机械结构用钢幻灯片.ppt

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1、1,5.3 机械结构用钢,5.3.1 机械结构用钢综述 5.3.2 调质钢与非调质钢 5.3.3 表面硬化钢 5.3.4 弹簧钢 5.3.5 滚动轴承钢 5.3.6 易切削钢,2,5.3.1 Brief introduction of structural steels 结构钢综述,机械结构用钢系指用以制造各种机器零件的钢种，例如轴类、齿轮、紧固件、轴承和高强度结构等，广泛应用在汽车、拖拉机、机床、工程机械、电站设备、飞机及火箭等装置上。为更好地识记工业用钢，特对机械结构用钢就以下五个方面作一综述。 1. 工作条件与性能要求 2. 淬透性 3. Me在机器结构钢中的作用 4. 碳含量与热处理工

2、艺的选择 5. 机器结构钢的分类,3,1. 工作条件与性能要求,机械结构用钢主要承受拉、压、弯、扭、冲击、疲劳应力，且往往是几种载荷同时作用。可以是恒载或变载，作用力的方向是单向或反复的。工作环境是大气、水和润滑油，工作温度有的是在高温，有的在低温，有的还受腐蚀介质作用。 一般机械零件的主要失效形式是变形、过度磨损和断裂。为保证机械零件正常工作，必须要求有良好的力学性能，如足够高的强度、塑性、冲击吸收功和疲劳强度等。 很显然，欲满足机械结构用钢的性能要求，必须对其进行热处理强化，才能充分发挥钢材的性能潜力。马氏体相变及随后的回火转变综合应用了固溶强化、沉淀强化、细晶强化和相变强化的机理，是最重

3、要、最经济的强化手段。而钢的淬透性是此类钢非常重要的工艺性能。,4,2. 淬透性,淬透性对机械结构用钢具有十分重要的意义。淬透的钢可在工件整个截面上均获得高强度、高屈强比、高疲劳强度和高冲击韧度，以及低的韧脆转折温度（TK）的性能指标。 钢中合金元素可明显提高钢的淬透性。对淬透性要求不高的合金结构钢，才采用单一的合金元素合金化方案；要求较高淬透性者均采用多元少量的合金元素综合合金化方法。,5,3. Me（合金元素） 在机械结构钢中的作用,主加元素：Mn、Cr、Si、Ni、B（微量） 提高淬透性，强化铁素体， 提高综合力学性能 附加元素： Ti、V、W、Mo 细化晶粒，提高回火稳定性， 抑制第二

4、类回火脆性（W、Mo）,6,4. 碳含量与热处理工艺的选择,碳是机械结构用钢中最主要的元素，溶入奥氏体中的碳含量不仅直接决定了M的硬度，而且对M的形态及回火后的组织性能有很大影响。 对不重要的机器零件，当综合力学性能要求不高（硬度229HBW）时，可选用中碳钢经正火即可。 表面要求耐磨性好及高的接触疲劳抗力，整体又承受冲击负荷心部要求较高强韧性的零件，如汽车、拖拉机变速箱齿轮，应选用渗碳钢，即低碳钢或低碳合金钢，采用渗碳、淬火和低温回火的热处理工艺。 综合力学性能要求较高的零件，如各类轴、连杆、螺栓等，应选用调质钢，即中碳钢或中碳合金钢，采用调质处理，使其获得较高强度的同时也有较高的韧度。 较

5、高碳含量的碳素钢和合金钢属于弹簧钢，可用来制造弹簧，为了保证弹簧钢的高弹性极限和疲劳强度，应采用淬火+中温回火的热处理工艺。 滚动轴承应选用高碳的滚动轴承钢制作，经淬火+低温回火后的轴承，具有高硬度、高耐磨性和高的接触疲劳抗力以及适当的韧度。,7,合金结构钢的成分特点,8,5. 机械结构用钢的分类与典型钢号,按热处理工艺特点和用途不同，将其分为调质钢、表面硬化钢（渗碳钢、渗氮钢）、弹簧钢、滚动轴承钢、易切削钢以及铸钢等。 i. 调质钢（45，40Cr，40CrNiMoA） ii. 表面硬化钢（20Cr，20CrMnTi, 38CrMoAlA） iii. 弹簧钢（65Mn, 60Si2Mn, 5

