机械制造结构钢.ppt

《机械制造结构钢.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《机械制造结构钢.ppt（125页珍藏版）》请在得力文库 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、Chapter 3 机械制造结构钢机械制造结构钢 主主 要要 内内 容容调质钢弹簧钢滚动轴承钢渗碳钢氮化钢马氏体结构钢特殊用途钢基本要求：l了解各类钢的服役条件、对钢的基本性能要了解各类钢的服役条件、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掌握常用调质钢、弹簧钢、渗碳钢、滚动轴掌握常用调质钢、弹簧钢、渗碳钢、滚动轴承钢等的典型牌号。承钢等的典型牌号。重点与难点：l各类钢的化学成分特点、合金元素的作用、各类钢的化学成分特点、合金元素的作用、强韧化机制及热处理特点。强韧化机制及热处理特点。教学要求教学要求Chapter 3 机械制造结构钢机械制造结构钢 一、应

2、用背景 机械制造结构钢机械制造结构钢也称也称机器零件用钢机器零件用钢，是在优，是在优质碳素结构钢的基础上发展起来的，用于制质碳素结构钢的基础上发展起来的，用于制造各种机械零件所用的钢种，故此得名。造各种机械零件所用的钢种，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 机械制造结构钢机械制造结构钢拨叉拨叉变速齿轮变速齿轮变速箱变速箱3.0

3、引言引言Chapter 3 机械制造结构钢机械制造结构钢齿轮齿轮曲轴曲轴汽车万向节汽车万向节连杆连杆3.0 引言引言Chapter 3 机械制造结构钢机械制造结构钢弹簧弹簧拉力弹簧拉力弹簧离合器弹簧离合器弹簧蝶形弹簧蝶形弹簧3.0 引言引言板弹簧板弹簧Chapter 3 机械制造结构钢机械制造结构钢滚珠滚珠滚珠轴承滚珠轴承3.0 引言引言Chapter 3 机械制造结构钢机械制造结构钢履带履带铁轨分道叉铁轨分道叉破碎机颚板破碎机颚板挖掘机斗齿挖掘机斗齿3.0 引言引言Chapter 3 机械制造结构钢机械制造结构钢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

4、、机械制造结构钢的服役条件 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。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Cha

5、pter 3 机械制造结构钢机械制造结构钢 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 机械制造结构钢机械制造结构钢对钢材的其它工艺性能（如冶炼性能、浇对钢材的其它

6、工艺性能（如冶炼性能、浇注性能、可锻性能等）也有要求，但一般注性能、可锻性能等）也有要求，但一般问题不大。问题不大。机器零件用钢通常机器零件用钢通常以力学性能为主，工艺以力学性能为主，工艺性能为辅性能为辅。3.0 引言引言Chapter 3 机械制造结构钢机械制造结构钢3.1 调质钢结构钢在淬火高温回火后具有良好的综合结构钢在淬火高温回火后具有良好的综合机械性能，有较高的强度，良好的塑性和机械性能，有较高的强度，良好的塑性和韧性。适用于这种热处理的钢种称为调质韧性。适用于这种热处理的钢种称为调质钢。钢。Chapter 3 机械制造结构钢机械制造结构钢一、调质钢的化学成分特点一、调质钢的化学成分

7、特点 1.1.碳碳中碳中碳，碳含量一般在，碳含量一般在0.3%0.5%；钢中的碳保证有足够多的碳化物体积分钢中的碳保证有足够多的碳化物体积分数以获得高的强度。数以获得高的强度。碳含量过低时，淬硬性不够碳含量过低时，淬硬性不够；碳含量过碳含量过高则韧性下降高则韧性下降。3.1 调质钢调质钢Chapter 3 机械制造结构钢机械制造结构钢2.合金元素合金元素 主加合金元素：主加合金元素：主加合金元素：主加合金元素：CrCr、MnMn、SiSi、NiNi；辅辅加加加加合金元素：合金元素：合金元素：合金元素：MoMo、WW、V V、TiTi、AlAl、B B等。等。等。等。重要的调质钢，一般都含有多种

8、合金元素。重要的调质钢，一般都含有多种合金元素。重要的调质钢，一般都含有多种合金元素。重要的调质钢，一般都含有多种合金元素。合金元素合金元素SiMnCrNi含量范围含量范围(wt%)0.6-1.40.8-1.80.8-1.71.0-4.5合金元素MoVWTiAlB含量范围(wt%).0.1-0.50.05-0.20.6-1.20.05-0.10.5-1.20.004Chapter 3 机械制造结构钢机械制造结构钢3.1 调质钢调质钢合金元素的作用：合金元素的作用：提高淬透性；提高淬透性；Cr、Mn、Si、Ni溶于溶于相，起固溶相，起固溶强化作化作用。用。Cr、Mo、W、V等阻碍等阻碍相的再结晶

