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机械制造用结构钢机械制造用结构钢 第六节第六节 轴承钢轴承钢 l一、概述l滚动轴承是一切传动机械中不可缺少的重要零件。轴承钢主要用来制制造滚动轴承的滚动体和套圈造滚动轴承的滚动体和套圈。l滚动轴承的受力状况：承受着各类高的交变应力，如拉力、压缩、剪切应力以及摩擦力。l导致滚动轴承失效的原因分析：l1、切应力以及由此产生的局部塑性变形是引起疲劳裂纹发生的重要条件。l2、材料内部的组织缺陷（如夹杂物）以及组织变化则是导致发生疲劳裂纹的内因。l因此，在提高轴承钢质量方面，最主要的是提高轴承钢的接触疲劳寿命。l轴承破坏的主要形式：l1、接触疲劳破坏。l2、由相对滑动引起的磨损破坏。l二、对轴承钢性能的要求二、对轴承钢性能的要求l1、具有高的接触疲劳强度和抗压强度；l2、轴承钢经热处理后，一般硬度要求为 HRC 6165）；l3、高的弹性极限；l4、一定的韧性；l5、良好的尺寸稳定性；l6、一定的抗腐蚀性能；l7、良好的工艺性能，如冷、热成型性能、切削性能、磨削性能、热处理工艺性能等。l三、对轴承钢原始组织的要求三、对轴承钢原始组织的要求l1、纯净度，指钢中杂质元素和夹杂物含量要少；l2、组织均匀，指钢中非金属夹杂物和碳化物应当细小分散和分布均匀。l四、轴承钢中的夹杂物四、轴承钢中的夹杂物l1、根据化学成分可分为：l（1）简单氧化物，如 Al2O3、SiO2等；l（2）复杂氧化物，包括尖晶石和钙的铝酸盐，尖晶石；l（3）硅酸盐和硅酸盐玻璃，其成分复杂；l（4）硫化物，如MnS、（Mn，Fe）S、CaS等；l（5）氮化物，如AlN等。l根据热变形能力，可分为以下三类：l（1）脆性夹杂物，如刚玉（A12O3）、尖晶石，沿轧制方向排列呈点链状分布；l（2）塑性夹杂物，在热变形过程中有良好的塑性，沿轧向呈连续条状分布，属这类的有MnS和铁锰硅酸盐；l（3）球状不变形夹杂物，主要是钙的铝酸盐。l理理想想的的情情况况应应该该是是夹夹杂杂物物细细、少少、塑塑性性好好、呈细条状均匀分布。呈细条状均匀分布。l五、轴承钢的合金化特点五、轴承钢的合金化特点l1、高碳l为了保证轴承钢的高硬度、高耐磨性和高强度，碳质量分数应较高，一般为0.950.951.101.10。l2、铬为基本合金元素l铬含量为0.400.401.651.65。铬能提高淬透性，并与基体金属形成合金渗碳体（Fe，Cr）3C，呈细密、均匀分布，从而提高钢的耐磨性，特别是疲劳强度。l3、加入硅、锰、钒等lSi、Mn进一步提高淬透性，便于制造大型轴承。lV部分溶于奥氏体中，部分形成碳化物VC，提高钢的耐磨性并防止过热。l六、典型钢种和牌号六、典型钢种和牌号l1、铬轴承钢l最常用的是GCr15GCr15。使用量占轴承钢的绝大部分。除制造轴承外也常用来制造冷冲模、量具、丝锥等。l2、添加 Mn、Si、Mo、V的轴承钢l在铬轴承钢中加入 Si、Mn可提高淬透性，例如，GCrl5SiMn、GCr15SiMnMoV等。七、轴承钢的热处理七、轴承钢的热处理l（一）轴承钢的球化退火 l球化退火前的原始组织应为细片状珠光体。球化退火的目的在于：l1、降低硬度便于切削加工；l2、获得均匀分布的细细粒粒状状珠珠光光体体，为淬火作好组织上的准备；l3、消除加工硬化，增加塑性，便于冷拔和冲压加工。l（二）轴承钢的淬火和回火l淬火：轴承钢的淬火加热应获得细小的奥氏体晶粒，快冷之后得到隐晶马氏体加上均匀分布的细粒碳化物及少量残留奥氏体。lGCr15钢AC1 为735765，840左右淬火能得到最高的硬度、弯曲疲劳强度和冲击韧性。l冷处理：精密轴承为保证尺寸稳定，常采用冷处理的方法消除残余奥氏体。冷处理温度为：-40 -70。l回火：回火温度为150170，回火时间大于2.5小时。GCr15钢回火后的组织为在隐晶回火马氏体基体上均匀分布着隐晶回火马氏体基体上均匀分布着细小的碳化物颗粒细小的碳化物颗粒，硬度为HRC6165。l轴承在磨削加工后要进行回火，生产上称之谓低温时效处理（附加回火）。