6、0CrVA） iv. 滚动轴承钢（GCr15） v. 易切削钢（Y40CrSCa） vi. 铸钢（ZG200-400）,9,5.3.2 调质钢与非调质钢,调质钢一般指经调质处理后使用的中碳钢或中碳合金钢。 1. 工作条件、常见失效形式与性能要求 如机床主轴、汽车拖拉机后桥半轴、发动机曲轴等，在多种应力负荷下工作的，受力较复杂，有时还受到冲击载荷作用，在轴颈或花键等部位还存在较剧烈摩擦。 其主要失效形式有：主要是由于承受交变的扭转、弯曲载荷所引起的疲劳断裂，以及由于工件的塑韧性不足而导致的脆性断裂；在摩擦副的配合处承受强烈摩擦磨损，工件本身由于硬度低、耐磨性差而造成的过度磨损等。 因此，其力学性

7、能为高的屈服点和疲劳强度，良好的冲击韧度和塑性，即具有良好的综合力学性能。同时，还要考虑断裂韧度和疲劳裂纹扩展速率等性能。一般调质钢的性能范围大致为：b8001200MPa，S7001000MPa，815，K60120J/cm2，TK40。 。,10,连杆螺栓及热处理工艺,曲轴,高强螺栓,柴油机连杆,齿轮,11,轴套类,破碎机主轴,12,轮盘类（轮辐，齿轮，键槽等）,13,2. 化学成分特点,（1）中碳 （2）合金化原则 主加元素：Cr、Ni、Mn、Si及微量B等，主要作用为提高淬透性，强化F； 辅加元素：W、Mo、V、Ti等，主要作用为细化晶粒、进一步提高钢的淬透性，W、Mo还起着防止第二类

8、回火脆性作用。 另外W、Mo、V、Cr、Si等还可有效提高钢的回火稳定性。 3. 热处理特点 （1）预先热处理 退火或正火。 （2）最终热处理 调质（组织为 回火索氏体）或调质局部表面淬火、 低温回火。,回火索氏体,14,4. 常用调质钢（如表5-10所示）,（1）低透性调质钢（ D0油3040mm） 如45（U20452）、40Cr（A20402）等； （2）中淬透性调质钢（ D0油4060mm ） 如42CrMo（A30352)、38CrMoAlA(A33382)等 （3）高淬透性调质钢（D0油60mm） 如40CrNiMoA(A50403)等。 某40Cr钢制作的汽车发动机连杆螺栓的生产

9、加工工艺路线如下所示:下料锻造正火 粗机加工调质精加工装配。,15,表5-10 常用调质钢的牌号、热处理、性能与用途,16,5. 调质零件用钢的新进展,低碳马氏体钢 表5-11 低碳马氏体15MnVB钢与调质40Cr钢性能对比,17,6. 微合金化非调质钢,18,何谓“微合金化非调质钢”？,从广义上说，在制造和应用过程中，通过采用微合金化（V、Ti、Nb、N等）、控制轧制（控锻）和控制冷却等强韧化方法，在F和P中弥散析出碳氮化合物为强化相，取消了调质热处理，而能达到或接近调质钢性能的优质或特殊质量钢，即为“微合金化非调质钢”（简称“非调质钢”）。 在轧制或正火状态下使用的高强度钢，其显微组织主

10、要是FP。提高非调质钢强度的方法，主要是通过添加合金元素和轧制、细化组织。在低合金钢的范围内，通过添加合金元素所增加的强度一般与元素的添加量呈正比。常采用对于焊接性影响较小而又廉价的Si、Mn作为非调质钢主要合金元素。通过控制轧制也可细化组织，提高非调质钢的强韧性。还因为钢中珠光体P有损于钢的韧性，故在要求高韧性的情况下希望尽量降低钢中的碳，以减少P量，P量少的低碳钢叫少P钢；碳含量很低以致于完全消除P的钢叫无P钢，这种钢显著改善了钢的韧性和焊接性。,19,6. 微合金化非调质钢,我国已在多种型号的汽车曲轴、连杆上成功应用微合金非调质钢，例如我国一气CA15型汽车发动机曲轴采用非调质钢YF45