9、，也可相的再结晶，也可阻碍碳化物在高温回火时的聚集长大，使阻碍碳化物在高温回火时的聚集长大，使钢保持高硬度。钢保持高硬度。加入加入Mo、W来防止回火脆性。来防止回火脆性。V、Ti、Al起细化晶粒的作用。起细化晶粒的作用。Chapter 3 机械制造结构钢机械制造结构钢3.1 调质钢调质钢二、对调质钢的淬透性要求调质零件上马氏体层的厚度应根据零件在工作时经调质零件上马氏体层的厚度应根据零件在工作时经受应力的类型及大小来确定，并据此来确定对淬透受应力的类型及大小来确定，并据此来确定对淬透性的要求。性的要求。例如：某些轴类零件，它们承受弯曲力，表面受到例如：某些轴类零件，它们承受弯曲力，表面受到最大

10、的张应力，随着离表面的距离增大，应力逐渐最大的张应力，随着离表面的距离增大，应力逐渐减低，所以只要求在淬火轴的减低，所以只要求在淬火轴的1/2半径处达到半径处达到80马氏体即可。马氏体即可。例如：某些重要的销钉或螺栓，在工作时，整个截例如：某些重要的销钉或螺栓，在工作时，整个截面上受到大的剪切力或拉力，因此要求零件在整个面上受到大的剪切力或拉力，因此要求零件在整个截面上淬成马氏体。截面上淬成马氏体。需要根据淬透性曲线来选择钢种。需要根据淬透性曲线来选择钢种。Chapter 3 机械制造结构钢机械制造结构钢3.1 调质钢调质钢三、调质钢的热处理特点三、调质钢的热处理特点 1 预备热处理预备热处理

11、 为了便于切削加工和改善钢件因热加工不为了便于切削加工和改善钢件因热加工不当而造成的粗晶组织和带状组织，需要进当而造成的粗晶组织和带状组织，需要进行预备热处理。行预备热处理。合金含量较少的钢在轧制和锻造后的组织合金含量较少的钢在轧制和锻造后的组织多半是珠光体，对此类钢一般采用在多半是珠光体，对此类钢一般采用在AC3线线以上加热进行正火。以上加热进行正火。3.1 调质钢调质钢Chapter 3 机械制造结构钢机械制造结构钢合金含量较多的钢在轧制和锻造后的组织合金含量较多的钢在轧制和锻造后的组织多为马氏体组织，对此类钢一般采用在多为马氏体组织，对此类钢一般采用在AC3线以上加热进行正火，随后再进行

12、一次高线以上加热进行正火，随后再进行一次高温回火，使马氏体型钢的强度由温回火，使马氏体型钢的强度由HB380550降至降至HB207240，可以顺利地进行切，可以顺利地进行切削加工。削加工。2 最终热处理最终热处理（1）淬火）淬火将钢件加热至将钢件加热至AC3线以上进行淬火，淬火温线以上进行淬火，淬火温度由钢的成分来决定，淬火介质根据钢件度由钢的成分来决定，淬火介质根据钢件尺寸大小和钢的淬透性加以选择。尺寸大小和钢的淬透性加以选择。Chapter 3 机械制造结构钢机械制造结构钢3.1 调质钢调质钢（2）回火）回火 根据所要求的性能来决定回火温度，回火是使调根据所要求的性能来决定回火温度，回火

13、是使调质钢的性能定型化的重要工序。高温回火时应考质钢的性能定型化的重要工序。高温回火时应考虑钢材的回火脆性问题。虑钢材的回火脆性问题。（3）表面处理）表面处理 某些零件除了要求较高的强、韧、塑性配合以外，某些零件除了要求较高的强、韧、塑性配合以外，往往还要求往往还要求某些部位（如轴类零件的轴颈或花键某些部位（如轴类零件的轴颈或花键部分）部分）有良好的耐磨性。为此，经调质处理后，有良好的耐磨性。为此，经调质处理后，在局部部位进行高频感应表面淬火。在局部部位进行高频感应表面淬火。3.1 调质钢调质钢Chapter 3 机械制造结构钢机械制造结构钢四、调质钢的合金元素与机械性能 1 1 调质钢的硬度

14、调质钢的硬度 回火索氏体的硬度取决于铁素体的硬度和碳化物回火索氏体的硬度取决于铁素体的硬度和碳化物的弥散强化作用，并可用下式表示：的弥散强化作用，并可用下式表示：H=HH=HF F+SS 式中：式中：H H为钢高温回火后的硬度；为钢高温回火后的硬度；H HF F为铁素体的硬度；为铁素体的硬度；为碳化物的强化系数；为碳化物的强化系数；S S为碳化物颗粒的总表面积。为碳化物颗粒的总表面积。上式说明：铁素体的晶粒大小，合金元素在铁素体上式说明：铁素体的晶粒大小，合金元素在铁素体中的固溶程度，碳化物的数量和碳化物的弥散程中的固溶程度，碳化物的数量和碳化物的弥散程度与调质钢的硬度有着密切的关系。度与调质

