机械结构用钢

5.3Steelsformechanicalstructure机械结构用钢5.3.1Briefintroductionofstructuralsteels结构钢综述5.3.2Steelsforhardeningandtempering调质钢5.3.3Casehardeningsteels表面硬化钢5.3.4Ultrahigh-strengthsteels超高强度钢5.3.5Springsteels弹簧钢5.3.6Bearingsteels滚动轴承钢5.3.7Free-cuttingsteels易削钢5.3.8Caststeels铸钢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。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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，温度在-50℃~+100℃范围之间。一般机械零件的主要失效形式是变形和断裂。为保证机械零件正常工作，必须要求有良好力学性能，如足够高的强度、塑性、冲击韧度和疲劳强度等。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。M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。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）。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在机器结构钢中的作用主加元素：（B）、Mn、Cr、Si、Ni提高淬透性，强化F，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A的碳量不仅直接决定了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≤229HBS）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。4.碳含量与热处理工艺的选择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。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。5.机械结构用钢的分类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）、超高强度钢、弹簧钢、滚动轴承钢及易切削钢等。5.3.2Steelsforhardeningandtempering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，要求其具有良好的综合力学性能（即既要有高强度，又要求良好塑、韧性）。曲轴连杆螺栓及其热处理工艺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。4.常用调质钢（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。5.调质零件用钢的新进展（1）低碳马氏体钢表5-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≤40◎为进一步提高劳动生产率、节约能源、降低成本，近年来世界各国正在研制开发非调质钢，以取代需淬、回火的调质钢。非调质钢的化学成分特点是在中碳碳钢成分的基础上添加微量(WMe＜0.2%)的V、Ti、Nb等元素，所以俗称微合金非调质钢。其突出优点是不需淬、回火处理，它通过控制轧制或锻造工艺，在空冷条件下即可使零件获得较满意的综合力学性能，其显微组织为F+P。◎其强韧化机制是靠微合金元素在热变形加工后冷却时，从F中析出弥散的K或氮化物质点形成沉淀强化，同时又通过控制P与F量的比例与P的片层间距、细化晶粒等途径，来保证其强度和良好韧性的配合。目前该钢存在的主要缺点是塑性、冲击韧性偏低，因而限制了它在强冲击条件下的应用。◎为了满足汽车工业迅速发展对高强韧性非调质钢的需要，近年来又发展了B型和M型微合金非调质钢，这两类钢在锻轧后的冷却中即可获得B和M或以M为主的组织，其成分特点是降碳并适当添加Mn、铬、钼、钒、硼，使钢在获得高于900MPa抗拉强度的同时保持足够的塑性和韧性。