11、V代替原45钢正火或调质，其力学性能（如表5-910所示）符合CA15曲轴产品要求。中碳微合金非调质钢的开发应用有着广阔的发展前景。 表5-11 非调质钢与调质钢力学性能的对比,20,6. 微合金化非调质钢,微合金化非调质钢的特点在于简化生产工艺，取消淬火高温回火工序，减少淬火变形及矫正的工作量，从而达到降低能耗和生产成本的目的；同时其仍具有很好的使用性能，如强韧性、抗疲劳和耐磨损性能等。 微合金化非调质钢与合金调质钢相比，还有合金元素用量少的特点。 下图所示为调质钢（b图）和非调质钢（a图）这两类钢典型的生产工艺流程。由比较可见，非调质钢由于取消了淬火回火等工序，从而简化了生产工艺流程，提高

12、材料利用率，改善零件质量，降低能耗和制造成本（25%38%），减少污染，绿色环保。,图5-*1 非调质钢（a）与调质钢（b） 典型的生产工艺流程,21,表5-*2 微合金化非调质钢的分类,22,按加工方法的不同，将非调质机械结构钢分为：,23,非调质钢的冶金工艺特点,i冶炼 冶炼非调质钢时，均要首先充分脱氧，然后再进行合金化。保证钢中含有稳定和适量的N，对控制微合金非调质钢的性能是十分重要的。非调质钢在冶炼时常加入Al、Ti等元素，通过析出AlN、TiN来钉扎A晶界，提高A晶粒长大激活能量，在加热时阻止晶粒长大，在形变过程中抑制A再结晶，细化A晶粒。微合金元素的复合加入比单独加入作用更大。 i

13、i轧制(锻制) 微合金化与控制轧制(锻制)、控制冷却相结合，才能充分发挥微合金化元素的作用，才能达到最佳的强韧化效果。对于轧制(锻制)并经切削加工后使用的非调质钢来说，轧制(锻制)工艺将决定零件的最终性能。,6. 微合金化非调质钢,24,非调质钢的性能特点,i力学性能 可具有与碳素及合金结构钢调质后一样强度。虽然其韧性稍差，但在采取某些韧化措施后，也已达相应韧性水平。与调质状态使用的机械结构钢相比，微合金非调质钢对尺寸(体积)效应不敏感，使其力学性能、尤其硬度值在零件截面上的分布比较均匀，这一点对于大型零、部件来说尤为可贵和重要。 ii工艺性能 良好的切削加工性能。在硬度相同的情况下，具有F-

14、P组织的非调质钢，其切削加工性能比具有回火S组织的调质机械结构钢好。为了进一步改善非调质钢的切削加工性能，可适量单独添加某种易切削元素，如S或Pb以及Ca、Te(碲)、Se(硒)等，或者复合添加这些元素。 良好的表面强化特性。很多机械零件，为提高其表面的耐磨性和疲劳强度，都进行表面强化处理。非调质钢具有良好的高、中频感应加热淬火特性。与同等强度级别的调质钢相比，在同样氮化和软氮化工艺条件下，非调质钢的渗层可以得到更高的硬度；更深的渗层深度；氮化处理后，心部硬度也不降低。试验表明，非调质钢具有良好的表面强化特性。,6. 微合金化非调质钢,25,非调质钢的组织特征,非调质钢的组织主要是： 铁素体(

15、F)珠光体（P）+弥散析出的碳化物（K） 强化的主要作用是细化组织和相间沉淀析出。,6. 微合金化非调质钢,26,晶内析出F型非调质钢，是近年来新开发的一种高强高韧性非调质钢。针对一般非调质钢的韧性偏低，采用适当增加S含量（w(S)约0.06%），可使A晶粒细化，在1200高温下，晶粒度可达5级，韧性提高。而当细小MnS和TiN同时存在时，其复合效应可使A晶粒在1200以上仍维持6级。其原因在于，一方面MnS和TiN在高温下溶解度小，可有效阻止晶粒长大；另一方面在钢冷却过程中，MnS粒子上有VN、TiN析出，并以此作为F的形核核心，促进了晶内F（Inter-granular Ferrite，I