15、钢的硬度有着密切的关系。Chapter 3 机械制造结构钢机械制造结构钢3.1 调质钢调质钢2 回火温度与调质钢综合机械性能的关系回火温度与调质钢综合机械性能的关系 当调质钢淬火成马氏体，在450650温度范围内回火时，随着回火温度的升高，硬度、抗拉强度，屈服强度等不断降低，而延伸率、断面收缩率及冲击韧性等不断上升。Chapter 3 机械制造结构钢机械制造结构钢3.1 调质钢调质钢3 调质钢在高温回火后的韧性调质钢在高温回火后的韧性(1)合金元素与调质钢的韧性合金元素与调质钢的韧性碳：是降低调质钢冲击韧性的元素。碳：是降低调质钢冲击韧性的元素。在保证钢调质后的硬度及强度的前提下，应把钢中碳含

16、量在保证钢调质后的硬度及强度的前提下，应把钢中碳含量限制在较低的范围内。对于重要的零件，一般选用高淬透限制在较低的范围内。对于重要的零件，一般选用高淬透性的低碳合金钢。性的低碳合金钢。锰：调质钢中加入锰：调质钢中加入2%的锰后，钢的冲击韧性有所改善，但的锰后，钢的冲击韧性有所改善，但含锰量超高含锰量超高2后，钢的脆性转化温度反而升高，冲击韧后，钢的脆性转化温度反而升高，冲击韧性恶化。性恶化。镍：可改善钢的冲击韧性，使脆性转化温度不断下降。镍：可改善钢的冲击韧性，使脆性转化温度不断下降。磷：对钢的冲击韧性危害甚大。它提高脆性转化温度，降低磷：对钢的冲击韧性危害甚大。它提高脆性转化温度，降低冲击值

17、，因此在高级优质钢中的含磷量限制在冲击值，因此在高级优质钢中的含磷量限制在0.035%，为了进一步改善钢的韧性，甚至应把含磷量降低到为了进一步改善钢的韧性，甚至应把含磷量降低到0.02%以下。以下。3.1 调质钢调质钢Chapter 3 机械制造结构钢机械制造结构钢(2)调质钢的高温回火脆调质钢的高温回火脆性性 回火脆性与冷却速度回火脆性与冷却速度关系关系 某些调质钢在高温回火并某些调质钢在高温回火并以不同速度冷却后，钢的以不同速度冷却后，钢的硬度、拉伸强度、屈服强硬度、拉伸强度、屈服强度、断面收缩率和延伸率度、断面收缩率和延伸率等性能没有明显差别，但等性能没有明显差别，但是缓慢冷却的试样的冲

18、击是缓慢冷却的试样的冲击韧性却明显低于快速冷却韧性却明显低于快速冷却的试样，见表的试样，见表3-1。处理条件冷却方式 室温冲击值（J/cm2）40CrNi钢820淬火650回火炉冷 9.640CrNi钢820淬火650回火空冷2440CrNi钢820淬火650回火油冷6140CrNi钢820淬火650回火水冷763.1 调质钢调质钢Chapter 3 机械制造结构钢机械制造结构钢表表3-1回火脆性与回火保温时间的关系回火脆性与回火保温时间的关系 在在500550之间回火脆性发生得最快；随着保温时间的延之间回火脆性发生得最快；随着保温时间的延长，脆化程度曲线上的温度越来越高。长，脆化程度曲线上的

19、温度越来越高。回火脆性与钢种的关系回火脆性与钢种的关系 碳素钢高温回火脆性是不敏感的；碳素钢高温回火脆性是不敏感的；钢中加入锰或铬后就成为敏感的了；硅锰钢、铬锰钢回火脆化钢中加入锰或铬后就成为敏感的了；硅锰钢、铬锰钢回火脆化倾向性更加增大；倾向性更加增大；单纯镍钢对高温回火脆性不敏感，而铬钢中加镍则明显促进回单纯镍钢对高温回火脆性不敏感，而铬钢中加镍则明显促进回火脆性；火脆性；钼、钨是降低高温回火脆性的元素钼、钨是降低高温回火脆性的元素；3.1 调质钢调质钢Chapter 3 机械制造结构钢机械制造结构钢 避免或减轻回火脆性的措施避免或减轻回火脆性的措施a.避免在易发生高温回火脆性的温度范围内

20、回火；避免在易发生高温回火脆性的温度范围内回火；b.尽可能缩短在回火脆性温度内的回火时间；尽可能缩短在回火脆性温度内的回火时间；c.回火后采用快冷的工艺方法；回火后采用快冷的工艺方法；d.采用含钼钢种，并尽可能降低钢中的磷、锡、锑采用含钼钢种，并尽可能降低钢中的磷、锡、锑含量；含量；e.对已感受回火脆的钢，用重新加热到对已感受回火脆的钢，用重新加热到650后快冷后快冷的方法来恢复。的方法来恢复。3.1 调质钢调质钢Chapter 3 机械制造结构钢机械制造结构钢五、常用调质钢的成分、热处理、五、常用调质钢的成分、热处理、机械性能和用途机械性能和用途 表表3-2 常用调质钢的成分和用途常用调质钢

