1、第3章 機器制造結構鋼,Rel700MPa,低強度鋼， Rel=700-1400MPa中強度鋼，大于1400MPa，超高強度鋼。（下屈服強度） 按照熱處理工藝：整體強化態(tài)鋼和表面強化態(tài)鋼。 根據(jù)鋼的生產工藝和用途，可分為：調質鋼、低碳馬氏體鋼、超高強度結構鋼、滲碳鋼、氮化鋼、彈簧鋼、軸承鋼和易削鋼等。,3.1 概 述,一、工作條件與性能要求 主要承受拉、壓、彎、扭、沖擊、疲勞應力，且往往是幾種載荷的同時作用；可以使恒載或變載，作用力的方向是單向或反復的。 綜合力學性能（強度、塑性、韌度、疲勞強度、耐磨性等； 良好的加工性能； 良好的切削加工性能； 一定的耐腐蝕性能。,二、機器零件用鋼合金化特點

2、,主加 元素,Cr、Mn、Si、Ni。 主要作用：淬透性和力學性能。,輔加 元素,Mo、W、V等 過熱敏感性，回脆，淬透性。,最佳 范圍,C 含量在0.08- 0.70%之間, 合金元素總 量一般不超過5%，少量例外； 范圍為：1.2%Si, 2%Mn， 12%Cr, 14%Ni， 0.5%Mo，0.2%V, 0.1%Ti，0.40.8%W。 或是單獨加入，或是復合加入。,彈性設計：根據(jù)比例極限 塑性設計：根據(jù)屈服強度 高強度的取得，往往是綜合應用了細晶強化、固溶強化、沉淀硬化和位錯強化等方法的結果。 還需考慮韌性設計：沖擊吸收能量、韌脆轉變溫度和斷裂韌度。 應選擇合理的含碳量和熱處理工藝。,

3、三、機械制造結構鋼的強度與脆性, 低碳馬氏體型結構鋼，采用淬火+低溫回火。 為耐磨性，可進行滲碳處理；汽車拖拉機齒輪類 為代表., 回火索氏體型，選擇中碳鋼，采用淬火+高溫 回火。為耐磨性，可進行滲氮處理或高 頻感應加 熱淬火等表面硬化工藝方法。軸類零件為典型。,1、對于要求良好綜合力學性能，零件選 材料的途徑為：,2、如要求更高的強度，則適當犧牲塑韌 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。農業(yè)機械較多.,3、如要求高的彈性極限和屈服強度，又 要有較高的塑性和韌度，則選擇中高碳鋼， 進行中溫回火。如彈簧鋼。,4、零件要求高強度、高硬度，高接觸疲 勞性和一定的塑性和韌度，可

4、用高碳鋼，淬 火+低溫回火。如軸承鋼。,辨 證 思 維,由于不同機器零件的服役條件和失效方式不同，主要的設計依據(jù)和失效判據(jù)也不同，所以應合理選擇鋼的含碳量和熱處理工藝。 應該明確: 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。,四、整體強化態(tài)鋼,基 本 情 況,整體強化態(tài)鋼均承受拉、壓、扭等交 變應力，大部分是整體受力。 其主要失效形式是疲勞破壞， 主要性能指標-1、Rm、AK、KIC等。 總體上要求良好的綜合力學性能。,主 要 應 用,主要制造軸、桿、軸承類等機器零件， 如連桿、螺栓

5、、主軸、半軸等。這類鋼主 要有調質鋼、彈簧鋼、軸承鋼、低碳馬氏 體鋼、超高強度鋼等。,汽車半軸 a)一端法蘭式; b)二端花鍵式; c)變截面臺階式,M7150A砂輪主軸,汽拖用連桿,下圖 T615K鏜床鏜桿,上圖 S7332 螺紋磨床絲杠,3. 2 調質鋼,所謂調質鋼：結構鋼淬火高溫回火后具有良好的綜合力學性能，適用于這種熱處理的鋼。 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械性能,即在保持較高的強度的同時又具有很好的塑性和韌性,人們往往使用調制處理來達到這個目的,所以人們習慣上就把這一類鋼稱作調質鋼。各類機器上的結構零件大量采用調質鋼，是結構鋼中

6、使用最廣泛的一類鋼。,二. 調質鋼的成分、合金化,成分 0.300.50%C的C鋼或中、低合金鋼 合金化 Mn, Si, Cr, Ni, Mo, V, Nb, Ti, Al, B 合金元素作用： 提高淬透性（主要作用） 固溶強化；細晶強化； 彌散強化,三. 調質鋼的種類與分級,在機械制造工業(yè)中，調質鋼是按淬透性高低來 分級的。 DC為油淬臨界直徑,低淬透性合金鋼: DC 3040mm, 有40Cr、 40Mn2、42SiMn、35CrMo、42Mn2V等,中淬透性合金鋼: DC:4060mm, 有40CrNi、 42CrMo、40CrMn、30CrMnSi等,高淬透性合金鋼: DC60100m