16、GF）的形成，有效细化晶粒，由此发展了高强高韧新型F-P非调质钢。IGF钢中的先共析F大量、细小地在A晶粒内部析出，起到分割原A晶粒，细化组织的有效作用，从而显著改善钢的强韧性。,6. 微合金化非调质钢,27,5.3.3 Case hardening steels 表面硬化钢,1. 概述 此类钢适于制造通过某种热处理工艺使零件表面坚硬耐磨而心部韧性适当的零件，由于表层具有较高的残余压应力而使其疲劳性能显著提高。欲达表硬内韧效果，有以下三种选择： （1）承受剧烈冲击、接触应力较大且要求耐磨的零件，宜采用低碳钢渗碳淬火工艺； （2）圆柱形或形状较简单零件，采用中碳钢的高频（或中频）感应加热表面淬火

17、工艺； （3）机床主轴、丝杠和发动机曲轴等要求尺寸精确的零件，一般采用渗氮处理工艺，加热温度低，热处理变形小。 此外，激光表面热处理等新工艺也逐步被采用。,28,2. 渗碳钢,（1）工作条件、常见失效形式与性能要求 此类钢主要用于在承受较强烈摩擦磨损和较大冲击载荷条件下工作的机械零件，如汽车、拖拉机上的变速齿轮，内燃机上的凸轮、活塞销等。此类零件常见的失效形式主要有工作表面承受较大的接触疲劳载荷而引起的局部破坏（俗称麻点剥落），承载较重而引起的工作表面过度磨损，或是由于工作时承受的冲击载荷过大而导致的断裂等。因此，这类零件工作时要求其表面硬而耐磨，而零件心部则要求有较高的韧性和强度以承受较大冲

18、击载荷作用，即“表硬内韧”是其主要性能要求。,29,2. 渗碳钢,（2）化学成分特点 低碳(Wc=0.10.25%)：实际为渗碳件心部的含碳量，这对保证工件心部有足够塑、韧性是十分必要的。若碳含量过低，表面的渗碳层易于剥落;碳含量过高，则心部塑、韧性下降，并使表层的压应力减少，从而降低弯曲疲劳强度。 合金化原则：其主加元素为Cr、Mn、Ni、Si、B等，提高心部淬透性和强化F; 辅加元素W、Mo、V、Ti等，用以细化晶粒、进一步提高心部淬透性。,30,2. 渗碳钢,（3）热处理特点 预先热处理一般为正火 ； 最终热处理一般为渗碳后进行淬火及低温回火，以获得高硬度、高耐磨性的表层及强而韧的心部。

19、,图5- 渗碳后常用热处理工艺 1直接淬火法；2一次淬火法；3二次淬火法,31,（4）渗碳钢经最终热处理后的组织特征,经最终热处理后的组织应为: 表层由回火M加粒状合金K及少量残余A组成； 心部由低碳回火M及少量F(淬透时)或F加M(未淬透时)组成。,32,（5）常用渗碳钢,低淬透性(低强度)渗碳钢(D0水2035mm，WMe2%,b800MPa） 常用钢种有20(U20202)、20Cr(A20202)等，其淬透性低，只适用于受力不大、对心部强度要求不高的小型、耐磨渗碳件，如套筒、活塞销等。 中淬透性(中强度)渗碳钢(D0油2560mm，WMe=25%，b=8001200MPa) 常用钢种有

20、20CrMnTi(A26202)等，这类钢的淬透性与心部强度均较高，可用于制造一般机器中较为重要的渗碳件，如汽车、拖拉机变速齿轮及活塞销等。因含有Ti或V等阻碍A晶粒长大的元素，所以渗碳时过热倾向较小，可在渗碳后预冷至860左右直接淬火、然后低温回火。 高淬透性(高强度)渗碳钢(D0油100mm，WMe，b1200MPa) 常用钢种有18Cr2Ni4WA(A52183)等。由于具有很高的淬透性、心部强度很高，因此这类钢可用于制造截面较大的重负荷渗碳件，如航空发动机变速齿轮、轴等。 某20CrMnTi钢制CA-10B载重汽车变速箱中间轴的三档齿轮的加工工艺路线如下:下料锻造正火加工齿形渗碳(93

21、0)、预冷淬火(830)+低温回火(200)磨齿。,33,20CrMnTi钢制汽车变速齿轮的热处理工艺曲线,（5）常用渗碳钢,34,表5-12 常用渗碳钢的牌号、成分、性能与用途,35,（6）新的进展,近年来，生产中采用渗碳钢直接淬火并低温回火，以获得低碳M组织，用以制造某些要求综合力学性能较高的零件，如传递动力的轴、重要的螺栓等。在某些场合下，它还可代替中碳钢的调质处理。,36,3. 渗氮钢简介,渗氮钢多为碳含量偏低的中碳铬钼铝钢（如35CrMo、42CrMo、38CrMoAlA钢等）。渗氮钢零件一般经过调质处理、切削加工和在500570之间的氮化处理过程。零件经渗氮处理后具有以下特点： （

