机械工程材料第七章合金钢

第七章合金钢第一节合金结构钢第二节合金工具钢第三节特殊性能钢及合金第一节合金结构钢一、低合金结构钢二、易切削钢三、渗碳钢四、调质钢五、弹簧钢六、滚动轴承钢一、低合金结构钢又称普低钢，是普通碳素结构钢加上少量合金元素形成。（一）性能要求1.高强度及足够韧性。2.良好的工艺性能——焊接性和冷成形性。3.良好的耐蚀性及低的韧脆转变温度。通常情况下，屈服强度值小于300MPa时为普通碳素结构钢，大于300MPa时为低合金高强度钢。1、低碳：碳含量一般低于0.2%，以保证良好的焊接性、冷变形性和低温韧性。2、合金元素：（二）低合金结构钢的合金化特点Mn（主加元素）固溶强化，强化铁素体V、Ti、Nb、RE细化晶粒、弥散强化Cr、Ni、Mo提高淬透性P、Cu提高抗大气的腐蚀性3、部分钢中加入少量稀土元素，以减少钢中有害杂质的影响，改善夹杂物的形状和分布，提高钢的工艺性能和力学性能。5、对S、P含量要求不太高，可使用平炉或转炉生产，十分经济。Q345(16Mn)中低压力容器、桥梁、船舶、建筑结构，是我国低合金高强钢中用量最多、产量最大的钢种。Q420钢（15MnVN）中压锅炉、石油、化工机械，中等级别强度钢中使用最多的钢种。(三)常见牌号及其应用压力容器12Mn低压锅炉、低温机器零件、船舶、油罐Q460(14MnMoVBRE)高压锅炉(低碳贝氏体钢）14MnVTiRE大型焊接结构，如铁路、大型巨轮用钢二、易切削钢（一）性能特点易切削钢具有良好的切削加工性能，但力学性能相对较低，一般不进行热处理。适合于批量大，但对性能要求不高的零件。适用于高速切削和在自动加工机床上加工的材料。易切削钢是在低碳、中碳或高碳的钢中加一种或几种合金元素，以改善钢的切削加工性能。又称自动机床加工用钢，简称自动钢。(二)对合金化和组织要求碳和锰能够改善切削性能，但如果碳锰含量过高，切削性能反而变差。加入S、Pb、Ca等元素可使钢的切削性能得到改善，其中S、Pb是使用最为广泛的元素。易切削钢主要是S系和Pb系两种。铁素体组织的材料对刀具的摩擦最小，然后按照球状珠光体、片状珠光体、珠光体-索氏体、屈氏体而依次增大。(四）易切削钢的热处理工艺特点低碳易切削钢(Y12、Y15、Y20)渗碳、淬火成低碳马氏体。中碳易切削钢(Y40)调质及表面淬火。(三)常用的易切削结构钢及应用Y12、Y15、Y20螺栓、螺帽、小轴、销子等小零件Y30、Y40、Y40Mn高强度螺栓和机床丝杠、光杠三、渗碳钢渗碳钢广泛用于承受较强烈的冲击和磨损的场合，如汽车、拖拉机变速箱齿轮、内燃机凸轮、活塞销等零件。（一）性能要求1、表面具有高硬度、高耐磨性，心部具有足够的强韧性，即表硬里韧。2、良好的热处理性能。如淬透性和渗碳能力。(二)渗碳钢的化学成分及热处理特点1、化学成分固溶强化、提高淬透性。渗碳件心部经淬火低温回火后得到低碳回火马氏体，具有较高强度和韧性，综合力学性能好。主加元素Cr、Mn含碳量0.10%~0.25%辅加元素W、Mo、V、Ti含量分别小于1.2%、0.6%、0.4%、0.1%提高强度和韧性，提高淬透性。防止渗碳时A晶粒长大，细化晶粒；提高淬透性。Ni4.5%(三)热处理特点渗碳+淬火+低温（160~200℃）回火组织：表层:M回+Fe3C+A'心部:F+P（≤160HBS）表层:M回+K+A‘（60~62HRC）心部:低碳M回+F（30~45HRC）碳钢合金钢(四)常用渗碳钢及用途1、低淬透性钢15、20、15Cr、20Cr、15Mn、20Mn特点：价格低、淬透性低、心部强度低。（水淬临界直径20~35mm）应用：受力不大、对心部强度要求不高的小型零件，如凸轮轴、活塞销、小齿轮。活塞销(20Cr)2、中淬透性钢20CrMnTi、20CrMnMo、20MnVB、12CrNi3A特点：合金元素总量4%，淬透性（临界直径25~60mm）和力学性能较高。应用：承受中等冲击载荷的耐磨零件，如汽车、拖拉机变速箱齿轮、联轴节、齿轮轴、花键套轴等。