即130150加热，保温36小时。l综上所述，轴承钢的热处理主要过程为：l球化退火淬火冷处理低温回火低温时效处理第七节第七节 渗碳钢和氮化钢渗碳钢和氮化钢 一、渗碳钢l1、概述l有不少机器零件（汽车、拖拉机中的变速齿轮，内燃机上的凸轮轴、活塞销等）的机械性能要求表面具有优异的耐磨性和接触疲劳抗力，同时心部具有高的韧性和足够高的强度。l利用低碳结构钢进行渗碳，使零件从表面到中心具有从高碳（0.81.lC）到低碳（0.100.25C）连续过渡的化学成分。渗碳层深度为0.62.0mm。l渗碳之后淬火，得到从表面到中心的不同组织，例如形成高碳马氏体+低碳马氏体十珠光体十铁素体的金相组织。l2、渗碳钢的合金化特点l（1）碳质量分数一般在0.100.100.250.25之间，以保证零件心部有足够的塑性和韧性。l（2）加入提高淬透性的合金元素，常加入 CrCr、NiNi、MnMn等，以提高经热处理后心部的强度和韧性。Cr还能细化碳化物、提高渗碳层的耐磨性，Ni则对渗碳层和心部的韧性非常有利。l（3）加入阻碍奥氏体晶粒长大的元素，主要加入少量强碳化物形成元素TiTi、V V、WW、MoMo等，形成稳定的合金碳化物。除了能阻止渗碳时奥氏体晶粒长大外，还能增加渗碳层硬度，提高耐磨性。l3、典型钢种及牌号l（1）低淬透性合金渗碳钢 典型钢种为20Cr。适用于制造受冲击载荷较小的耐磨件，如小轴、活塞销、小齿轮等。l（2）中淬透性合金渗碳钢 典型钢种是20CrMnTi20CrMnTi。用于制造承受高速中载、要求抗冲击和耐磨损的零件，特别是汽车、拖拉机上的重要零件。l（3）高淬透性合金渗碳钢 典型钢种为18Cr2Ni4WA18Cr2Ni4WA和20Cr2Ni4A。这类钢具有很好的韧性，特别是低温冲击韧性。用于制造大截面、高载荷的重要耐磨件。l4、热处理和组织性能 l渗碳后直接淬火+低温回火。热处理后，表面渗碳层的组织由合金渗碳体与回火马氏体及少量残余奥氏体组成，硬度为6062HRC。l二、氮化钢l1、概述：l机械零件经表面氮化处理后，可显著提高其疲劳强度和耐磨性，还具有抗水、油等介质腐蚀的能力。氮化层在较高温度下仍能保持其硬度。l零件在氮化前，要经过调质热处理，得到稳定的回火索氏体组织，保证使用过程中尺寸稳定。l氮化温度低，零件变形小。常用的氮化温度 为 510510 570570，表 面 形 成 相（Fe4N）和相（Fe3-2N）。l2、氮化钢的合金化特点l（1）如果要求表面硬度不超过HV900，可采用铬、钼、钨钢种；如果表面硬度需要在HV900以上，需要采用含强氮化物形成元素铝的钢种。l（2）铬、钼、锰可使钢获得足够的淬透性。l（3）钼及钒能使钢在500580之间长时间保温时保持强度。为了防止或减轻钢发生回火脆化，往往须要在氮化钢中加入0.20.5钼。l 3、氮化处理提高零件疲劳强度和耐磨性的原因l（1 1）在在表表面面形形成成高高硬硬度度的的-（FeFe4 4N N）和和-（FeFe3-23-2N N）层；）层；l（2 2）渗渗入入的的氮氮原原子子与与氮氮化化物物形形成成元元素素形形成成弥弥散散的的合合金金氮氮化化物物，提提高高表表面面氮氮化化层层的的强度和硬度。强度和硬度。l（3 3）表表面面渗渗入入氮氮原原子子后后体体积积膨膨胀胀，因因而而在在表表面面产产生生了了残残留留压压应应力力，能能抵抵消消外外力力作作用用产产生生的的张张应应力力，减减少少表表面面疲疲劳劳裂裂纹纹的的产产生。生。l4、氮化钢典型牌号 常用氮化钢是38CrMoAl38CrMoAl。经调质和表面氮化处理后，钢表面可获得最高氮化层硬度，达到HV9001000（HRC65HV800）。第八节第八节 其他机械制造结构钢其他机械制造结构钢 l一、弹簧钢 l1、用途：合金弹簧钢主要用于制造各种弹簧和弹性元件。l2、性能要求：l（1）高弹性极限e及其高的屈强比Sb。l（2）高的疲劳强度r。l（3）足够的塑性和韧性，以免受冲击时脆断。l（4）较好的淬透性，不易脱碳和过热，容易绕卷成型等。l3、弹簧钢的合金化特点：l（1）中、高碳。