第三章-黑色金属

学习目标：1.了解铁碳合金相图2.了解钢的热处理及其表面改进3.了解钢的合金化4.了解工业用钢及其铸铁5.掌握典型汽车零件的选材及其热处理金属材料I.黑色金属：铁、铁合金II.有色金属：黑色金属以外的金属或合金黑色金属材料碳钢和铸铁是现代轿车工业极为重要的金属材料，它们都属于以铁和碳两个组元组成的铁碳合金。第一节铁碳合金相图1、铁碳合金相图定义：在极其缓慢的加热或冷却的条件下(称之为平衡态)，铁碳合金的成分与组织状态、温度三者之间的关系及其变化规律的图解称之为铁碳合金相图。相图通过实验测绘形成。2．Fe-Fe~C合金组织、成分和温度的变化规律按照相图，碳的质量分数分别是：工业纯铁wc≤0．0218％，碳钢Wc0．0218％～2。11％，白口铸铁Wc2．11％～6．69％.3．Fe-Fe3C相图的应用作为制订热加工工艺的重要依据。根据组织(常指室温组织)、性能和成分的变化规律。需塑性、韧性良好的材料，应选用低碳范围的钢；受力较复杂的机械结构零件，如轴类零件等，要求强度、塑性和韧性都较好即具有综合力学性能的材料，应选用中碳范围的钢；需要高强度、高耐磨性好的各种工具，则应选用高碳范围的钢等。汽车生产上，对于汽车齿轮类零件的选材，由于齿轮受力较大，受冲击频繁，要求表硬内韧的力学性能，因而根据铁碳相图，应采用低碳钢(如20Cr、20CrMnTi等)，再采取表面处理等工艺，使其具有较好的冲击韧度；对于综合力学性能要求较高的轴类零件，则采用中碳钢；对于汽车上承受载荷及振动的螺旋弹簧，则需选用n／c：0．65％～0．85％的弹簧钢，可以获得高弹性、高韧性的力学性能。第二节钢的热处理强化及表面改进热处理：是将固态金属或合金通过加热、保温和冷却以获得所需组织结构与性能的工艺。目的：在于改变或改善金属材料的使用性能和工艺性能，挖掘金属材料的性能潜力，提高产品的质量，延长其使用寿命。2、热处理分类热处理一般分为普通热处理和表面热处理。①普通热处理又称整体热处理，主要包括退火、正火、淬火和回火等。②表面热处理包括表面淬火和化学热处理等。③化学热处理：渗碳、渗氮、碳氮共渗等。过程：加热、冷却、保温目的：细化晶粒、均匀组织、降低硬度、消除内应力等。3、普通热处理1、退火将金属材料加热到一定温度，保温后缓慢冷却的热处理工艺。2．正火将零件加热到Ac3或Acc，以上30”50t，保温一定时间(完全奥氏体化)后在空气中冷却的热处理工艺。3、淬火钢的淬火、回火通常作为最终热处理。常用淬火介质是水、油和盐。4、回火将淬火零件重新加热到某一温度，保温后以一定的冷速冷至室温的工艺称为回火。淬火后必须立即回火，间隔时间不宜超过一小时。四、表面热处理方法：表面淬火和化学热处理两类。表面淬火：只改变表面组织而不改变表面成分；化学热处理：同时改变表面成分和组织。1．表面淬火感应加热表面淬火火焰加热表面淬火等。2．化学热处理指将零件放人一定温度的活性介质中，使—种或几种元素渗入零件表面以改变表层的化学成分、组织和性能的一种表面热处理工艺。(1)渗碳生产中应用最广的是气体渗碳。将零件放入密封的渗碳炉内，炉内加热温度为920～940℃，滴人煤油、丙酮等液体介质，使其在高温下分解产生活性碳原子而被零件表面吸收。渗碳主要用于强烈磨损并承受较大冲击载荷的零件。如汽车传动齿轮、轴颈、活塞销、十字轴等。(2)渗氮渗氮比渗碳具有更高的硬度、耐磨性、疲劳强度及更好的耐蚀性、硬性，且变形小，主要用于精密齿轮、精密丝杆、排气阀、精密机床主轴等。3、新的热处理工艺1．可控气氛热处理2．真空热处理真空热处理是指在真空中进行的热处理。真空热处理的零件表面不氧化、不脱碳、表面光洁、变形小，可显著提高零件耐磨性和疲劳强度。3．形变热处理形变热处理是将塑性变形同热处理有机地结合在一起，获得形变强化和相变强化综合效果的强化方法。4．热喷涂技术热喷涂技术是表面强化处理技术的一种。