机械制造结构钢优秀PPT.ppt

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1、机械制造结构钢你现在浏览的是第一页，共69页绪绪论论钢钢的的合合金金化化概概论论工工程程结结构构钢钢机机械械制制造造结结构构钢钢工工模模具具钢钢不不锈锈钢钢耐耐热热钢钢与与耐耐热热合合金金铸铸铁铁铝铝合合金金铜铜合合金金钛钛合合金金镁镁合合金金你现在浏览的是第二页，共69页用于制造轴、齿轮、紧固件、轴承等各种机械零件汽车、机床、工程机械、电站设备主要承受拉、压、弯、扭、冲击、疲劳应力，几种载荷同时作用；恒载或变载，力的方向是单向或反复；环境是大气、水、润滑油；温度：-50100；强度、塑性、韧度、疲劳强度、耐磨性汽车曲轴汽车曲轴你现在浏览的是第三页，共69页机械制造结构钢概述分类特点与合金化原

2、则零件工艺选择概论整体强化态钢调质钢弹簧钢滚动轴承钢表面强化态钢渗碳钢氮化钢耐磨钢你现在浏览的是第四页，共69页机械制造结构钢的分类按强度：Rel1400MPa 超高强度，宇航/重工业按热处理强化工艺特点：整体强化态钢/表面强化态钢按钢的生产工艺和用途：调质钢、非调质钢、低碳马氏体钢、超高强度结构钢、渗碳钢、氮化钢、弹簧钢、轴承钢你现在浏览的是第五页，共69页机械制造钢的特点与合金化机器零件用钢的性能要求（1）具有良好的冷热加工工艺性 如锻造、冲压、热处理、车、铣、刨、磨等（2）具有良好的力学性能 强、塑、韧、疲劳、耐磨性等 一般为亚共析钢，低合金或中合金，优质钢或高级优质钢零件：区分易换、不

3、易换；重要、不重要你现在浏览的是第六页，共69页合金元素在机械制造钢中的作用 主加主加元素元素Ni,Si,Cr,Mn（由弱到强）主要作用：淬透性和力学性能辅加辅加元素元素 Mo、W、V、B等 过热敏感性，回脆，淬透性合金元素在机器零件用钢中的其他作用1）回火稳定性：韧；2）d：强韧3）固溶强化：强；4）防止第二类回火脆性：韧5）改善切削性能 1.2%Si2%Mn12%Cr14%Ni0.5%Mo0.2%V0.40.8%W200 特点：具有良好的综合性能（强韧匹配）应用：石油钻机提升系统的吊环、吊卡等中碳微合金化非调质钢：在中碳钢（wc=0.30%0.50%）中加入微量V、Ti、Nb等强化物形成元

4、素（组织为：F+P+弥散K）工艺特点：锻轧过程中结合机加工，改善切削性加S、Pb（微）优点：简化工序、节约能源、成本 你现在浏览的是第二十页，共69页机械制造结构钢概述分类特点与合金化原则零件工艺选择概论整体强化态钢调质钢弹簧钢滚动轴承钢表面强化态钢渗碳钢氮化钢耐磨钢你现在浏览的是第二十一页，共69页弹簧钢 组织性能要求 弹簧功能储能减振弹簧类型板簧，螺簧；压簧、拉簧和扭簧等你现在浏览的是第二十二页，共69页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板弹簧板弹簧你现在浏览的是第二十三页，共69页 汽车板簧汽车板簧火车螺旋弹簧火车螺旋弹簧你现在浏览的是第二十四页，共69页板簧弯

5、曲载荷螺簧扭转应力疲劳破坏弹性减退高的弹性极限、屈强比：保证吸收大量的弹性能而不产生塑性变形；高疲劳强度；有足够的塑性和韧性：以防止冲击断裂其他要求:淬透性、冶金质量、表面质量；良好的热处理和塑性加工性能；特殊条件下工作的耐热性或耐蚀性要求等；过热敏感性小，不易脱碳 弹性减退：长期在动/静载荷作用下，室温发生塑性变形/弹性模量降低裂纹源裂纹源你现在浏览的是第二十五页，共69页弹簧钢的化学成分 碳：wc0.6%-1.05%（碳素弹簧钢）wc0.4%-0.74%（合金弹簧钢）合金元素：主加Si、Mn、Cr等，辅加Mo、W、V等 铬和锰主要是提高淬透性，硅提高弹性极限，钒提高淬透性和细化晶粒 硅、锰