22、1）不需再进行任何热处理即可得到非常高的表面硬度，因而耐磨性能优越，咬死和擦伤的倾向小； （2）有一定的耐热性，在低于渗氮温度下加热时可保持高硬度，改善抗腐蚀性能； （3）可提高钢件的疲劳强度，改善对缺口的敏感性。 （4）由于氮化处理温度较低，热处理变形小，因此特别适合于尺寸精度要求较高或最终热处理要求变形小的机械零件（如机床丝杆、镗杆，大马力内燃机曲轴等）。 应当说明的是，随着渗氮新工艺的发展，如氮碳共渗、离子氮化等工艺的采用，可通过氮化处理工艺改善性能的钢种逐渐增多，如中碳合金结构钢、铬钢、铬钼钢、铬钒钢、镍铬钼钢、铬锰钛钢、铬含量（质量分数）5%的模具钢H11和H13，F和M系列不锈钢，

23、A不锈钢和沉淀硬化不锈钢等。,37,5.3.4 弹簧钢 （Spring steels）,1. 工作条件、主要失效形式与性能要求 弹簧钢系指用于制造各种弹簧的钢种。弹簧的主要作用是吸收冲击能量，缓和机械的振动和冲击作用。,38,1. 工作条件、主要失效形式与性能要求,其主要的失效形式就是因弯曲或扭转疲劳载荷所导致的弹簧类零件疲劳断裂，以及由材料的弹性极限较低而引起弹簧的过量变形以致失去弹性等。 因此弹簧钢应具备以下性能: （1）高强度和高屈强比 以保证弹簧有足够高的弹性变形能力，并能承受大的载荷。 （2）高的疲劳强度 以保证弹簧在长期振动和交变应力作用下不产生疲劳破坏。 （3）一定的塑、韧性 为

24、满足成形需要和可能承受的冲击载荷，应有一定塑、韧性。 （4）此外，一些在高温或腐蚀条件下工作的弹簧，还应具有良好的耐热性或耐蚀性等。,39,2. 化学成分特点,（1）中高碳 目的是保证其较高的弹性极限与屈服强度。一般碳素弹簧钢的碳含量为06%09%，合金弹簧钢的碳含量为0.45%0.7%。 （2）合金化原则 加入Si、Mn、Cr等主加元素，主要目的是提高淬透性、强化F，亦可提高回火稳定性(其中以Si的作用最大)。 辅加元素W、V及Cr等较强K形成元素，起到细化晶粒作用,进一步提高淬透性，不易脱碳和过热，保证钢在较高使用温度下仍具较高的高温强度和韧性，同时还提高回火稳定性。 应注意，Si含量高时

25、有石墨化倾向、并在加热时使钢易于脱碳，Mn可增大钢的过热倾向。,40,3. 加工成型与热处理特点,（1）热成型弹簧 弹簧截面尺寸8mm的大型弹簧多用热轧钢丝或钢板、热态下成型，然后淬火及中温回火(350500)，经回火后的组织是回火托氏体（T回），硬度为4048HRC，具有较高的弹性极限和疲劳强度，同时又具一定塑、韧性。如60Si2Mn钢制汽车板簧的加工工艺路线为：扁钢剪断机械加工（倒角钻孔等）加热压弯淬火+中温回火喷丸。近年来，热成型弹簧也可采用等温淬火获得下贝氏体或形变热处理，对提高弹簧的性能和寿命也有较明显作用。 （2）冷成型弹簧 对直径或截面单边尺寸8mm的弹簧，常采用冷拔(轧)钢丝(

26、板)冷卷成型或先热处理强化、然后冷卷成型，这类弹簧钢丝按强化工艺可分为三种：铅浴等温冷拔钢丝、冷拔钢丝和油淬回火钢丝，最后进行去应力退火和稳定化处理(加热温度为250300，保温时间1h)以消除应力，稳定尺寸。其常见的加工工艺路线如下：缠绕弹簧去应力退火磨端面喷丸第二次去应力退火发蓝。,41,喷丸处理的功用,弹簧的表面质量对使用寿命影响很大，若弹簧表面有缺陷，易造成应力集中，从而降低疲劳强度，故常采用喷丸强化表面，使表面产生压应力，消除或减轻弹簧的表面缺陷，以便提高其强度及疲劳强度。,42,4. 常用弹簧钢 （如表5-13所示）,（1）Si-Mn类型弹簧钢 65Mn钢，其价格低廉，淬透性优于碳

