调质钢
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第四节 调质钢
调质钢 是指经过调质处理后使用的碳素结构钢 和合金结构钢。 钢调质后的性能 ： 具有高的强度、良好的塑性与韧性的配合，即 具有良好的综合力学性能。 应用 在机械制造中最常用的一类钢。如柴油机连杆 和连杆螺栓及曲轴、汽车半轴、机床主轴等。
一、调质钢的化学成分
（一）调质钢的含碳量 WC=0.25%~0.5%
※ 高的疲劳强度 ※ 具有足够的韧性 ※ 一定的淬透性 ※ 耐热性和耐蚀性
二、弹簧钢的化学成分
（一）含碳量（WC） 采用较高的含碳量保证高弹性极限和疲劳强度。 碳素钢： WC 0.6%~0.75% 合金钢： WC 0.46%~0.70% （二）合金元素 合金弹簧钢中主要含有Si、Mn、Cr、V等 主要作用 1、提高淬透性 Si、Mn、Cr 2、强化铁素体 Si、Mn、Cr 3、提高回火稳定性 Cr、V 4、提高高温强度 Cr、V
（二）连杆和连杆螺栓 1、连杆的功用、工作条件性 能要求： （１）功用：连接曲轴和活塞， 将作用于活塞上的力传给曲轴 （２）工作条件：小端往复直 线运动质量惯性力，气体压力， 摆动惯性力。以上各力大小和 方向不断变化易引起连杆疲劳 破坏。
受力分析：
连杆：大压小拉
爆排进压
衬套 铜合金
连杆1
连杆 螺栓 2
3
螺 帽
轴瓦
巴氏合金
（３）性能要求： a.强度和刚度。 b.尽量减轻连杆质量。c.大端及 小端轴承可靠，耐磨性好。d.易于制造，成本低。 2、连杆的失效形式：断裂
3、连杆的结构 连杆组包括：连杆， 连杆盖，连杆螺栓， 连杆轴瓦，小端衬套。 连杆本身又分为：连 杆小端，连杆杆身和 连杆大端三部分。
4、连杆材料： 低速船用柴油机：选用优质碳素钢 如45钢 高速强载柴油机：选用优质高强度合金钢 如42CrMo 中等强度柴油机：选用合金结构钢 如40Cr
２．Cr钢、Cr-Mo钢、Cr-Mn钢、Cr-V钢 Cr的加入主要是增加淬透性，强度有所提高， 对塑性、韧性影响不大；42CrMo、35CrMo、 40CrV钢中的Mo、V不仅能增加淬透性，也能 细化组织，防止第二类回火脆性，提高塑性和 韧性；Cr-Mn钢中同时加入Cr、Mn两种元素， 能更好的提高钢的淬透性和强度。 ３．Cr-Ni钢、Cr-Ni-Mo钢 钢中同时加入Cr、Ni两种元素，可获得更好的力 学性能，高的强度、韧性和塑性，同时也有很好 的淬透性，但Cr-Ni钢有回火脆性。
四、弹簧的生产工艺路线
（一）热轧弹簧钢 材料选择（p149表6-7） 65Mn：淬透性好，强度高，但有脱碳敏感性、 过热倾向和回火脆性，淬火时易开裂。 硅锰弹簧钢如55Si2Mn、60Si2Mn，硅含量高， 提高弹性极限和回火稳定性。 热处理 淬火+中温（460℃~540 ℃ ）回火，得到回火 屈氏体
处理后硬度为180~200HBS，便于机加工。 1、退火 （合金钢）完全退火、不完全退火和等温退火
2、正火 （碳素钢或合金元素少的钢） 3、（正火+）高温回火（650~700℃）（合金钢） 4、调质（对强度和硬度要求较低，调质后进行机加工， 加工后不再进行热处理）
（三）调质处理
调质：淬火+高温回火 组织：回火索氏体（回火S）
