钢铁材料及其在汽车上的应用

钢铁材料的主要组成元素是铁和碳，又称为铁碳合金。钢铁材料包括碳素钢、合金钢和铸铁。含碳量小于2.11%的铁碳合金称为钢，含碳量大于2.11%的铁碳合金称为铸铁。1．了解碳及常存元素对碳素钢性能的影响。2．掌握碳素钢的分类方法。3．掌握碳素钢在汽车上的应用。碳素钢简称碳钢，是含碳量大于0.0218%而小于2.11%的铁碳合金。在汽车零件制造中得到广泛应用。常用碳素钢制造的汽车零件a）低碳钢制造的机油盘b）低碳钢制造的气缸盖罩c）中碳钢制造的曲轴d）中碳钢制造的连杆碳素钢以铁元素为基体，钢中除铁以外，主要元素是碳，还含有少量的锰、硅、硫、磷等常存元素。1．碳的影响碳是决定钢性能的主要元素。随着含碳量的增加，碳素钢的强度、硬度升高，塑性和韧性降低。含碳量对钢的铸造性能、焊接性能和热处理性能等均有影响。含碳量对钢力学性能的影响（1）锰、硅的影响锰、硅是有益元素，能提高钢的强度和硬度。其中，硅还能使钢的流动性变好，有利于浇铸成形，但含量过高会降低钢的塑性；锰还可以减少硫对钢的有害作用。（2）硫、磷的影响硫、磷是有害元素，它们会使钢的塑性和韧性下降。硫还会使钢在锻造、轧制等热加工时产生“热脆”现象；磷虽能增强钢的硬度和强度，但磷能使钢在低温时塑性和韧性大大下降，这种现象称为“冷脆”。（1）低碳钢——含碳量约0.25%。（2）中碳钢——含碳量0.25%~0.60%。（3）高碳钢——含碳量约0.60%。根据钢中有害杂质元素可分为：（1）普通质量钢——含硫量≤0.050%，含磷量≤0.045%。（2）优质钢——硫、磷含量≤0.035%。（3）高级优质钢——硫、磷含量≤0.025%。（4）特级优质钢——含硫量约0.015%，含磷量约0.025%。（1）碳素结构钢——用于制造汽车零件和工程构件。（2）碳素工具钢——用于制造刀具、量具和模具。此外，按钢的脱氧程度分类，可分为镇静钢（脱氧程度完全）、沸腾钢（脱氧程度不完全）和半镇静钢（脱氧程度介于镇静钢和沸腾钢之间）等。常用碳素结构钢的牌号及其在汽车上的应用优质碳素结构钢是应用极为广泛的机械制造用钢。优质碳素结构钢按其含锰量不同，分为普通含锰量钢（含锰量小于0.8%）和较高含锰量钢（含锰量为0.7%～1.2%）两类。二者含碳量相同时，较高含锰钢的强度优于普通含锰量钢。常用优质碳素结构钢的牌号、性能及在汽车上的应用铸造碳钢是将钢液直接浇注成零件毛坯的碳钢。常用铸造碳钢的牌号及在汽车上的应用1．掌握热处理的分类方法。2．掌握钢的普通热处理方法。3．掌握钢的表面热处理方法。热处理是将钢在固态下加热、保温和冷却，使钢的组织结构发生变化，以获得所需性能的一种工艺方法。常用的有普通热处理和表面热处理两大类。热处理工艺曲线普通热处理通常是指对工件进行整体的热处理。按其加热温度和冷却方法不同，常用的有退火、正火、淬火和回火等。1．退火退火就是将钢件加热到一定温度，保温一定时间后随炉缓慢冷却的热处理工艺。正火就是将钢件加热到一定温度，保温一定时间后在空气中冷却的热处理工艺。淬火就是将钢件加热到一定温度，保温一定时间后在冷却介质中快速冷却的热处理工艺。回火就是将淬火后的钢件加热到一定温度以下，保温一定时间后冷却的热处理工艺。根据工件性能要求不同，淬火钢的回火主要有低温回火（150～250℃）、中温回火（350～450℃）和高温回火（500～650℃）三种。按零件要求和工艺不同，常用的表面热处理方法有表面淬火和表面化学热处理两种。表面淬火就是仅对工件表层进行淬火的热处理工艺。根据加热方法不同，常用的有火焰加热表面淬火和感应加热表面淬火。（1）火焰加热表面淬火利用氧乙炔火焰对工件表面进行加热，使其表面迅速达到淬火温度，随即喷水冷却的过程称为火焰加热表面淬火。