）

低合金超高強(qiáng)度鋼分類(lèi)對(duì)于航天工業(yè)來(lái)說(shuō)，降低飛行器或構(gòu)件自身的重量至關(guān)重要，要求屈服強(qiáng)度高于1400MPa才能獲得廣泛應(yīng)用，這種鋼稱為超高強(qiáng)度鋼。50一、低合金超高強(qiáng)度鋼1、低合金超高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼是為了滿足飛機(jī)、火箭等航空航天器結(jié)構(gòu)上的高比強(qiáng)度的材料而發(fā)展的一類(lèi)結(jié)構(gòu)鋼。應(yīng)用場(chǎng)合可應(yīng)用于機(jī)翼主梁、起落架支柱、火箭外殼、高壓容器等。回火馬氏體或者下貝氏體C：0.30-0.45%Me：約為5%成分特點(diǎn)使用組織511)Si、Mn、Cr、Ni、Mo等提高淬透性。Si還可以使M的脆化溫度移向高溫，強(qiáng)化機(jī)體，增加鋼的耐回火性能。2)V、Nb細(xì)化晶粒，有效提高塑性和韌性。3)S、P應(yīng)嚴(yán)格控制，總是小于0.02%，以保證高塑性，盡可能減少氣體含量，可采用真空熔煉或電渣重熔。2、低合金超高強(qiáng)度鋼合金化特點(diǎn)3、性能要求1)具有所要求的強(qiáng)度；2)合適的塑性；3)一定的沖擊抗力和斷裂韌性；4)高的疲勞強(qiáng)度；5)焊接性好，缺口敏感性低。52

40CrNiMo、30CrMnSiNi2、32Si2Mn2MoV鋼。如30CrMnSiNi2鋼的淬透性高，臨界淬透直徑為80mm，抗拉強(qiáng)度為1670±100MPa4、常用鋼號(hào)二．二次硬化型超高強(qiáng)度鋼1)C：0.3-0.4%左右，保證屈服強(qiáng)度大于1550MPa；2)合金元素：Cr、Mo、Si、V等，提高淬透性，空冷得到M。3)Mo、V高溫回火析出特殊K，具有二次硬化作用。4)Cr量高，提高抗蝕性，提高淬透性。1．成分特點(diǎn)532．熱處理特點(diǎn)淬透性很強(qiáng)，一般采用淬火+500-600℃高溫回火洗出彌散的M7C3、M2C、和MC型特殊碳化物，產(chǎn)生二次硬化，同時(shí)高溫回火消除應(yīng)力。3、特點(diǎn)較好的抗氧化性和耐蝕性，主要缺點(diǎn)是塑韌性、焊接性和冷變形性較差。54三、馬氏體時(shí)效鋼

馬氏體時(shí)效鋼是超低碳高合金鋼，實(shí)際上是以Fe-Ni為基的合金。它利用金屬間化合物在含碳量極低的高鎳馬氏體中彌散析出強(qiáng)化，抗拉強(qiáng)度可達(dá)2000MPa。1、成分特點(diǎn)1)C：超低碳，≤0.03%C2)Ni：18%-25%3)合金元素：Ti、Nb、Mo、Al；4)雜質(zhì)元素：C、S、N。55（1）保證馬氏體的形成（2）減低位錯(cuò)阻力和位錯(cuò)與原子間交互作用的能量；（3）有利于M中沉淀相的析出；（4）使Ms下降。2、Ni的作用3、典型材料

M時(shí)效鋼的典型熱處理工藝為815℃固溶后空冷，M轉(zhuǎn)變相當(dāng)充分，因是置換式固溶體，HRC30-35，480℃×（3-6h）時(shí)效，析出Ni3Al、Ni3Ti、Ni3Mo、(FeNiCo)2Mo等金屬間化合物，組織：回火M+金屬間化合物。563.2.6滲碳鋼與氮化鋼用途：主要用于制造汽車(chē)、拖拉機(jī)中的變速齒輪，內(nèi)燃機(jī)上的凸輪軸、活塞銷(xiāo)等機(jī)器零件。服役條件滑動(dòng)、滾動(dòng)、接觸應(yīng)力、沖擊、磨損失效方式接觸疲勞性能要求高硬度高的接觸疲勞抗力良好的耐磨性，心部具有一定的塑形57滲碳零件的工作條件、失效方式及性能要求彎曲疲勞沖擊接觸疲勞摩擦失效方式彎曲疲勞破壞接觸疲勞破壞齒端磨損齒面刮傷性能要求（1）疲勞強(qiáng)度：高的接觸疲勞強(qiáng)度和彎曲疲勞強(qiáng)度；（2）表面硬度高耐磨性好（HRC大于58-62）（3）心部綜合力學(xué)性能好（25-40HRC，沖擊韌性高于70J/cm2）。

一、滲碳鋼工作條件制造齒輪、凸輪、活塞銷(xiāo)等581、滲碳鋼的合金化一般含碳量在0.12~0.25％保證得到強(qiáng)韌性好的板條M常用合金化元素

Mn、Cr、Ni主要↑淬透性改善滲碳層性能；

Ti、V、W、Mo細(xì)化晶粒

滲碳層性能:表層碳量、表層濃度梯度和滲層深度

滲碳層深度根據(jù)零件需要確定。原則上，滲碳層深度應(yīng)大于零件的最大切應(yīng)力深度。592．常用滲碳鋼滲碳鋼都是低碳鋼或者是低合金鋼。根據(jù)淬透性大小分為低脆性鋼、中脆性鋼、高脆性鋼。根據(jù)零件淬透性和力學(xué)性能的要求，合理考慮合金元素對(duì)神探工藝的影響，合理地選擇滲碳鋼。1)低淬透性滲碳鋼：15Cr、20Cr、15Mn2、20Mn2等；2)中淬透性合金滲碳鋼：20CrMnTi、12CrNiA、

