第三章_机器零件用钢2013-xs.ppt

第三章 机器零件用钢,机器零件汽车、拖拉机、机床、电站设备、矿山机械 轴类、齿轮、连杆、弹簧、紧固件、轴承使用拉伸、压缩、弯曲、剪切、扭转、冲击、震动、摩擦,或同时作用.加工锻造、轧制、挤压、拉拔和 车、铣、刨、磨及其它加工.,要求塑性、切削性、淬透性,热处理变形、开裂倾向小.用钢优质钢,镇静钢.分类(按生产工艺和用途)调质钢、渗碳钢、氮化钢、低碳M钢、冷变形钢、易切削钢、非调质钢、弹簧钢、轴承钢、特殊用途钢。,淬火高温回火 组织回火S.良好的综合性能,应用广，制造轴类零件、连杆、高强度螺栓；一.调质钢的力学性能要求常用于制造各种轴类、连杆、高强度螺栓等。受力状况复杂如：轴传递扭矩，受弯曲,交变载荷，冲击载荷，有相对运动摩擦和磨损.,3.1 调质钢,性能要求:良好综合性能 YS7001000，TS8001200MPa 延伸率815%,良好的ak60120J/cm2，TC40、还要考虑KIC、-1；,二.调质钢的合金化及组织特点中碳(0.30.5%)主加:Si、Mn、Cr、Ni、B，提高淬透性;辅加:W、Mo、V、Ti，形成碳化物,细化晶粒,Mo、W抑制第二类回火脆性.,碳在M中分布不均应力分布不均,M 塑性.Me使C均匀分布M中，改善塑性，强硬度无影响 但只在低含量(12%)有效，Cr、Mn、Co、Si 而Ni5%时，M塑性、断裂强度.,调质组织中碳回火S,特点 粒状碳化物弥散均匀分布强化相,基体，淬火后位错亚结构亚晶，调质钢屈服应力亚晶尺寸间 遵从Hall-Petch公式.碳化物起稳定亚晶、控制亚晶尺寸作用.,三.常用的调质钢调质钢根据淬透性、强度分四类:表3.1.,第一类中碳钢,40钢、45钢.淬透性低,水淬临界直径1017mm,热处理变形大，强度偏低,价格便宜,在机器制造业中广泛应用.,第二类低合金调质钢,40Cr钢为代表.淬透性较高,油淬尺寸1730mm,水淬30mm，油淬变形小，强度高于中碳钢,40Cr我国目前使用最多.40Mn2、40MnB、40MnVB是40Cr钢的代用钢.40Mn2淬透性40Cr相近,Mn钢易过热,加V,可防止过热,细化晶粒，加B，淬透性,所以的力学性能较好.但40MnVB钢有淬透性不稳问题,注意.,第三类Cr-Mn-Si和Cr-Mo(Ni)钢.淬透性高,油淬3040mm.典型牌号：30CrMnSi高强度可焊接钢种.水淬100mm，油淬50mm 也可等温淬火B下 小于3mm焊接性良好,大于3mm需预热150，焊后须热处理.价格比Cr-Ni-Mo钢低，截面不大时性能相近，我国早期用于重要小截面焊接件,如飞机结构件等.,30CrMo、35CrMo、40CrMo 加Mo淬透性回火稳定性,抑制回火脆性.40CrNiNi淬透性,塑性和韧性,特别是低温冲击韧性.缺点 对白点较敏感,大件锻后，须预防白点;回火脆性倾向大,回火后油冷,第四类淬透性最高,油淬直径6070mm,37CrNi3可达100mm，常用于制造大尺寸重载传动轴；40CrNiMo40CrNiMo,回火脆性倾向,同时强度和淬透性.回火后仍需水或油冷。40CrMnMo 代替40CrNiMo,淬透性高,性能相近；,37CrNi3 CrNi作用,淬透性 比例1:3时,显著淬透性,又强度、塑性和韧性.有回火脆性,高温回火后快冷,可加W、Mo减弱之；,四.冶金质量、热处理特点与组织、性能的关系1.调质钢的冶金质量调质钢受力复杂,除受拉、压、剪切应力外,还受交变应力和冲击载荷作用.重要调质件还要求高的1和AK真空冶炼、电渣重熔、炉外精炼 可有效减少杂质 夹杂物对 1和AK的影响很大,例如：40CrNiMo钢，真空冶炼,纵向1 由812MPa 973MPa;横向1 由553MPa 840MPa;当MnS由0.14%降至0.06%时,KIC 由76.2N/mm3/2 109N/mm3/2.