6、复合：高的弹性极限，屈强比可达到0.80.9；硅、锰淬透性，硅有效回稳性；两者复合，脱碳（Si）和过热敏感性（Mn）较硅钢、锰钢为小你现在浏览的是第二十六页，共69页 常用的硅锰弹簧钢有常用的硅锰弹簧钢有60Si2Mn、55SiMnVB、55Si2Mn等等常用弹簧钢60Si2Mn：（1）Si、Mn复合，强化Fe，s/b可达0.80.9；（2）Si/Mn 淬透性，Ms点不过分降低，开裂倾向小；（3）Si有效回稳性，但脱C倾向；（4）Si、Mn复合，脱碳和过热敏感性较硅钢、锰钢小50CrVA：（1）Cr、V均回稳性，韧性好；（2）V细化晶粒，过热敏感性；（3）含Si少，脱C敏感性，热处理不易脱C；

7、常用于受力高的螺旋弹簧及60HRC）；高接触疲劳强度以免过早失效 保证材质、组织；一定韧度承受冲击，以免碎裂；高的弹性极限避免产生永久形变尺寸稳定性好保证精度；一定耐蚀性大气、润滑油腐蚀性能要求接触面小接触面小应力集中大应力集中大易产生裂纹易产生裂纹材质纯净、组织均匀材质纯净、组织均匀你现在浏览的是第三十四页，共69页高碳高碳轴承钢的化学成分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，一般为0.95%1.15%，属于过共析钢：一部分存在于马氏体基体中以强化马氏体；另一部分形成足够数量的碳化物以获得所要求的耐磨性；过高的碳含量会增加碳化物分布的不均匀性，且易生成网状碳化物而降低其性能合

8、金化合金化加入Cr、Si、Mn等 如GCrl5、GCrl5SiMnGCrl5成分：0.951.05%C，0.20.4%Mn，0.150.35%Si，0.02%S，0.027%P，1.301.65%Cr，0.1%Mo，0.3%Ni，0.25%Cu你现在浏览的是第三十五页，共69页冶金质量高冶金质量高纯净夹杂物要少：主要有各种氧化物（如A12O3）和硅酸盐等；危害程度依次递减：A12O3、球状不变形夹杂、铝硅酸盐轴承钢的性能要求你现在浏览的是第三十六页，共69页你现在浏览的是第三十七页，共69页组织组织均匀均匀 碳化物要细小均布，主要有三类K：K液析 结晶时枝晶偏析而存在高温扩散退火，不允许液析严

9、重；带状K 轧制时二次碳化物偏析高温扩散退火；网状K冷却时在晶界析出控制终轧温度、冷却控制、正火你现在浏览的是第三十八页，共69页滚动轴承钢的牌号及其热处理轴承钢的种类高碳铬轴承钢高碳铬轴承钢渗碳钢渗碳钢高温轴承钢高温轴承钢你现在浏览的是第三十九页，共69页高碳铬轴承钢的热处理 热处理特点 球化退火为最终淬火作组织准备磨削后进行一次附加回火稳定组织和尺寸一般采用保护气氛加热或真空加热（防止脱碳）160保温3h或更长回火，硬度6166HRC要求消除Ar（残余奥氏体）淬火后立即进行冷处理，而后立即低温回火锻（轧）球化退火机加工淬火、回火磨你现在浏览的是第四十页，共69页球化退火GCr15钢的球化退