21、的成分和用途 钢钢 号号主要化学成分（主要化学成分（%）用用 途途CMnSiCrNiMo450.42-0.500.50-0.800.17-0.37主轴、主轴、齿轮齿轮40Cr0.37-0.450.50-0.800.20-0.400.80-1.10重要轴重要轴类、重类、重要齿轮要齿轮30CrMnSi0.27-0.340.80-1.100.90-1.200.80-1.10高速高速轮轴轮轴40CrNiMo0.37-0.440.50-0.800.20-0.400.80-0.901.25-1.750.15-0.25航空航空发动机发动机机轴机轴Chapter 3 机械制造结构钢机械制造结构钢3.1 调质钢

22、调质钢表表3-3 常用调质钢的热处理和机械性能常用调质钢的热处理和机械性能钢钢 号号热热 处处 理理机机 械械 性性 能能淬火淬火回火回火 毛坯毛坯尺寸尺寸mm bMPa sMPa 5%kJ.cm 45850水水600空空1065035017384540Cr850油油500油油2510008009456030CrMnSi880油油520油油25110090010455040CrNiMo850油油600油油3011009001255100Chapter 3 机械制造结构钢机械制造结构钢3.1 调质钢调质钢n典型调质钢及其应用典型调质钢及其应用：合金调质钢的钢种：合金调质钢的钢种很多，按淬透性的高

23、低可分为低、中、高很多，按淬透性的高低可分为低、中、高淬透性三类。淬透性三类。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。3.1 调质钢调质钢Chapter 3 机械

24、制造结构钢机械制造结构钢连连 杆杆 3.1 调质钢调质钢轴轴 Chapter 3 机械制造结构钢机械制造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。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大的零件，例如曲轴、连杆等。连杆等。35CrMo、40CrMn等钢可用于等钢可用于500以下的较高温度下服役的零件如汽轮机转子、以下的较高温度下服役的零件如汽轮机转子、叶轮等。叶轮等。3.1 调

25、质钢调质钢Chapter 3 机械制造结构钢机械制造结构钢电气机车大轴电气机车大轴 磨床主轴磨床主轴 3.1 调质钢调质钢Chapter 3 机械制造结构钢机械制造结构钢汽轮机转子汽轮机转子 汽轮机转子汽轮机转子（AETC公司）公司）3.1 调质钢调质钢叶轮、转子叶轮、转子 3.1 调质钢调质钢高淬透性合金调质钢：高淬透性合金调质钢：其油淬临界直径最其油淬临界直径最大为大为60mm100mm。l典型钢种是典型钢种是37CrNi3A、40CrMnMo、40CrNiMoA、25Cr2Ni4WA等。这类钢多等。这类钢多半是铬镍钢，较多的半是铬镍钢，较多的Cr和和Ni的适当配合可的适当配合可大大提高钢

26、的淬透性，并获得优良的机械大大提高钢的淬透性，并获得优良的机械性能。性能。l40CrNiMoA钢主要用于制造大截面、重载钢主要用于制造大截面、重载荷的重要零件，如航空发动机轴、汽轮机荷的重要零件，如航空发动机轴、汽轮机主轴、叶轮等。主轴、叶轮等。3.1 调质钢调质钢Chapter 3 机械制造结构钢机械制造结构钢3.1 调质钢调质钢某军舰汽轮机主轴某军舰汽轮机主轴 3.1 调质钢调质钢Chapter 3 机械制造结构钢机械制造结构钢3.2 3.2 弹簧钢弹簧钢Chapter 3 机械制造结构钢机械制造结构钢一、弹簧的工作条件一、弹簧的工作条件 弹簧的主要作用是吸收冲击能量，缓和机器弹簧的主要作

27、用是吸收冲击能量，缓和机器的振动和冲击作用，或储存能量使机件完的振动和冲击作用，或储存能量使机件完成事先规定的动作，保证机器和仪表的正成事先规定的动作，保证机器和仪表的正常工作。常工作。弹簧按其外形可分为板弹簧和螺旋弹簧。弹簧按其外形可分为板弹簧和螺旋弹簧。板弹簧主要用于机车、汽车、拖拉机上，起板弹簧主要用于机车、汽车、拖拉机上，起着车轮和车架之间联结的作用。受力则以着车轮和车架之间联结的作用。受力则以反复弯曲应力为主。提高板簧的使用寿命反复弯曲应力为主。提高板簧的使用寿命主要提高其疲劳强度。主要提高其疲劳强度。螺旋弹簧不管是受压或受拉，其承受的应力螺旋弹簧不管是受压或受拉，其承受的应力主要是

