chd第3章机械制造结构钢

第3章机械制造结构钢用于制造轴、齿轮、轴承等。根据生产工艺和用途，分为：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、轴承钢和易削钢等。低强度钢700MPa,中强度钢700-1400MPa，高强度钢1400MPa拨叉变速齿轮变速箱Chapter3机械制造结构钢连杆轴Chapter3机械制造结构钢电气机车大轴磨床主轴Chapter3机械制造结构钢汽轮机转子汽轮机转子（AETC公司）叶轮、转子某军舰汽轮机主轴Chapter3机械制造结构钢齿轮曲轴汽车万向节连杆Chapter3机械制造结构钢弹簧拉力弹簧离合器弹簧蝶形弹簧板弹簧Chapter3机械制造结构钢滚珠滚珠轴承Chapter3机械制造结构钢履带铁轨分道叉破碎机颚板挖掘机斗齿Chapter3机械制造结构钢3.1概述一、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不同零件，对钢强、塑、韧、疲劳、耐磨性等有不同要求。一般为亚共析钢，低合金或中合金，优质钢或高级优质钢。二、机器零件用钢合金化特点主加元素Cr、Mn、Si、Ni。主要作用：↑淬透性和力学性能。辅加元素Mo、W、V等↓过热敏感性，↓回脆，↑淬透性。最佳范围获得最佳性能→称为极限合金化理论结构钢常用范围为：1.2%Si,2%Mn，1~2%Cr,1~4%Ni，0.5%Mo，0.2%V,0.1%Ti，0.4~0.8%W。或是单独加入，或是复合加入。三、零件材料和工艺选择途径①低碳马氏体型结构钢，采用淬火+低温回火。为↑耐磨性，可进行渗碳处理；汽车拖拉机齿轮类为代表.②回火索氏体型，选择中碳钢，采用淬火+高温回火。为↑耐磨性，可进行渗氮处理或高频感应加热淬火等表面硬化工艺方法。轴类零件为典型。1、对于要求良好综合力学性能，零件选材料的途径为：2、如要求更高的强度，则适当牺牲塑韧性。可选择中碳钢，采用低温回火工艺。如低合金中碳马氏体钢。农业机械较多.3、如要求高的弹性极限和屈服强度，又要有较高的塑性和韧度，则选择中高碳钢，进行中温回火。如弹簧钢。4、零件要求高强度、高硬度，高接触疲劳性和一定的塑性和韧度，可用高碳钢，淬火+低温回火。如轴承钢。辨证思维由于不同机器零件的服役条件和失效方式不同，主要的设计依据和失效判据也不同，所以应合理选择钢的含碳量和热处理工艺。应该明确:一般情况下，某零件制造的材料并不是唯一的；某一种钢采用不同的热处理工艺可以制造不同类型的零件；某一零件用某一材料制造，其热处理工艺方法也可能是多种的。3.2整体强化态钢基本情况整体强化态钢均承受拉、压、扭等交变应力，大部分是整体受力。其主要失效形式是疲劳破坏，主要性能指标σ-1、Rm、AK、KIC等。总体上要求良好的综合力学性能。主要应用主要制造轴、杆、轴承类等机器零件，如连杆、螺栓、主轴、半轴等。这类钢主要有调质钢、弹簧钢、轴承钢、低碳马氏体钢、超高强度钢等。汽车半轴a)一端法兰式;b)二端花键式;c)变截面台阶式M7150A砂轮主轴汽\拖用连杆下图T615K镗床镗杆上图S7332螺纹磨床丝杠3.2.1调质钢1、淬透性原则淬透性相同的同类调质钢，可互相代用0.25~0.45%C的合金钢经调质后室温性能变化屈服强度相同的碳钢和合金结构钢断面收缩率变化结构钢抗拉强度与硬度的关系结构钢是否淬透对屈强比的影响2、合金化及常用钢含碳量在0.25~0.45%。常用合金元素作用：Mn：↑↑淬透性，但↑过热倾向，↑回脆倾向；Cr：↑↑淬透性，↑回稳性，但↑回脆倾向；Ni:↑基体韧度，Ni-Cr复合↑↑淬透性，↑回脆；Mo：↑淬透性,↑回稳性，细晶,↓↓回脆倾向；V：有效细晶，(↑淬透性)，↓↓过热敏感性。在机械制造工业中，调质钢是按淬透性高低来分级的。