第3章 机器零件用钢.ppt

第3章 机器制造结构钢n nRel60HRC；高接触疲劳强度→以免过早失效；高的弹性极限和一定韧度→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3.4.2 基本要求3.4.3 轴承钢的冶金质量 Ø纯净度和组织均匀性是轴承钢冶金质量的两个主要问 题 p Ø轴承钢由冶金质量缺陷造成的失效占总失效的65％ 这里是指非金属夹杂物和碳化物不均匀性所造成的冶 金质量缺陷 可见钢材的冶金质量对轴承的使用寿 命起着非常重要的影响1. 非金属夹杂物 （1）分类 根据化学成分： Ø简单氧化物：如Al2O3, SiO2 Ø复杂氧化物：包括尖晶石：MnO·Al2O3 钙的铝酸盐： CaO·2A12O3 Ø硅酸盐和硅酸盐玻璃： l FeO-mMnO-nAl2O3- pSiO2 Ø硫化物：如MnS，(Mn,Fe)S，CaS等 Ø氮化物：如AlN等 n 根据检验时金相形态来分类： p v脆性夹杂物 如刚玉(Al2O3),尖晶石,沿轧制方向排列呈点链 状分布 v 塑性夹杂物 在变形过程中有良好的塑性，沿轧向呈连续条状分布，有 MnS和铁锰硅酸盐 v球状不变形夹杂物 钙的铝酸盐 v v半塑性夹杂物： 主要是复相铝硅酸盐，含有Al2O3或尖晶石氧化物 （2）非金属夹杂物对轴承钢疲劳寿命的影响 p Ø其危害程度按刚玉、尖晶石、球状不变形夹杂、半塑 性铝硅酸盐、塑性硅酸盐、硫化物依次递减； p Ø理想的情况是： 数量少、尺寸小、塑性好、 细条状 均匀分布。

3）非金属夹杂物的形成与消除 p Ø脱氧产物 Ø凝固时析出的氧化物和硫化物 Ø残留在钢中的渣 Ø冶炼和浇注时钢液对耐火材料的浸蚀 Ø出钢时钢液的二次氧化等n 彻底脱氧是获得高纯净钢的必要条件 n 利用真空脱气、炉外精炼和电渣重熔，可极大 提高钢的纯净度 形 成消 除2. 轴承钢的K不均匀性 （1）轴承钢在使用状态下的显微组织 回火M + K（均匀细小） + Ar p l淬火时A晶粒度为9级以上； lM中C 量为0.45％ - 0.5％； l残留K量为 6% - 9%； lAr<5-7%图 高碳铬轴承钢中马氏体含碳量与疲劳寿命的关系（2）[淬火前的] 原始组织与碳化物粒度 p l淬火前（球化退火后的）原始组织应为（细）粒状珠光 体为最好铁素体+均匀细小K） p ü在淬火加热时，细颗粒K比粗颗粒碳化物更易溶解，可保 证合金度； 细颗粒状比片状K溶解慢，奥氏体不易粗化 ，淬火温度范围较宽； ü可保持少量的细颗粒状K； ü得到综合的性能 u为了获得均匀细颗粒的球化组织： p Ø控制球化退火工艺， Ø控制退火前的实际原始组织，尽可能消除碳化物缺陷 u常见的碳化物缺陷有以下几类： ü 液析碳化物 ü 带状碳化物 ü 网状碳化物 ü 大颗粒碳化物 */*621）带状碳化物ß枝晶偏析（富Cr和富C）引起的显微区骗局 的共析碳化物（二次碳化物），经压力加 工后，顺延展方向分布成条带状。

ß严重带状碳化物，黑白区域分明，带条宽度大，带与带之间也宽ß为了降低带状碳化物级别，主要措施是钢锭或钢坯进行扩散退火/*632）碳化物液析ß液相中碳及合金元素富集（液态偏析）产 生的亚稳态莱氏体共晶（一次碳化物）， 在热加工时被压碎并沿轧向呈条带状分布 ß消除和改善措施：Ø控制C、Cr中下限，加V；Ø低温浇注；Ø采用较大锻压比；Ø扩散退火；Ø热处理过程不能太慢/*643）网状碳化物ß沿A晶粒边界析出的呈网状分布的碳化物ß原始碳化物偏析大，易出现；停轧温度高 及冷却太慢，使网状碳化物的连续性和粗 大程度显著增加ß消除或减轻措施：Ø控制C、Cr中下限，Si、Mn有破坏和减小网状碳化物作用；Ø控制低的终轧温度和强化轧后冷却速度µ液析碳化物和带状碳化物 比较 p n均起因于钢锭结晶时产生的树枝状偏析 Ø液析碳化物属于偏析引起的伪共晶碳化物（一次碳化物）； Ø带状碳化物属于二次碳化物偏析 （固相冷却过程中） n成分 Ø带状碳化物）（Fe,Cr）3C； Ø液析碳化物（Cr, Fe ）7C3 + （Fe,Cr）3C n影响 Ø液析K尺寸大，硬度高，脆性大，危害大危害 降低轴承的使用寿命，增大零件的淬火开裂倾向，造成硬 度和力学性能的不均匀性（各向异性）。