7、m, 有37CrNi3、 40CrNiMo、40CrMnMo等,四.調質鋼的組織與性能,回火S或回火T; 具有良好綜合力學性能，尤其是沖擊韌性。 強度（屈強：700-1200MPa） Cr, Mo, W, V 可阻礙K在高溫回火時聚集長大，使鋼保持高強度； 阻礙再結晶，使相保持細?。?合金元素的固溶強化、細晶強化 韌性: 調節(jié)溫度可具有不同的韌性； 細化； 防止或減輕回火脆性，加入 Mo,W,五. 調質鋼的應用,調質鋼的不足： 1）沒有利用馬氏體精細結構強化作用； 2）K的彌散強化作用也沒有充分體現(xiàn)。 3) 淬火和高溫回火兩次加熱耗能多、周期長，增加了熱處理變形和表面氧化脫碳等機會。 應用：

8、在要求良好的綜合機械性能，尤其是需要較高的（沖擊）韌性時，采用中C鋼的調質處理能發(fā)揮其優(yōu)勢。,六、調質鋼強韌化工藝的發(fā)展,正確 認識 性能 指標,AK是一次大能量沖擊性能指標， 小能量多沖條件下工作的，很難正確 反映。有些重要零件應以斷裂韌度KIC 來衡量。 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，鋼強度應低些， 塑性和韌度宜高些；沖擊能量較小時， 強度應高些。以達最佳配合。,綜合 強化 工藝,如復合熱處理，即熱處理強化、表面 處理及形變強化工藝結合起來。如汽車轉 向節(jié)園角處進行高頻淬火處理后，疲勞壽 命提高了50倍,冷變 形,鍛造 余熱 淬火,如

9、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、簡化工序，又能細化組 織，提高零件的強韌性。如柴油機連桿， 已普遍采用鍛造余熱淬火工藝,3.3 彈簧鋼,一、彈簧的服役條件及性能要求,彈簧功能,儲能減振,彈簧類型,板簧，螺簧； 壓簧、拉簧和扭簧等,典型的螺旋彈簧及板簧,壓縮螺簧,拉伸螺簧,扭轉螺簧,單板彈簧,橢圓板簧,疊形板簧,卡簧（圈）基本形狀,碟形彈簧截面,扭桿彈簧 a)實芯扭桿b)串聯(lián)式扭桿,板簧,彎曲載荷,螺簧,扭轉應力,疲勞破壞 彈性減退,高的彈性極限e、屈強比s/b彈性 高的疲勞強度-1 避免早期疲勞破壞 有足夠的塑性和韌性 不產生脆性斷裂 足夠的淬透性 保證

10、e和整體強度,其他要求: 冶金質量、表面質量,思考題： 為什么彈簧要求有好的表面質量，如表面不允許有裂紋、折迭、嚴重脫碳等缺陷?,彈簧在工作中要產生形變，內部要產生并保持應力，如果表面狀態(tài)不好，會形成應力集中區(qū)而產生破壞。,二、常用彈簧鋼及強化工藝,1. 合金化： 含碳量在0.601.05,低合金彈簧鋼在 0.400.74C。 ? + Si、Mn、Cr、V等合金元素. Cr和Mn主 要是提高淬透性， Si提高彈性極限， V提高 淬透性和細化晶粒.,60Si2Mn: Si、Mn復合,強化F,e， s/b可達到 0.80.9； Si / Mn 淬透性，Ms不過分,開裂傾向小; Si有效回穩(wěn)性, 但

11、脫C傾向; Si、Mn復合，脫碳和過熱敏感性較硅鋼、錳 鋼為小.,常用硅錳板簧鋼有60Si2Mn 、 55Si2Mn等,常用螺旋彈簧鋼有50CrVA等。,50CrVA :(高級優(yōu)質鋼） Cr 、V均回穩(wěn)性, 韌性好； V 細化晶粒, 過熱敏感性; 含Si少,脫C敏感性, 熱處理不易脫C; 常用于受應力高的螺旋彈簧及300工作的閥 門彈簧.,基本 工藝 方式,熱成形 彈簧,冷成形 彈簧,大型 彈簧,熱成形后+ 淬、回火,小型 彈簧,冷變形或熱處 理強化+冷成形 +低溫退火,火車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,思考題： 大型彈簧為什么

12、要先成形后強化，小型彈簧先強化后成形? 小型彈簧成形后為什么進行低溫退火?,熱處理 工藝,淬火和 中溫回火,回火 屈氏體,具有一定的沖擊韌度，較高的彈性極 限、屈強比和最高的疲勞強度,關鍵問題: 彈性參數(shù)和韌性參數(shù)之間的 平衡或最佳配合。,60Si2Mn鋼力學性能與 回火溫度的關系,55Si2Mn鋼疲勞強度隨 回火溫度的變化,形變強化效果好,板簧最適合形變強化: 滾壓、噴丸等冷變形強化強化都能有效地提 高板簧使用壽命,如結合高溫形變熱處理則更好,板簧噴丸作用舉例: 疲勞強度(MPa) 板厚/mm 未噴丸 噴丸 應力噴丸 13 390 470 800 11 350 700 850,回顧,3.2