火焰加热表面淬火1—喷水管2—烧嘴3—移动方向4—工件5—淬硬层（2）感应加热表面淬火利用感应电流通过工件时产生的热效应，使工件表面迅速达到淬火温度，随即快速喷水冷却的过程称为感应加热表面淬火。感应加热表面淬火1—加热感应器2—工件3—喷水套管4—淬硬层5—冷却水6—电流7—电流集中层表面化学热处理是通过一定的工艺方法，将一种或几种元素渗入钢件表面，以改变其化学成分和组织结构，从而获得所需性能的热处理工艺。按渗入元素不同，表面化学热处理有渗碳、渗氮和碳氮共渗等。（1）渗碳渗碳是将钢件放在含碳介质中加热并保温，使活性碳原子渗入表层，以增加表面含碳量的热处理工艺。常用方法有固体渗碳、液体渗碳和气体渗碳等。（2）渗氮渗氮是将活性氮原子渗入钢件表面的热处理工艺，也称氮化处理。（3）碳氮共渗碳氮共渗也称氰化处理，是向钢件表面同时渗入碳和氮的热处理工艺。碳氮共渗一般以碳为主。经碳氮共渗后的工件还需进行淬火及回火处理。1．掌握合金钢的优点。2．掌握合金钢的分类和牌号。3．掌握合金钢在汽车上的应用。合金钢和碳素钢相比有许多优点：在相同的淬火条件下，能获得更深的淬硬层；具有良好的综合力学性能；具有良好的耐磨性、耐蚀性和耐高温性等特殊性能。常见的汽车合金钢零件1．合金钢的分类（1）按合金钢的用途分类1）合金结构钢——用于制造机械零件和工程构件。2）合金工具钢——用于制造各种加工工具。3）特殊性能钢——具有特殊性能的钢，如不锈钢、耐热钢和耐磨钢。（2）按合金元素的含量分类1）低合金钢——合金元素总含量约5%。2）中合金钢——合金元素总含量为5%～10%。3）高合金钢——合金元素总含量约10%。此外，按合金元素的种类分类，有锰钢、铬钢、镍铬钢等；按合金钢的冶炼质量分类，有优质钢、高级优质钢、特级优质钢等。2．合金钢的牌号（1）合金结构钢的牌号合金结构钢的牌号采用“两位数字+合金元素符号+数字”的格式表示。例如：（2）合金工具钢的牌号合金工具钢的牌号采用“一位数字+合金元素符号+数字”的格式表示。例如：高速钢含碳量的表示方法有所不同，虽然含碳量小于1.0%，但也不标注。例如：（3）特殊性能钢的牌号特殊性能钢的牌号表示方法和合金工具钢基本相同，首部数字表示平均含碳量的千分之几，当平均含碳量小于千分之一时，用0表示。例如：（4）滚动轴承钢的牌号滚动轴承钢的牌号表示方法和合金工具钢基本相同，但是其牌号中Cr元素后面的数字是表示含铬量的千分之几，并且在其牌号前面冠上字母“G”。例如：合金结构钢按其用途可分为工程用钢和机械制造用钢两大类。工程用钢主要用于制造汽车大梁等各种工程构件，工程用钢的合金含量少，所以又称为低合金结构钢。机械制造用钢主要用于制造各种机械零件，按其用途和热处理特点不同，又分为合金渗碳钢、合金调质钢、合金弹簧钢、滚动轴承钢等。1．低合金高强度结构钢低合金高强度结构钢具有良好的塑性、韧性、耐蚀性和焊接性等。低合金高强度结构钢的牌号表示方法与碳素结构钢相同。常用低合金高强度结构钢的牌号及在汽车上的应用2．合金渗碳钢合金渗碳钢是用于制造渗碳零件的钢。这类钢的含碳量一般为0.10%～0.25%，较低的含碳量能保证零件心部具有足够的塑性和韧性。常用合金渗碳钢的牌号及汽车上的应用3．合金调质钢合金调质钢是按热处理方法命名的合金钢，其主要热处理方法是淬火加高温回火。含碳量在0.25%～0.50%，中等的含碳量能保证钢有良好的硬度和韧性。常用合金调质钢的牌号及在汽车上的应用4．合金弹簧钢合金弹簧钢是用于制造弹簧和弹性元件的专用钢。其含碳量要比调质钢高，一般为0.46%~0.70%。钢中常加入锰、硅、铬等合金元素以提高钢的强度和弹性极限。汽车常用的合金弹簧钢有65Mn、55Si2Mn、60Si2Mn和50CrVA等。5．滚动轴承钢滚动轴承钢是用来制造滚动轴承内、外圈和滚动体的专用钢。其含碳量较高，为0.95%～1.15%，以保证钢有高的硬度和耐磨性。