28、扭转应力。螺旋弹簧的主要破坏方主要是扭转应力。螺旋弹簧的主要破坏方式是疲劳。式是疲劳。3.2 弹簧钢弹簧钢Chapter 3 机械制造结构钢机械制造结构钢二二、对弹簧的性能要求、对弹簧的性能要求1 具有高的强度极限，特别是弹性极限具有高的强度极限，特别是弹性极限e，还要求有高的屈，还要求有高的屈强比强比s/b，以提高强度的利用率。，以提高强度的利用率。2 具有高的疲劳极限。具有高的疲劳极限。3 具有良好的表面状态具有良好的表面状态 疲劳性能对于表面状态很敏感。所以要求弹簧钢的表面不疲劳性能对于表面状态很敏感。所以要求弹簧钢的表面不应有裂纹、折叠、斑疤、发裂、气泡、夹杂和压入的氧物应有裂纹、折叠

29、、斑疤、发裂、气泡、夹杂和压入的氧物铁皮等，这就要求注意冶金质量，在加热处理过程中，尽铁皮等，这就要求注意冶金质量，在加热处理过程中，尽量预防表面缺陷和减轻表面脱碳。采用喷丸处理可显著改量预防表面缺陷和减轻表面脱碳。采用喷丸处理可显著改善弹簧的表面状态，大大提高弹簧的使用寿命。善弹簧的表面状态，大大提高弹簧的使用寿命。4 具有较好的工艺性能具有较好的工艺性能 具有一定的塑性和淬透性，过热敏感性要小，不易脱碳。具有一定的塑性和淬透性，过热敏感性要小，不易脱碳。弹簧用钢在卷成型以前要有一定的塑性，以便于成型。弹簧用钢在卷成型以前要有一定的塑性，以便于成型。Chapter 3 机械制造结构钢机械制造

30、结构钢3.2 弹簧钢弹簧钢三、弹簧钢的化学成分特点三、弹簧钢的化学成分特点 1 碳含量碳含量l碳素弹簧钢碳素弹簧钢的碳含量一般为的碳含量一般为0.8%0.9%，l合金弹簧钢合金弹簧钢的碳含量为的碳含量为0.45%0.7%。碳含量过碳含量过低低，达不到高强度的要求；，达不到高强度的要求；碳含量过碳含量过高高，钢的脆性很大。，钢的脆性很大。3.2 弹簧钢弹簧钢Chapter 3 机械制造结构钢机械制造结构钢2 加入加入Si、Mn lSi和和Mn是弹簧钢中经常采用的合金元素，是弹簧钢中经常采用的合金元素，目的是提高淬透性、目的是提高淬透性、固溶强化铁素体、提固溶强化铁素体、提高钢的回火稳定性。高钢的

31、回火稳定性。lSi含量高时增大含量高时增大C石墨化的倾向，且在加石墨化的倾向，且在加热时易于脱碳；热时易于脱碳；Mn则易于使钢过热。则易于使钢过热。3.2 弹簧钢弹簧钢Chapter 3 机械制造结构钢机械制造结构钢3 加入加入Cr、W、V、Nb克服硅锰弹簧钢的不克服硅锰弹簧钢的不足足 Cr、W、V、Nb为碳化物形成元素，它们为碳化物形成元素，它们可以防止过热（细化晶粒）和脱碳，从而可以防止过热（细化晶粒）和脱碳，从而保证重要用途弹簧具有高的弹性极限和屈保证重要用途弹簧具有高的弹性极限和屈服极限。服极限。4 弹簧钢的纯度弹簧钢的纯度对疲劳强度有很大影响，因对疲劳强度有很大影响，因此，弹簧钢均为

32、优质钢（此，弹簧钢均为优质钢（P0.04%，S0.04%）或高级优质钢（）或高级优质钢（P0.035%，P0.035%）。）。3.2 弹簧钢弹簧钢Chapter 3 机械制造结构钢机械制造结构钢四、四、弹簧钢的热处理特点弹簧钢的热处理特点1 冷成形弹簧冷成形弹簧 通过冷变形或热处理，使钢材具备一定性能之后，通过冷变形或热处理，使钢材具备一定性能之后，再用冷成形方法制成一定形状的弹簧。再用冷成形方法制成一定形状的弹簧。冷成形的弹簧在冷成形之后要进行冷成形的弹簧在冷成形之后要进行200400的的去应力退火。去应力退火。由于冷成形弹簧在成形之前，钢丝已具备了一定的由于冷成形弹簧在成形之前，钢丝已具备

33、了一定的性能，即已处于硬化状态，所以通常只能制造小型性能，即已处于硬化状态，所以通常只能制造小型弹簧。弹簧。Chapter 3 机械制造结构钢机械制造结构钢3.2 弹簧钢弹簧钢2 热成形弹簧热成形弹簧l一般用于制造大型弹簧或形状复杂的弹簧。一般用于制造大型弹簧或形状复杂的弹簧。钢材在热成形之前并不具备弹簧所要求的钢材在热成形之前并不具备弹簧所要求的性能，在热成形之后，进行淬火及中温回性能，在热成形之后，进行淬火及中温回火，以获得所要求的性能。火，以获得所要求的性能。l在成形及热处理过程中，要特别注意防止在成形及热处理过程中，要特别注意防止表面产生氧化脱碳及伤痕。表面产生氧化脱碳及伤痕。l弹簧在