13、調質鋼,3.3 彈簧鋼,高的彈性極限e、 高的疲勞強度-1 避免早期 疲勞破壞、 有足夠的塑性和韌性 不產生脆性斷裂 足夠的淬透性 保證e和整體強度,要求具有很好的綜合機械性能,即在保持較高的強度的同時又具有很好的塑性和韌性。,3.4 軸承鋼,2020/7/21/09:27:42,36,軸承,滾動軸承及其受到載分布情況,2020/7/21/09:27:42,38,軸承鋼,軸承鋼：適于制造不同環(huán)境中工作的各類滾動軸承套圈和滾動體的鋼統(tǒng)稱為滾動（或滾珠）軸承鋼（簡稱軸承鋼）。 80用于軸承，其余制作：油泵片、噴嘴、軋輥、工模具等。,滾子軸承,圓柱滾子推力軸承,圓錐滾子推力軸承,2020/7/21/

14、09:27:42,40,3.4.1 分類、化學成分及基本要求,一、 分類 二、 成分（以GCr15為例） 三、 基本要求,2020/7/21/09:27:42,41,一、 分類,按化學成分及特性分為五大類：高碳鉻軸承鋼無鉻軸承鋼；滲碳軸承鋼；不銹軸承鋼；中、高溫軸承鋼。,2020/7/21/09:27:42,42,分類,注： 1 大多數(shù)國家只有四大類，無鉻系列沒有。 2 淘汰了高碳鉻系中低鉻級（GCr6、GCr9）鋼號，以加Mo鋼號代替。中國保留了GCr9，沒有含Mo鋼號。 3 滲碳鋼系列的數(shù)量很大（十幾個鋼號，美國占自己軸承鋼量的1/3，日本15，中國GB3202-82列出了6個鋼號，中國自

15、己設計只有2個）。 4 不銹及中、高溫軸承鋼與國外鋼號相似。,2020/7/21/09:27:42,43,二、 成分（以GCr15為例）,1901年問世，主要優(yōu)點：成分簡單，合金量低，性能良好，價格便宜等。 YB(T)1-80(或YJZ-84)： C 0.951.05% Cr 1.401.65% Si 0.150.35% Mn 0.250.45% P 0.025% S 0.025 Mo 0.08% Ni+Cu 0.50% Ni 0.30% Cu 0.25% 為了提高軸承鋼的疲勞壽命（N），成分上有些改進。,2020/7/21/09:27:42,44,1） C,通常0.901.15%C，理由是保

16、證淬火、回火后有高硬度、強度、疲勞極限，必須具有過共析成分，才能經(jīng)熱處理后，在回火M基體上彌散細小的K。 使用組織：回火MA殘K C：過飽和C（M） 0.40.6%； Fe3C 78 許多人指出：只要保證M中C就好了，具有最大疲勞強度；認為彌散的K使得C，脆性，偏析加劇，壽命。,2020/7/21/09:27:42,45,1） C,近年來，C有所下降，出現(xiàn)中碳鉻軸承鋼的趨勢。 美國：0.851.00% C 日本：0.700.85% C 瑞典：0.870.97% C 中國：0.750.8% C （G8Cr15，改善了K不均勻性，冷熱變形性能，切削性能，N比GGr15高）,2020/7/21/09

17、:27:42,46,2） Mn,Mn有增有減； Mn作為脫氧元素，有利改變Si、Al脫氧產物形態(tài)，減少脆性夾雜物含量，主張0.5Mn。 Mn作為合金元素，有增有減。 俄、美、瑞典 Mn max 1.70% 中、德等 1.201.25% 增加觀點：Mn溶于F中，強度、硬度，淬透性； 減少觀點：Mn1.20%，Ms點，從而A殘，強度反而。 Mn使晶粒粗大，過熱敏感性和淬火裂紋傾向。,2020/7/21/09:27:42,47,3） Si,Si含量并不相同 Si作為脫氧元素 0.150.35%Si即可； Si作為合金元素，各國并不完全相同。 美國、瑞典 上限 0.800.85%； 中國卻 0.75%

18、 因為Si不形成K，溶于F、A中強化基體，即淬透性，彈性極限，屈服強度，疲勞強度。 但Si增加鋼的過熱和產生裂紋的傾向，加劇脫碳和石墨化傾向。,2020/7/21/09:27:42,48,4）Cr,同等級鋼中Cr稍有差別 三個等級：0.6 0.9 1.5% Cr作用： 形成K：Cr7C3、Cr3C6、(Fe,Cr)3C、MenCrmC 等； 淬透性（尤其是有Mn存在時更明顯） 抗蝕性 但Cr改變臨界點（共析點S和Ms），導致偏析，增加殘余奧氏體比例，影響軸承的精度和穩(wěn)定性。,2020/7/21/09:27:42,49,5）Mo,增加Mo鋼號，制作大尺寸軸承； 作用： 強化固溶體（穩(wěn)定K） 提高

