热处理机器零件用钢

1、第五章 机器零件用钢13.1.1 机器零件用结构钢的特点与合金化表3.1 典型机器零件的服役条件、失效方式、选材原则 机器零件用钢的主要性能要求：良好的冷热加工工艺性良好的力学性能 合金化特点：亚共析成分，合金元素总量一般小于5%，少数在5%10%主加元素：Cr、Mn、Si、Ni，提高淬透性、力学性能辅加元素：Mo、W、V、B，降低过热敏感性，消除回火脆性极限合金化理论：合金元素加入量有一定限制 (教材P140)3.1 概 述23.1.2 机器零件用结构钢的强度和脆性强度设计：弹性设计，塑性设计弹性设计:根据弹性来设计，由比例极限来计算。塑性设计:根据屈服强度来计算，允许少量塑性变形。韧度设计

2、：冲击韧度，韧脆转变温度，断裂韧度机器零件的服役条件和失效方式不同 主要的失效判据也不同 不同的碳含量和热处理工艺 表3.2 结构钢碳含量和热处理工艺的选择3工作条件：受拉、压、扭等交变应力，整体受力失效形式：疲劳破坏，指标为疲劳强度、抗拉强度、冲击、断裂韧度要求：良好的综合力学性能用途：制造轴、杆、轴承类零件类型：调质钢, 弹簧钢，轴承钢，低碳马氏体钢，超高强度钢等。3.2 整体强化态钢3.2.1 调质钢调质处理（淬火+高温回火）后使用，良好的综合力学性能，在机械零件中用量最大，不限于高温回火，还包含正火，等温淬火，低温回火等。淬透性原则：淬透性相同的同类调质钢，可以互相代用。屈服强度、塑性

3、等室温力学性能相近。但要考虑不同的韧度。4要求足够的淬透性碳：0.25%0.45%，强化作用，但降低韧度合金元素：提高淬透性、回火稳定性、改善韧性Cr：提高淬透性、回火稳定性，但有回火脆性倾向；Mn：提高淬透性，易使钢有过热倾向、回火脆性；Mo：提高淬透性、回火稳定性，细化晶粒，降低回火脆性；V：细化晶粒，提高淬透性，降低过热敏感性；Si、B：提高淬透性；Ni：提高基体韧度，Ni-Cr提高淬透性，有回火脆性倾向；5整体强化态钢3.2.1 调质钢常用调质钢低淬透性钢：45,40Cr,40Mn2,40MnB,42SiMn,35CrMo,42Mn2V中淬透性钢：40CrNi,42CrMn,40CrM

4、n,30CrMnSi高淬透性钢：40CrNiMo,37CrNi3,40CrMnMo调质钢强韧化工艺的发展复合热处理：热处理强化、表面处理、形变强化6整体强化态钢 3.2.2 微合金非调质钢不进行调质处理，而通过锻造时控制终锻温度及锻后冷却速度获得高强韧性成分：中碳+微量Ti、Nb、V、N。 Nb-V-N或Ti-V复合加入组织：F+P+弥散碳化物强化机制：细晶强化(Nb、Ti为主)，沉淀强化(V为主)。强韧化工艺：控制工艺参数来保证细化组织和沉淀强化。 较低的终轧（锻）温度利于形变诱发弥散质点、细化晶粒，加工后（800-500）快冷细化晶粒、阻止析出物长大。常用钢号：表3.4低碳贝氏体型非调质钢

5、：降碳、增Cr和Mn、添加Ti和B，提高下贝氏体含量。表3.7马氏体型非调质钢：Ti,Nb细化组织，Ms200 ，从锻造温度淬火并产生自回火获得板条马氏体+细小碳化物组织。7整体强化态钢 3.2.3 弹簧钢弹簧类型：板簧、螺旋弹簧及其他弹性元件服役条件：冲击、振动或周期性动负荷失效形式：疲劳破坏，弹性衰退(发生塑性变形、弹性模量降低）要求：高的弹性极限，弹性减退抗力好，较高的屈强比，高的疲劳强度，足够塑性和韧度。足够淬透性，良好冶金质量、组织均匀性，良好的表面质量。常用弹簧钢：按成分： 碳素弹簧钢：0.60%1.05%C 低合金弹簧钢：0.40%0.74%C + Si, Mn, Cr(1%)，