3、高淬透性钢12Cr2Ni4A、18Cr2Ni4WA、20Cr2Ni4A特点：合金元素总量7.5%，淬透性（临界直径大于100mm）高，淬火后残余奥氏体含量高。应用：重载和强烈磨损的大型零件，如航空发动机变速齿轮、高速柴油机曲轴等。柴油机曲轴（五）应用举例以20CrMnTi合金渗碳钢制造的汽车变速齿轮为例，说明其热处理方法的选定和工艺的安排。技术要求：渗碳层厚度1.2～1.6mm，表面碳浓度为1.0%，齿顶硬度58～60HRC，心部硬度30～45HRC。锻造→正火→加工齿轮→渗碳→预冷淬火+低温回火→喷丸→磨齿（精磨）1、工艺路线2、热处理的作用改善锻造状态的不正常组织，消除内应力，以利于切削加工。（1）正火20CrMnTi钢的渗碳温度为920℃左右，经查手册得知渗碳层厚1.2～1.6mm时所需渗碳时间为6～8h。目的是获得高碳，保证淬火后获得高硬度、高耐磨性。（2）渗碳（3）淬火及低温回火自渗碳温度预冷到870～880℃直接油淬，再经200℃低温回火2～3h。淬火：提高表面的硬度和耐磨性，保证心部具有高的强度和足够的冲击韧性。低温回火：减小淬火应力，降低脆性，稳定组织。温度/℃时间/t950~970℃正火空冷920℃6~8h气体渗碳预冷870~880℃油冷200℃2~3h回火四、调质钢调质钢是指经过调质处理后使用的中碳钢和中碳合金钢。钢调质后的性能：具有高的强度、良好的塑性与韧性的配合，即具有良好的综合力学性能。应用在机械制造中最常用的一类钢。用于受力较复杂的重要结构零件，如柴油机连杆和连杆螺栓及曲轴、汽车半轴、机床主轴等。(一)化学成分WC=0.25~0.5%，可保证钢的综合力学性能。碳含量过低使硬度不足，过高使韧性不足。一般碳素调质钢的含碳量偏上限，对于合金调质钢，随合金元素的增加，含碳量趋于下限。1、调质钢的含碳量主加元素：Cr、Ni、Mn、Si等，溶入铁素体，强化铁素体，并增加钢的淬透性。2、调质钢的合金化辅加元素：W、Mo、V、Ti等，细化晶粒；提高淬透性；其中W、Mo还防止第二类回火脆性。（二）热处理特点下料锻造预备热处理机加工（调质）（局部感应加热淬火＋低温回火）精加工(1)退火或正火+高温回火合金元素多的中碳结构钢(2)正火中碳结构钢或合金元素少的结构钢2、预备热处理处理后硬度为180~200HBS，便于机加工。1、生产工艺路线调质：淬火+高温回火组织：回火索氏体（回火S）性能：强度、塑性和韧性均较高，即具有良好的综合力学性能；缺口敏感性小；接触疲劳强度、耐磨性较低。3、调质处理加热:在箱式炉（批量较小）或连续炉（大批量）中加热到单相奥氏体（830~880℃）保温。冷却：碳素钢水冷；合金钢油冷或水淬油冷。箱式电阻炉淬火一般采用500~650℃回火。回火后采用水冷、油冷（防止第二类回火脆性）或空冷。回火4、表面局部淬火若零件局部对耐磨性要求高，可对局部进行感应加热淬火。（三）常用调质钢牌号、性能及用途碳素调质钢：25、30、35、40、45、50力学性能不高，只适用于尺寸和受力较小的零件。各种调质钢的性能特点和用途见表7-6（P178~179）合金调质钢：合金元素提高淬透性和力学性能，故适用于尺寸较大、负荷较重的零件。常用的合金调质钢通常包括三种系列：1、低淬透性Cr钢、Mn钢、Mn-B钢（D0油＜30mm）如40Cr、45Mn2、35SiMn、40MnB主加元素Cr、Mn：强化铁素体和增加淬透性。应用：40Cr应用十分广泛，用于制造一般尺寸的重要零件，如汽车、拖拉机上的连杆、连杆螺栓、汽车半轴、传动轴及机床主轴等零件。2、中淬透性Cr-Mo钢、Cr-Mn钢、Cr-V钢（D0油＜60mm）Cr：提高淬透性；Mo、V：提高淬透性，细化晶粒，提高塑性和韧性，防止第二类回火脆性；Cr-Mn钢中同时加入Cr、Mn两种元素，能更好的提高钢的淬透性和强度。