19、K穩(wěn)定性； 回火脆性； 淬透性，耐磨性（K細?。?Mo會增加鋼的脫碳傾向。,2020/7/21/09:27:42,50,6）S、P,S、P限制規(guī)定有差別 大多數(shù)國家要求0.030%以下，英國、意大利要求不大于0.050%。 優(yōu)勢的觀點認為硫在軸承鋼中至少是無害的。,2020/7/21/09:27:42,51,7）殘余元素,對殘余元素限制更加嚴格。 以往通常只限制Ni、Cu，現(xiàn)在增加對五大有害元素As、Sn、Ti、Sb、Pb的限制。 危害：表面裂紋，加劇Cu的熱脆作用，形成夾雜（TiN、TiCN）等，壽命。,性 能 要 求,高而均勻的硬度和耐磨性足夠 淬透性和淬硬性，60HRC； 高接觸疲勞強度

20、以免過早失效； 高的彈性極限和一定韌度 承受沖擊，以免碎裂； 尺寸穩(wěn)定性好保證精度； 一定耐蝕性大氣、潤滑油腐蝕。,關鍵因素,化學成分、冶金質量和加工工藝,3.4.2 基本要求,3.4.3 軸承鋼的冶金質量,純凈度和組織均勻性是軸承鋼冶金質量的兩個主要問題。 軸承鋼由冶金質量缺陷造成的失效占總失效的65。這里是指非金屬夾雜物和碳化物不均勻性所造成的冶金質量缺陷。 可見鋼材的冶金質量對軸承的使用壽命起著非常重要的影響。,1. 非金屬夾雜物 （1）分類 根據(jù)化學成分： 簡單氧化物：如Al2O3, SiO2 復雜氧化物：包括尖晶石：MnOAl2O3 鈣的鋁酸鹽： CaO2A12O3 硅酸鹽和硅酸鹽玻

21、璃： l FeO-mMnO-nAl2O3- pSiO2 硫化物：如MnS，(Mn,Fe)S，CaS等 氮化物：如AlN等。,根據(jù)檢驗時金相形態(tài)來分類： 脆性夾雜物 如剛玉(Al2O3),尖晶石,沿軋制方向排列呈點鏈狀分布 塑性夾雜物 在變形過程中有良好的塑性，沿軋向呈連續(xù)條狀分布，有MnS和鐵錳硅酸鹽 球狀不變形夾雜物 鈣的鋁酸鹽 半塑性夾雜物： 主要是復相鋁硅酸鹽，含有Al2O3或尖晶石氧化物,（2）非金屬夾雜物對軸承鋼疲勞壽命的影響 其危害程度按剛玉、尖晶石、球狀不變形夾雜、半塑性鋁硅酸鹽、塑性硅酸鹽、硫化物依次遞減； 理想的情況是： 數(shù)量少、尺寸小、塑性好、 細條狀 均勻分布。,（3）非

22、金屬夾雜物的形成與消除 脫氧產物 凝固時析出的氧化物和硫化物 殘留在鋼中的渣 冶煉和澆注時鋼液對耐火材料的浸蝕 出鋼時鋼液的二次氧化等,徹底脫氧是獲得高純凈鋼的必要條件 利用真空脫氣、爐外精煉和電渣重熔，可極大 提高鋼的純凈度,形 成,消 除,2. 軸承鋼的K不均勻性,（1）軸承鋼在使用狀態(tài)下的顯微組織 回火M + K（均勻細小） + Ar 淬火時A晶粒度為9級以上； M中C 量為0.45 - 0.5； 殘留K量為 6% - 9%； Ar5-7%。,圖 高碳鉻軸承鋼中馬氏體含碳量與疲勞壽命的關系,（2）淬火前的 原始組織與碳化物粒度 淬火前（球化退火后的）原始組織應為（細）粒狀珠光體為最好。（

23、鐵素體+均勻細小K） 在淬火加熱時，細顆粒K比粗顆粒碳化物更易溶解，可保證合金度； 細顆粒狀比片狀K溶解慢，奧氏體不易粗化，淬火溫度范圍較寬； 可保持少量的細顆粒狀K； 得到綜合的性能。,為了獲得均勻細顆粒的球化組織： 控制球化退火工藝， 控制退火前的實際原始組織，盡可能消除碳化物缺陷 。 常見的碳化物缺陷有以下幾類： 液析碳化物 帶狀碳化物 網(wǎng)狀碳化物 大顆粒碳化物,2020/7/21/09:27:42,62,1）帶狀碳化物,枝晶偏析（富Cr和富C）引起的顯微區(qū)騙局的共析碳化物（二次碳化物），經(jīng)壓力加工后，順延展方向分布成條帶狀。 嚴重帶狀碳化物，黑白區(qū) 域分明，帶條寬度大，帶 與帶之間也寬

24、。 為了降低帶狀碳化物級別， 主要措施是鋼錠或鋼坯進 行擴散退火。,2020/7/21/09:27:42,63,2）碳化物液析,液相中碳及合金元素富集（液態(tài)偏析）產生的亞穩(wěn)態(tài)萊氏體共晶（一次碳化物），在熱加工時被壓碎并沿軋向呈條帶狀分布。 消除和改善措施： 控制C、Cr中下限，加V； 低溫澆注； 采用較大鍛壓比； 擴散退火； 熱處理過程不能太慢。,2020/7/21/09:27:42,64,3）網(wǎng)狀碳化物,沿A晶粒邊界析出的呈網(wǎng)狀分布的碳化物。 原始碳化物偏析大，易出現(xiàn)；停軋溫度高及冷卻太慢，使網(wǎng)狀碳化物的連續(xù)性和粗大程度顯著增加。 消除或減輕措施： 控制C、Cr中下限，Si、 Mn有破壞和減

