1、Chapter 3 机器零件用合金结构钢机器零件用合金结构钢第一部分第一部分主要内容主要内容合金渗碳钢合金调质钢合金弹簧钢滚动轴承钢马氏体型结构钢特殊用途钢基本要求：l了解机器零件用钢的强韧化机制；了解机器零件用钢的强韧化机制；l渗碳钢、调质零件、弹簧、滚动轴承、超高渗碳钢、调质零件、弹簧、滚动轴承、超高强度结构钢的服役条件及对钢的基本性能要强度结构钢的服役条件及对钢的基本性能要求，化学成分特点和热处理特点；求，化学成分特点和热处理特点；l常用渗碳钢、调质钢、弹簧钢及滚动轴承钢。常用渗碳钢、调质钢、弹簧钢及滚动轴承钢。重点与难点：机器零件用钢的强韧化机制：机器零件用钢的强韧化机制及各类钢的化学
2、成分特点和热处理特点。及各类钢的化学成分特点和热处理特点。 教学要求教学要求Chapter 3 机器零件用合金结构钢机器零件用合金结构钢 一、应用背景：机器零件用钢机器零件用钢也称也称机械制造结构用钢机械制造结构用钢，机器，机器零件用合金结构钢是在优质碳素结构钢的基零件用合金结构钢是在优质碳素结构钢的基础上发展起来的，是指用于制造各种机械零础上发展起来的，是指用于制造各种机械零件所用的钢种，故此得名。件所用的钢种，故此得名。如各种齿轮零件、轴（杆）类零件、弹簧、如各种齿轮零件、轴（杆）类零件、弹簧、轴承及高强度结构件等。广泛应用在汽车、轴承及高强度结构件等。广泛应用在汽车、拖拉机、机床、工程机
3、械、电站设备、飞机拖拉机、机床、工程机械、电站设备、飞机及火箭等装置上。及火箭等装置上。 3.0 引言引言Chapter 3 机器零件用合金结构钢机器零件用合金结构钢 二、机器零件用钢的服役条件：主要是承受拉伸、压缩、扭转、剪切、主要是承受拉伸、压缩、扭转、剪切、弯曲、冲击、疲劳、摩擦等力的作用，弯曲、冲击、疲劳、摩擦等力的作用，或者是它们中的多种载荷的交互作用。或者是它们中的多种载荷的交互作用。服役环境是大气、水和润滑油，温度在服役环境是大气、水和润滑油，温度在-50+100范围之间。范围之间。机器零件要求结构紧凑、运转快速准确机器零件要求结构紧凑、运转快速准确以及零件间有合适的公差配合等。
4、由此以及零件间有合适的公差配合等。由此便决定机器零件用钢在性能上要求与工便决定机器零件用钢在性能上要求与工程构件用钢有所不同。程构件用钢有所不同。3.0 引言引言Chapter 3 机器零件用合金结构钢机器零件用合金结构钢 三、机器零件用钢对力学性能要求：要求强度和韧性以保证机器零件体积小、要求强度和韧性以保证机器零件体积小、结构紧凑及安全性好，结构紧凑及安全性好，要求有良好的疲劳性能与耐磨性等。要求有良好的疲劳性能与耐磨性等。l因此对机器零件用钢必须进行热处理强化因此对机器零件用钢必须进行热处理强化以充分发挥钢材的性能潜力，所以机器零以充分发挥钢材的性能潜力，所以机器零件用钢的使用状态通常为
5、件用钢的使用状态通常为淬火加回火态淬火加回火态，即强化态。即强化态。3.0 引言引言Chapter 3 机器零件用合金结构钢机器零件用合金结构钢 四、机器零件对工艺性能的要求：主要是便于制造加工。通常机器零件的制造主要是便于制造加工。通常机器零件的制造工艺流程为：工艺流程为：3.0 引言引言其中以其中以切削加工性能切削加工性能和和热处理工艺性能热处理工艺性能为为机器零件用钢的主要工艺性能；机器零件用钢的主要工艺性能；型材型材改锻改锻预先热处理预先热处理粗加工粗加工最终热处理最终热处理精加工精加工Chapter 3 机器零件用合金结构钢机器零件用合金结构钢对钢材的其它工艺性能（如冶炼性能、浇注性
6、对钢材的其它工艺性能（如冶炼性能、浇注性能、可锻性能等）也有要求，但一般问题不大。能、可锻性能等）也有要求，但一般问题不大。 五、性能要求：机器零件用钢通常机器零件用钢通常以力学性以力学性能为主，工艺性能为辅能为主，工艺性能为辅。3.0 引言引言Chapter 3 机器零件用合金结构钢机器零件用合金结构钢3.1 合金渗碳钢合金渗碳钢3.1 合金渗碳钢合金渗碳钢Chapter 3 机器零件用合金结构钢机器零件用合金结构钢 一、背景一、背景渗碳钢零件，通常只要求渗碳钢零件，通常只要求表面强化，心部具有一表面强化，心部具有一定的强韧性配合定的强韧性配合即可。表面高硬度、高耐磨性的即可。表面高硬度、高