1．模数m为3.5的汽车圆柱直齿轮，承受大的冲击，要求心部 性 能：σb＞900MPa,σs＞700MPa,Ak＞50J；要求表面硬度达到 58~60HRC，问选用哪一种钢制造为宜？其生产工艺路线如何安 排？并说明其热处理工艺方法及主要目的。 2．某型号柴油机的凸轮轴，要求凸轮表面有高的硬度 （>50HRC），而心部具有良好的韧性（Ak>40J），原采用45 钢调质处理再在凸轮表面进行高频淬火，最后低温回火，现因 工厂库存的45钢已用完，只剩15钢，拟用15钢代替。试说明 （1）原45钢各热处理工序的作用及其热处理后得到的组织； （2）改用15钢后，仍按原热处理工序进行能否满足性能要求？ 为什么？ （3）改用15钢后，为达到所要求的性能，在心部强度足够的 前提下应采用何种热处理工艺？ 3．已知直径为Φ65mm的轴，要求心部硬度为30~40HRC，轴 颈表面硬度为50~55HRC，现库存45、20CrMnTi、40CrNi、 40Cr四种钢，问选用哪种钢制造为宜？其生产工艺路线如何安 排？说明其中的热处理工序的主要目的并画出其工艺曲线，注 明加热温度、冷却介质。
第五节 弹簧钢
一、弹簧对性能的要求
弹簧主要有螺旋弹簧和板簧两种，它是利用弹 性变形来储存能量、缓和振动和冲击的，承受的载 荷也属于变动载荷。 （一）、受力分析 板簧 ：承受弯曲、剪切应力和微动磨损 螺旋弹簧 ：承受扭转、剪切应力
（二）、失效形式：主要是疲劳断裂。 （三）、对弹簧的性能要求
※ 较高的弹性极限
（3）失效形式 断裂、磨损
2、材料
45、球铁
40Cr、45Mn2、50Mn2 35CrMo、42CrMo、18Cr2Ni4WA 为提高耐磨性，球墨铸铁进行正火或高频淬火， 钢的要调质，高频淬火或氮化。轴颈表面要精 磨，抛光，以防出现裂缝。
3、加工路线
下料→锻造→调质→机加工→感应淬火（或化学 热处理）→（滚压） →精加工 调质安排在锻造和机加工之间； 机加工后对轴颈进行感应淬火或化学热处理 （渗氮），提高耐磨性； 对过度圆角进行滚压提高疲劳强度，防止疲 劳断裂。
四、典型零件应用举例
内燃机关键零件 曲轴、连杆、连杆螺栓 齿轮、凸轮轴等 1 汽缸体 2 活塞 3 进气阀 4 排气阀 5 连杆 6 曲轴
8
3
4 1 2 5
7 凸轮
10 齿轮
8 顶杆 9 齿轮
7
6
内燃机装配动画
9 10
9
（一）曲轴
1、曲轴的功用、工作条件及失效形式 （１）功用：汇集所有气缸内燃烧气体所做的功， 以旋转的形式输出。
性能：强度、塑性和韧性 均较高； 缺口敏感性小； 接触疲劳强度、 耐磨性较低。
回火S
1、淬火 加热: 在箱式炉（批量较小）或连续炉（大批量） 中加热到单相奥氏体（830~880 ℃ ）保温。
冷却：碳素钢水冷；合金钢油冷或水淬油冷。
箱 式 电 阻 炉
2、回火
回火是控制其力学性能的关键，一般采用 500~600 ℃ 回火。回火后采用水冷、油冷 （防止第二类回火脆性）或空冷。
三、常用弹簧钢
65Mn钢中锰含量为0.90%～1.20%，属于较高 锰含量的优质碳素结构钢，这类钢淬透性较好， 强度较高，但有脱碳敏感性、过热倾向和回火 脆性，淬火时容易开裂。 55Si2Mn、60Si2Mn属于硅锰弹簧钢，由于硅含 量较高，可显著提高弹性极限和回火稳定性。 55SiMnMoV为新钢种，有更好的淬透性和更高 的强度，可替代55CrVA钢制造大截面汽车板簧 和重型车、越野车的板簧。
回火T