25、小網(wǎng)狀碳化 物作用； 控制低的終軋溫度和強化軋 后冷卻速度。,液析碳化物和帶狀碳化物 比較 均起因于鋼錠結晶時產生的樹枝狀偏析 液析碳化物屬于偏析引起的偽共晶碳化物（一次碳化物）； 帶狀碳化物屬于二次碳化物偏析 （固相冷卻過程中）。 成分 帶狀碳化物）（Fe,Cr）3C； 液析碳化物（Cr, Fe ）7C3 + （Fe,Cr）3C。 影響 液析K尺寸大，硬度高，脆性大，危害大。,危害 降低軸承的使用壽命，增大零件的淬火開裂傾向，造成硬度和力學性能的不均勻性（各向異性）。 預防與消除 1）控制成分（C，Cr%）； 2）大的鍛（軋）造比來破碎碳化物； 3）采用高溫擴散退火（1200左右）。,網(wǎng)狀碳

26、化物 形成 高碳鉻軸承鋼為過共析鋼，網(wǎng)狀碳化物是在熱軋（鍛）加工后緩慢冷卻過程中由二次碳化物以網(wǎng)狀析出于奧氏體晶界所造成的。 原因 終軋溫度過高或冷卻速度過慢，或偏析程度大，在K密集處形成。,危害 顯著提高脆性，淬火開裂傾向增大；增加硬度和性能的不均勻性，降低疲勞強度。 預防與消除 1）工藝上提高冷速，降低終軋溫度； 2）成分上適當降低C，Cr%； 3）網(wǎng)薄者，可直接用球化退火消除； 網(wǎng)厚者，應用正火消除。,圖 碳化物液析 500,圖 帶狀碳化物 500,圖 網(wǎng)狀碳化物 500,3.4.4 軸承鋼的熱處理 軸承鋼的熱處理包括： 預先熱處理 （擴散退火，正火）+ 球化退火 最終熱處理 淬火 +

27、低溫回火 +（穩(wěn)定化處理 ）,1. 正火 目的 主要是消除網(wǎng)狀K； 返修退火不合格品。 工藝 對 粗網(wǎng)狀K：較高的加熱溫度 930-950； 細網(wǎng)狀K：850-870。,2. 球化退火 獲得球狀珠光體組織 球化退火加熱為780800 軸承鋼球化退火的冷卻方式有兩種： 1）一般球化退火（連續(xù)冷卻） 按冷卻速度20-30/h冷到650出爐 2）等溫球化退火 在700等溫2-4h，再爐冷到650，出爐（等溫球化退火）。,軸承鋼的球化退火工藝,3. 軸承鋼的淬火和回火 目標： 提高硬度、強度、耐磨性和耐疲勞性，適當韌性 淬火：淬火溫度為840 1）碳化物，其含量為7%9%； 2）防止氧化脫碳，一般采用

28、保護氣氛加熱或真空加熱。 回火 160保溫3h或更長，硬度在HRC62-66。,4. 穩(wěn)定化處理 精密軸承為保證尺寸穩(wěn)定，要求消除Ar，一般采用淬火后立即進行冷處理，然后低溫回火。 軸承在磨削加工后要進行消除磨削應力的回火，一般采用120-150保溫 3-5 h。 對要術特別精密者，在粗磨、細磨和精磨后各進行一次回火，時間在15-24 h。,五.特殊用途的軸承鋼（簡介） 特大型軸承鋼（外徑大于450mm） 合金滲碳鋼 20Cr2Ni4， 20CrNi2Mo， 20Cr2Mn2Mo 不銹軸承鋼 馬氏體不銹鋼 9Cr18，9Cr18Mo 高溫軸承鋼 GCr15使用溫度為180 高速鋼 W18Cr4

29、V, W6Mo5Cr4V 高鉻馬氏體不銹鋼： Cr15Mo4 高溫滲碳鋼：12Cr2Ni3Mo5 (430）,思考題: 軸承鋼在淬火熱處理后,硬度檢驗時不允許有明顯的軟點,為什么? 如出現(xiàn)軟點,可能有哪些因素造成的?,由于零件較大，可能是在淬火過程中由于加熱不足，保溫時間不充分或者冷卻不良造成的淬火軟點。 零件淬火后局部區(qū)域或整體的硬度低于現(xiàn)行標準的規(guī)定值，這被稱為淬火軟點。軟點可分為體積軟點和表面軟點。體積軟點延伸到軸承鋼零件的深部，其硬度一般在50HRC以下。表面軟點是指軸承鋼零件表面有很薄（0.3）一層屈氏體組織或小塊的局部脫碳層。但是因為其層較薄，打洛氏硬度僅比正常值低23HRC。,3