7、耐磨性的获得通常采用渗碳处理，再经淬火和低温回火，获得通常采用渗碳处理，再经淬火和低温回火，因此称这类钢为渗碳钢。因此称这类钢为渗碳钢。碳素渗碳钢的缺点：碳素渗碳钢的缺点：淬透性较低，强度较低，渗淬透性较低，强度较低，渗碳过程中晶粒粗化严重等缺陷，已不能满足高速碳过程中晶粒粗化严重等缺陷，已不能满足高速旋转的机械零件，如汽车、拖拉机上的变速齿轮，旋转的机械零件，如汽车、拖拉机上的变速齿轮，内燃机上的变速齿轮、活塞销等对力学性能的要内燃机上的变速齿轮、活塞销等对力学性能的要求。通过加入合金元素而发展合金渗碳钢具有更求。通过加入合金元素而发展合金渗碳钢具有更高的性能。高的性能。 二、渗碳钢的化学成
8、分特点二、渗碳钢的化学成分特点低碳低碳，一般在，一般在0.12% 0.25%。主要目的。主要目的是为了保证心部有良好的韧性。是为了保证心部有良好的韧性。 加入合金元素加入合金元素Cr、Mn、Ni、Si、B等以提等以提高淬透性。高淬透性。l一方面一方面提高钢材的淬透性，提高机件的提高钢材的淬透性，提高机件的强度和韧性；强度和韧性；l另一方面另一方面利用元素利用元素Cr在渗碳后于表层形在渗碳后于表层形成碳化物，提高硬度和耐磨性。成碳化物，提高硬度和耐磨性。Ni对渗对渗碳层和心部的韧性非常有利。碳层和心部的韧性非常有利。3.1 合金渗碳钢合金渗碳钢Chapter 3 机器零件用合金结构钢机器零件用合
9、金结构钢加入少量阻碍奥氏体晶粒长大的合金元素加入少量阻碍奥氏体晶粒长大的合金元素。由于通常的渗碳温度高达由于通常的渗碳温度高达930左右，左右，对于用对于用Mn、Si脱氧的钢，奥氏体晶粒脱氧的钢，奥氏体晶粒会发生急剧长大。会发生急剧长大。l为了为了防止奥氏体晶粒的长大防止奥氏体晶粒的长大，常加入少，常加入少量强碳化物形成元素量强碳化物形成元素V、Ti、Mo、W等等阻止奥氏体的晶粒长大；阻止奥氏体的晶粒长大；l同时还可同时还可增加渗碳层硬度增加渗碳层硬度，进一步提高，进一步提高耐磨性。耐磨性。3.1 合金渗碳钢合金渗碳钢Chapter 3 机器零件用合金结构钢机器零件用合金结构钢三、渗碳钢的热处
10、理特点三、渗碳钢的热处理特点预先热处理：预先热处理：合金渗碳钢零件，在机械加工合金渗碳钢零件，在机械加工前的预先热处理通常分两步进行。前的预先热处理通常分两步进行。3.1 合金渗碳钢合金渗碳钢Chapter 3 机器零件用合金结构钢机器零件用合金结构钢第一步：正火第一步：正火退火（对退火（对P型钢）型钢）第二步：第二步：高温回火（对高温回火（对M型钢）型钢）l正火的目的正火的目的是细化晶粒，减少组织中的带状程是细化晶粒，减少组织中的带状程度并调整好硬度，便于机械加工。经过正火后的度并调整好硬度，便于机械加工。经过正火后的钢材具有等轴状晶粒。钢材具有等轴状晶粒。l对珠光体型钢对珠光体型钢通常用在
11、通常用在800左右的一次退火代左右的一次退火代替正火，可得到相同的效果，即既细化晶粒又改替正火，可得到相同的效果，即既细化晶粒又改善切削加工性能；善切削加工性能；l对马氏体型钢对马氏体型钢，则必须在正火之后，再在，则必须在正火之后，再在Ac1以以下温度进行高温回火，以获得回火索氏体组织，下温度进行高温回火，以获得回火索氏体组织，这样可使马氏体型钢的硬度由这样可使马氏体型钢的硬度由380550HB降低到降低到207240HB，以顺利地进行切削加工。，以顺利地进行切削加工。 3.1 合金渗碳钢合金渗碳钢Chapter 3 机器零件用合金结构钢机器零件用合金结构钢渗碳：渗碳：在机械加工到只留有磨削余
12、量时，进行在机械加工到只留有磨削余量时，进行渗渗碳处理。碳处理。3.1 合金渗碳钢合金渗碳钢Chapter 3 机器零件用合金结构钢机器零件用合金结构钢图图3-2 沿钢的渗碳层深度，碳的浓度分布沿钢的渗碳层深度，碳的浓度分布1-碳钢碳钢 2-以碳化物元素合金化的钢以碳化物元素合金化的钢 3-以非碳化物元素合金化的钢以非碳化物元素合金化的钢 Chapter 3 机器零件用合金结构钢机器零件用合金结构钢3.1 合金渗碳钢合金渗碳钢图图3-3 925渗碳时，合金元素对渗碳层深度的影响渗碳时，合金元素对渗碳层深度的影响 Chapter 3 机器零件用合金结构钢机器零件用合金结构钢3.1 合金渗碳钢合金
13、渗碳钢最终热处理：最终热处理：淬火和低温回火淬火和低温回火。l零件的渗碳表面：高碳回火马氏体加细小的零件的渗碳表面：高碳回火马氏体加细小的碳化物，硬度（碳化物，硬度（6062HRC），耐磨性高。），耐磨性高。l零件的非渗碳表面和基体部分（心部）：零件的非渗碳表面和基体部分（心部）：u低碳回火马氏体低碳回火马氏体淬透性淬透性高高的钢种；的钢种；u低碳回火马氏体加贝氏体低碳回火马氏体加贝氏体（4048HRC）淬透性淬透性中等中等的钢种；的钢种；u低碳回火屈氏体低碳回火屈氏体（2540HRC）淬透性淬透性小小的钢种。的钢种。l这些组织使基体具有更好的强硬度与韧塑性这些组织使基体具有更好的强硬度与韧塑
