工程材料學(xué)-機(jī)器零件用鋼

第三章機(jī)器零件用鋼應(yīng)有較高的強(qiáng)度較好的耐磨性、韌性、以及疲勞性能良好的制造工藝性，如鍛造性、切削加工性等一般都經(jīng)過適當(dāng)熱處理后使用。力學(xué)性能要求工藝性能要求按用途可分為調(diào)質(zhì)鋼、表面硬化鋼（包括滲碳鋼、滲氮鋼、低淬透性鋼）、易切削鋼、彈簧鋼和滾動軸承鋼等。調(diào)質(zhì)鋼調(diào)質(zhì)鋼，一般是指含碳量在0.3-0.5%的中碳鋼。一般用這類鋼制作的零件要求具有很好的綜合機(jī)械性能，即在保持較高的強(qiáng)度的同時又具有很好的塑性和韌性，人們往往使用調(diào)質(zhì)處理來達(dá)到這個目的，所以人們習(xí)慣上就把這一類鋼稱作調(diào)質(zhì)鋼。調(diào)質(zhì)：淬火+高溫回火。鋼調(diào)質(zhì)處理后的金相組織是回火索氏體。特點(diǎn)：中碳、調(diào)質(zhì)后具有好的強(qiáng)度與塑性的配合，局部表面淬火+低溫回火后具高硬度和耐磨性。Mn、Cr、Ni、B、Si用來提高淬透性，Mo、W可抑制第二類回火脆性，Ti、V細(xì)化晶粒。典型合金調(diào)質(zhì)鋼分類低淬透性調(diào)質(zhì)鋼鋼含合金元素總量＜3%，40Cr、40MnB等。

中淬透性調(diào)質(zhì)鋼鋼含合金元素總量在4%左右。38CrSi、35CrMo等，常用于制造較小的齒輪、軸、螺栓等零件。高淬透性調(diào)質(zhì)鋼鋼含合金元素總量在4%～10%。38CrMoAl、40CrMnMo、25Cr2Ni4W等，制造大截面重載荷零件，如曲軸等用高淬透性的零件等。大多數(shù)調(diào)質(zhì)鋼為中碳合金結(jié)構(gòu)，屈服強(qiáng)度在490-1200Mpa。以焊接性能為突出要求的調(diào)質(zhì)鋼，為低碳合金結(jié)構(gòu)鋼，屈服強(qiáng)度一般為490-800Mpa，有很高的塑性和韌性。少數(shù)沉淀硬化型調(diào)質(zhì)鋼，屈服強(qiáng)度可到1400Mpa以上，屬高強(qiáng)度和超高強(qiáng)度調(diào)質(zhì)鋼。彈簧鋼汽車板簧大型熱卷彈簧熱卷大彈簧彈簧絲性能要求高的彈性極限和屈服強(qiáng)度

高的疲勞極限有足夠的韌性和塑性，以防在沖擊力作用下脆斷碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較大合金元素：Si、Mn

、Cr、W、V等要有較高的冶金質(zhì)量好的表面質(zhì)量最終熱處理：淬火＋高溫回火，回火屈氏體彈簧的制造工藝?yán)浒巍葴卮慊稹浒巍砘伞蜏鼗鼗鹄浒巍嘶稹浒巍砘伞蜏鼗鼗鹄浒巍慊穑袦鼗鼗稹砘伞蜏鼗鼗鸺訜帷砘伞酂岽慊稹袦鼗鼗饾B碳鋼性能要求①表面具有高硬度和高耐磨性，心部具有足夠的韌性和強(qiáng)度，即表硬里韌；②具有良好的熱處理工藝性能，如高的淬透性和滲碳能力

滲碳鋼的化學(xué)成分含碳量：心部;0.25％，表層：0.8％Cr、Ni、Mo、W、Mn、Si和B提高淬透性中等碳化物形成元素易使碳化物呈粒狀分布，強(qiáng)碳化物形成元素和非碳化物形成元素易使碳化物呈條狀或網(wǎng)狀分布。滲碳方法：氣體滲碳、固體滲碳和液體滲碳。目前廣泛應(yīng)用的是氣體滲碳法。（1）氣體滲碳一類：以可控氣氛（加熱金屬時為了保護(hù)金屬表面和調(diào)節(jié)金屬表面化學(xué)成分而使用的成分可以控制的氣體）作為載體氣，加入碳?xì)浠衔餁怏w以調(diào)節(jié)碳勢（碳勢是指某一溫度下爐氣與鋼表面奧氏體中的碳量相平衡時的碳量，簡單地可理解為爐氣的滲碳能力）。另一類：將含碳有機(jī)液體直接滴入滲碳爐，在爐中產(chǎn)生所需要的氣氛。生成活性碳原子：