微Ca处理可使45MnCr室温冲击韧性显著,一般认为,微量Ca可进一步脱氧去硫.,研究发现：微量Mg可使35CrNi3MoV钢 室温和40的冲击韧性CVN提高626J,FATT50 降低713,持久试样的高温延性提高1022%,缺口持久寿命提高3439%.,微量Mg处理技术：微量Mg改变夹杂物类型,使其变细小呈球形,分散；Mg 有脱P作用,减少P在晶界偏聚的危害;Mg 使晶内和晶界成条状粗大的碳化物细化;,Mg 能净化晶界,提高晶界强度,其原因:(1)去除O、S、P杂质;(2)Mg偏聚晶界,能强化晶界;(3)Mg填补晶界空位,阻碍晶界扩散和滑移,降低晶界扩散系数;(4)适量Mg降低晶界能和相界能,提高界面结合力.,最佳Mg 0.0030.0065%,出钢前2分钟，加入Mg-Ni合金国外,Mg处理已用于合金结构钢,如ST52-3、AISI8625、HY80、4340等.国内，Mg处理技术在GH37高温合金上应用.,2.调质钢的热处理特点低合金调质钢锻后为正火组织珠光体，高合金调质钢为M预备处理改善切削性，细化粗晶和带状组织，对珠光体型钢锻后（正火）再退火,对马氏体型钢锻后（正火）高温回火.最终热处理加热淬火高温回火,碳钢水淬,合金钢油淬 高温回火500650回火S,调质钢也可用200 C低温回火回火M。要求耐磨时。耐磨要求高时，调质后表面氮化处理。,3.2 渗碳钢、氮化钢及低淬透性钢一.渗碳钢的受力状态及对性能的要求典型零件渗碳齿轮(1)齿轮受力传递运动和扭矩.齿根弯曲应力;齿面接触应力;齿面相对运动摩擦;强烈冲击载荷；,(2)齿轮的失效形式(以汽车渗碳齿轮为例)断齿:齿根弯曲应力最大弯曲疲劳，疲劳源齿根圆角,应力集中点蚀：一种表面接触疲劳破坏.很高接触载荷下,表层有很高切应力,产生点状疲劳破坏(又称为麻点剥落),深度0.050.4mm,位置在齿面接触应力最大,相对滑动率最大处.,深层剥落(硬化层剥落):一种接触负荷深层疲劳破坏.接触时切应力最大值,距表面0.786b(b齿面接触宽度之半,与赫兹接触应力成正比),当最大切应力落在渗层与心部交界处,形成疲劳裂纹源,在接触应力作用下,产生接触疲劳破坏,导致硬化层剥落.外观和点蚀相似,易搞混,其深度大于0.5mm.合理渗层硬度梯度是必要的；,磨损:齿面磨损形式：粘着磨损、磨粒磨损.擦伤:齿面擦伤是由自焊现象造成的.断齿、点蚀、硬化层剥落齿轮常见失效形式.,(3)齿轮组织性能要求齿面高硬度、高耐磨性、高接触疲劳性能;高、中碳淬火低温回火回M为最佳,心部有较高强度、一定塑性韧性,综合性能良好.中碳调质 或低碳回M组织为最佳,低碳或低碳合金钢 渗碳淬火低温回火，可满足；中碳或中碳合金钢 调质表面淬火低温回火，可满足；,渗碳后,层深0.62.0mm,含0.81.1%C,淬火+低温回火后：表面5862HRC,高耐磨性和接触疲劳强度;心部组织 完全淬透时,低碳回火M,3842HRC,未淬透(多数情况),TMF组织,2540HRC;AK高于70J/cm2.表面残余压应力,能提高弯曲疲劳强度.,二.渗碳钢的合金化两方面考虑：(1)心部性能；(2)渗碳工艺和渗层组织.1.渗碳钢含碳量 一般0.100.25%，近年有提高趋势0.220.28%,有的到0.30.4%.两种看法:(1)低碳和厚渗层(1.01.2mm),表面高硬度、高耐磨性,心部足够的硬度和良好冲击韧性;,(2)认为零件承受冲击能力不决定于心部冲击韧性,表面疲劳抗力取决于高强度心部支承它,提出用含碳高的钢,提高心部强度.研究认为：心部硬度太低过渡区会产生裂纹，降低寿命,例如：40CrNi3比12Cr2Ni4心部硬度高，接触疲劳寿命提高2.6倍,见表3.2.,心部硬度3845HRC为好.韧性要求较低的可用0.30.45C钢,适当减小层深,例如：40Cr钢齿轮,层深可减至0.5mm,不易断齿.但对冲击较大的件,不易用高碳.,心部硬度接触疲劳寿命的关系,2.