一般为0.500.500.700.70。碳质量分数过低，强度不足。碳质量分数过高时，塑性、韧性降低，疲劳抗力也下降。l（2）加入以SiSi、MnMn为主的提高淬透性的元素。lSiSi和和MnMn的的作作用用主主要要是是提提高高淬淬透透性性，同同时时也也提提高高了了屈屈强强比比，而而以以SiSi的的作作用用最最突突出出，但但SiSi在在加加热热时时促促进进表表面面脱脱碳碳，MnMn则则使使钢钢易易于于过过热热。重重要要用用途途的的合合金金弹弹簧簧钢钢必必须须加加入入CrCr、V V、W W等元素等元素。l4、钢种和牌号l合金弹簧钢大致分两类。l（1）以Si、Mn为主要合金元素的合金弹簧钢代表性钢种有65Mn65Mn和和60Si2Mn60Si2Mn等l这类钢的价格便宜，淬透性明显优于碳素弹簧钢。这类钢主要用于汽车、拖拉机上的板簧和螺旋弹簧。l（2）含Cr、V、W等元素的合金弹簧钢，典型钢种为50CrVA50CrVA。l这类钢可制作在 350400温度下承受重载的较大弹簧，如阀门弹簧、高速柴油机的汽门弹簧等。l5、加工、热处理与性能l热成型弹簧用热轧钢丝或钢板制成，然后淬淬火火+中中温温（450450550550）回回火火，获得回回火火屈屈氏氏体体组织。一般用来制作为较大型的弹簧。l为了提高弹簧的疲劳寿命，广泛采用喷丸强化处理。l二、易削钢l在钢中附加某一种或某几种元素，使它成为容易被切削加工的钢，这类钢称为易削钢。常用的附加元素有硫、铅、钙、磷等。l硫的作用（0.080.30%）：硫在钢中与锰和铁可形成硫在钢中与锰和铁可形成（MnMn，FeFe）S S夹夹杂物，能起减摩作用，降低切屑与刀具杂物，能起减摩作用，降低切屑与刀具之间的摩擦系数，并使切屑不粘附在刀之间的摩擦系数，并使切屑不粘附在刀刃上。刃上。l铅的作用（0.150.25%）：铅铅在在钢钢中中孤孤立立地地呈呈细细小小颗颗粒粒（约约3m3m）均均匀匀分分布布时时，能能改改善善切切削削加加工工性性。与与硫硫易易切切钢钢相相比比，铅铅易易切切钢钢可可得得到到较较高高的的机机械性能。械性能。l钙的作用（0.0010.0010.005%0.005%）：微量的钙能改善钢在高速切削下的切削微量的钙能改善钢在高速切削下的切削加工性。加工性。l钢号及表示方法：例如，Y40CrSCa表示硫钙复合的易切 40Cr合金调质钢。l三、耐磨钢l1、用途及性能要求l耐磨钢主要用于运转过程中承受严重磨损和强烈冲击的零件，如车辆履带、挖掘机铲斗、破碎机颚板和铁轨分道叉等。对耐磨钢的主要要求是有很高的耐磨性和韧性主要要求是有很高的耐磨性和韧性。l2、典型钢种l高锰钢由于机械加工困难，故基本上是铸态 下 使 用。典 型 牌 号 为 ZGMn13ZGMn13及ZGMn13Re。l3、合金化特点l（1）高碳：保证钢的耐磨性和强度。其碳质量分数不超过1.41.4。l（2）高锰：锰是扩大相区的元素，它和碳配合，保证室温下完全获得奥氏体组织，提高钢的加工硬化率及良好的韧性。锰质量分数为1114。l（3）一定量的硅：硅可改善钢水的流动性，并起固溶强化的作用。其质量分数为0.30.8。l4、热处理特点 高锰钢采用水水韧韧处处理理。即将钢加热到10001100保温，使碳化物全部溶解，然后在水中快冷，在室温下获得均匀单一的奥氏体组织。此时钢的硬度很低（约为210HB），而韧性很高。当工件在工作中受到强烈冲击或强大压力而变形时，表面层产生强烈的加工硬化，并且还发生马氏体转变，使硬度显著提高（约为HB500），心部则仍保持原来的高韧性的奥氏体状态。思考题思考题l1、什么是机械制造结构钢？常见的机械零件有哪些？l2、结构钢的淬透性对其性能的影响如何？l3、调质钢的合金化及其性能特点如何？l4、超高强度钢使用条件及性能特点是什么？l5、滚动轴承钢的合金化与性能特点是什么？l6、弹簧钢的合金化与热处理特点是什么？l7、渗碳钢的热处理特点是什么？氮化钢的基本情况？l8、高锰耐磨钢合金化原则、热处理特点、性能及用途各是什么？l9、机器零件用钢获得综合机械性能的途径有哪些？