14、性的配合，心部的冲击韧性一般都高于的配合，心部的冲击韧性一般都高于700kJ/m2。3.1 合金渗碳钢合金渗碳钢Chapter 3 机器零件用合金结构钢机器零件用合金结构钢l合金渗碳钢渗碳后的热处理工艺（最终热处合金渗碳钢渗碳后的热处理工艺（最终热处理）：理）：u渗碳后直接淬火，再低温回火。渗碳后直接淬火，再低温回火。3.1 合金渗碳钢合金渗碳钢Chapter 3 机器零件用合金结构钢机器零件用合金结构钢图图3-4 20CrMnTi钢齿轮的热处理规范钢齿轮的热处理规范采用这种工艺采用这种工艺的零件通常只的零件通常只要求表面高硬要求表面高硬度和耐磨性，度和耐磨性，而而对基体性能对基体性能要求不高
15、。要求不高。主要用于渗主要用于渗碳后不容易过碳后不容易过热的钢种。热的钢种。Chapter 3 机器零件用合金结构钢机器零件用合金结构钢3.1 合金渗碳钢合金渗碳钢Chapter 3 机器零件用合金结构钢机器零件用合金结构钢3.1 合金渗碳钢合金渗碳钢u渗碳后先进行空冷（即正火处理）使组织渗碳后先进行空冷（即正火处理）使组织细化，而后再按渗碳后的表面成分进行淬细化，而后再按渗碳后的表面成分进行淬火并低温回火。火并低温回火。当要求表面高硬度、高耐当要求表面高硬度、高耐磨性外，对基体性能有较高要求时，磨性外，对基体性能有较高要求时，可采可采用这种工艺。用这种工艺。主要用于渗碳后容易过热的主要用于渗
16、碳后容易过热的钢种钢种，如，如20Cr、20Mn2等。等。3.1 合金渗碳钢合金渗碳钢Chapter 3 机器零件用合金结构钢机器零件用合金结构钢u渗碳空冷后，进行两次淬火。渗碳空冷后，进行两次淬火。当对零件表面和当对零件表面和基体性能的要求都很严格时，基体性能的要求都很严格时，可用这种工艺。可用这种工艺。n第一次按钢的基体成分加热淬火第一次按钢的基体成分加热淬火，加热温度较，加热温度较高（高（870左右），目的是细化心部组织并消左右），目的是细化心部组织并消除表面渗碳层中的网状渗碳体；除表面渗碳层中的网状渗碳体；n第二次按高碳钢的成分进行（表面）淬火第二次按高碳钢的成分进行（表面）淬火，目，
17、目的是使表面获得细小的马氏体加粒状碳化物的是使表面获得细小的马氏体加粒状碳化物组织，以满足表面高性能的要求；组织，以满足表面高性能的要求；n最后进行低温回火最后进行低温回火起消除应力、稳定组织和稳起消除应力、稳定组织和稳定尺寸的作用。定尺寸的作用。3.1 合金渗碳钢合金渗碳钢Chapter 3 机器零件用合金结构钢机器零件用合金结构钢Chapter 3 机器零件用合金结构钢机器零件用合金结构钢3.1 合金渗碳钢合金渗碳钢这类热处理工艺主要用于航空发动机齿轮这类热处理工艺主要用于航空发动机齿轮的热处理。的热处理。航空发动机齿轮航空发动机齿轮(可达可达GB10095-88 4级级)四、典型渗碳钢及
18、其应用四、典型渗碳钢及其应用合金渗碳钢按淬透性的高低可分为合金渗碳钢按淬透性的高低可分为（1）低淬透性合金渗碳钢低淬透性合金渗碳钢： 20Cr、20Mn2等等（2）中淬透性合金渗碳钢中淬透性合金渗碳钢： 20CrMnTi、20Mn2TiB、20MnVB等。等。（3）高淬透性合金渗碳钢高淬透性合金渗碳钢： 12Cr2Ni4A、15CrMn2SiMo、 18Cr2Ni4WA、20Cr2Ni4A等。等。3.1 合金渗碳钢合金渗碳钢Chapter 3 机器零件用合金结构钢机器零件用合金结构钢3.1 合金渗碳钢合金渗碳钢Chapter 3 机器零件用合金结构钢机器零件用合金结构钢碳素钢碳素钢MnCr N
19、i 20Mn-500-300-15-15-60淬水及淬油临界直径淬水及淬油临界直径1215mm20Mn2-800-600-10-47-60淬油临界直径淬油临界直径20mm特点：晶粒易长大，无回火脆性特点：晶粒易长大，无回火脆性20Cr-850-550-10-40-60淬油临界直径淬油临界直径1520mm 13Ni2A、21Ni3A价昂，已不应用价昂，已不应用MnV 20MnV-800-600-10-40-70淬油临界直径淬油临界直径1518mm特点：晶粒较细，无回火脆性特点：晶粒较细，无回火脆性CrMo 15CrMo、20CrMo-1000-800-12-50-80 CrNi CrMnTi C