渗碳钢的淬透性重载零件最好淬透,心部为低碳回火M.非M组织FP，降低弯曲疲劳和接触疲劳另一方面,心部M数量越多,M含碳量越高,表面残余压应力越低.淬透性过高或碳较高反而不利.过高淬透性,淬火变形增加.,3.合金元素对渗碳工艺和渗层组织的影响渗碳：910930,10h以上.温度越高，渗碳时间越短，但晶粒会长大,超过950晶粒易于长大.【目前10001050高温渗碳,受关注，缩短时间,渗后实际晶粒尺寸并不粗大.】为防晶粒长大,渗碳钢本质细晶粒钢,Mn促进晶粒长大,常加Ti、V阻止晶粒长大.,图3-3（3-4）碳化物形成元素增大表面吸收C能力,增大渗层浓度,加速渗碳阻碍碳在A中扩散，不利渗层加厚.,综合效果：Cr、Mo加大渗层厚度,Ti减小渗层厚度.,非碳化物形成元素相反,减小表面吸收碳原子的能力,降低渗层碳浓度，加速碳在A中扩散速度(Ni、Cu).,综合效果：Ni、Cu、Si减慢渗碳，不利于渗层厚度,三.常用的渗碳钢分为四类,表3.3,第一类:碳素渗碳钢15、20钢.淬透性低,水淬,变形大 形状简单、要求不高耐磨件,如套筒、小轴、链条等.,第二类:低淬透性 20Cr、20MnV、20Mn2V、一定淬透性和心部强度,油冷心部B组织.,第三类:中淬透性20CrMn、20CrMnTi、20MnTiB、20CrMnMo淬透性、心部强度较高,心部TS8001200汽车、拖拉机、矿山机械应用最广我国用20CrMnTi 合金化？国外用20CrMnMo钢.,第四类:高淬透性20Cr2Ni4、18Cr2Ni4W性能优良 Ni提高淬透性,提高韧性,改善冲击疲劳抗力.淬透性很高,空淬钢,心部TS1200MPa 重载荷渗碳件,如坦克齿轮、飞机齿轮；,四.渗碳钢的热处理特点 直接淬火低温回火，一次淬火低温回火.,图3-6直接淬火，20CrMnTi预冷875 目的？,（1）减少淬火变形，（2）析出二次渗碳体,减少残A量.,20Cr2Ni4钢直接淬火?大量残A,硬度降低.三种方法:淬火后冷处理-60-100;渗碳后正火600620回火,碳化物析出,再加热淬火,A化温度较低，残A量减少.现场高温回火与淬火加热一次完成,缩短时间,节能降耗.渗碳后喷丸强化,使残AM；,图3-6 20Cr2Ni4钢：+工艺 直接淬火,大量残A,硬度降低.,五.渗碳钢的应用及研究1.渗层深度与接触疲劳寿命的关系合适层深,最大切应力在硬化层内提高寿命,表3-6,表3-6 渗层深度接触疲劳寿命的关系,层深满足下式,使最大切应力在渗层内:渗层深度(mm)31max R/HV max最大接触应力(MPa);R接触部位相对曲率半径(m);HV渗层硬度.,重载齿轮冶金、煤炭、重型矿山机械，接触应力很大,受动态冲击载荷,20Cr2Ni4、20CrNi2Mo、15CrNi3Mo、17CrNiMo 数mm的深层渗碳；,2.关于20CrMnMo钢与20CrMnTi钢的比较20CrMnTi钢我国，发达国家20CrMnMo钢 或Cr-Mn、Cr-Ni钢.俄罗斯已放弃，对比试验和研究：Ti防A晶粒长大,阻碍渗速,临界点升高,表3-7.,20CrMnMo钢与20CrMnTi钢渗碳淬火温度比较,研究发现：晶粒度900渗碳,相同;高于900,20CrMnMo晶粒粗一些；渗速920渗碳,20CrMnMo钢快,时间相同,渗层相差0.120.14mm;20CrMnMo淬透性好,组织细小均匀,碳化物数量较少,碳化物颗粒细小均匀,残A多,硬度略高且沿层深变化平缓,内氧化较轻.20CrMnMo钢接触疲劳性能好 相同层深,20CrMnMo钢周期短,成本低,性能好.,3.2%Cr-2%Ni型渗碳钢4.贝氏体型渗碳钢,六.氮化钢氮化层性能特点（优点）：提高疲劳强度、耐磨性（HRC6570）、表面抗粘结性 氮化层抗水、油的腐蚀,减轻表面腐蚀磨损;氮化温度低，变形量很小；提高表面热稳定性：较高温度下，高硬度不变。如：38CrMoAl氮化件,可在400490工作.