6、V等。 硅锰弹簧钢: 55Si2Mn, 60Si2Mn, 55SiMnVB， 铬合金弹簧钢: 50CrV, 60Si2CrV按制造特点： 热成形弹簧钢：热成形+热处理强化， 用于大型或复杂的弹簧 冷成形弹簧钢：冷变形和热处理强化+冷成形， 制造小型弹簧8整体强化态钢 3.2.3 弹簧钢强化工艺： 淬火（830870 ）+中温回火（420520 ） ，组织：回火屈氏体：T回形变热处理，喷丸、渗氮9整体强化态钢 3.2.4 滚动轴承钢工作特点：高负荷，交变应力失效形式：接触疲劳破坏，磨损性能要求：高而均匀的硬度和耐磨性（足够的淬透性和淬硬性）；高的接触疲劳强度；高的弹性极限和一定的韧度，避免永久变

7、形；尺寸稳定性好，保证工作精度；一定的耐蚀性；良好的冷、热加工工艺性。常用轴承钢：高碳铬轴承钢(B0 xxxx)：GCr15，GCr15SiMn，碳0.95%1.10%渗碳轴承钢(B1xxxx) ：G20CrNiMo, G10CrNi3Mo不锈轴承钢(B2xxxx) ：9Cr18, 4Cr13, 7Cr17高温轴承钢(B2xxxx) ：Cr4Mo4V10整体强化态钢 3.2.4 滚动轴承钢强韧化措施：高的冶金质量：减少杂质元素及非金属夹杂物（氧化物，硫化物，硅酸盐）；组织均匀：碳化物细小、分布均匀（消除碳化物液析、带状碳化物、网状碳化物）热处理（高碳铬轴承钢）：锻（轧）+780810球化退火+

8、机加工+830860 油淬+（-70-80 冷处理）+160 回火3h以上+磨削+消应力回火（120150 ） 组织：M回+弥散碳化物11整体强化态钢 3.2.5 低碳马氏体钢低碳钢或低合金钢 经淬火+低温回火 获得低碳马氏体组织，实现强度、韧度、塑性的最佳配合性能特点：高强度，良好的塑性、韧度，低的缺口敏感性，冷脆性小，冷变形能力良好，焊接性能优良，热处理脱碳倾向小，淬火变形和开裂倾向小。成分：保证淬透性，提高低温回火抗力，降低Ms点1碳0.15%0.25%，固溶强化2提高淬透性：Cr, Si, Mn3改善韧性、降低韧脆转变温度：Mn,Cr,Mo,Ni4提高回火稳定性： Cr, Mo, Si

9、, V工艺特点：高温加热、长时间保温、高速冷却常用钢号：20Cr，15MnVB，20SiMn2MoV12整体强化态钢 3.2.6 超高强度钢应用：飞机、航空航天器结构、武器、高压容器等类型：低合金超高强度钢：以调质钢为基础 成分： C 0.27%0.45%，Me 5%(Cr,Mn,Si,Ni,Mo,V) 淬火+回火 300320 （或等温淬火）， 组织：M回或(B下+M)钢号：40CrNiMo, 300M(40Si2Ni2CrMoVA), 30CrMnSiNi2缺点：缺口敏感性大；脱碳倾向；热处理变形大；焊接性差二次硬化型超高强度钢：由热变形模具钢(H11,H13)发展。高温回火弥散析出特殊碳

10、化物，二次硬化，较高中温强度(400500 )钢号：4Cr5MoVSi(H11), 4Cr5MoV1Si(H13),20Ni9Co4CrMo1V，16Ni10Co14Cr2Mo等马氏体时效钢：超低碳Fe-Ni合金，C0.03%,Ni18%,Co,Ti,Al,Mo热处理：820 固溶处理，空冷，480 时效36h析出金属间化合物强韧化机理：固溶强化，第二相强化，位错强化超高强度不锈钢：高的抗拉强度，良好耐腐蚀性类型：马氏体沉淀硬化不锈钢，半奥氏体沉淀硬化不锈钢，马氏体时效硬化不锈钢133.3 表面强化态钢表面强化态钢：经表面强化，使表面硬度高、耐磨性好，心部强韧性配合良好，用于齿轮、凸轮等在滑动

11、、滚动、接触应力、磨损等工况下工作的零件。表面强化措施：渗碳、渗氮、渗硼，感应加热淬火、火焰淬火、激光表面热处理。类型：渗碳钢，渗氮钢，感应加热淬火钢14表面强化态钢3.3.1 合金渗碳钢合金化：C0.12%0.25%， Mn、Cr、Ni提高淬透性，Ti、V、W、Mo细化晶粒渗碳层性能：表层含碳量，表层浓度梯度，渗碳层深度表层C0.80%1.05%，浓度梯度平缓过渡，深度大于最大切应力深度 合金元素的影响见表3.15常用渗碳钢低淬透性钢：20Cr,20CrV， 用于受力较轻的小型耐磨件中淬透性钢：20CrMnTi，20Mn2TiB等，小于300mm的零件高淬透性钢：18Cr2Ni4WA，20C