20、rMnMo 20CrMnMo-1100-900-15-50-80淬油临界直径淬油临界直径2530mm特点特点：晶粒不易长大，可以渗：晶粒不易长大，可以渗碳后直接淬火碳后直接淬火 CrNiMoCrNiW 18Cr2Ni4WA-1200-850-10-45-100淬油临界直径淬油临界直径90100mm特点特点：淬透性高，可以空冷淬火，渗：淬透性高，可以空冷淬火，渗碳层残余奥氏体多，无回火脆性碳层残余奥氏体多，无回火脆性 渗碳后渗碳后800淬水淬水200回火后力学性回火后力学性能能b-s - k15-500-300-15-48-80淬水临界直径淬水临界直径56mm20-550-350-18-45-8
21、0淬水临界直径淬水临界直径78mm特点：淬透性低，热处理变形特点：淬透性低，热处理变形大，无回火脆性，焊接性、切大，无回火脆性，焊接性、切削性和压力加工性能好削性和压力加工性能好 20CrNi-800-600-10-45-80淬油临界直径淬油临界直径2530mm20CrNi2-800-600-10-45-80淬油临界直径淬油临界直径3035mm20CrNi3-950-750-10-45-80淬油临界直径淬油临界直径4050mm20Cr2Ni4A-1200-1100-9-45-80淬油临界直径淬油临界直径7080mm特点：有回火脆性，表层残余奥氏体多特点：有回火脆性，表层残余奥氏体多CrMn 2
22、0CrMn-950-750-10-45-60淬油临界直径淬油临界直径2025mm20CrMnTi-1000-850-10-45-70淬油临界直径淬油临界直径2530mm30CrMnTi-1500-1300-9-45-80淬油临界直径淬油临界直径3040mm特点特点：晶粒不易长大，可以渗：晶粒不易长大，可以渗碳后直接淬火碳后直接淬火 低淬透性合金渗碳钢低淬透性合金渗碳钢l抗拉强度通常为抗拉强度通常为b=8001000MN/m2。l典型钢种是典型钢种是20Cr、20Mn2等。等。l这类钢的淬透性低，通常只用于制造受冲击这类钢的淬透性低，通常只用于制造受冲击载荷较小的，且对于心部要求不高的小型渗载荷
23、较小的，且对于心部要求不高的小型渗碳件，如小齿轮、活塞销、套筒、链条等。碳件，如小齿轮、活塞销、套筒、链条等。 中淬透性合金渗碳钢中淬透性合金渗碳钢l抗拉强度通常为抗拉强度通常为b=10001200MN/m2。l典型钢种是典型钢种是20CrMnTi、20Mn2TiB、20MnVB等。等。3.1 合金渗碳钢合金渗碳钢Chapter 3 机器零件用合金结构钢机器零件用合金结构钢n20CrMnTi钢有良好的机械性能和工艺性能。钢有良好的机械性能和工艺性能。淬透性较高，淬透性较高，由于含有由于含有TiTi，其过热敏感性小，其过热敏感性小。n20CrMnTi钢齿轮可在渗碳后预冷到钢齿轮可在渗碳后预冷到8
24、75直接淬火。先直接淬火。先预冷预冷再淬火是为了减少淬火变再淬火是为了减少淬火变形；同时在预冷过程中渗碳层中析出一些二形；同时在预冷过程中渗碳层中析出一些二次渗碳体（合金渗碳体），使得淬火后的渗次渗碳体（合金渗碳体），使得淬火后的渗碳层中的残余奥氏体的数量减少。碳层中的残余奥氏体的数量减少。n因此这种钢大量用于制造承受高速、中载并因此这种钢大量用于制造承受高速、中载并要求抗冲击和耐磨损的零件，特别是汽车、要求抗冲击和耐磨损的零件，特别是汽车、拖拉机上的重要齿轮及离合器轴等。拖拉机上的重要齿轮及离合器轴等。3.1 合金渗碳钢合金渗碳钢Chapter 3 机器零件用合金结构钢机器零件用合金结构钢n
25、20Mn2TiB、20MnVB是为是为节约节约Cr而发展的而发展的代用钢，它们的缺点是淬透性不够稳定，热代用钢，它们的缺点是淬透性不够稳定，热处理变形稍大且缺乏规律。处理变形稍大且缺乏规律。 3.1 合金渗碳钢合金渗碳钢Chapter 3 机器零件用合金结构钢机器零件用合金结构钢离合器片淬火离合器片淬火高淬透性合金渗碳钢高淬透性合金渗碳钢l抗拉强度通常为抗拉强度通常为b1200MN/m2。l典型钢种是典型钢种是12Cr2Ni4A、15CrMn2SiMo、18Cr2Ni4WA、20Cr2Ni4A等。等。l这类钢由于含有较多的这类钢由于含有较多的Cr和和Ni等合金元素，等合金元素，渗碳层后表层的渗