缺点：600以下进行，生产周期长,成本高.,用于：疲劳强度高、耐磨、尺寸精确机器零件,如镗床磨床主轴、轴套、蜗杆,柴油机曲轴氮化层组织Fe-N相图(图3-8),共析温度 590以下,三种相:相、(Fe4N)相、相；,合金元素层深、表面硬度的影响,图3.8 Me和C降低N在F中扩散速度,减少层深,Cr-Mo钢中加Al，氮化时可得到最高硬度.,国内外广泛应用38CrMoAl,38Cr2WVAl,30CrNi2WV,30Cr3W 近年开发,表3.6；38CrMoAl钢500600氮化,最高硬度,提高到620,硬度下降,耐磨性却提高,38Cr2WVAl、40CrV、40Cr氮化,硬度较低,硬度沿层深下降平缓,耐磨性和脆断抗力,抗蚀氮化 用于0.11.0%C钢.得到十几几十微米氮碳化合物层,同时提高表面硬度,疲劳强度.QPQ盐浴软氮化+氧化+抛光,抗蚀性好,无污染，取代电镀,国内外大量应用.,七.低淬透性钢感应淬火表面强化问题的提出：齿轮：表面高硬，心部塑韧,特点：加热速度快，组织转变温度高 比一般淬火温度高80100；冷却介质：喷水冷却,采用低淬透性钢特点:(1)合金量低,淬透性低;(2)本质细晶钢,感应淬火,晶粒度1112级;(3)淬火需要大的临界冷速;(4)表面残余压应力600800MPa;(5)静强度高,只变形不断裂;(6)疲劳寿命高.,淬火得到一定深度M层,心部塑性和韧性好.可提高碳量(0.51.1%C)，硬度高,高耐磨和接触疲劳抗力,加Al、Ti、V、Zr、Nb细化晶粒,适用轴类、齿轮、弹簧、轴承;,5570DTi我国开发低淬钢,55DTi淬透性1.52.0mm，53HRC以上,适合模数m5齿轮;60DTi淬透性2.02.6mm,适合m=58齿轮；70DTi适合m=814齿轮.感应淬火后低温回火或自回火.此类钢也可直接淬火：840920加热，预处理850正火,快冷伪共析组织.,低淬钢齿轮力学性能和台架试验性能均高于 20CrMnTi、20CrMo、20CrMnMo渗碳齿轮.,3.3 低碳马氏体型结构钢问题的提出？中碳钢淬火高温回火,牺牲强度，保持塑性韧性;淬火低温回火,高强度,塑性、韧性偏低.低碳钢淬火低温回火板条M,强度韧性最佳配合.表3.10、表3.11、表3.12、表3.13,15MnVB低马高强度冷镦螺栓,M20以下高强螺栓 汽车连杆螺栓、缸盖螺栓、半轴螺栓,原由 40Cr制造,冷变形性差,冷镦开裂、掉头；低马15MnVB,工艺性显著改善,模具寿命2030%;脱碳倾向小；合格率提高，能耗低.,3.4 冷锻冷镦用钢为何？现代制造业提倡少切削无切削，材料利用率 冷锻冷镦尺寸精度高,材料利用率高,产量大,成本低,比热锻和机加工简单.要求高塑性、表面光洁度高、冷锻冷镦不开裂,尺寸精度高.,合金化固溶强化元素少Mn、Si、Cr、PML系列冷镦钢：Mn小于0.60，Cr、Si小于0.20,组织影响粒状P最好,片状P较差,球化退火.如：一企业10、30、45、30CrMnSi钢冲压件,厚1.52.2，退火后冲压出裂纹,多次改进不理想,球化退火开裂量由45%降到0.1%工艺:Ac1+2030加热2h,降温Ac120302h,炉冷500出炉.国外汽车标准件,一般要求球化退火,如日本冷锻齿轮毛坯等温球化退火.,3.5 易切削钢自动机床为提高切削速度和刃具寿命，为广泛应用高强度钢.切削性夹杂大小类型、形态分布、数量有关.S、P、Pb、Bi、Se(硒)、Te(碲)、Ca形成 夹杂物、金属间化合物、自由态（A）切削性：轧制中,沿变形方向伸长条状、纺锤状,微小缺口,破坏连续性切削时金属撕裂能量；（B）夹杂物不显著纵向性能；（C）夹杂物硬度不高,与刃具摩擦系数,刃具磨损.