27、素弹簧钢，可用以制造815mm的小型弹簧，如各种小尺寸的扁簧和座垫弹簧、弹簧发条等。60Si2Mn钢，由于同时加入Si与Mn，可用以制造厚度为1012mm的板簧和直径mm的螺旋弹簧，油淬即可淬透，常用于制造汽车、拖拉机和机车上的减震板簧和螺旋弹簧，还可用于制造温度230使用的弹簧。 （2）Cr-V类型弹簧钢 其典型钢种为50CrVA，它具有良好的综合力学性能，弹簧表面不易脱碳，但价格相对较高，一般用于工件截面尺寸较大的重要弹簧，它于300以下工作时弹性不减，内燃机的气阀弹簧就是用此钢制造。,43,表5-13 常用弹簧钢的牌号、热处理、性能与用途,44,5.3.5 滚动轴承钢,1. 工作条件、主

28、要失效形式与性能要求 主要用以制造滚动轴承内、外套圈和滚动体(滚珠、滚柱)的专用钢称为滚动轴承钢。滚动轴承是高速转动机械中不可缺少的重要零件之一。工作时套圈与滚动体之间呈点或线接触，接触面上承受极高的交变载荷，交变次数达数万次/min、甚至更高，所以主要承受接触疲劳破坏；其表面受到极高的局部压应力，且不仅受滚动摩擦，还有滑动摩擦。,滚动轴承常见的失效形式主要有因摩擦造成的过度磨损而丧失精度，或产生接触疲劳破坏而形成的麻点剥落。 根据工作条件和失效形式，要求滚动轴承钢应具有高的屈服强度和接触疲劳强度，高而均匀的硬度和耐磨性，足够的韧性和淬透性，在大气和润滑介质中还应有一定的抗蚀能力。同时应注意对

29、而且钢中非金属夹杂物，组织均匀性，K的形状、大小和分布，以及脱碳程度等都有严格的要求，否则就会显著缩短滚动轴承工件的使用寿命。,45,2. 化学成分特点,（1）高碳 滚动轴承钢中Wc为0.951.15%，高的碳含量以保证钢有高的硬度及耐磨性。因决定钢硬度的主要因素是马氏体中的碳含量，只有含碳量足够高时，才能保证马氏体的高硬度；此外，碳还要形成一部分高硬度的K，进一步提高钢的硬度和耐磨性。 （2）合金化原则 主加元素为Cr(0.4%1.65%)，所起作用:一方面可提高淬透性，另一方面还可形成合金渗碳体，使钢中K非常细小、均匀，从而大大提高钢的耐磨性和接触疲劳强度，另外Cr还可提高钢的耐蚀性。 S

30、i、Mn、Mo等元素，常用于制造大型轴承时进一步提高钢的淬透性和强度，Si还可显著提高钢的回火稳定性。对无Cr轴承钢还应加入V元素，形成VC以保证耐磨性并细化钢基体晶粒。,46,3. 冶金质量,（1）钢的纯净度 研究表明，滚动轴承的接触疲劳寿命与钢中非金属夹杂物类型有很大关系。点状夹杂物（主要为含钙镁的铝酸盐）和脆性夹杂物（主要是氧化铝、尖晶石类氧化物及氮化物）在钢中存在时，由于它们和基体交界处的弹塑性变形不协调，引起应力集中，故在夹杂物边缘处最易产生微裂纹，从而降低接触疲劳寿命。 （2）钢的组织均匀性 为了提高滚动轴承钢的力学性能，要求其淬火前的组织状态为均匀细小的球化体（即均匀细小的粒状P