26、碳层后表层的C含量又很高，这样就导致含量又很高，这样就导致了马氏体转变温度的大幅度下降。若渗碳了马氏体转变温度的大幅度下降。若渗碳后直接淬火，渗碳层中将保留大量的残余后直接淬火，渗碳层中将保留大量的残余奥氏体，使表面硬度下降，奥氏体，使表面硬度下降，因此必须设法因此必须设法减少残余奥氏体的数量减少残余奥氏体的数量。3.1 合金渗碳钢合金渗碳钢Chapter 3 机器零件用合金结构钢机器零件用合金结构钢l由于这类钢含有较多的由于这类钢含有较多的Ni，使得钢具有很，使得钢具有很好的韧性，特别是低温冲击韧性，因此主好的韧性，特别是低温冲击韧性，因此主要用于制造大截面、高载荷的重要齿轮和要用于制造大截
27、面、高载荷的重要齿轮和耐磨件，如飞机、坦克中的重要齿轮及曲耐磨件，如飞机、坦克中的重要齿轮及曲轴等。轴等。 l为了减少残余奥氏体的数量，通常可以采为了减少残余奥氏体的数量，通常可以采用下面的三种方法：用下面的三种方法：u第一种方法第一种方法是淬火后进行冷处理（是淬火后进行冷处理（-60-100），使残余奥氏体继续转变为马氏体；），使残余奥氏体继续转变为马氏体；3.1 合金渗碳钢合金渗碳钢Chapter 3 机器零件用合金结构钢机器零件用合金结构钢u第二种方法第二种方法n渗碳及正火后进行渗碳及正火后进行一次高温回火一次高温回火（600620），），使碳化物从马氏体和残余奥氏体中进一步析出使碳化物
28、从马氏体和残余奥氏体中进一步析出（高淬透性钢在正火时就可淬火形成马氏体）；（高淬透性钢在正火时就可淬火形成马氏体）；n随后再随后再加热到较低温度加热到较低温度（Ac1+3050），），淬火淬火时，这些碳化物不再溶入奥氏体中，故减少了奥时，这些碳化物不再溶入奥氏体中，故减少了奥氏体中碳及合金元素含量，使马氏体转变温度有氏体中碳及合金元素含量，使马氏体转变温度有所升高，淬火后残余奥氏体数量就自然减少了。所升高，淬火后残余奥氏体数量就自然减少了。n最后再进行最后再进行低温回火低温回火，以消除内应力并提高渗层，以消除内应力并提高渗层的强度和韧性。若将上述两种减少奥氏体的方法的强度和韧性。若将上述两种减
29、少奥氏体的方法同时采用，效果更好。同时采用，效果更好。3.1 合金渗碳钢合金渗碳钢Chapter 3 机器零件用合金结构钢机器零件用合金结构钢u在渗碳后进行喷丸强化在渗碳后进行喷丸强化，也可以有效地使，也可以有效地使渗层中的残余奥氏体转变为马氏体。渗层中的残余奥氏体转变为马氏体。渗碳钢还可以用来制造轴承渗碳钢还可以用来制造轴承。3.1 合金渗碳钢合金渗碳钢Chapter 3 机器零件用合金结构钢机器零件用合金结构钢本溪钢铁集团本溪钢铁集团1500热轧线主减速机一轴和二轴用热轧线主减速机一轴和二轴用轴承套圈和滚子选取了渗碳钢轴承套圈和滚子选取了渗碳钢G20Cr2Ni4A n最后应该指出的是，目前
30、最后应该指出的是，目前碳氮共渗用钢碳氮共渗用钢大多大多沿用如上所述的渗碳钢，但对碳氮共渗钢而沿用如上所述的渗碳钢，但对碳氮共渗钢而言还要更加注意表面残余奥氏体含量以及力言还要更加注意表面残余奥氏体含量以及力求使碳和氮原子同时渗入等问题。求使碳和氮原子同时渗入等问题。n通常碳氮共渗用钢常加入通常碳氮共渗用钢常加入Cr、Mo、B等元素等元素而不用而不用Ni合金化，对合金化，对Mn的含量也宜加以限的含量也宜加以限制制。n为了提高碳氮共渗温度而不降低氮的浓度，为了提高碳氮共渗温度而不降低氮的浓度，可加入可加入Al0.2%，Al能促进氮的渗入，并使碳能促进氮的渗入，并使碳氮共渗温度提高到氮共渗温度提高到
31、875880。典型的钢。典型的钢号为号为20Cr2MoAlB。3.1 合金渗碳钢合金渗碳钢Chapter 3 机器零件用合金结构钢机器零件用合金结构钢一、背景一、背景高性能调质钢的性能要求高性能调质钢的性能要求：l对于要求高水平的综合机械性能的零件，如连对于要求高水平的综合机械性能的零件，如连杆、高强螺栓、飞机发动机轴等，杆、高强螺栓、飞机发动机轴等，要求要求整个截整个截面都有较高的强韧性面都有较高的强韧性；l截面受力不均匀的零件，如承受扭转或弯曲应截面受力不均匀的零件，如承受扭转或弯曲应力的传动轴，主要力的传动轴，主要要求要求受力较大的表面有较好受力较大的表面有较好的性能，心部要求可低些的性