还应使切屑容易折断,易于处理.,表3.12.,易切削钢分为：S系、Pb系、Ca系及复合易切削钢,(1)S广泛使用，0.080.35%MnS 碳钢切削速度25%;刃具表面形成MnS膜,使刃具与切屑摩擦力 切削温度和切削力1%volMnS高速钢刃具磨损速率 表面粗糙度但，S 热脆，增加各向异性，横向塑性韧性，耐腐蚀性.,(2)Pb不溶钢极细颗粒 对纵向和横向性能影响较小.切削热 Pb熔化,使切屑易断裂,表面质量;Pb有润滑作用,摩擦力和切削力 PbS同时加入,效果好.缺点：Pb的加入，降低钢的接触疲劳强度。Pb蒸气有毒，用量减少.Bi与Pb作用相同,常与Pb复合加入；,(3)Se、Te与S相似，对钢的各向异性影响比S小，表面粗糙度比S低。常用于高合金钢、不锈钢。(4)Ca易切削钢，Ca脱氧，改善切削性 形成CaO-MnO-SiO2-Al2O3四元夹杂，在刃具磨损面厚度0.02mm沉积层磨损，Ca处理的钢硬质合金刀具快速切削易切性,刀具寿命提高,表面光洁度提高；CaS、Ca-S-Pb复合加入 采用高速钢刀具有易切性.,(5)P是易切元素低碳钢用为何？P固溶强化,强化F,但塑性韧性 提高切削性.表3.13、表3.14,3.6 非调质钢与贝氏体钢为何？取消调质，简化工艺，能耗成本，用于机器零件,有很好强韧性、抗疲劳和耐磨性,合金元素用量少.一.非调质钢FP型：中碳或中碳Mn钢0.2%V、Ti、Nb 热轧或热锻空冷或控冷沉淀和细晶强化,性能基本达到调质钢的水平.,非调质钢与调质钢典型的生产工艺过程,49MnVS370年代初德国开发，汽车业大量用 德国大众轿车连杆,年产250万件；瑞典Volvo每年2.5万t制造汽车零件；日本锻造连杆75%,曲轴90%使用；我国88开发35MnVS钢,代55钢发动机连杆,35MnVNbS、40MnVS、42MnNbV、45MnV YF35V、YF40MnV、YF45V等非调质钢种.表3-20、表3-21,如：江玲汽车 用国产49MnVS3代日本S53C柴油机曲轴,台架和路试均合格,成本降低48元/根,制造连杆,每件节约1315元.一般可降低成本25%38%;,二.贝氏体钢 B钢锻造空冷 B组织.与非调质钢比,强韧性更高;与调质钢相比,等强度时,塑性和韧性更好;与回火马氏体钢相比,等强下,抗疲劳性能(冲击疲劳,应变疲劳)、耐磨性更高.,低碳1/2Mo-B系贝氏体钢50年代开发,成分特点：低中CMnMo(0.5%以下)微量BMo珠光体C曲线右移,贝氏体C曲线影响不大,B推迟 F 转变.MoB,空冷获得B组织,叫空冷贝氏体钢.TS5801170MPa.,我国先后研制了：Mn-Mo-V、Mn-Mo-V-B、Si-Mn-Mo例如：18Mn2CrMoB钢用于飞机焊接和钣金件,代30CrMnSi调质钢,焊接性、成型性良好，缺口敏感性低,表3-23.80年代出现含Ni低碳B钢,提高韧性，如美国15CrNiMnMoNb,日本20CrNiMnMoB TS800MPa,室温AK30J,TC80.,Mn-B系贝氏体钢 Mo价格贵,Mn价格1/301/25 Mo,Mo-B钢,强韧性较差,70年代初,我国学者发现：Mn可使C曲线河湾状,上下C曲线分离,MnB结合,高温C曲线右移.Mn-B钢可以是 低碳、低中碳、中碳、中高碳,低碳Mn-B系含碳小于0.2,强度高,韧性好,已用于汽车前轴、连杆、高强螺栓螺母、高强建筑螺纹钢筋,如：汽车前轴,台架疲劳寿命明显高于45调质钢,表3.20.,中碳和高碳贝氏体钢应用量相对少一些,常用于弹簧钢、耐磨钢、超高强度钢例如磨球,我国每年100万t,全球约500万t 中高碳Mn-B钢磨球，表面6256HRC,心部5754HRC;良好韧性,价格低，表3.21,使用中破碎率低,落球冲击次数达1020万次时 破碎率1%;球磨水泥时磨耗与高铬铸铁相当(表3.21),典型机器零件的钢材选择及热处理,1、连杆类零件受力拉力及压力，零件整个截面受力均匀选材a.调质钢：高的淬透性，经调质后，其心部强度也得到大幅度提高。b.低马钢 c.