如：35CrMo（或42CrMo）、40CrMn、40CrV应用：典型牌号35CrMo（或42CrMo），用于制造截面较大零件，如曲轴、齿轮、连杆等。3、高淬透性Cr-Ni钢、Cr-Ni-Mo钢（D0油＞60mm）钢中同时加入Cr、Ni两种元素，大大提高淬透性，可获得更好的力学性能，但Cr-Ni钢有回火脆性。加入Mo可消除回火脆性。如37CrNi3、40CrNi、40CrNiMo应用：制造大截面、重载荷零件，如汽轮机主轴、叶轮、航空发动机中的涡轮轴等。举例：连杆螺栓材料：40Cr钢连杆螺栓加工路线：下料→锻造→退火（或正火）→机加工→调质→检验硬度→加工螺纹→装配感应淬火部位例题:机床齿轮花键轴在工作时承受冲击性的、周期变化的扭转应力，花键部分承受周期变化的弯曲应力、接触应力和摩擦磨损，要求具有足够的强度、冲击韧性、抗疲劳性能，花键部分和安装轴承的部位具有高的硬度和耐磨性，试确定40MnVB钢机床齿轮花键轴的热处理工艺。下料→锻造退火或正火粗加工调质精加工花键加工感应淬火＋低温回火→磨削840~870500~560油冷水冷t/hT/℃调质热处理工艺五、弹簧钢（一）弹簧钢对性能的要求弹簧主要有螺旋弹簧和板簧两种，它是利用弹性变形来储存能量、缓和振动和冲击的，承受的载荷也属于变动载荷。汽车板簧大型热卷弹簧热卷大弹簧弹簧丝汽车板簧火车螺旋弹簧（2）失效形式：主要是塑性变形、疲劳断裂。较高的弹性极限高的疲劳强度、高屈强比（σs/σb)具有足够的塑性、韧性一定的淬透性耐热性和耐蚀性（3）对弹簧的性能要求包括：板簧：承受弯曲、剪切应力和微动磨损螺旋弹簧：承受扭转、剪切应力(1)受力分析（二）化学成分中、高碳采用较高的含碳量保证高弹性极限、屈强比和疲劳强度。碳素钢：WC0.6~0.75%合金钢：WC0.46~0.70%辅加元素：W、Cr、V（重要弹簧）细化晶粒、提高回火稳定性和高温强度、防止钢的脱碳和过热2、合金元素1、碳含量（WC）主加元素：Si、Mn提高淬透性、强化铁素体、提高屈强比、提高回火稳定性；易脱碳和过热3、弹簧的冶金质量对疲劳强度有很大的影响，所以弹簧钢均为优质钢或高级优质钢。（三）常用弹簧钢65Mn：锰含量为0.90%～1.20%，价格低，淬透性优于碳钢，强度较高，但易过热，淬火时容易开裂。1.碳素弹簧钢：65钢、70钢：淬透性差。用于制造截面尺寸＜12~15mm的小弹簧，多用冷成型法制造。2.合金弹簧钢一般以Si-Mn钢为基本类型。用途：制造尺寸为8～15mm的小型弹簧，如各种小尺寸的扁簧和座垫弹簧、弹簧发条等。Si－Mn钢：55Si2Mn、60Si2Mn淬透性好，硅含量较高，可显著提高弹性极限和回火稳定性，价格便宜，应用较广。用于制造厚度为10～12mm的板簧和直径为25～30mm的螺旋弹簧，如汽车、拖拉机和机车上的减震弹簧和螺旋弹簧。工作温度不能超过250℃。Cr－V钢：50CrVA淬透性高、晶粒细、高温强度高。弹簧表面不易脱碳，但价格较高。用于制造截面＜25mm的重载荷板簧和螺旋弹簧，以及工作温度＜400℃的各种弹簧，如内燃机的气阀弹簧。55SiMnMoV为新钢种，有更好的淬透性和更高的强度，可替代55CrVA钢制造大截面汽车板簧和重型车、越野车的板簧。(四)弹簧的生产工艺路线1、热轧弹簧钢（用热轧钢丝或钢板制成）淬火+中温回火（400℃~550℃），得到回火屈氏体（40~45HRC）材料选择（p182表7-7）热处理65Mn、55Si2Mn、60Si2Mn等应用：用于大截面弹簧(10mm)板簧加工路线（1）淬火加热温度为830~880℃，加热时不容许脱碳，以免降低钢的疲劳强度，严格控制炉内气氛，缩短加热时间。注意：（2）弹簧热处理后要进行喷丸处理，使其表面强化，并且使表层产生残余压应力，提高弹簧的疲劳寿命。→喷丸扁钢剪断→加热压弯成型后淬火→中温回火→烤漆2、冷拉（轧）弹簧钢（用于生产尺寸小于8～15mm的小型弹簧，常用弹簧钢丝(片)冷绕成形）材料选择碳钢（65、75）合金钢（65Mn、55Si2M