5.3机械结构用钢

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5.3.1Briefintroductionofstructuralsteels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.碳含量与热处理工艺的选择5.机器结构钢的分类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。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。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，抑制第二类回火脆性（W、Mo）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。合金结构钢的成分特点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,50CrVA）iv.滚动轴承钢（GCr15）v.易切削钢（Y40CrSCa）vi.铸钢（ZG200-400）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：σb＝800～1200MPa，σS＝700～1000MPa，δ＝8～15％，αK＝60～120J/cm2，TK＜－40℃。。连杆螺栓及热处理工艺曲轴高强螺栓柴油机连杆齿轮轴套类破碎机主轴调质件（螺杆）柴油机凸轮轴轮盘类（轮辐，齿轮，键槽等）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4.常用调质钢（如表5-10所示）（1）低透性调质钢（D0油＜30～40mm）如45（U20452）、40Cr（A20402）等；（2）中淬透性调质钢（D0油＜40～60mm）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。表5-10常用调质钢的牌号、热处理、性能与用途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钢性能对比钢号状态硬度/HRCσb/MPaσs/MPaδ5/%ψ/%aK/J·cm-2aK（-50℃）/J·cm-215MnVB40Cr低碳M调质态433813531000113380012.695145956070≤406.微合金化非调质钢何谓“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，其显微组织主要是F＋P。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。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YF45V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材料σb/Mpaσs/MPaδ5/%ψ/%AK/J硬度/HBWYF45V（非调质钢）45（正火）45（调质）77965278447336051916.523.019.0334043273586220～240170～195210～2406.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表5-*2微合金化非调质钢的分类按加工工艺分类热锻微合金非调质钢，直接切削微合金非调质钢，冷作强化微合金非调质钢等。按产品形状分类微合金非调质钢棒材，板材，管材及线材等。按性能特征分类高强度微合金非调质钢，高韧性微合金非调质钢，高强高韧微合金非调质钢及表面强化微合金非调质钢等。按切削加工性能分类易切削微合金非调质钢，对切削性能无特殊要求的微合金非调质钢等。按组织特征分类铁素体-珠光体微合金非调质钢，晶内铁素体微合金非调质钢，低碳贝氏体微合金非调质钢与低碳马氏体微合金非调质钢等。按加工方法的不同，将非调质机械结构钢分为：类型钢号举例钢号表示方法说明易切削非调质钢YF35V，YF45MnV，YF35MnV，YF40V，YF45V，YF40MnVYF表示易切削微合金非调质钢热锻用非调质钢F45V，F35MnV，F40MnVF表示热锻用微合金非调质钢冷作强化非调质钢LF××LF表示冷作强化微合金非调质钢高强高韧非调质钢GF××GF表示高强度高韧性非调质钢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。ii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-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.微合金化非调质钢非调质钢的组织特征非调质钢的组织主要是：铁素体(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-granularFerrite，IGF）的形成，有效细化晶粒，由此发展了高强高