34、热处理后通常还要进行喷丸处理，弹簧在热处理后通常还要进行喷丸处理，使表面强化并在表面产生残余压应力以提使表面强化并在表面产生残余压应力以提高疲劳强度。高疲劳强度。3.2 弹簧钢弹簧钢Chapter 3 机械制造结构钢机械制造结构钢五、典型弹簧钢及应用实例五、典型弹簧钢及应用实例1 碳素弹簧钢碳素弹簧钢65、70、75和和85钢。碳素钢经热处理后钢。碳素钢经热处理后可以得到较高的强度和适当的塑性，但可以得到较高的强度和适当的塑性，但其淬透性较低。其淬透性较低。65Mn为高锰碳素弹簧钢。和其他碳素弹为高锰碳素弹簧钢。和其他碳素弹簧钢比较，具有稍高的淬透性，脱碳倾簧钢比较，具有稍高的淬透性，脱碳倾向

35、小，但容易过热并有回火脆性的倾向。向小，但容易过热并有回火脆性的倾向。故使用于制造截面尺寸稍大的普通弹簧。故使用于制造截面尺寸稍大的普通弹簧。3.2 弹簧钢弹簧钢Chapter 3 机械制造结构钢机械制造结构钢2 合金弹簧钢合金弹簧钢60Si2Mn 主要用于制造汽车、拖拉机和机车上的板簧（主要用于制造汽车、拖拉机和机车上的板簧（1012mm厚厚）和螺旋弹簧（）和螺旋弹簧（直径为直径为2025mm）等，淬透性和性能高于等，淬透性和性能高于65Mn。l硅显著提高弹性极限和屈服比；略提高淬透性，硅显著提高弹性极限和屈服比；略提高淬透性，但又不使但又不使Ms点下降，不致增加淬火开裂倾向；可点下降，不致

36、增加淬火开裂倾向；可以防止氧化，但却促进脱碳倾向，故应特别注意以防止氧化，但却促进脱碳倾向，故应特别注意防护。防护。Chapter 3 机械制造结构钢机械制造结构钢3.2 弹簧钢弹簧钢各式汽车板簧各式汽车板簧 各类汽车用变截面钢板弹簧各类汽车用变截面钢板弹簧12/14/16Ton车轴用钢板弹簧车轴用钢板弹簧50CrV 这类钢这类钢可用于制造可用于制造350-400350-400下承受重载下承受重载的大型弹簧，的大型弹簧，如阀门弹簧、高速柴油机的汽如阀门弹簧、高速柴油机的汽门弹簧等。门弹簧等。lCr和和V的复合加入，不仅提高弹簧钢的淬透的复合加入，不仅提高弹簧钢的淬透性，而且有较高的高温强度、韧

37、性和较好的性，而且有较高的高温强度、韧性和较好的热处理工艺性能。热处理工艺性能。l表表3-4 常用弹簧钢的化学成分和用途。常用弹簧钢的化学成分和用途。l表表3-5常用弹簧钢的热处理和力学性能。常用弹簧钢的热处理和力学性能。Chapter 3 机械制造结构钢机械制造结构钢3.2 弹簧钢弹簧钢表表3-4 典型弹簧钢的成分和用途典型弹簧钢的成分和用途钢钢 号号主要化学成分主要化学成分(%)用用 途途C Mn Si Cr V65 0.620.700.500.800.170.37截面小于截面小于12-15mm的小弹簧的小弹簧65Mn0.620.700.901.200.170.37截面小于截面小于25mm

38、的各种螺旋弹簧、的各种螺旋弹簧、板弹簧板弹簧60Si2Mn0.570.650.600.901.502.00截面小于截面小于25mm的各种螺旋弹簧、的各种螺旋弹簧、板弹簧板弹簧50CrVA0.460.540.500.800.170.370.801.100.100.20截面小于截面小于30mm强度要求较高的强度要求较高的弹簧弹簧Chapter 3 机械制造结构钢机械制造结构钢3.2 弹簧钢弹簧钢表表3-5 典型弹簧钢的热处理和机械性能典型弹簧钢的热处理和机械性能钢钢 号号 热处理热处理 机械性能机械性能淬火淬火 回火回火 bMPa 0。2MPa 10%75 820 480 1080 880 7 3

39、065Mn 830 480 980 780 8 3060Si2Mn 870 460 1270 1180 5 25 55SiMnMoV880520-5801370127073550CrV850 520 1270 1080 10 45 Chapter 3 机械制造结构钢机械制造结构钢3.2 弹簧钢弹簧钢一、滚动轴承的工作条件一、滚动轴承的工作条件 滚动轴承的作用是支撑轴滚动轴承的作用是支撑轴。滚动轴承通。滚动轴承通常由内套、外套、滚动体（如滚珠、滚常由内套、外套、滚动体（如滚珠、滚轮、滚针）和保持架四部分组成。其中轮、滚针）和保持架四部分组成。其中除保持架用低碳钢（除保持架用低碳钢（08钢）薄板冲