30、.5 低碳馬氏體鋼,基 本 性 能,抗拉強度b ，11501500MPa ； 屈服強度s , 9501250 MPa ； 40% ；伸長率，10% ； 沖擊韌度AK60J 。 這些性能指標和中碳合金調質鋼性能相當， 常規(guī)的力學性能甚至優(yōu)于調質鋼。,沒有獨立鋼類，有專門開發(fā)的低碳M鋼。 低碳結構鋼采用淬火+低回工藝，可得到位 錯板條M 強度、韌度和塑性的最佳配合,1 成分工藝特點,0.150.25%C，以保證淬火后獲得板M + Cr、Mo、Si、Mn、V等 淬透性等性能 15MnVB、20SiMn2MoV等是我國研制開發(fā)的,零件斷面尺寸，心部可 能淬不透，綜合性能 應根據(jù)零件的尺寸大小來 選擇相

31、應淬透性的鋼,成 分 特 點,工 藝 特 點,高溫加熱 較長t保溫 高速冷卻,2、低碳馬氏體結構鋼及應用,應 用,在礦山、汽車、石油、機車車輛、農業(yè)機械等 制造工業(yè)中得到了廣泛的應用,實 例,石油鉆機吊環(huán)(卡) 20SiMn2MoV代35鋼 材料 工藝 重量kg b /MPa AK /J 35 正火 137.4 550 50 20SiMn2MoV 淬火 29 1600 110120,局 限 性,工作溫度200;強化后難以進行冷加工焊接 等工序; 只能用于中小件;淬火時變形大,要求嚴 格的零件慎用.,吊卡實物外形,3.6 表面強化態(tài)鋼,零件在滑動、滾動、接觸 應力、摩擦等工況下工作,磨損和接觸疲

32、勞 是主要失效形式,表面應具有高硬度、高接 觸疲勞抗力和良好耐磨性， 而心部有一定塑韌性,滲碳鋼、滲氮 鋼、感應加熱淬 火鋼等,這類鋼適宜制造表面和心部性能要求不同的零件，通 過某種工藝使零件表面硬度高耐磨而心部具有較好強韌 性配合以滿足要求。典型零件有齒輪、凸輪等,各種類型的齒輪,3.6.1合金滲碳鋼,滲碳鋼主要用于制造要求高耐磨性、承受高接觸應力和沖擊載荷的重要零件，如汽車、拖拉機的變速齒輪，內燃機上凸輪軸、活塞銷等。,一、滲碳鋼的服役條件及對性能要求,在工作時零件整體受到周期性變化的扭轉或彎曲力的作用，并且零件與零件表面之間還有相對的摩擦，并有高的接觸應力。 這些零件對材料的機械性能要求

33、： （1） 表面具有高的彎曲、接觸疲勞強度和高硬度、高的耐磨性。 （2） 心部具有足夠的韌性和強度。 （3）具有良好的熱處理工藝性能，如高的淬透性和滲碳能力，在高的滲碳溫度下，奧氏體晶粒長大傾向小以便于滲碳后直接淬火。,Chapter 3 機械制造結構鋼,二、滲碳鋼的化學成分特點 1 低碳 一般在0.12%-0.25%。主要目的是為了保證心部有良好的韌性。 2 合金化 主要合金元素 Mn、Cr、Ni; 輔助合金元素 Mo、 W、Si、V、Ti、B等。 （1）提高鋼材的淬透性 (Mn、Cr、Ni) ，從而提高心部的強度和韌性。 V、Ti 、 Mo、W，碳化物形成元素，這些元素通過形成穩(wěn)定的碳化物

34、來細化奧氏體晶粒，同時還能提高滲碳層的耐磨性。,3.3.1 滲碳鋼,Chapter 3 機械制造結構鋼,（2）根據(jù)滲碳工藝 碳化物形成元素對滲碳的作用： （a）增大鋼表面吸收碳原子的能力； （b）增大滲碳層表面碳濃度； （c） V、Ti阻礙碳在奧氏體中的擴散。 前兩因素加速滲碳，有利于滲碳層的加厚，而后一因素不利于滲碳層的加厚。 總的效果是鉻、錳、鉬等元素加大滲碳層的厚度，鈦減小滲碳層的厚度。,Chapter 3 機械制造結構鋼,3.3.1滲碳鋼,非碳化物形成元素對滲碳的作用與碳化物形成元素相反： 總的效果是鎳、硅、銅等元素減慢滲碳，不利于滲碳層的加厚。 碳化物形成元素含量過多，將在滲碳層中產

35、生許多塊狀碳化物，造成表面脆性。所以合金元素的含量要適當。 錳是一個較好的合金元素，既可以加速滲碳層增厚，又不過多提高滲碳層的含碳量。 對于一般零件: (1)滲碳層的含碳量限制為0.81.1%C； (2)滲碳層的深度控制在0.62.0mm之內。,Chapter 3 機械制造結構鋼,3.3.1 滲碳鋼,圖3-2 沿鋼的滲碳層深度，碳的濃度分布 1-碳鋼 2-以碳化物元素合金化的鋼 3-以非碳化物元素合金化的鋼,Chapter 3 機械制造結構鋼,925滲碳時，合金元素對滲碳層深度的影響,3.3.1 合金滲碳鋼,Chapter 3 機械制造結構鋼,三、滲碳鋼的熱處理特點,3.3.1 滲碳鋼,Cha