（2）中碳微合金非调质钢（2）中碳微合金非调质钢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5-910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/HBSYF45V（非调质钢）45（正火）45（调质）77965278447336051916.523.019.0334043273586220～240170～195210～2405.3.3Casehardeningsteels表面硬化钢1.概述此类钢适于制造通过某种热处理工艺使零件表面坚硬耐磨而心部韧性适当的零件，由于表层具有较高的残余压应力而使其疲劳性能显著提高。欲达表硬内韧效果，有以下三种选择：（1）承受剧烈冲击、接触应力较大且要求耐磨的零件，宜采用低碳钢渗碳淬火工艺；（2）圆柱形或形状较简单零件，采用中碳钢的高频（或中频）感应加热表面淬火工艺；（3）机床主轴、丝杠和发动机曲轴等要求尺寸精确的零件，一般采用渗氮处理工艺，加热温度低，热处理变形小。此外，激光表面热处理等新工艺也逐步被采用。2.渗碳钢（1）工作条件、常见失效形式与性能要求此类钢主要用于在承受较强烈摩擦磨损和较大冲击载荷条件下工作的机械零件，如汽车、拖拉机上的变速齿轮，内燃机上的凸轮、活塞销等。此类零件常见的失效形式主要有工作表面承受较大的接触疲劳载荷而引起的局部破坏（俗称麻点剥落），承载较重而引起的工作表面过度磨损，或是由于工作时承受的冲击载荷过大而导致的断裂等。因此，这类零件工作时要求其表面硬而耐磨，而零件心部则要求有较高的韧性和强度以承受较大冲击载荷作用，即“表硬内韧”是其主要性能要求。2.渗碳钢（2）化学成分特点低碳(Wc=0.1％～0.25%)：实际为渗碳件心部的含碳量，这对保证工件心部有足够塑、韧性是十分必要的。若碳含量过低，表面的渗碳层易于剥落;碳含量过高，则心部塑、韧性下降，并使表层的压应力减少，从而降低弯曲疲劳强度。合金化原则：其主加元素为Cr、Mn、Ni、Si、B等，提高心部淬透性和强化F;辅加元素W、Mo、V、Ti等，用以细化晶粒、进一步提高心部淬透性。2.渗碳钢（3）热处理特点◎预先热处理一般为正火；◎最终热处理一般为渗碳后进行淬火及低温回火，以获得高硬度、高耐磨性的表层及强而韧的心部。图＃渗碳后常用热处理工艺1－直接淬火法；2－一次淬火法；3－二次淬火法（4）渗碳钢经最终热处理后的组织特征经最终热处理后的组织应为:表层由回火M加粒状合金K及少量残余A组成;心部由低碳回火M及少量F(淬透时)或F加M(未淬透时)组成。（5）常用渗碳钢①低淬透性(低强度)渗碳钢(D0水20～35mm，WMe＜2%,σb＜800MPa）常用钢种有20(U20202)、20Cr(A20202)等，其淬透性低，只适用于受力不大、对心部强度要求不高的小型、耐磨渗碳件，如套筒、活塞销等。（5）常用渗碳钢②中淬透性(中强度)渗碳钢(D0油25～60mm，WMe=2～5%，σb=800～1200MPa)◎常用钢种有20CrMnTi(A26202)等，这类钢的淬透性与心部强度均较高，可用于制造一般机器中较为重要的渗碳件，如汽车、拖拉机变速齿轮及活塞销等。因含有Ti或V等阻碍A晶粒长大的元素，所以渗碳时过热倾向较小，可在渗碳后预冷至860℃左右直接淬火、然后低温回火。（5）常用渗碳钢③高淬透性(高强度)渗碳钢(D0油＞100mm，WMe＞５％，σb＞1200MPa)◎常用钢种有18Cr2Ni4WA(A52183)等。由于具有很高的淬透性、心部强度很高，因此这类钢可用于制造截面较大的重负荷渗碳件，如航空发动机变速齿轮、轴等。（5）常用渗碳钢某20CrMnTi钢制CA-10B载重汽车变速箱中间轴的三档齿轮的加工工艺路线如下:下料→锻造→正火→加工齿形→渗碳(930℃)、预冷淬火(830℃)+低温回火(200℃)→磨齿。（6）新的进展◎近年来，生产中采用渗碳钢直接淬火并低温回火，以获得低碳M组织，用以制造某些要求综合力学性能较高的零件，如传递动力的轴、重要的螺栓等。在某些场例：20CrMnTi钢制汽车变速齿轮热处理工艺曲线3.渗氮钢简介渗氮钢多为碳含量偏低的中碳铬钼铝钢（如35CrMo、42CrMo、38CrMoAlA钢等）。渗氮钢零件一般经过调质处理、切削加工和在500～570℃之间的氮化处理过程。零件经渗氮处理后具有以下特点：（1）不需再进行任何热处理即可得到非常高的表面硬度，因而耐磨性能优越，咬死和擦伤的倾向小；（2）有一定的耐热性，在低于渗氮温度下加热时可保持高硬度，改善抗腐蚀性能；3.渗氮钢简介（3）可提高钢件的疲劳强度，改善对缺口的敏感性。（4）由于氮化处理温度较低，热处理变形小，因此特别适合于尺寸精度要求较高或最终热处理要求变形小的机械零件（如机床丝杆、镗杆，大马力内燃机曲轴等）。应当说明的是，随着渗氮新工艺的发展，如氮碳共渗、离子氮化等工艺的采用，可通过氮化处理工艺改善性能的钢种逐渐增多，如中碳合金结构钢、铬钢、铬钼钢、铬钒钢、镍铬钼钢、铬锰钛钢、铬含量（质量分数）5%的模具