10、火加热温度范围为770810，790被认为是最适宜的加热温度；加热温度过高，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，或有大块聚集碳化物，这是不合格的过热组织；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，或呈细小的链状特征你现在浏览的是第四十一页，共69页轴承钢的最终热处理是淬火加低温回火；对GCr15钢，淬火加热温度为830-860；温度过高会引起过热，晶粒长大，使钢的韧性和疲劳强度下降，且易淬裂和变形；温度过低，则奥氏体中溶解的铬和碳的含量不够，钢淬火后硬度不足；马氏体中的碳含量在0.45%-0.5%时，轴承

11、钢既具有高硬度，又有良好的韧性，还具有最高的接触疲劳寿命最终热处理（1）你现在浏览的是第四十二页，共69页淬火后应立即回火，以消除内应力，提高韧性、稳定组织和尺寸；回火温度一般为（150160），保温时间为24h。为使回火性能均匀一致，回火温度也要严格控制，最好在油中进行；轴承钢经淬火及回火后的组织为极细的回火马氏体、均匀分布的细粒状碳化物以及少量的残余奥氏体，硬度为6266HRC最终热处理（2）你现在浏览的是第四十三页，共69页轴承在淬火及回火后的磨削加工过程中，还会产生磨削应力，因此通常还要进行一次附加回火（回火温度为120150，回火时间为23h）以稳定组织和尺寸对于精密轴承，为了保证能

12、长期存放和使用中不变形，在淬火后要立即进行“冷处理”（-70-80），以使钢中未转变的残余奥氏体进一步发生转变，淬火和冷处理之间的间隔不超过4h，冷处理后立即低温回火；最终热处理（3）你现在浏览的是第四十四页，共69页回火温度对GCr15力学性能的影响你现在浏览的是第四十五页，共69页你现在浏览的是第四十六页，共69页铬轴承钢典型代表是GCr15，使用量占轴承钢的绝大部分；由于淬透性不是很高，因此多用于制造中小型轴承；添加Mn、Si、Mo、V的轴承钢；在铬轴承钢中加入Mn、Si可提高淬透性，如GCr15SiMn钢等，主要用于制造大型轴承；为了节约Cr，可以加入Mo、V，得到不含铬的轴承钢，如G

13、SiMnMoV等，其性能和用途与GCr15相近滚动轴承钢的应用实例 你现在浏览的是第四十七页，共69页轧钢机械、矿山挖掘机械、建筑机械等一些受冲击负荷较大的机械使用的轴承，不仅要求其表面硬度高、耐磨性好，具有较高的接触疲劳强度，还要求心部有一定的韧性、足够的强度和硬度，可以选用渗碳钢制造；渗碳轴承钢，采用合金结构钢的牌号表示方法，另在牌号头部加符号“G”。例如：G20CrNiMo 高级优质渗碳轴承钢，在牌号尾部加“A”。例如：“G20CrNiMoA”。渗碳轴承钢你现在浏览的是第四十八页，共69页用渗碳轴承钢制造轴承，加工工艺性能好，可以采用冷冲压技术，提高材料的利用率，再经渗碳、淬火及回火处理

14、后，在零件的表面形成有利的残余压应力，提高轴承的使用寿命你现在浏览的是第四十九页，共69页采用不锈钢和耐热钢的牌号表示方法，牌号头部不加符号“G”。例如：高碳铬不锈轴承钢“9Cr18”和高温轴承钢“10Cr14Mo”；不锈轴承钢：对于在酸、碱、盐等腐蚀介质中使用的轴承，要求具有良好的化学稳定性，故而常采用高碳高铬不锈钢制造，如9Cr18等高碳铬不锈轴承钢和高温轴承钢你现在浏览的是第五十页，共69页燃汽轮机、航空及航天工业用轴承的工作温度已超过300以上，因此对所用轴承的材料要求有足够的高温硬度、高温强度、耐磨性、抗氧化性及一定的腐蚀性能、良好的尺寸稳定性和高温下的寿命；GCr15轴承钢的最高工