2CO→[C]+CO2CH4→[C]+2H2

CO+H2→[C]+H2O

隨后活性碳原子被鋼表面吸收而溶入奧氏體中，并向內(nèi)部擴(kuò)散而形成一定深度的滲碳層。優(yōu)點(diǎn)：生產(chǎn)率高，勞動條件好，滲碳過程容易控制，容易實(shí)現(xiàn)機(jī)械化、自動化，適用于大批量生產(chǎn)。氣體滲碳工藝滲碳前，零件需除油、清洗。局部滲碳零件，不滲處涂防滲膏或鍍銅保護(hù)?？刂茪夥仗紕?、溫度和時間。滲后淬火。（2）固體滲碳滲碳工藝：工件+滲碳劑密封裝入滲碳箱中，加熱至900～950℃保溫。固體滲碳劑：碳粉和碳酸鹽(BaCO3或Na2CO3)的混合物?；瘜W(xué)反應(yīng)：

C+O2→2CO

BaCO3或Na2CO3→BaO（或Na2O）+CO2

CO2+C→2CO2CO→[C]+CO2優(yōu)點(diǎn)：操作簡單缺點(diǎn)：表面碳含量難精確控制；滲速慢；勞動條件差。滲碳鋼的熱處理（1）直接淬火法直接淬火工藝示意圖180-200℃滲碳900-930℃回火溫度/℃時間淬火A1（2）一次淬火法熱處理后的組織低碳M回+FM回+Cm+A殘低碳合金鋼F+PM回+Fe3C+A殘低碳鋼心部組織表層組織鋼種20CrMnTi鋼滲碳層組織(化染)320滲碳體(白色塊狀)+高碳M(蘭色針狀)+殘余A(棕黃色)根據(jù)淬透性不同，可將滲碳鋼分為三類：

①低淬透性滲碳鋼：典型鋼種如20、20Cr等，其淬透性和心部強(qiáng)度均較低，水中臨界直徑不超過20~35mm。只適用于制造受沖擊載荷較小的耐磨件，如小軸、小齒輪、活塞銷等。②中淬透性滲碳鋼：典型鋼種如20CrMnTi等，其淬透性較高，油中臨界直徑約為25~60mm，力學(xué)性能和工藝性能良好，大量用于制造承受高速中載、抗沖擊和耐磨損的零件，如汽車、拖拉機(jī)的變速齒輪、離合器軸等。③高淬透性滲碳鋼：典型鋼種如18Cr2Ni4WA等，其油中臨界直徑大于100mm，且具有良好的韌性，主要用于制造大截面、高載荷的重要耐磨件，如飛機(jī)、坦克的曲軸和齒輪等。滾動軸承鋼運(yùn)行速度200公里/小時，最高速度240公里/小時，軸承溫升40℃

高速客車軸箱軸承

軸承鋼是用于制造滾動軸承的滾珠，滾柱和套筒等的鋼種，也可用于制作精密量具，冷沖模，機(jī)床絲杠及柴油機(jī)油泵的精密偶件。軸承轉(zhuǎn)動時承受很高的交變應(yīng)力，除要求材料有較高的抗壓強(qiáng)度、接觸疲勞強(qiáng)度和耐磨性外，還要有一定的韌性、耐蝕性、良好的尺寸穩(wěn)定性和工藝性。含碳0.95％～1.15％主要合金元素Cr、Si、Mn軸承鋼的化學(xué)成分滾動軸承鋼可分為高碳鉻軸承鋼、滲碳鉻軸承用鋼、不銹軸承用鋼和高溫軸承用鋼四大類。在軸承制造工業(yè)中應(yīng)用面廣、使用量大的是高碳鉻軸承鋼。典型牌號：GCr15，含C量1%左右、Cr量為1.5%制造軸承的工藝路線鍛造球化退火機(jī)加工淬火低溫回火磨削加工