32、能，心部要求可低些。l碳素调质钢淬透性低，热处理变形大碳素调质钢淬透性低，热处理变形大等缺点限等缺点限制了它在这些重要机件上的应用，对于高性能制了它在这些重要机件上的应用，对于高性能调质钢调质钢要求要求高的淬透性和小的热处理变形高的淬透性和小的热处理变形。3.2 合金调质钢合金调质钢3.2 合金调质钢合金调质钢Chapter 3 机器零件用合金结构钢机器零件用合金结构钢3.2 合金调质钢合金调质钢Chapter 3 机器零件用合金结构钢机器零件用合金结构钢二、调质钢的化学成分特点二、调质钢的化学成分特点。l其中其中Cr、Mo、W、V等可阻碍碳化物在等可阻碍碳化物在高温回火时的聚集长大，保持钢的
33、高硬度；高温回火时的聚集长大，保持钢的高硬度；l同时还阻碍同时还阻碍相的再结晶，保持细小的晶相的再结晶，保持细小的晶块结构，也能保持足够高的强度。块结构，也能保持足够高的强度。3.2 合金调质钢合金调质钢Chapter 3 机器零件用合金结构钢机器零件用合金结构钢。由于。由于调质处理是淬火后进行高温回火，回火温调质处理是淬火后进行高温回火，回火温度又正好处于第二类回火脆性的温度范围。度又正好处于第二类回火脆性的温度范围。l高温回火慢冷时极容易产生第二类回火脆高温回火慢冷时极容易产生第二类回火脆性，合金调质钢一般用于制造大截面零件，性，合金调质钢一般用于制造大截面零件，用快速冷却难以抑制这类回火
34、脆性，因此用快速冷却难以抑制这类回火脆性，因此通常在这类钢中加入通常在这类钢中加入Mo、W来防止回火来防止回火脆性。脆性。 3.2 合金调质钢合金调质钢Chapter 3 机器零件用合金结构钢机器零件用合金结构钢40Cr钢经不同温度回火后的机械性能钢经不同温度回火后的机械性能（直径（直径12，油淬），油淬）l在在350600范围等温回火保持时间愈长，范围等温回火保持时间愈长，不管回火后冷却快慢，其在室温的冲击韧性不管回火后冷却快慢，其在室温的冲击韧性愈恶化，韧愈恶化，韧-脆转化温度愈高。脆转化温度愈高。l若将已经回火脆化的钢再在若将已经回火脆化的钢再在650保温后快保温后快冷，则钢的脆化倾向就
35、可消除，故这类回火冷，则钢的脆化倾向就可消除，故这类回火脆性又称为脆性又称为可逆回火脆性可逆回火脆性。 3.2 合金调质钢合金调质钢Chapter 3 机器零件用合金结构钢机器零件用合金结构钢图图3-5 33CrNi3钢经钢经850淬火淬火650回火回火1h水冷，水冷，然后在然后在500保温保温不同时间不同时间的系列冲击曲线。的系列冲击曲线。3.2 合金调质钢合金调质钢Chapter 3 机器零件用合金结构钢机器零件用合金结构钢nw(C)=0.33%、w(Mn)=0.56%、w(Ni)=2.92%、w(Cr)=0.87%钢中的杂质元素磷、锡、锑、砷钢中的杂质元素磷、锡、锑、砷等，在等，在450
36、550范围范围缓慢冷却缓慢冷却或保温时或保温时间过长，沿原奥氏体晶界的平衡偏聚引间过长，沿原奥氏体晶界的平衡偏聚引起晶界脆化，是产生高温回大脆性的直起晶界脆化，是产生高温回大脆性的直接原因。它们的含量超过十万分之几，接原因。它们的含量超过十万分之几，就可能使钢产生高温回火脆化倾向。特就可能使钢产生高温回火脆化倾向。特别是在别是在450550范围工作的钢，对此尤范围工作的钢，对此尤为敏感。为敏感。3.2 合金调质钢合金调质钢Chapter 3 机器零件用合金结构钢机器零件用合金结构钢l合金元素的影响：合金元素的影响：u铬、锰、镍、硅等铬、锰、镍、硅等是强烈促进钢的高温回是强烈促进钢的高温回火脆化
37、倾向的，碳素结构钢对高温回火脆火脆化倾向的，碳素结构钢对高温回火脆性是不敏感的。性是不敏感的。u合金元素合金元素钼、钨和钛钼、钨和钛可减轻合金调质钢对可减轻合金调质钢对高温回火脆性的敏感性，高温回火脆性的敏感性，稀土元素稀土元素能和杂能和杂质元素形成稳定的化合物，如质元素形成稳定的化合物，如LaP、LaSn、CeP、CeSb等金属间化合物，也可大大降等金属间化合物，也可大大降低甚至消除钢的高温回火脆性。低甚至消除钢的高温回火脆性。3.2 合金调质钢合金调质钢Chapter 3 机器零件用合金结构钢机器零件用合金结构钢3.2 合金调质钢合金调质钢Chapter 3 机器零件用合金结构钢机器零件用
38、合金结构钢碳素钢碳素钢碳素钢碳素钢550回火后力回火后力学性能学性能b-s - k35-700-500-18-60-120淬水临界直径淬水临界直径813mm40-800-600-20-50-100淬水临界直径淬水临界直径1015mm45-900-700-20-45-100淬水临界直径淬水临界直径1017mm韧脆转折温度韧脆转折温度TC-60特点：淬透性低，热处特点：淬透性低，热处理变形大理变形大MnCr Ni 40Mn-900-750-20-60-120淬水临界直径淬水临界直径1218mm特点：晶粒易于长大特点：晶粒易于长大40Mn2-800-600-10-47-60淬油临界直径淬油临界直径2