滚动轴承钢除用于制造轴承外，还用于制造其他耐磨零件，如汽车的油泵柱塞、喷油嘴、针阀等。特殊性能钢是指具有特殊的物理性能和化学性能的钢，常用的有不锈钢、耐热钢和耐磨钢等。1．不锈钢不锈钢是指在腐蚀介质中具有高抗腐蚀能力的钢。按其合金元素的不同，常用的有铬不锈钢和铬镍不锈钢两种。铬不锈钢中的合金元素以铬为主，其含量一般大于13%。常用来制造在腐蚀介质下工作的轴承、弹簧等。铬镍不锈钢的含碳量较低，含铬量约为18%，含镍量在8%～11%之间。常用来制造在腐蚀介质下工作的零件，如汽车的空气压缩机阀片、外装饰件等。2．耐热钢耐热钢是指在高温下具有良好的抗氧化性能和强度的钢。耐热钢分为抗氧化钢和热强钢两类。汽车中常用的是热强钢，牌号有15CrMo、4Cr9Si2、4Cr10Si2Mo等，主要制造在高温下工作的发动机进、排气门。3．耐磨钢耐磨钢是指具有高抗磨损能力的钢。其含碳量为1.0%～1.3%，含锰量为11%～14%，因含锰量高故又称高锰钢。常用耐磨钢的牌号为ZGMn13，广泛用于制造在强烈冲击和严重磨损条件下工作的零件，如拖拉机履带、挖掘机铲斗等。1．了解铸铁的种类。2．了解铸铁在汽车上的应用。铸铁的含碳量大于2.11%（一般在2.5%～4.0%之间）。铸铁是用途广泛的工程材料，汽车中常见的发动机缸体、缸盖、变速箱壳体等大多由铸铁制造。常见的汽车铸铁零件a）合金铸铁制造的气缸体b）灰铸铁制造的变速器壳c）可锻铸铁制造的驱动桥壳d）球墨铸铁制造的凸轮轴铸铁中的碳大部分是以自由状态的石墨或其化合物形式存在的。根据碳存在形式的不同，常用的铸铁有灰铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁、蠕墨铸铁等。此外，还有在灰铸铁或球墨铸铁基础上加入某些合金元素后形成的合金铸铁。灰铸铁中的碳大部分是以片状石墨形态存在的。灰铸铁的抗拉强度、塑性和韧性比同样基体的钢低得多。灰铸铁常用于制造一些形状复杂、强度要求不高的零件常用灰铸铁的牌号及在汽车上的应用可锻铸铁俗称马口铁，铸铁中的石墨以团絮状存在，常用的有黑心可锻铸铁和珠光体可锻铸铁。它比灰铸铁具有较高的强度，具有较好的塑性和韧性。可锻铸铁常用来制造形状复杂而强度和韧性要求较高的薄壁零件。常用可锻铸铁的牌号及在汽车上的应用球墨铸铁简称球铁。铸铁中的石墨大部分以球状形态存在。球墨铸铁的抗拉强度、塑性和韧性都优于灰铸铁和可锻铸铁。球墨铸铁常用来制造一些受力复杂，强度、韧性和耐磨性要求高的零件。常用球墨铸铁的牌号及在汽车上的应用蠕墨铸铁中的石墨是以蠕虫状形态存在的，它的性能既有球墨铸铁较高的抗拉强度、塑性和韧性，又具有灰铸铁良好的减振性、切削加工性和铸造性能等。蠕墨铸铁常用的牌号有RuT340、RuT330、RuT260等，目前在汽车上主要用于制造柴油机气缸盖、进排气管、制动盘和制动鼓等。在灰铸铁或球墨铸铁中加入一定量的合金元素所形成的铸铁称为合金铸铁。汽车中常用的有耐热铸铁和耐磨铸铁。1．耐热铸铁耐热铸铁是在球墨铸铁中加入铝、硅、铬等合金元素而形成的。在汽车上主要用于制造高温条件下工作的发动机进、排气门座和排气管密封环等。耐磨铸铁是在灰铸铁中加入铬、钼、铜、钛、磷等合金元素而形成的。常用的耐磨铸铁有高磷耐磨铸铁和铬钼铜耐磨铸铁等，主要用于制造在高温下强烈摩擦的零件，如汽车的气缸套、活塞环等。思考题1．碳、硅、锰、硫、磷元素对碳素钢性能有什么影响？2．碳素钢是如何分类的？3．牌号为45，65Mn，08F，Q235A的钢属于哪类钢？试说明其符号及数字的意义，并举例说明各自的主要用途。4．什么叫钢的热处理？它有哪些工艺过程？5．什么叫钢的退火？其目的是什么？6．什么叫钢的正火？它与钢的退火有什么异同点？7．什么叫淬火？其目的是什么？