40、制而钢）薄板冲制而成，其余三个部分均由轴承钢制造。成，其余三个部分均由轴承钢制造。n滚动轴承内外套圈与滚动体之间呈点或滚动轴承内外套圈与滚动体之间呈点或线接触，承受很大的压应力（高达线接触，承受很大的压应力（高达1800MPa5000MPa）和交变载荷。）和交变载荷。3.3 滚动轴承钢滚动轴承钢3.3 滚动轴承钢滚动轴承钢Chapter 3 机械制造结构钢机械制造结构钢n滚动体与套圈之间不但有滚动摩擦，而且滚动体与套圈之间不但有滚动摩擦，而且有滑动摩擦，有时在强大的冲击载荷作用有滑动摩擦，有时在强大的冲击载荷作用下，轴承也可能产生破碎；对在特殊条件下，轴承也可能产生破碎；对在特殊条件条件下工作

41、的轴承，常与大气、水蒸气及条件下工作的轴承，常与大气、水蒸气及腐蚀介质相接触，进而产生腐蚀。腐蚀介质相接触，进而产生腐蚀。n滚动轴承损坏的正常形式是：疲劳剥落，滚动轴承损坏的正常形式是：疲劳剥落，即接触疲劳破坏。即接触疲劳破坏。3.3 滚动轴承钢滚动轴承钢Chapter 3 机械制造结构钢机械制造结构钢二、滚动轴承的性能要求1 高的淬硬性和必要的淬透性；高的淬硬性和必要的淬透性；2 高的耐磨性；高的耐磨性；3 高的接触疲劳性能；高的接触疲劳性能；4 高的弹性极限和一定的冲击韧性；高的弹性极限和一定的冲击韧性；5 尺寸要精确而经久稳定；尺寸要精确而经久稳定；6 一定的抗腐蚀能力；一定的抗腐蚀能力

42、；7 良好的工艺性能。良好的工艺性能。Chapter 3 机械制造结构钢机械制造结构钢3.3 滚动轴承钢滚动轴承钢三、滚动轴承钢的化学成分特点三、滚动轴承钢的化学成分特点 1 高碳高碳 l为了保证轴承钢有高的硬度和耐磨性，轴承为了保证轴承钢有高的硬度和耐磨性，轴承钢的碳含量很高，钢的碳含量很高，一般为一般为0.95%1.15%，属属于过共析钢。于过共析钢。n一部分一部分存在于马氏体基体中以强化马氏体存在于马氏体基体中以强化马氏体；n另一部分另一部分形成足够数量的碳化物以获得所要形成足够数量的碳化物以获得所要求的耐磨性求的耐磨性。n过高的碳含量会增加碳化物分布的不均匀性，过高的碳含量会增加碳化物

43、分布的不均匀性，且易生成网状碳化物而降低其性能且易生成网状碳化物而降低其性能。3.3 滚动轴承钢滚动轴承钢Chapter 3 机械制造结构钢机械制造结构钢2 加入主加合金元素铬加入主加合金元素铬 Cr的作用是提高钢的淬透性和钢的耐腐蚀的作用是提高钢的淬透性和钢的耐腐蚀性能。性能。l钢中部分铬形成的合金渗碳体钢中部分铬形成的合金渗碳体(Fe,Cr)3C在在淬火加热时溶解较慢，可减少过热倾向，淬火加热时溶解较慢，可减少过热倾向，经热处理后可以得到较细的组织；碳化物经热处理后可以得到较细的组织；碳化物能以细小质点均匀分布于钢基体组织中，能以细小质点均匀分布于钢基体组织中，既可提高钢的回火稳定性，又可

44、提高钢的既可提高钢的回火稳定性，又可提高钢的硬度，进而提高钢的耐磨性和接触疲劳强硬度，进而提高钢的耐磨性和接触疲劳强度。度。适宜的铬含量为适宜的铬含量为0.40%1.65%。3.4 滚动轴承钢滚动轴承钢Chapter 3 机械制造结构钢机械制造结构钢l当铬含量高于当铬含量高于1.65%以后，则会使残余奥以后，则会使残余奥氏体增加，使钢的硬度和尺寸稳定性降氏体增加，使钢的硬度和尺寸稳定性降低，同时还会增加碳化物的不均匀性，低，同时还会增加碳化物的不均匀性，降低钢的韧性。降低钢的韧性。3 加入硅、锰、钒等以进一步提高淬加入硅、锰、钒等以进一步提高淬透性。透性。l大型轴承用钢中还需加入更多的合金元大