39、0mm特点：晶粒易长大，无特点：晶粒易长大，无回火脆性回火脆性40Cr-1000-800-20-50-120淬油临界直径淬油临界直径1730mm淬水临界直径大于淬水临界直径大于30mmTC-60特点：淬透性适中，应用特点：淬透性适中，应用较广泛较广泛30Ni、25Ni3价昂，已少应用价昂，已少应用MnSi35SiMn、42SiMn-900-750-15-40-60淬水临界直径淬水临界直径1520mm CrMo 35CrMo-1000-850-12-45-10040CrMo-1100-950-12-45-120淬油临界直径淬油临界直径35mm左右左右TC-120特点：淬透性好，综合力学性能高，特
40、点：淬透性好，综合力学性能高，回火脆性不敏感回火脆性不敏感CrNi CrMnSi CrMnMo 40CrMnMo-1000-800-10-45-11淬淬油临界直径油临界直径60mm,TC=-100特点特点：淬透性较高：淬透性较高,不含不含Ni,可代替可代替CrNiMo,回火脆性不敏感回火脆性不敏感 CrNiMoCrNiW 40CrNiMo-1000-900-20-60-120淬油临界直径淬油临界直径70mm, TC=-12040CrNiMo-1300-1100-20-60-120淬油临界直径淬油临界直径100mm, TC=-140特点特点：属于马氏体类钢：属于马氏体类钢,淬透性高淬透性高,无回
41、火脆性无回火脆性,但价格较高但价格较高 CrMn35CrMn2、40CrMn-1000-850-10-45-80淬油临界直径淬油临界直径25mm 30CrMnSi-1200-1000-20-50-100淬油临界直径淬油临界直径30mm, TC=-60特点特点：用于高强度焊接钢，价廉，：用于高强度焊接钢，价廉，常用于等温处理状态常用于等温处理状态40CrNi-1000-850-20-50-120淬油临界直径淬油临界直径40mm左右左右TC-10037CrNi3A-1200-1050-20-60-140淬油临界直径淬油临界直径100mm左右左右TC-140特点：淬透性高，综合力学性能好特点：淬透性
42、高，综合力学性能好三、调质钢的热处理特点三、调质钢的热处理特点合金调质钢零件，在机械加工前的合金调质钢零件，在机械加工前的预先热预先热处理处理和渗碳钢类似。和渗碳钢类似。在机械加工后的在机械加工后的最终热处理最终热处理，为调质处理，为调质处理，即淬火后进行高温回火，以获得所需的组即淬火后进行高温回火，以获得所需的组织（回火索氏体）和性能（最佳的综合性织（回火索氏体）和性能（最佳的综合性能）。能）。调质钢淬透时调质后的屈服强度约为调质钢淬透时调质后的屈服强度约为800MN/m2，冲击韧性在，冲击韧性在800kJ/m2以上。以上。 3.2 合金调质钢合金调质钢Chapter 3 机器零件用合金结构
43、钢机器零件用合金结构钢必须指出的是必须指出的是：l由于在由于在500650下高温回火慢冷时容易下高温回火慢冷时容易产生第二类回火脆性，因此对回火脆性敏感产生第二类回火脆性，因此对回火脆性敏感性较大的钢，性较大的钢，回火后必须迅速冷却回火后必须迅速冷却（如用水（如用水冷或油冷），以抑制回火脆性的发生；冷或油冷），以抑制回火脆性的发生；l当要制造大截面零件时，由于快冷难以抑制当要制造大截面零件时，由于快冷难以抑制回火脆性的发生，所以必须回火脆性的发生，所以必须选择含有选择含有Mo、W等回火脆性敏感性较低的调质钢等回火脆性敏感性较低的调质钢。3.2 合金调质钢合金调质钢Chapter 3 机器零件用
44、合金结构钢机器零件用合金结构钢l调质钢零件，除要求高的强、韧、塑性配调质钢零件，除要求高的强、韧、塑性配合外，往往还要求某些部位（如轴类零件合外，往往还要求某些部位（如轴类零件的轴颈或花键部分）有良好的耐磨性。为的轴颈或花键部分）有良好的耐磨性。为此，调质处理后，一般还要在此，调质处理后，一般还要在局部部位进局部部位进行高频感应表面淬火行高频感应表面淬火。 3.2 合金调质钢合金调质钢Chapter 3 机器零件用合金结构钢机器零件用合金结构钢氮化钢氮化钢l对于要求耐磨性良好的零件，通常选用对于要求耐磨性良好的零件，通常选用含有含有Cr、Mo、Al的调质钢，在调质处理的调质钢，在调质处理后，如