DC为油淬临界直径低淬透性合金钢:DC30~40mm,有40Cr、40Mn2、42SiMn、35CrMo、42Mn2V等中淬透性合金钢:DC:40~60mm,有40CrNi、42CrMo、40CrMn、30CrMnSi等高淬透性合金钢:DC≥60~100mm,有37CrNi3、40CrNiMo、40CrMnMo等分析比较：40Cr→40CrNi→40CrNiMo淬透性回脆性回稳性塑韧性40CrNiMo40CrNi40Cr40CrNiMo40CrNi40Cr40CrNiMo40CrNi40Cr40CrNi40Cr40CrNiMo思考：以Mn代Ni，在性能上有什么差别？3、调质钢强韧化工艺的发展正确认识性能指标AK是一次大能量冲击性能指标，小能量多冲条件下工作的，很难正确反映。有些重要零件应以断裂韧度KIC来衡量。由于服役条件差异，钢最佳综合性能也不一定都是高温回火态好。零件在承受冲击能量大时，钢强度应低些，塑性和韧度宜高些；冲击能量较小时，强度应高些。以达最佳配合。综合强化工艺如复合热处理，即热处理强化、表面处理及形变强化工艺结合起来。如汽车转向节园角处进行高频淬火处理后，疲劳寿命提高了50倍冷变形锻造余热淬火如滚压、喷丸等冷变形方法的效果也比较好,能提高零件寿命既能节约能源、简化工序，又能细化组织，提高零件的强韧性。如柴油机连杆，已普遍采用锻造余热淬火工艺3.2.2微合金非调质钢一、微合金元素对强韧化的贡献非调钢组织：主要是F+P+弥散析出K。主要强化作用：细化组织和相间沉淀。微合金化元素：Ti、Nb、V、N等元素，V是主要的。多元适量，复合加入：Nb-V-N和Ti-V等—主要贡献是细化组织。二、获得最佳强韧化的工艺因素相间析出沉淀强化细化组织工艺参数是关键细化组织和沉淀析出要协调控制轧制控制冷却决定各种强化机制的效果三、组织因素对强韧性贡献的大小间隙型碳氮化合物沉淀析出的强化量一般认为可提高150~400MPa，甚至可达到600MPa。细化组织强化量大约在50~300MPa，脆化矢量为-0.66℃/MPa。其它强化机制都不同程度地降低韧度C、N原子的固溶强化，其脆化矢量分别为0.72℃/MPa、1.97℃/MPa；Mn和Cr元素的脆化矢量为零；Si为0.53℃/MPa。铁素体中固溶C、N量极小，Mn和Si固溶量有限。所以固溶强化相对是较小的。在强化机制上，不同的成分和工艺是不同的，所以使钢的组织、性能也有很大的差异。Mn对非调质钢韧性的影响V、Ti、Nb对强度的影响四非调质钢的优化设计通过合适的成分配比和工艺控制可达到同时提高强度和韧度的目的。+CU为冲击韧性,Rm为抗拉强度,D是珠光体片间距,fp是珠光体体积分数,dr为奥氏体晶粒大小,△Rmp为析出强化增量DDCUDRffCUfRCURmpppm,,),(mpmpmpmrrrmRRCURRddCUdR)(,)(,2/12/12/1牌号CSiMnCrVNbTi其他27MnSiVS6(德)0.260.701.500.100.02S1000(法)0.470.361.550.140.120.0650.03Mo30ΧΓΦΤ(俄)0.300.551.00.60≤0.2≤0.171524MoV(美)0.220.351.540.110.11MoNC33HFB(日)0.330.241.460.060.010.01NAHF50B(日)0.35~0.400.15~0.351.30~1.600.05~0.1545VNbN(中)0.440.140.790.100.110.02N复合微合金化非调质钢典型成分3.2.3弹簧钢一、弹簧的服役条件及性能要求弹簧功能储能减振弹簧类型板簧，螺簧；压簧、拉簧和扭簧等典型的螺旋弹簧及板簧压缩螺簧拉伸螺簧扭转螺簧单板弹簧椭圆板簧叠形板簧卡簧（圈）基本形状碟形弹簧截面扭杆弹簧a)实芯扭杆b)串联式扭杆板簧弯曲载荷螺簧扭转应力疲劳破坏弹性减退高的弹性极限σe、屈强比σs/σb→弹性↓高的疲劳强度σ-1→避免早期疲劳破坏有足够的塑性和韧性→不产生脆性断裂足够的淬透性→保证σe和整体强度其他要求:冶金质量、表面质量思考题：为什么弹簧要求有好的表面质量，如表面不允许有裂纹、折迭、严重脱碳等缺陷?