31、）。为此，必须认真改善钢中K的不均匀性。不仅要严格控制轴承钢的球化退火工艺，还要严格控制退火前的原始组织。,47,4. 热处理特点,（1）预先热处理 采用正火+球化退火。正火的主要作用是消除网状K，以利于球化退火进行。若无连续网状K，可不进行正火。 球化退火的目的有二:一是为获得球化体组织，降低钢的硬度，以利于切削加工;二是为最终热处理作好组织准备。 （2）最终热处理 采用淬火+低温回火，显微组织为M回+K+Ar，其硬度为6165HRC。由于低温回火不能彻底消除内应力及Ar，在长期使用中会发生应力松弛和组织转变，引起尺寸变化，所以在生产精密轴承时，在淬火后应立即进行一次冷处理（-60-80），

32、并分别在低温回火和磨削加工后再进行120130保温510h的低温时效处理，以进一步减少残余奥氏体和消除内应力，保证尺寸稳定。 一般滚动轴承的加工工艺路线为： 轧制或锻造球化退火机加工淬火低温回火磨削成品。,48,5. 常用滚动轴承钢（如下页表所示）,（1）含铬轴承钢 即高碳低铬钢，如GCr9、GCr15(B00150)等。其中以GCr15钢应用最广。对于尺寸较大的轴承(如铁路轴承)可采用铬锰硅钢，如GCr15SiMn(B01150)钢等。 （2）无铬轴承钢 如GMnMoVRE、GSiMoMnV，其性能和用途与GCr15相同，可以节约我国短缺元素Cr。,49,常用滚动轴承钢的牌号、成分、热处理及

33、用途,50,6. 其它类型的滚动轴承钢,（1）渗碳轴承钢 它主要用于制作大型轧机、发电机及矿山机械上的大型（外径大于450mm）轴承。这些轴承的尺寸很大，在极高的接触应力下工作，频繁地经受冲击和磨损，因此对大型轴承除应有对一般轴承的要求外，还要求心部有足够的韧性和高的抗压强度及硬度，所以选用低碳的合金渗碳钢（如G20CrMo、G20CrNiMo、G20Cr2Mn2Mo等）来制造。经渗碳淬火和低温回火后，表层坚硬耐磨，心部保持高的强韧性，同时表面处于压应力状态，对提高疲劳寿命有利。 （2）不锈轴承钢 它是适应现代化学、石油、造船等工业发展而研制的。在各种腐蚀环境中工作的轴承必须有高的耐蚀性能，一

34、般含铬量的轴承钢已不能胜任，因此发展了高碳高铬不锈轴承钢。铬是此类钢的主要合金元素，如9Cr18、9Cr18Mo等。 （3）高温轴承钢 航空发动机、航天飞行器、燃气轮机等装置中的轴承是在高温高速和高负荷条件下工作的，其工作温度在300以上。GCr15钢的最高工作温度不超过180，含Si、Mo、V、Al的低合金轴承钢的工作温度也只能在250以下，如果温度再升高，则会导致硬度急剧下降而失效。因此在较高温度下工作的轴承，应采用具有足够高的高温硬度、高温耐磨性、高温接触疲劳强度及高的抗氧化性等性能轴承钢。 目前高温轴承钢有两类：一类是高速钢类轴承钢。用高速钢W18Cr4V和W6Mo5Cr4V2制作的轴

35、承可以在430长期工作，此时的高温硬度大于57HRC。Cr4Mo4V是性能较好的高温轴承钢，其热处理工艺与性能具有高速钢的特点。因含合金元素少，其高温硬度不如高速钢，但加工性能优于高速钢。Cr4Mo4V主要用于航空发动机，可以在315长期工作（此时高温硬度大于57HRC），短时可用到430（高温硬度大于54HRC）。另一类是高铬M不锈钢。Cr14Mo4V是在9Cr18Mo的基础上升Mo降Cr并加入少量V而形成，提高了钢的高温性能，钢的高温硬度较高，耐蚀性良好，因V量较少（wV=0.15%），其耐磨性比 Cr4Mo4V稍差，但加工性能更好。Cr14Mo4V适于制作承受中、低负荷，在300下长期工

36、作的轴承。,51,【例题5-1】 对比分析GCr15和20CrMnTi中各合金元素的作用，并说明20CrMnTi钢的热处理特点。,（1）分析 GCr15与20CrMnTi钢二者均为合金结构钢，所以合金元素Cr的作用为提高淬透性、强化铁素体，Mn的作用与Cr相同，而Ti的作用为细化晶粒、提高回火稳定性； 而从另一方面看，GCr15钢系专用结构钢，虽然按其主要用途划归为结构钢，但就其主要性能要求而言应视为低合金刃具钢，故其合金元素Cr的作用又表现为提高耐磨性、细化晶粒。 20CrMnTi钢系渗碳钢，其预先热处理工艺为正火，主要作用为提高硬度、改善切削加工性，又可起到细化晶粒、均匀组织的作用；其最终