36、pter 3 機械制造結構鋼,滲碳件一般的工藝路線為： 下料鍛造正火機加工滲碳淬火+低溫回火磨削。 使用狀態(tài)下的組織為： 表面是高碳回火馬氏體加顆粒狀碳化物加少量殘余奧氏體（硬度達HRC58-62），心部是低碳回火馬氏體加鐵素體（淬透）或鐵素體加托氏體（未淬透）。,1 預先熱處理 合金滲碳鋼零件，在機械加工前的預先熱處理通常分兩步進行。,3.3.1 滲碳鋼,第一步：正火,退火（對P型鋼）,第二步：,高溫回火（對M型鋼）,Chapter 3 機械制造結構鋼,正火的目的是細化晶粒，減少組織中的帶狀程度并調整好硬度，便于機械加工。經(jīng)過正火后的鋼材具有等軸狀晶粒。 對珠光體型鋼通常用在800左右的一次

37、退火代替正火，可得到相同的效果，即既細化晶粒又改善切削加工性能； 對馬氏體型鋼，則必須在正火之后，再在Ac1以下溫度進行高溫回火，以獲得回火索氏體組織，這樣可使馬氏體型鋼的硬度由380-550HB降低到207240HB，以順利地進行切削加工。,3.3.1 滲碳鋼,Chapter 3 機械制造結構鋼,2 最終熱處理 （1）滲碳 在機械加工到只留有磨削余量時，進行滲碳處理。,3.3.1 滲碳鋼,Chapter 3 機械制造結構鋼,滲碳零件的滲碳過程大都是在910930溫度進行的。 鋼表面的固溶碳極限是由奧氏體在滲碳溫度時對碳的飽和溶解度決定的。如超過碳在奧氏體中的極限溶解度，在表面層中就會出現(xiàn)碳化

38、物。 滲碳擴散層的厚度決定于： （1）碳在奧氏體中的極限溶解度； （2）碳在奧氏體中的擴散速度； （3）擴散的時間。,Chapter 3 機械制造結構鋼,3.3.1滲碳鋼,（2）淬火和低溫回火。,3.3.1 滲碳鋼,圖3-4 20CrMnTi鋼齒輪的熱處理規(guī)范,采用這種工藝的零件通常只要求表面高硬度和耐磨性，而對基體性能要求不高。 主要用于滲碳后不容易過熱的鋼種。,Chapter 3 機械制造結構鋼,淬火和低溫回火后的組織： 零件的滲碳表面：高碳回火馬氏體加細小的碳化物，硬度高（60-62HRC），耐磨性高。 零件的非滲碳表面和基體部分（心部）： 低碳回火馬氏體淬透性高的鋼種； 低碳回火馬氏體

39、加貝氏體（40-48HRC）淬透性中等的鋼種； 低碳回火屈氏體（25-40HRC）淬透性小的鋼種。 這些組織使零件具有更好的強硬度與韌塑性的配合，心部的沖擊韌性一般都高于700kJ/m2。,3.3.1 滲碳鋼,Chapter 3 機械制造結構鋼,3.3.1 滲碳鋼,Chapter 3 機械制造結構鋼,滲碳空冷后，進行兩次淬火。當對零件表面和基體性能的要求都很嚴格時，可用這種工藝。 第一次按鋼的基體成分加熱淬火，加熱溫度較高（870左右），目的是細化心部組織并消除表面滲碳層中的網(wǎng)狀滲碳體； 第二次按高碳鋼的成分進行（表面）淬火，目的是使表面獲得細小的馬氏體加粒狀碳化物組織，以滿足表面高性能的要求

40、； 最后進行低溫回火起消除應力、穩(wěn)定組織和穩(wěn)定尺寸的作用。,3.3.1 滲碳鋼,Chapter 3 機械制造結構鋼,3.3.1 滲碳鋼,這類熱處理工藝主要用于航空發(fā)動機齒輪的熱處理。,航空發(fā)動機齒輪(可達GB10095-88 4級),Chapter 3 機械制造結構鋼,四、典型滲碳鋼 碳素滲碳鋼：15、20 合金滲碳鋼按淬透性的高低可分為： （1）低淬透性合金滲碳鋼 20Cr、20Mn2等。 （2）中淬透性合金滲碳鋼 20CrMnTi、20Mn2TiB、20MnVB等。 （3）高淬透性合金滲碳鋼 12Cr2Ni4A、15CrMn2SiMo、 18Cr2Ni4WA、20Cr2Ni4A等。,3.3