p n预防与消除 1）控制成分（C，Cr%）； 2）大的锻（轧）造比来破碎碳化物； 3）采用高温扩散退火（1200℃左右） µ网状碳化物 p 形成 高碳铬轴承钢为过共析钢，网状碳化物是在热轧（锻） 加工后缓慢冷却过程中由二次碳化物以网状析出于奥氏 体晶界所造成的 原因 终轧温度过高或冷却速度过慢，或偏析程度大，在K密集 处形成危害 显著提高脆性，淬火开裂倾向增大；增加硬度和性能的不均 匀性，降低疲劳强度 p n预防与消除 1）工艺上提高冷速，降低终轧温度； 2）成分上适当降低C，Cr%； 3）网薄者，可直接用球化退火消除； 网厚者，应用正火消除 图 碳化物液析 500× 图 带状碳化物 500× 图 网状碳化物 500× 3.4.4 轴承钢的热处理 轴承钢的热处理包括： p v预先热处理 （扩散退火，正火）+ 球化退火 p v最终热处理 淬火 + 低温回火 +（稳定化处理 ）1. 正火 p n目的 è主要是消除网状K； è返修退火不合格品 p n工艺 对 粗网状K：较高的加热温度 930-950℃； 细网状K：850-870℃ 2. 球化退火 p n获得球状珠光体组织 球化退火加热为780—800℃ n轴承钢球化退火的冷却方式有两种： 1）一般球化退火（连续冷却） 按冷却速度20-30℃/h冷到650℃出炉 2）等温球化退火 在700℃等温2-4h，再炉冷到650℃，出炉（等温球化退火）。

轴承钢的球化退火工艺 3. 轴承钢的淬火和回火 p n目标： Ø提高硬度、强度、耐磨性和耐疲劳性，适当韧性 p n淬火：淬火温度为840℃ 1）碳化物，其含量为7%—9%； 2）防止氧化脱碳，一般采用保护气氛加热或真空加热 n回火 Ø160℃保温3h或更长，硬度在HRC62-66 4. 稳定化处理 p Ø精密轴承为保证尺寸稳定，要求消除Ar，一般采用淬火后 立即进行冷处理，然后低温回火 Ø Ø轴承在磨削加工后要进行消除磨削应力的回火，一般采用 120-150℃保温 3-5 h Ø Ø对要术特别精密者，在粗磨、细磨和精磨后各进行一次回 火，时间在15-24 h 五.特殊用途的轴承钢（简介） p v特大型轴承钢（外径大于450mm） 合金渗碳钢 20Cr2Ni4， 20CrNi2Mo， 20Cr2Mn2Mo v不锈轴承钢 马氏体不锈钢 9Cr18，9Cr18Mo v高温轴承钢 GCr15使用温度为180℃ 高速钢 W18Cr4V, W6Mo5Cr4V 高铬马氏体不锈钢： Cr15Mo4 高温渗碳钢：12Cr2Ni3Mo5 (430℃） 思考题:轴承钢在淬火热处理后,硬 度检验时不允许有明显的软点, 为什么?如出现软点,可能有哪些因 素造成的?由于零件较大，可能是在淬火过程中由于加热不足，保 温时间不充分或者冷却不良造成的淬火软点。