非调质钢,2、轴类零件,受力弯曲和扭转应力，且在轴的截面上分布是不均的，表面应力最大，中心应力为零。选材多用40、45钢，重要轴类可用各类合金调质钢制造（40Cr、35CrMnSi、42Mn2V、35CrMo等）。（非调质、低马）加工工艺：,3、齿轮,受力用于传递动力，受力情况复杂。失效形式齿面接触疲劳（齿面出现麻点或剥落）、磨损和轮齿折断等。方法增加齿面强硬度和耐磨、保证心部足够的强度、使齿轮表面产生压应力（采用渗碳、渗氮、喷丸、齿间滚压等处理手段）。,1）渗碳齿轮材料：20CrMnTi、20Cr2Ni4等,工艺：,2）表面淬火齿轮材料：40、45、40Cr等,工艺：,3）调质齿轮材料：40、45、40Cr等,工艺：,4）正火齿轮材料：Q275、优质碳素结构钢（40、45）5）渗氮齿轮材料：38CrMoAl,不同用途齿轮的选材及热处理（1）高承载力的重在齿轮 低碳合金钢（渗碳钢）：渗碳（2）中等承载能力齿轮 a。中碳钢和中碳合金钢：表面淬火 b。中碳合金钢：氮化（3）较低承载能力齿轮 a。中碳钢和中碳合金钢：调质（250HBS）b。中碳钢：正火（4）低承载能力齿轮 a。中碳铸钢齿轮（主要用于500mm的大齿轮），比锻钢齿轮强度低10%左右 b。铸铁齿轮,以下齿轮宜选用何种钢材和热处理方法,（1）承受较低载荷的大尺寸齿轮（600mm）；（2）齿轮精度要求高，但缺少磨齿机时；（3）齿轮承受较大载荷，要求齿面耐磨性好；（4）机床小模数齿轮,3.7 弹簧钢一.弹簧的工作条件和性能要求储存能量、减轻震动.板弹簧：受力反复弯曲,受冲击负荷和振动 其棱角、中心孔应力集中,绝大多数疲劳破坏;螺旋弹簧：压力、拉力、扭力弹簧.不论受拉、压、扭转应力,最大应力在内表面 破坏形式疲劳,疲劳源位于弹簧内表面.提高疲劳强度提高弹簧寿命主要方法.,性能要求 高弹性极限;高疲劳强度、塑性和韧性;特殊弹簧耐高温、耐腐蚀、导电、无磁 TS9801960MPa 特殊冷拉钢丝弹簧TS29503900MPa.,热成形弹簧钢冷成形弹簧钢；,弹簧钢：,二.热成形弹簧钢成分、性能特点和应用范围大型或形状复杂弹簧热成形淬火中温回火,热轧状态供货，表3.22,碳素弹簧钢 碳0.60.9%,淬透性较低,用于截面1215mm以下小弹簧.,合金弹簧钢含碳0.400.94,Mn、Si、Cr、V、MoMn、Cr提高淬透性.Si显著提高弹性极限,回火稳定性高，略提高淬透性,防氧化,但易脱碳,降低疲劳强度，有石墨化现象；V细化晶粒；Mo抑制回火脆,降低脱碳敏感性，大截面用；,65Mn弹簧钢比碳素弹簧钢淬透性稍高,脱碳倾向小,但易过热，有回火脆,弹性极限低.60Si2MnSi-Mn弹簧钢代表，应用极广泛.与55Si2Mn钢 广泛用于汽车、拖拉机、火车上重要的板簧和螺旋弹簧70Si3Mn钢强度很高,用于重负荷弹簧,50CrV弹簧钢广泛使用弹簧钢.与Si-Mn钢相比,过热敏感性低,不易脱碳,无石墨倾向性,回火稳定性较高,韧性较高,对缺口不太敏感.淬透性高油淬3545mm可淬透,用于较大截面、较高应力、300以下弹簧.（60Si2Mn在250以下使用）,需要指出：目前国外弹簧钢，Si-Mn钢正受冷落,Si-Cr-V系,抗松弛性能好,日益受重视.弹簧的应力松弛 指恒应变下，弹簧承载能力随时间延长不断下降的现象,热处理：碳钢和Si弹簧钢，400450回火,弹性极限达最大，图3.10M充分分解,碳化物细小颗粒状,弹簧钢应防表面脱碳 疲劳强度,影响寿命.热处理后喷丸强化表面残余压应力,研究发现55SiMn板试样,脱碳层深0.10.15,疲劳极限484MPa.表面研磨 876MPa，表面喷丸 921MPa,板簧棱边 应力集中,热加工和热处理最易缺陷,对棱边喷丸,比单面喷丸,可再提高疲劳寿命.弹簧回火在低温回火脆高温回火脆之间 回火后快冷,防止高温回火脆夹杂物降低疲劳强度,减少寿命,弹簧钢应用优质钢、高级优质钢；,三.