12、r2Ni4A，用于大件、重要件热处理：930 渗碳+淬火（直接淬火、一次淬火、二次淬火）+回火15表面强化态钢3.3.2 氮化钢工作条件及要求：无冲击，磨损较小，要求精度高。成分：中碳铬钼铝钢，氮化元素：Al，Nb，V，Cr，Mo，W,性能特点：不需热处理，高的表面硬度，耐磨性好，疲劳强度、抗缺口敏感性好，抗水、油腐蚀，一定耐热性工艺：调质处理(得S回)+500565 渗氮（表层形成、相、氮化物）+精磨或研磨钢号：38CrMoAl，35CrMo, 40CrV，40Cr表面强化原因： 形成、相、氮化物，表面残余压应力16表面强化态钢3.3.3 低淬透性钢感应加热表面淬火优点：表面成分不变，表硬心

13、韧；局部加热，淬火变形小；加热速度快，消除脱碳、氧化现象；表面残余压应力应用：轻负荷工件，需局部淬硬的轴类零件类型：中碳低淬透性调质钢，低淬透性钢低淬透性钢：淬透性低于一般碳素钢，降低Mn、Si、Ni、Cr，采用Ti合金化55Ti，60Ti，70Ti17耐磨钢3.4.1 钢的耐磨性及其影响因素磨损机理：磨粒磨损，黏着磨损，冲蚀磨损，腐蚀磨损，接触疲劳磨损影响耐磨性因素：磨损工况，摩擦副材质（化学成分,组织,性能）磨粒磨损影响因素：基体组织：F球状P片状PMB顺序耐磨性递增含碳量增加，耐磨性增加Cr,Mo,W,V,Ti形成碳化物，提高耐磨性硬度增加，耐磨性增加表层夹杂、空洞、微裂纹、锻造夹层、热

14、加工缺陷降低耐磨性18耐磨钢3.4.2 高锰铸钢化学成分：高碳、高锰，C0.9%1.4%，Mn10%14%, Mn/C0.9, Cr、Mo、Ni、Ti、V、RE合金化常用钢号：ZGMn13-1，ZGMn13Cr2，ZGMn13Mo, ZGMn13RE铸态组织：A+P+M+碳化物，水韧处理后：单相A热处理：水韧处理（固溶处理），10501100 加热，水冷，250350 以下温度使用。耐磨性：大冲击载荷、强烈磨损工况下，表面冷作硬化，A中产生大量层错，形成孪晶、马氏体、马氏体，表面硬度提高至500HB。19耐磨钢3.4.3 低合金耐磨钢及石墨钢低合金耐磨钢：Cr、Mo、Si、Mn、RE合金化，

15、42SiMn，41Mn2SiRE，65SiMnRE等石墨钢：高碳铸钢，耐磨性好、缺口敏感性低、热处理变形小、尺寸稳定、易于切削加工SiMnMo钢：1.40%1.50%C, 1.00%1.30%Mn, 0.90%1.20%Si, 0.30%0.50%Mo203.5 零件材料选择基本原则与思路基本原则满足材料的使用性能要求：对零件服役条件、失效形式进行分析考虑材料的工艺性能考虑经济性：零件寿命、重量、加工费用、研究费用、材料价格其他因素：零件外形和尺寸，生产批量，材料环境协调性，资源问题选择材料的基本思路及方法机械零件加工工艺路线(1)性能要求不高的零件：铸铁，碳钢毛坯（铸造、塑性加工）正火(退火

16、)机加工成形(2)性能要求较高的零件：合金钢毛坯预先热处理(正火、退火) 粗加工最终热处理精加工(3)要求高的精密零件 （淬火回火或渗碳淬火）毛坯预先热处理(正火、退火) 粗加工热处理（调质等）半精加工氮化精加工去应力退火零件213.5 零件材料选择基本原则与思路选择材料的基本思路及方法机械零件加工工艺路线选择材料的基本思路与方法：表3.211.分析零件工作条件、尺寸形状和应力状态；2.通过试验或分析，找出实际工作时零件的主要、次要失效抗力指标形式，作为选材的基本依据；3.根据力学性能选择材料，主要是碳含量，其次是淬透性（具体合金）；4.综合考虑钢种是否能满足失效抗力指标；5.综合考虑钢种是否能满足工艺性能要求和组织要求注意：1.合理引用手册的力学性能指标；2.尽量简化加工工艺；3.综合考虑成本；4.保证材料的淬透性。22典型零件材料选择与工艺分析(1)齿轮类零件 失效：疲劳断裂，表面损伤，过载断裂机床