45、进行氮化处理，可使工件表面形后，如进行氮化处理，可使工件表面形成成Cr、Mo、Al的氮化物，使硬度、耐磨的氮化物，使硬度、耐磨性都显著提高，故这类钢又称氮化钢。性都显著提高，故这类钢又称氮化钢。氮化是用氮饱和钢的表面的工艺过程。氮化是用氮饱和钢的表面的工艺过程。氮化工艺一般在氮化工艺一般在600以下进行。以下进行。3.2 合金调质钢合金调质钢Chapter 3 机器零件用合金结构钢机器零件用合金结构钢l结构钢的氮化目的在于提高其硬度、耐磨结构钢的氮化目的在于提高其硬度、耐磨性、热稳定性和耐蚀性。氮化前，零件应性、热稳定性和耐蚀性。氮化前，零件应经过淬火经过淬火+高温回火。高温回火。l氮化钢的硬
46、度和耐磨性主要取决于合金氮氮化钢的硬度和耐磨性主要取决于合金氮化物（化物（MoN、AlN）的数量、大小、种类）的数量、大小、种类和分布。但是由于钢中含有一定量的和分布。但是由于钢中含有一定量的C，因而氮化时，事实上总是形成碳氮化合物因而氮化时，事实上总是形成碳氮化合物相。相。 3.2 合金调质钢合金调质钢Chapter 3 机器零件用合金结构钢机器零件用合金结构钢图图3-7 Fe-N相图相图 Chapter 3 机器零件用合金结构钢机器零件用合金结构钢3.2 合金调质钢合金调质钢图图3-8 合金元素对氮化层深度和表面硬度存在重要的影响合金元素对氮化层深度和表面硬度存在重要的影响Chapter
47、3 机器零件用合金结构钢机器零件用合金结构钢3.2 合金调质钢合金调质钢l广泛应用的氮化钢主要是广泛应用的氮化钢主要是38CrMoAlA、38Cr2WVAlA等。在等。在500600温度范温度范围内氮化物扩散层的深度不大，因而表围内氮化物扩散层的深度不大，因而表面薄层所达到的高机械性能从表层迅速面薄层所达到的高机械性能从表层迅速下降。下降。l要求高耐磨性的零件要有高硬度的表面要求高耐磨性的零件要有高硬度的表面氮化层，一般采用含强氮化物形成元素氮化层，一般采用含强氮化物形成元素铝的钢种，如铝的钢种，如38CrMoAl。3.2 合金调质钢合金调质钢Chapter 3 机器零件用合金结构钢机器零件用
48、合金结构钢l经调质和表面氮化处理后，经调质和表面氮化处理后，38CrMoAl钢表面钢表面可获得最高氮化层硬度，达到可获得最高氮化层硬度，达到9001000HV。仅要求高疲劳强度的零件，可采用不合铝的仅要求高疲劳强度的零件，可采用不合铝的Cr-Mo型氮化钢，如型氮化钢，如35CrMo、40CrV等，其等，其氮化层的硬度控制在氮化层的硬度控制在500800HV。 3.2 合金调质钢合金调质钢Chapter 3 机器零件用合金结构钢机器零件用合金结构钢RN2-25-6氮化炉氮化炉 图图3-9 不同氮化钢的氮化层深度与硬度的关系不同氮化钢的氮化层深度与硬度的关系 Chapter 3 机器零件用合金结构
49、钢机器零件用合金结构钢3.2 合金调质钢合金调质钢四、典型调质钢及其应用四、典型调质钢及其应用：合金调质钢的钢：合金调质钢的钢种很多，按淬透性的高低可分为低、中、种很多，按淬透性的高低可分为低、中、高淬透性三类，表高淬透性三类，表3-2 。低淬透性合金调质钢低淬透性合金调质钢：其油淬临界直径最：其油淬临界直径最大为大为30mm40mm。典型钢种是。典型钢种是40Cr、40CrV、40MnB、40MnV、38CrSi、40MnVB等。这类钢的淬透性较低，通常等。这类钢的淬透性较低，通常只用于制造一般尺寸的重要零件。只用于制造一般尺寸的重要零件。40MnB、40MnVB是为节约是为节约Cr而发展的
50、代用钢，而发展的代用钢，40MnB的淬透性稳定性较差，切削加工性的淬透性稳定性较差，切削加工性能也差一些。能也差一些。 3.2 合金调质钢合金调质钢Chapter 3 机器零件用合金结构钢机器零件用合金结构钢中淬透性合金调质钢：中淬透性合金调质钢：其油淬临界直径最大其油淬临界直径最大为为40mm60mm。l典型钢种是典型钢种是35CrMo、40CrMn、40CrNi、30CrMnSi等。这类钢含有较多的合金元素，等。这类钢含有较多的合金元素，加入加入Mo不仅使淬透性显著提高，而且可防不仅使淬透性显著提高，而且可防止回火脆性。止回火脆性。l主要用于制造截面较大的零件，例如曲轴、主要用于制造截面较