41、.1 滲碳鋼,Chapter 3 機械制造結構鋼,3.6.2 氮化鋼,服役條件： 有些零件工作時載荷不大，基本上無沖 擊力；有摩擦，但比齒輪等零件的磨損要輕， 同時也受到交變的疲勞應力。這一類零件重 要的要求是能保持高的精度。常采用氮化鋼 進行滲氮處理。 氮化鋼（滲氮鋼）適合于氮化（或滲氮）工藝的鋼種，稱氮化鋼或滲氮鋼。一般狹義而言，是指專門為滲氮零件設計、冶煉、加工的一種特殊鋼種。其典型代表為38CrMoAL,合金元素對氮化層深度和表面硬度的影響 （550氮化24h）,3.4 高錳耐磨鋼,一、高錳鑄鋼的化學成分及性能 特點：高碳、高錳。鑄件使用。 常用高錳鑄鋼為ZGMn13型。鑄態(tài)組織一般是

42、 奧氏體、珠光體、馬氏體加碳化物復合組織，力 學性能差，耐磨性低，不宜直接使用。經(jīng)過水韌 處理（即固溶處理）后的顯微組織是單相奧氏 體，軟而韌。,二、高錳鋼的熱處理,1、水韌處理加熱T應Acm，一般為1050 1100，在一定保溫時間下，K全部溶入A中,2、高錳鋼導熱性較差，僅為碳素鋼的1/4 1/5，熱膨脹系數(shù)比普通鋼大50%，而且鑄件尺 寸往往又較大，所以要緩慢加熱，以避免產生 裂紋；,13%Mn合金鋼的垂直截面相圖,3、鑄件出爐至入水時間應盡量縮短，以 避免碳化物析出。冷速要快，常采用水冷。 水冷前水溫不宜超過30，水冷后水溫應小 于60； ？ ？,4、水韌處理后不宜再進行250350的

43、回 火處理，也不宜在250350以上溫度環(huán)境中 使用。 ？ ？,三、高錳鋼的耐磨性及應用,耐 磨 機 理,（冷作硬化）大形變在A基體中產生 大量層錯、形變孿晶、和馬氏體而硬化 。表面硬度從原來200HB左右可到500HB 以上，硬化深度可達1020mm，而心部仍 保持A，所以能承受較大沖擊載荷而不 破裂。在表層逐漸被磨掉的同時，硬化 層不斷地向內發(fā)展 “前赴后繼”。 在低應力和低沖擊載荷下，耐磨性往 往不一定好。,應 用,廣泛應用于承受大沖擊載荷、 強烈磨損的工況下工作的零件，如 各式碎石機的襯板、顎板、磨球， 挖掘機斗齒、坦克的履帶板等。 保險箱 ?,思 考 題,高錳鋼經(jīng)水韌處理能得到全部A

44、， 而緩冷卻得到大量M。為什么?,3.8 零件材料選擇基本原則,設計和制造一個零件時，最根本的問題是選擇制造零件的材料及相應的處理工藝，正確選擇材料是材料技術人員的基本要求。 現(xiàn)代設計發(fā)展的重要特點是將零件設計與材料設計有機的結合起來。,一、選擇材料的基本原則,1、材料使用性能要求 最大限度發(fā)揮材料潛力,2、材料的工藝性能 加工工藝性能良好,3、經(jīng)濟性 涉及材料的價格、加工成本、國家資 源情況等,零件的總成本與零件壽命的關系,4、其它因素 材料毛坯的選擇、生產設備的可能 性、環(huán)境協(xié)調性等,二、零件的加工工藝路線 基本上可分為三類： （1）性能要求不高的零件 一般是鑄鐵和碳鋼制造。其工藝路線比較

45、簡 單：毛坯正火（退火)機械加工零件。如直 接用型材加工，則不需要進行熱處理。 （2）性能要求較高的零件 合金鋼制造的軸、齒輪等零件。工藝路線： 毛坯 預先熱處理機械粗加工最終熱處理 （淬火回火或滲碳淬火等)精加工。,（3）要求高的精密零件 一般用于精密絲桿、主軸等。工藝路線 為：毛坯 預先熱處理 機械粗加工 熱處理 半精加工 氮化處理 精加工 去應力退火 零件。,三、選擇材料的基本思路及方法,分析零件 工作條件,確定主要失效抗力指標 作為選材的基本依據(jù),考慮工 藝措施,考察經(jīng)濟性 和生產成本,選擇材料,注 意,要合理引用手冊上材料的力學性能數(shù)據(jù) ； 盡量選用簡化加工工藝的材料 ； 零件材料選擇要考慮零件的綜合成本,四、典型零件材料選擇與工藝分析 1、齒輪類零件 不同機械的齒輪，其工作條件差別很大，所 以在選擇材料和熱處理工藝上也有很大不同。,機 床 齒 輪,載荷不大，工作平穩(wěn)，一般無大的沖擊力， 轉速也不高。常選用調質鋼制造，如45、40Cr、 42SiMn等鋼， 熱處理工藝為正火或調質，高頻感應加熱淬火,一般工藝路線為： 備料 鍛造 正火 粗加工 調質處理 半精加工 高頻淬火+ 回火 磨削,汽 拖 齒 輪,汽車、拖拉機上的變速箱齒輪屬于重載荷齒 輪。一般都采用滲碳鋼，如