45、型轴承用钢中还需加入更多的合金元素以提高淬透性，通常加入素以提高淬透性，通常加入Mn、Si提高提高淬透性，适量的淬透性，适量的Si（0.40%0.60%）还）还能明显地提高钢的强度和弹性极限；能明显地提高钢的强度和弹性极限；3.4 滚动轴承钢滚动轴承钢Chapter 3 机械制造结构钢机械制造结构钢l加入加入V一部分溶于奥氏体，提高淬透性，一部分溶于奥氏体，提高淬透性，另一部分形成碳化钒另一部分形成碳化钒VC，提高钢的耐磨，提高钢的耐磨性并防止过热。通常无铬钢中都含有钒。性并防止过热。通常无铬钢中都含有钒。4 降低降低S、P含量，减少氧化物、硅酸盐含量，减少氧化物、硅酸盐夹杂物的数量，提高冶金

46、质量。夹杂物的数量，提高冶金质量。l由于轴承钢的接触疲劳性能对钢材的微小由于轴承钢的接触疲劳性能对钢材的微小缺陷十分敏感，所以要求缺陷十分敏感，所以要求S0.02%，P0.027%，一般采用电渣重熔、电炉冶，一般采用电渣重熔、电炉冶炼及真空冶炼等技术以减少夹杂物数量。炼及真空冶炼等技术以减少夹杂物数量。3.3 滚动轴承钢滚动轴承钢Chapter 3 机械制造结构钢机械制造结构钢四、滚动轴承钢的滚动轴承钢的原始组织要求 1 原始组织必须无缩孔，皮下气泡、白点和原始组织必须无缩孔，皮下气泡、白点和过烧；过烧；2 严格控制非金属夹杂物；严格控制非金属夹杂物；3 严格控制疏松级别；严格控制疏松级别；4

47、 改善碳化物不均匀性（网状、带状和液析）。改善碳化物不均匀性（网状、带状和液析）。Chapter 3 机械制造结构钢机械制造结构钢3.3 滚动轴承钢滚动轴承钢五、滚动轴承钢的热处理特点五、滚动轴承钢的热处理特点 由于轴承钢是过共析钢，并且对碳化物的形状和分布由于轴承钢是过共析钢，并且对碳化物的形状和分布要求较高，因此其要求较高，因此其预先热处理通常采用球化退火预先热处理通常采用球化退火。1 球化退火球化退火 GCr15钢的球化退火加热温度范围为钢的球化退火加热温度范围为770810，790被认为是最适宜的加热温度。被认为是最适宜的加热温度。l加热温度过高，奥氏体中未溶碳化物量过少，奥氏体加热温

48、度过高，奥氏体中未溶碳化物量过少，奥氏体成分进一步均匀化，冷却后得到的是粗片层珠光体，成分进一步均匀化，冷却后得到的是粗片层珠光体，或有大块聚集碳化物，这是不合格的过热组织；或有大块聚集碳化物，这是不合格的过热组织；l加热温度不足，片状珠光体溶解得不充分，奥氏体成加热温度不足，片状珠光体溶解得不充分，奥氏体成分很不均匀，冷却过程中碳化物沿着原片层析出，或分很不均匀，冷却过程中碳化物沿着原片层析出，或呈细小的链状特征。呈细小的链状特征。3.3 滚动轴承钢滚动轴承钢Chapter 3 机械制造结构钢机械制造结构钢碳化物的形状取决于加热温度，而碳化物碳化物的形状取决于加热温度，而碳化物的弥散度取决于

49、冷却速度。冷却速度越大，的弥散度取决于冷却速度。冷却速度越大，碳化物的弥散度也越大，其硬度也越高。碳化物的弥散度也越大，其硬度也越高。球化退火冷却方式有两种，一种是连续冷球化退火冷却方式有两种，一种是连续冷却，按冷却速度却，按冷却速度20-30/h冷到冷到650出炉；出炉；或者在或者在700等温等温2-4h，再炉冷到，再炉冷到650出出炉。炉。Chapter 3 机械制造结构钢机械制造结构钢3.3 滚动轴承钢滚动轴承钢2 最终热处理最终热处理 轴承钢的最终热处理是淬火加低温回火。轴承钢的最终热处理是淬火加低温回火。l对对GCr15GCr15钢，淬火加热温度为钢，淬火加热温度为820820-84

50、0840。l温度过高温度过高会引起过热，晶粒长大，使钢的韧会引起过热，晶粒长大，使钢的韧性和疲劳强度下降，且易淬裂和变形；性和疲劳强度下降，且易淬裂和变形；温度温度过低，过低，则奥氏体中溶解的铬和碳的含量不够，则奥氏体中溶解的铬和碳的含量不够，钢淬火后硬度不足。钢淬火后硬度不足。l马氏体中的碳含量在马氏体中的碳含量在0.45%-0.5%0.45%-0.5%时，轴承钢时，轴承钢既具有高硬度，又有良好的韧性，还具有最既具有高硬度，又有良好的韧性，还具有最高的接触疲劳寿命。高的接触疲劳寿命。3.3 滚动轴承钢滚动轴承钢Chapter 3 机械制造结构钢机械制造结构钢3.3 滚动轴承钢滚动轴承钢Cha