15、作温度不超过180；常用的高温轴承钢有Cr4Mo4V、Cr14Mo4；高温轴承钢你现在浏览的是第五十一页，共69页机械制造结构钢概述分类特点与合金化原则零件工艺选择概论整体强化态钢调质钢弹簧钢滚动轴承钢表面强化态钢渗碳钢氮化钢耐磨钢你现在浏览的是第五十二页，共69页表面强化态钢零件在滑动、滚动、接触应力、摩擦等工况下工作磨损和接触疲劳是主要失效形式表面应具有高硬度、高接触疲劳抗力和良好耐磨性而心部有一定塑韧性渗碳钢、渗氮钢、感应加热淬火钢等 这类钢适宜制造表面和心部性能要求不同的零件，通过某种工艺使零件表面硬度高耐磨而心部具有较好强韧性配合以满足要求。典型零件有齿轮、凸轮等你现在浏览的是第五十

16、三页，共69页你现在浏览的是第五十四页，共69页渗碳钢的合金化一般含碳量在0.120.25 保证得到强韧性好的板条M常用合金化元素 Mn、Cr、Ni主要淬透性 Ti、V、W、Mo细化晶粒 渗碳层性能:表层碳量、表层浓度梯度和渗层深度 渗碳层深度根据零件需要确定，原则上渗碳层深度 应大于零件的最大切应力深度合金渗碳钢你现在浏览的是第五十五页，共69页 对于一般零件:(1)渗碳层的含碳量限制为0.81.1%C；(2)渗碳层的深度控制在0.62.0mm之内碳化物形成元素的作用：增大钢表面吸收碳原子的能力；增大渗碳层表面碳浓度；阻碍碳在奥氏体中的扩散。前两因素加速渗碳，有利于渗碳层的加厚，而后一因素不

17、利于渗碳层的加厚；合金元素对渗碳层性能参数的影响你现在浏览的是第五十六页，共69页总的效果是铬、锰、钼等元素加大渗碳层的厚度，钛减小渗碳层的厚度；镍、硅、铜等元素减慢渗碳，不利于渗碳层的加厚；碳化物形成元素含量过多，将在渗碳层中产生许多块状碳化物，造成表面脆性，所以合金元素的含量要适当；Mn是一个较好的合金元素，既可以加速渗碳层增厚，又不过多提高渗碳层的含碳量；但增大过热敏感性，应和Ti、V配合加入；你现在浏览的是第五十七页，共69页常用渗碳钢按淬透性可分为低、中和高淬透性钢三类低淬透性：20Cr钢：不宜渗碳后直接淬火；20CrV钢可中淬透性：20CrMnTi钢特点:Cr、Mn复合，淬透性好，

18、D油约40mm；较高耐磨性和强韧度，特别是低温韧度较好；渗碳工艺性较好，晶粒长大倾向小，可直接淬火，变形也比较小制造汽车变速箱齿轮，离合器轴和车辆上的伞齿轮及主动轴等高淬透性：18Cr2Ni4WA，20Cr2Ni4A你现在浏览的是第五十八页，共69页渗碳钢的热处理直接淬火、一次淬火、二次淬火直接淬火：渗碳热处理温度一般为930，渗碳结束后冷至淬火温度淬火一次淬火：渗碳后缓冷，重新加热淬火渗碳层与心部分属不同含碳量的钢种18Cr2Ni4W的热处理工艺表层Ms：80心部Ms：310你现在浏览的是第五十九页，共69页机械制造结构钢概述分类特点与合金化原则零件工艺选择概论整体强化态钢调质钢弹簧钢滚动轴

19、承钢表面强化态钢渗碳钢氮化钢耐磨钢你现在浏览的是第六十页，共69页氮化钢 服役条件：有些零件工作时载荷不大，基本上无冲 击力；有摩擦，但比齿轮等零件的磨损要轻，同时也受到交变的疲劳应力。这一类零件重 要的要求是能保持高的精度。常采用氮化钢 进行渗氮处理。你现在浏览的是第六十一页，共69页氮化钢的特点优点明显提高零件疲劳强度和耐磨性；具有对水、油等介质的耐腐蚀的能力；零件的变形量很小；氮化层在较高的温度仍能保持其硬度缺点生产周期长，成本高你现在浏览的是第六十二页，共69页氮化处理后的性能 1 表面硬度 要求高耐磨性的零件，表面硬度高达HV9001000；仅要求高疲劳强度的零件，表面硬度可以为HV