冷成形弹簧钢丝 先经冷变形或热处理强化,再冷成形制成弹簧200400低回，用于小型弹簧.多为直径0.18mm钢丝、厚0.11mm钢带按强化方式、工艺不同,分三类.,1.铅浴等温淬火的冷拉弹簧钢丝50、60、T7T10碳钢丝.65Mn钢丝可用此法铅浴等温 880950A化钢丝 480540铅浴等温 得塑性好极细P 再经冷拉拔得很高强度3000MPa，,2.硬拉弹簧钢丝直接拉拔形变强化中间退火600680 再结晶软化提高塑性再拉拔到最终尺寸.碳钢、65Mn钢可用,但质量较低,强度不如铅浴等温钢丝,弹性不均用于低应力弹簧.,3.淬火回火的弹簧钢丝60Si2Mn、50CrV、60Si2MnW钢可用冷拉拔再淬火中温回火达到要求性能.多用来制造阀门弹簧.特点：性能均匀、韧性好、疲劳强度高、制造工艺简单,应用越来越广.,上述三种弹簧钢丝 经冷绕各种弹簧 绕制后去应力回火250300,时间1060min.,3.8 轴承钢基础零件转动部分用要求越来越高高精度、可靠性、寿命；特殊环境耐高温、抗腐蚀、无磁性、耐低温、抗辐射；,一.滚动轴承的工作条件及对轴承用钢的要求内、外套圈,滚动体(滚珠,滚柱,滚针)保持器 保持器低碳钢冲压,其它部分轴承钢.工况：内套滚珠滚动和转动 周期载荷(图3.12).,受力状态：接触应力5000MPa接触面积很小应力循环次数几万次/分钟.滚动体、套圈、保持器相对滑动摩擦;大气、润滑剂有一定腐蚀;有时受冲击负荷作用.,失效破坏形式：接触疲劳破坏正常形式摩擦磨损其次精度降低疲劳剥落麻点振动噪音摩擦加剧 温度升高轴承失效卡死、套圈断裂、锈蚀；,轴承钢原始组织 杂质元素、夹杂物含量要少，夹杂物细小均匀原始组织均匀，使用组织回火M均匀细小碳化物，组织和性能不均匀对疲劳寿命影响很大；,要求:(1)高硬度(6165HRC)均匀高耐磨(2)接触疲劳强度高使用寿命长;(3)弹性极限高高载荷时不塑变 冲击韧性良好受一定冲击载荷(4)尺寸稳定保证精度 减轻振动噪声精密轴承(5)耐蚀性;(6)工艺性良好大批量生产.,二.铬轴承钢的化学成分使用时间最长，应用最广泛高碳铬轴承钢(1)高碳0.951.05硬度达最大一定量碳化物，(2)Cr1.65%以下，Cr淬透性淬火组织的硬度均匀，Cr溶于渗碳体细小均匀含Cr渗碳体较稳定 加热时溶解较慢，Cr过高残奥量硬度、尺寸稳定性 液析碳化物碳化物不均匀性.(3)加Mo、Mn、Si、V提高淬透性大型轴承.,(4)严格控制杂质元素：P、S、Ni、CuP促进晶粒长大，增加脆性，S非金属夹杂物增加，Ni降低淬火硬度，Cu引起时效强化.,轴承钢的接触疲劳寿命，随钢中氧化物级别的增加而降低。因此，近年采用真空熔炼、电渣重熔、炉外精炼、真空脱气提高轴承钢冶金质量。,GCr15典型钢种占轴承钢90%表3.25,三.铬轴承钢的锻造与热处理1.GCr15钢的锻造锻造1100850锻后球化退火机加工，锻后850700快冷(风、雾、水)冷速150200/min 700下缓冷坑冷防白点、内应力.网状碳化物 900始形成750700形成速度最快;,2.GCr15钢的球化退火获得均匀粒状P组织准备便于切削加工.网状不合格正火处理消除网状，,常用工艺：连续冷却球化退火 等温球化退火 图3-14,球化退火组织均匀球状P图3.17,3.GCr15钢的正火目的消除网状碳化物或不合格毛坯返工 GCr15钢Accm900,粗大网状930950溶解细网状碳化物900920溶解正火冷速50/min避免再次析出网状.,4.GCr15钢的淬火回火淬火组织 隐晶M均匀细小碳化物(79%)残奥10%6466HRC加热温度840 得最高硬度、AK和1图3.18,极细回火马氏体+细粒状碳化物+少量残余奥氏体,840加热 奥氏体溶解0.50.6%C、0.8%Cr应避免非M组织图3.19氧化脱碳疲劳寿命、耐磨性保护气氛、真空淬火.,淬火后及时回火16052.53.0h 图3.20,精密轴承尺寸稳定性要求很高影响因素内应力、回火M、残奥 冷处理、附加回火，GCr15的Mf45冷处理残奥M转变 在-60-70及时回火防开裂；磨削磨削应力与残余应力叠加尺寸变化,表面龟裂磨削后附加回火120150,普通级轴承回火一次，35h;精密级和超精密级轴承 在粗磨、细磨和精磨之间 各进行一次附加回火,时间1524h.,四.