20CrMnMo、20MnVB等；3)高淬透性合金滲碳鋼：12CrNi4A、18Cr2Ni4WA、

20Cr2Ni4A等。603、滲碳鋼熱處理特點(diǎn)碳素滲碳鋼和地合金滲碳鋼——直接淬火或者一次淬火高合金鋼——二次淬火以20Cr2Ni4A、20CrMnTi鋼的熱處理為例高淬透性的合金鋼由于含有較多的合金元素，滲碳層表面的含碳量又很高，大致M的轉(zhuǎn)變溫度很低。若采用滲碳后直接淬火，滲碳層中將保留大量的殘留奧氏體，是表面硬度降低，因此必須設(shè)法降低殘余奧氏體的含量。一般滲碳鋼的熱處理溫度為930℃左右，滲碳后的熱處理通常有直接淬火、一次淬火、二次淬火等方法，而后進(jìn)行低溫回火。611)淬火后進(jìn)行冷處理(-60-100℃)，使殘留奧體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體。2)滲碳及正火后進(jìn)行一次高溫回火（600-620℃），從馬氏體和殘留奧氏體中析出碳化物，隨后再加熱到較低溫度（Ac1+30-50℃）淬火時(shí)，這些碳化物不再溶入奧氏體中，從而減小了奧氏體中的碳及合金元素的含量，使馬氏體轉(zhuǎn)變溫度有所升高，淬火后殘留奧氏體的含量自然就減少了。最后再進(jìn)行低溫回火，以消除內(nèi)應(yīng)力，并提高滲碳層的強(qiáng)度和韌性。3)滲碳后進(jìn)行噴丸處理，也可以有效地使?jié)B層中的殘余奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體。生產(chǎn)中降低殘余奧氏體的方法主要有三種：6220CrMnT鋼的熱處理工藝步驟:(1)滲碳后預(yù)冷后直接淬火-減小淬火變形(2)低溫回火：200℃例題：20CrMnTi合金滲碳鋼制造的汽車(chē)變速齒輪，其技術(shù)要求是滲碳層厚度為1.2-1.6mm，表面含碳量為1.0%，齒頂硬度為58-60HRC，心部硬度為30-45HRC，試確定其熱處理工藝，并分析其工藝路線。工藝路線為：鍛造→正火→加工齒輪→局部鍍銅→滲碳→預(yù)冷淬火、低溫回火→噴丸→磨齒（精磨）63二、氮化鋼

服役條件有些零件，如精密機(jī)床的主軸等，工作時(shí)載荷不大，基本上無(wú)沖擊力；有摩擦，但比齒輪等零件的磨損要輕，同時(shí)也受到交變的疲勞應(yīng)力。這一類(lèi)零件重要的要求是能保持高的精度。常采用氮化鋼進(jìn)行滲氮處理?；靖拍畹河玫柡弯摰谋砻娴墓に囘^(guò)程，氮化工藝一般在600℃以下進(jìn)行。氮化鋼多為碳含量偏低的中碳鉻鉬鋁鋼。氮化的目的：提高鋼表面的硬度、耐磨性、熱穩(wěn)定性和耐蝕性。工藝：氮化前，要經(jīng)過(guò)調(diào)質(zhì)熱處理以得到穩(wěn)定的回火索氏體組織，以保證零件最終的使用性能和使用過(guò)程中的尺寸穩(wěn)定性，同時(shí)也為獲得好的氮化層作組織準(zhǔn)備。64氮化鋼的擴(kuò)散層的結(jié)構(gòu)取決于Fe-N相圖氮化鋼的擴(kuò)散層取決于鋼的成分、加熱溫度和時(shí)間，以及氮化后的冷速。氮化鋼的成分特點(diǎn)合金化元素：Al、Nb、V-合金氮化物最穩(wěn)定；其次，Cr、Mo、W的合金氮化物，同時(shí)提高氮化鋼的淬透性。Mo、V不僅使調(diào)制后的氮化鋼組織在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)保持穩(wěn)定，也防止了第二累回火脆性。合金元素對(duì)氮化層深度和表面的硬度的影響如圖氮化鋼的含碳量比滲碳鋼的要高，一方面是因?yàn)榉蹢l件不同，另一方面是能獲得較高的硬度，以支撐硬度表面，保證在過(guò)渡區(qū)有良好的硬度匹配。65合金元素對(duì)氮化層深度和表面硬度的影響（550℃氮化24h）

66國(guó)內(nèi)外廣泛使用的氮化鋼是38CrMoAl鋼，獲得最高氮化層硬度，達(dá)到900~1000HV。僅要求高疲勞強(qiáng)度的零件，可采用不含鋁的CrMo型氮化鋼，如35CrMo、40CrV、40Cr等，其氮化層的硬度控制在500~800HV。氮化鋼的應(yīng)用673.2.7易削鋼1．概述易削鋼是鋼中加入一種或幾種元素，使其