37、热处理工艺为渗碳+淬火+低温回火，主要作用为使表面层具有高硬度、高耐磨性，而又使工件心部具有良好的塑、韧性。,52,【例题5-1】 对比分析GCr15和20CrMnTi中各合金元素的作用，并说明20CrMnTi钢的热处理特点。,（2）解答 GCr15钢是滚动轴承钢，合金元素Cr的作用有二：一是提高淬透性、强化铁素体，以保证钢具有一定的强度；二是有效地提高耐磨性、细化晶粒。 20CrMnTi钢系渗碳钢，合金元素Cr、 Mn的作用是提高淬透性、产生固溶强化以保证钢具有一定的强度，而合金元素Ti的作用则是阻止渗碳时奥氏体晶粒的长大、所形成的碳化物有一定的强化作用。其热处理工艺为：先正火，然后进行渗碳

38、处理，随后直接经预冷后淬火、低温回火。 （3）归纳与引申 合金钢中合金元素的作用是学习中的难点，这就要求我们在理解、记忆合金元素在不同种类钢中的作用时，既要掌握其一般规律，又要认识其特殊性。例如本题中GCr15钢中Cr元素的作用就是如此，从提高淬透性来看完全符合结构钢中主加元素的作用；而从提高耐磨性来看又完全符合工具钢中主加元素的作用，这是由其特殊性所决定的。 （4）请思考 举例说明GCr15钢除制作滚动轴承外，还可用在何种用途？,53,5.3.6 易削钢,1. 工作条件与性能要求 易切削钢的好坏代表材料被切削加工的难易程度，由于材料的切削过程比较复杂，易切削性用单一的参量是难于表达的。通常，

39、钢的切削加工性，是以刀具寿命、切削力大小、加工表面的粗糙度、切削热以及切屑排除难易等来综合衡量。 2. 化学成分特点 （1）S的作用 在钢中与Mn和Fe形成(Mn,Fe)S夹杂物，它能中断基体的连续性，使切削易于脆断，减少切屑与刀具的接触面积。S还能起减摩作用，使切屑不易粘附在刀刃上。但S的存在使钢产生热脆，所以S含量一般限定在008%030%范围内，并适当提高含Mn量与其配合。 （2）Pb的作用 其用量通常在010%035%范围，可改善钢的切削性能。Pb在钢中基本不溶而形成细小颗粒(23m)均匀分布在基体中。在切削过程中所产生的热量达到Pb颗粒的熔点时，它即呈熔化状态，在刀具与切屑以及刀具与

40、钢材被加工面之间产生润滑作用，使摩擦系数降低，刀具温度下降，磨损减少。 （3）Ca的作用 其加入量通常在0001%0005%范围内，能形成高熔点(约13001600)的Ca-Si-Al的复合氧化物(钙铝硅酸盐)附在刀具上，形成薄而具减摩作用的保护膜，防止刀具磨损。 （4）P的作用 其加入量为005%010%，能形成Fe-P化合物，性能硬而脆，有利于切屑折断，但有冷脆倾向。,54,3. 常用易切削钢,易切削钢钢号是以汉字“易”或拼音字母字头“Y”为首，其后的表示法同一般工业用钢。自动机床加工的零件，大多数用低碳碳素易切削钢。 例如，Y40CrSCa表示附加S、Ca复合的易切削40Cr调质钢，它广泛用于各种高速切削自动机床;Tl0Pb表示含碳量为10%的附加易切削元素Pb的易切削碳素工具钢，它常用于精密仪表行业中，如制作手表、照相机的齿轮轴等。,55,主要结构钢一览表,56,典 型 钢 号,1. 工程结构用钢（Q235, Q345） 2. 调质钢（45，40Cr） 3. 表面硬化钢（20， 20CrMnTi, 38CrMoAlA） 4. 弹簧钢（ 60Si2Mn, 50CrVA ） 4. 滚动轴承钢（GCr15） 6. 易切削钢（ Y40CrSCa ）,