特殊用途的轴承钢1.特大型轴承用钢外径450mm以上矿山机械、轧钢机械、发电设备合金渗碳钢20Cr2Ni4、20CrNi2Mo我国常用,2.不锈轴承钢腐蚀环境化学、石油、造船不锈轴承钢.9Cr18、9Cr18Mo高碳M不锈钢高抗蚀,高硬度,3.高温轴承钢高温、高速、高载荷航空发动机、宇航飞行器、燃气轮机、涡轮增压器应用较多有三类:第一类：高速钢 第二类：高铬马氏体不锈钢 第三类：高温渗碳钢,五.轴承材料的新进展（自学）,3.9 特殊用途钢耐磨材料在冶金,矿山,建材,煤炭,电力,化工,农机等,大量使用耐磨材料,大部分因磨损而失效。尽管不像断裂和腐蚀，很少引起灾难性危害，但其造成的经济损失却是相当惊人的。,以水泥行业为例:我国耐磨材料整体消耗平均在500g/t水泥左右,虽比以往8001000g/t水泥有大幅度降低，但与发达国家(200g/t水泥)还有很大差距。,金属耐磨材料分:锻钢,铸钢,铸铁.其发展历史大致可分为四代:第一代:普通白口铸铁和高锰钢；第二代:镍硬铸铁；第三代:高铬白口铸铁；第四代:近2030年发展起来的 贝氏体球墨铸铁,一、高锰钢奥氏体钢ZGMn13 含碳0.91.3%含锰1114%，在高冲击载荷、高压力下表层强加工硬化，形成高耐磨表层内层仍保持高韧性，切削中加工硬化只用硬质合金刀具，特别适合受较大冲击 反击式或锤式破碎机锤头、颚式破碎机颚板、挖掘机斗齿、球磨机衬板、坦克、拖拉机履带板 表3.34,特别适合受较大冲击球磨机衬板、颚式破碎机颚板、反击式或锤式破碎机锤头、挖掘机斗齿、,挖掘机斗齿、球磨机衬板、坦克、拖拉机履带板铁路道岔,图3.2113%Mn钢共析含碳量0.3%共析温度580共析转变+(Fe,Mn)3C,熔点14001500在碱性炉熔炼，高锰钢流动性非常好形状复杂和厚薄铸件，铸态组织A碳化物，固溶处理10501100水冷水韧处理 碳过饱和单相A 硬度由铸态的420HB180220HB，冲击韧性很高，,使用中当有塑性变形时 过饱和A发生滑移在滑移面上马氏体 加工硬化450550HB,淬火后性能 YS250400MPa、TS8001000、延伸率4050%必须指出高锰钢只在高应力磨粒磨损 有非常好耐磨性 而在低应力因无加工硬化耐磨性不高.,高锰钢的缺点:如使用中不能发生加工硬化,潜在的耐磨性无法发挥作用,表现的非常不耐磨。屈服强度350MPa太低,使用中极易产生塑性变形,如球磨机衬板，在运转过程中尺寸变大,造成挠曲变形,发达国家已不用高锰钢制造球磨机衬板。,二、耐磨低合金钢低合金钢淬火回火适用各种耐磨零件，主要元素Mn、Si、Cr辅加Mo、Ti、V、B、RE低碳低合金耐磨钢320420HB 可焊性好便于维修推土机铲刀、装卸机叶片.如ZG30CrMnSiMoTi中碳低合金耐磨钢4353HRC 大型拖拉机、推土机履带板、裂土器齿尖、推土机铲刀、犁铧，如60SiMnRe,高碳低合金耐磨钢大于55HRC 球磨机磨球,既可锻打磨球,又可铸造衬板,锤头.如70Cr2SiMnMoVTiRe表3.35 我国近年开发球磨机衬板耐磨低合金铸钢.,合金元素在结构钢中主要作用有哪些？起这些作用的合金元素有哪些？,15MnVB,40MnVB,ZGMn13,60Si2Mn,GCr15,18Mn2CrMoB,下列钢号是哪类钢？其碳含量为多少？合金元素起何作用？,20CrMnTi,16Mn,12CrMnCu,40CrMnMo,40MnVB,38CrMoAlA,下列钢号是哪类钢？其碳含量为多少？合金元素起何作用？,