二、常用弹簧钢及强化工艺合金化：含碳量在0.60~1.05％,低合金弹簧钢在0.40~0.74％C。+Si、Mn、Cr、V等合金元素.Cr和Mn主要是提高淬透性，Si提高弹性极限，V提高淬透性和细化晶粒.60Si2Mn:①Si、Mn复合,强化F,→↑σe，σs/σb可达到0.8~0.9；②Si/Mn↑淬透性，Ms不过分↓,开裂倾向小;③Si有效↑回稳性,但↑脱C倾向;④Si、Mn复合，脱碳和过热敏感性较硅钢、锰钢为小.常用硅锰板簧钢有60Si2Mn、55Si2Mn等常用螺旋弹簧钢有50CrVA等。50CrVA:①Cr、V均↑回稳性,韧性好；②V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;常用于受应力高的螺旋弹簧及300℃工作的阀门弹簧.基本工艺方式热成形弹簧冷成形弹簧大型弹簧热成形后+淬、回火小型弹簧冷变形或热处理强化+冷成形+低温退火火车缓冲压缩螺旋弹簧热成形的三种热处理工艺a)常规热处理b)热卷簧余热淬火c)高温形变热处理思考题：大型弹簧为什么要先成形后强化，小型弹簧先强化后成形?小型弹簧成形后为什么进行低温退火?热处理工艺淬火和中温回火回火屈氏体具有一定的冲击韧度，较高的弹性极限、屈强比和最高的疲劳强度关键问题:弹性参数和韧性参数之间的平衡或最佳配合。60Si2Mn钢力学性能与回火温度的关系55Si2Mn钢疲劳强度随回火温度的变化形变强化效果好板簧最适合形变强化:滚压、喷丸等冷变形强化强化都能有效地提高板簧使用寿命,如结合高温形变热处理则更好板簧喷丸作用举例:疲劳强度(MPa)板厚/mm未喷丸喷丸应力喷丸13390470800113507008503.2.4滚动轴承钢一、滚动轴承钢的工作特点及性能要求滚动轴承由内、外圈和滚动体（珠、柱、锥、针）及保持器组成。工作条件高负荷→最大接触应力可高达3000~5000MPa高转速→循环周次高达每分钟数万次；高灵敏度→精度要求高→磨损、麻点→噪音失效形式接触疲劳破坏，麻点、剥落滚动轴承及其受到载分布情况滚动轴承及其载荷分布情况滚针保持架组件滚子轴承圆柱滚子推力轴承圆锥滚子推力轴承特大型轴承大型圆锥滚子轴承离合器分离轴承各类标准轴承四列圆锥滚子轴承轮毂轴承性能要求高而均匀的硬度和耐磨性→足够淬透性和淬硬性，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；尺寸稳定性好→保证精度；一定耐蚀性→大气、润滑油腐蚀。关键因素化学成分、冶金质量和加工工艺二、轴承钢的冶金质量和合金化冶金质量要求纯净→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。接触面小应力集中大易产生裂纹材质纯净、组织均匀氧化物夹杂数量对轴承钢疲劳寿命的影响组织均匀碳化物细小均布。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→正火图GCr15钢淬火回火态500×（回火隐晶马氏体＋碳化物）图网状碳化物500×图带状碳化物500×图碳化物液析500×合金化高碳，加入Cr、Si、Mn等。如GCrl5、GCrl5SiMn。Cr含量?组织特点经合适的热处理，应得到组织：细小均匀的奥氏体晶粒度5~8级；M中含0.5~0.6%C；隐晶M基体上分布细小均匀的粒状K，体积分数约7~8%，一般可有少量AR。负荷较小时,为提高σ-1，可设计M中约含0.45%C，K体积分数约5%。→钢中总含碳量应↓图高碳铬轴承钢中马氏体含碳量与疲劳寿命的关系图GCr15轴承钢中未溶K量与疲劳寿命间的关系三、高碳铬轴承钢的热处理工艺特点是简单而要求高。热处理特点球化退火→为最终淬火作组织准备淬回火工艺参数对疲劳寿命有很大影响一般采用保护气氛加热或真空加热160℃保温3h或更长