穩(wěn)定化處理回火馬氏體+細(xì)粒狀碳化物+少量殘余奧氏體①韌性－脆性轉(zhuǎn)變溫度低于使用溫度；②滿足設(shè)計(jì)要求的強(qiáng)度；③在使用溫度下組織結(jié)構(gòu)穩(wěn)定；④良好的焊接性和加工成型性；低溫鋼低溫用鋼分類1.奧氏體低溫鋼奧氏體低溫鋼具有較高的低溫韌性，按合金成分不同，可分為三個系列：①Fe-Cr-Ni系主要為18-8型鉻鎳不銹耐酸鋼。這種鋼低溫韌性、耐蝕性和工藝性均較好，已不同程度地應(yīng)用于各種深冷(-150～269℃)技術(shù)中。②Fe-Cr-Ni-Mn和Fe-Cr-Ni-Mn-N系這類鋼種以錳、氮代替部分鎳來穩(wěn)定奧氏體。氮還有強(qiáng)化作用，使鋼具有較高的韌性、極低的磁導(dǎo)率和穩(wěn)定的奧氏體組織，適用于作超低溫?zé)o磁鋼（即材料的磁導(dǎo)率很?。Ｈ?Cr21Ni6Mn9N、0Cr16Ni22Mn9Mo2等在-269℃作無磁結(jié)構(gòu)部件。③Fe-Mn-Al系奧氏體低溫?zé)o磁鋼是中國研制的節(jié)約鉻、鎳的新鋼種，如15Mn26Al4等可部分代替鉻鎳奧氏體鋼,用于-196℃以下的極低溫區(qū)。2.鐵素體低溫鋼鐵素體低溫鋼一般存在明顯的韌性－脆性轉(zhuǎn)變溫度，當(dāng)溫度降低至某個臨界值（或區(qū)間）會出現(xiàn)韌性的突然下降。鐵素體低溫鋼按成分分為三類：①低碳錳鋼低碳錳鋼(C0.05～0.28％,Mn0.6～2％)。使Mn/C≈10，降低氧、氮、硫、磷等有害雜質(zhì)，有的還加入少量鋁、鈮、鈦、釩等元素以細(xì)化晶粒。這類鋼最低使用溫度為－60℃左右。②低合金鋼主要有低鎳鋼(Ni2～4％)、錳鎳鉬鋼(Mn0.6～1.5％,Ni0.2～1.0％，Mo0.4～0.6％，C≤0.25％)、鎳鉻鉬鋼(Ni0.7～3.0％，Cr0.4～2.0％，Mo0.2～0.6％，C≤0.25％)。這些鋼種的強(qiáng)度高于低碳鋼，最低使用溫度可達(dá)-110℃左右。中國研制了幾種節(jié)鎳的低溫用低合金鋼如09Mn2V等。③中（高）合金鋼主要有6％Ni鋼、9％Ni鋼、36％Ni鋼，其中9％Ni鋼是應(yīng)用較廣的深冷用鋼。這類高鎳鋼的使用溫度可低至-196℃。3.馬氏體低溫鋼屬于這類鋼主要是1Ni9。鎳可以改善鐵素體的低溫韌性，降低脆性轉(zhuǎn)變溫度。1Ni9可用制造－196℃條件下使用的液氮、液化天然氣設(shè)備。

1Ni9鋼具有良好的可焊性，但經(jīng)過冷變形后須在565℃消除應(yīng)力退火，以提高室溫和低溫時鋼的韌性。

減速機(jī)大齒輪風(fēng)機(jī)主軸大鍛件用鋼由于鍛件的尺寸很大，截面很厚，所以大鍛件用鋼在合金設(shè)計(jì)和生產(chǎn)工藝上都有許多特點(diǎn)：為保證鍛件的大尺寸，在冶煉上需采用大容量的冶煉爐，在鑄造上需采用特大錠型；為解決大鋼錠加熱溫度高、保溫時間長，晶粒易粗大化和鍛造比小、變形不均勻、易出現(xiàn)混晶等問題，在制造工藝上需采取相應(yīng)措施；為保證良好的綜合性能，需采用調(diào)質(zhì)熱處理；為保證厚截面鍛件的淬透性，添加較多的鎳、鉻、鉬等合金元素。分類按用途的不同，大鍛件用鋼主要可分為轉(zhuǎn)子用鋼、冷軋輥用鋼和壓力容器用鋼。如：34CrNiMo、18MnMoNi、50SiMnMoV等大鍛件的熱處理主要有兩種：第一熱