是指以某种热源，将粉末或线状材料加热到熔化或熔融状态后，用高压高速气流将其雾化成细小的颗粒喷射到零件表面上，形成一层覆盖层的过程。5．气相沉积技术气相沉积是利用气相中发生的物理、化学过程，改变零件表面成分，在表面形成具有特殊性能的金属或化合物涂层。第三节钢的合金化合金钢定义：在碳钢的基础上加入一种或数种合金元素后形成的新钢件。合金元素：就是炼钢时特意加入的元素，常用符号Me表示。一、合金元素在钢中的作用1、合金元素与铁的作用大多数合金元素都能固溶于铁素体中而形成合金铁素体，产生固溶强化。特点：随着合金元素含量的增加，其强化效果将呈直线上升趋势。其中硅、锰的强化作用最显著。2、合金元素与碳的作用合金碳化物特点：熔点高、硬度高、稳定性好，对钢的组织和性能将产生很大的影响。二、合金元素对钢性能的作用1、铬不锈钢不锈钢最基本的合金元素是铬。铬在氧化性介质中能形成致密而完整的氧化膜(Cr203)，防止钢表面被进一步氧化和腐蚀。凡能抵抗大气、水、酸、碱、盐等介质腐蚀的钢统称为不锈钢。、2、铬镍不锈钢3、耐热钢主要用于制造在高温下使用的零件。加入铬、硅、铝等合金元素，以形成一层致密完整、高熔点并覆盖于零件表面的氧化膜。锅炉使用零件。4、耐磨钢典型的耐磨钢为高锰耐磨钢，简称高锰钢，常存杂质元素：硅、锰、硫、磷四种。(1)锰和硅锰和硅在钢中是一种有益元素。它们能溶人铁素体中形成固溶体，同时锰还能与硫形成MnS(1620cC)，以减少硫对钢的有害作用。(2)硫和磷硫与铁形成的化合物FeS与铁形成低熔点(985℃)的共晶体—称为热脆。磷——低温下的塑性和韧性下降，使钢变脆，称之为冷脆。三、碳钢分类P651．碳钢的分类(1)按碳的质量分数:低碳钢u／c≤0．25％；中碳钢0．25u／c≤0．60％；高碳钢toc0．60％；(2)按有害杂质硫、磷、锰的含量：普通钢u／s≤0．055％，2uy≤0．045％；优质钢u／s≤0．040％，tu，≤0．040％；高级优质钢n／s≤0．03％，u／y≤0．035％。(3)按用途：碳素结构钢、碳素工具钢。(4)按成形方法：加工用钢、铸造用钢。(5)按脱氧程度：沸腾钢、镇静钢、半镇静钢等。四、常用碳钢(1)碳素结构钢碳素结构钢一般属于低碳钢，有良好的可塑性和可焊性，并具有一定的强度。通常以型材、板材、管材等形成用于桥梁、建筑等工程构件及机械零件。在汽车零部件中，可用碳素结构钢制造的有螺钉、螺母、垫圈、法兰轴、后桥后盖、制动器底板、车箱板件、备胎托架、发电机支架、曲轴前挡油盘、拉杆、销、键等。(2)优质碳素结构钢一般需经过热处理后使用，较高的力学性能和工艺性能，应用于制造较重要的机械零件。如汽车后桥齿轮和变速箱齿轮等。(3)碳素工具钢剪刀、锯条、大锤、刮刀、剃刀等。(4)铸钢机架、轴承座、连杆、箱体、曲轴、缸体、飞轮等。五、典型汽车零件选材p931、汽车齿轮2、汽车轴类零件3、汽车弹簧4、汽缸体与缸盖5、缸套6、活塞、活塞销、活塞环7、连杆8、气门9、车身、纵梁、挡板1、汽车齿轮选材P91要求：高疲劳强度，齿心有足够的冲击韧度。工艺要求：渗碳或氮、淬火、回火、喷完处理曲轴齿轮、差速器齿轮2、汽车轴类零件选材P93性能要求：①力学性能；②高疲劳强度；③足够淬透性，放磨损失效；④良好的切削加工性能；内燃机曲轴半轴3、汽车弹簧弹簧基本用途：弹簧性能要求：弹性较高气门弹簧汽车板簧课后作业：1、汽车轴类零件的性能要求是什么？2、齿轮材料的主要性能要求是什么？3、弹簧材料的性能要求是什么？4、活塞组的性能要求是什么？4、汽缸体与缸盖性能要求：强度、刚度耐高温高压、耐腐蚀质量轻良好的切削性，价格合适5、缸套性能要求：耐磨性强6、活塞、活塞销、活塞环失效方式：变形、断裂、磨损性能要求：活塞：膨胀系数小、导热性高、密度小、耐腐蚀等铝硅合金课后作业：1、轴类零件性能要求是什么？2、齿轮材料性能要求是什么？3、弹簧材料的性能要求是什么？4、活塞组性能要求是什么？