20、5008002 心部硬度 在氮化处理前零件经受调质处理，零件硬度为HV200300，为回火索氏体组织，经氮化处理后，心部还具有良好的综合机械性能你现在浏览的是第六十三页，共69页氮化钢：多为碳含量偏低的中碳铬钼铝钢；国内外广泛使用的氮化钢是38CrMoAl钢，获得最高氮化层硬度，达到9001000HV；仅要求高疲劳强度的零件，可采用不含铝的CrMo型氮化钢，如35CrMo、40CrV、40Cr等，氮化层的硬度控制在500-1000HV；工艺：氮化前，要经过调质热处理以得到稳定的回火索氏体组织，以保证零件最终的使用性能和使用过程中的尺寸稳定性，同时也为获得好的氮化层作组织准备一般采用气体氮化、离

21、子氮化，氮化温度500565，表层形成（Fe4N）、（Fe3-2N），氮化层形成Cr、Mo、W、V、Al的氮化物，5nm，与基体共格，弥散强化你现在浏览的是第六十四页，共69页机械制造结构钢概述分类特点与合金化原则零件工艺选择概论整体强化态钢调质钢弹簧钢滚动轴承钢表面强化态钢渗碳钢氮化钢耐磨钢你现在浏览的是第六十五页，共69页耐磨钢高锰钢高锰钢的化学成分及性能 特点：高碳、高锰，铸件使用；常用高锰铸钢为ZGMn13型。铸态组织一般是奥氏体、珠光体、马氏体加碳化物复合组织，力学性能差，耐磨性低，不宜直接使用，经过水韧处理（即固溶处理）后的显微组织是单相奥氏体，软而韧；用途：履带、铁道岔道你现在浏

22、览的是第六十六页，共69页水韧处理加热TAcm，一般为10501100，在一定保温时间下，K全部溶入A中高锰钢导热性较差，仅为碳素钢的1/41/5，热膨胀系数比普通钢大50%，而且铸件尺寸往往又较大，所以要缓慢加热，以避免产生裂纹；高锰钢的热处理铸件出炉至入水时间应尽量缩短，以避免碳化物析出；冷速要快，常采用水冷；水冷前水温不宜超过30，水冷后水温应小于60；水韧处理后不宜再进行250350的回火处理，也不宜在250350以上温度环境中使用你现在浏览的是第六十七页，共69页耐磨耐磨机理机理 大形变在A基体中产生大量层错、形变孪晶、和马氏体而硬化；表面硬度从原来200HB左右可到500HB以上，

23、硬化深度可达1020mm，而心部仍保持A，所以能承受较大冲击载荷而不破裂；在表层逐渐被磨掉的同时，硬化层不断地向内发展 “前赴后继”；在低应力和低冲击载荷下，耐磨性往 往不一定好高锰钢的耐磨性及应用你现在浏览的是第六十八页，共69页课堂作业请对比说明并解释图中不同钢种回火硬度的变化规律1 图为不同钢种硬度随回火温度的变化曲线；2 随着回火温度的升高碳钢、铬钢的硬度下降，其中铬钢的软化速度比碳钢慢，钒钢和钼钢的硬度先下降然后出现二次硬化，最后迅速下降；钒钢的二次硬化硬度值更大；3 对于淬火得到的马氏体组织，随着回火温度的升高，马氏体分解，硬度逐渐降低；4 合金元素的加入提高了回火稳定性；而普碳钢无此效果，所以软化最快；5 Cr在钢回火时的明显扩散温度为400500，低于此温度C难以析出，硬度缓慢降低，超过此温度后硬度加速下降，但随着碳化物析出引起的强化，硬度并不一直加速降低，同理Mo和V的碳化物析出温度分别为500和550以上，同时由于VC的稳定性最好，析出强化效果明显，其强化效果大于回火软化效果，所以钒钢出现的二次硬化程度最大，Mo的碳化物稳定性强于Cr的碳化物，而弱于VC，所以其强化效果也介于二者之间。你现在浏览的是第六十九页，共69页