零件淬火后局部区域或整体的硬度低于现行标准的规定 值，这被称为淬火软点软点可分为体积软点和表面软 点体积软点延伸到轴承钢零件的深部，其硬度一般在 50HRC以下表面软点是指轴承钢零件表面有很薄（ 0.3~）一层屈氏体组织或小块的局部脱碳层但是因为 其层较薄，打洛氏硬度仅比正常值低2~3HRC3.5 低碳马氏体钢基 本 性 能抗拉强度σb ，1150~1500MPa ；屈服强度σs , 950~1250 MPa ；ψ≥40% ；伸长率δ，≥10% ；冲击韧度AK≥60J 这些性能指标和中碳合金调质钢性能相当，常规的力学性能甚至优于调质钢没有独立钢类，有专门开发的低碳M钢低碳结构钢采用淬火+低回工艺，可得到位 错板条M → 强度、韧度和塑性的最佳配合1 成分工艺特点0.15~0.25%C，→以保证淬火后获得板M+ Cr、Mo、Si、Mn、V等 → ↑淬透性等性能15MnVB、20SiMn2MoV等是我国研制开发的零件断面尺寸↑，心部可 能淬不透，→综合性能↓应根据零件的尺寸大小来 选择相应淬透性的钢成 分 特 点工 艺 特 点高温加热较长t保温高速冷却2、低碳马氏体结构钢及应用 应 用在矿山、汽车、石油、机车车辆、农业机械等 制造工业中得到了广泛的应用实 例石油钻机吊环(卡) 20SiMn2MoV代35钢材料 工艺 重量kg σb /MPa AK /J35 正火 137.4 550 5020SiMn2MoV 淬火 29 1600 110~120局 限 性工作温度<200℃;强化后难以进行冷加工\焊接 等工序; 只能用于中小件;淬火时变形大,要求严 格的零件慎用.吊卡实物外形3.6 表面强化态钢 零件在滑动、滚动、接触 应力、摩擦等工况下工作磨损和接触疲劳 是主要失效形式表面应具有高硬度、高接 触疲劳抗力和良好耐磨性， 而心部有一定塑韧性渗碳钢、渗氮 钢、感应加热淬 火钢等这类钢适宜制造表面和心部性能要求不同的零件，通 过某种工艺使零件表面硬度高耐磨而心部具有较好强韧 性配合以满足要求。

典型零件有齿轮、凸轮等各种类型的齿轮3.6.1合金渗碳钢渗碳钢主要用于制造要求高耐磨性、承受高接 触应力和冲击载荷的重要零件，如汽车、拖拉机 的变速齿轮，内燃机上凸轮轴、活塞销等一、渗碳钢的服役条件及对性能要求ß在工作时零件整体受到周期性变化的扭转或弯曲力的作用 ，并且零件与零件表面之间还有相对的摩擦，并有高的接 触应力ß这些零件对材料的机械性能要求： （1） 表面具有高的弯曲、接触疲劳强度和高硬度、高的耐 磨性2） 心部具有足够的韧性和强度3）具有良好的热处理工艺性能，如高的淬透性和渗碳能 力，在高的渗碳温度下，奥氏体晶粒长大倾向小以便于渗 碳后直接淬火Chapter 3 机械制造结构钢二、渗碳钢的化学成分特点 1 低碳一般在0.12%-0.25%主要目的是为了保证心部有良好的 韧性 2 合金化主要合金元素 Mn、Cr、Ni;辅助合金元素 Mo、 W、Si、V、Ti、B等 （1）提高钢材的淬透性 (Mn、Cr、Ni) ，从而提高心部的强 度和韧性 V、Ti 、 Mo、W，碳化物形成元素，这些元素 通过形成稳定的碳化物来细化奥氏体晶粒，同时还能提高 渗碳层的耐磨性 3.3.1 渗碳钢Chapter 3 机械制造结构钢（2）根据渗碳工艺碳化物形成元素对渗碳的作用：（a）增大钢表面吸收碳原子的能力；（b）增大渗碳层表面碳浓度；（c） V、Ti阻碍碳在奥氏体中的扩散。

前两因素加速渗碳，有利于渗碳层的加厚，而后一因素不利于渗碳层的加厚 总的效果是铬、锰、钼等元素加大渗碳层的厚度，钛减小渗碳层的厚度 Chapter 3 机械制造结构钢3.3.1渗碳钢ß非碳化物形成元素对渗碳的作用与碳化物形成元素相反： ß总的效果是镍、硅、铜等元素减慢渗碳，不利于渗碳层的 加厚 ß碳化物形成元素含量过多，将在渗碳层中产生许多块状碳 化物，造成表面脆性所以合金元素的含量要适当ß锰是一个较好的合金元素，既可以加速渗碳层增厚，又不 过多提高渗碳层的含碳量ß对于一般零件:(1)渗碳层的含碳量限制为0.8～1.1%C；(2)渗碳层的深度控制在0.6～2.0mm之内 Chapter 3 机械制造结构钢3.3.1 渗碳钢图3-2 沿钢的渗碳层深度，碳的浓度分布 1-碳钢 2-以碳化物元素合金化的钢 3-以非碳化物元素合金化的钢 Chapter 3 机械制造结构钢925℃渗碳时，合金元素对渗碳。