注意： （1）淬火加热温度为830~880 ℃ ，加热时不容许 脱碳，以免降低钢的疲劳强度，严格控制炉内气 氛，缩短加热时间。 （2）弹簧热处理后要进行喷丸处理，使其表面强 化，并且使表层产生残余压应力，提高弹簧的疲 劳寿命。 板簧加工路线 扁钢剪断 →加热压弯成型后淬火 →中温回火 →喷丸 →烤漆
表面局部淬火
对许多零件通过调质 处理能满足强韧性要 求，但局部对耐磨性 要求高，满足不了耐 磨性要求。对局部进 行感应淬火。
感应淬火部位
三、常用调质钢及性能特点
（一）碳素钢 力学性能不高，只适用于尺寸和负荷较小的零件 各种调质钢的性能特点和用途见表6-6（P146 ~ 147） （二）合金钢 常用的合金调质钢通常包括三种系列： 1．Mn钢、Mn-B钢 主要合金元素Mn的作用是强化铁素体和增加淬 透性。Si-Mn钢的强度较好，但韧性和塑性较差， 退火后硬度偏高。
在相同回火温度下，含碳量越高，硬度、强度 也越高，但塑性和韧性降低。碳含量过低使硬 度不足，过高使韧性不足。所以调质钢的含碳 量在中碳范围。
（二）调质钢的合金化
合金调质钢中的主加元素有Cr、Ni、Mn、Si等， 它们大都溶入铁素体，使铁素体得到强化，并增 加钢的淬透性。
二、调质钢的热处理特点
（一）生产工艺路线 下料 锻造 预备热处理 机加工 （调质） （表面局部淬火） 精加工 成品 （二）预备热处理
（２）工作条件(受力分析)
Ａ.气体压力往复质量惯性力，回转离心力， 容易产生很大的交变弯曲应力和扭曲应力。 Ｂ.曲轴本身形状复杂，截面变化大，应力集 中严重。 Ｃ.轴颈表面在高比压下高速运动，而且载荷 时冲击的，不容易建立稳定的油膜。轴颈处还承 受摩擦力。 Ｄ.曲轴为细长轴，若刚度不足，容易产生变 形和扭转振动。
板簧加热炉
板簧淬火线
板簧回火炉
板簧喷丸机
板簧疲劳试验机
板簧烤漆线
（二）冷拉（轧）弹簧钢
材料选择 碳钢（65、65Mn、75）或合金钢（ 55Si2Mn、 60Si2Mn ） 制造过程
（1）“索氏体化”：奥氏体化后在500 ℃~550 ℃ 的铅浴中等温处理得到索氏体组织（加少 量屈氏体）。
（2）冷拉成细丝或冷轧成薄带。 （3）加工成型后进行去应力退火。
5、连杆加工路线： 下料→ 锻造→调质→机加工
6、连杆螺栓受力分析：拉应力 7、连杆螺栓材料：40Cr钢 8、连杆螺栓加工路线： 下料→锻造→退火（或正火）→机加工 →调质→检验硬度→加工螺纹→装配 9、连杆螺栓及其热处理工艺
ห้องสมุดไป่ตู้
连杆组件用材：
铜合金
45、40Cr、42CrMo
锡基或铅基巴氏合金 45、40Cr、 42CrMo
45、40Cr、42CrMo 40C钢
（三）齿轮和凸轮轴 1、受力特点：受力都较小，凸轮磨损。 2、 材料：碳钢即可，如45钢 3、齿轮工艺路线： 下料→锻造调质机加工（感应淬火） →装配 4、凸轮轴工艺路线： 下料→锻造调质机加工 感应淬火（凸轮）精加工→装配
齿轮
凸轮轴
配气机构的装配动画
调质钢 是指经过调质处理后使用的碳素结构钢 和合金结构钢。 钢调质后的性能 ： 具有高的强度、良好的塑性与韧性的配合，即 具有良好的综合力学性能。 应用 在机械制造中最常用的一类钢。如柴油机连杆 和连杆螺栓及曲轴、汽车半轴、机床主轴等。
一、调质钢的化学成分
（一）调质钢的含碳量 WC=0.25%~0.5%
※ 高的疲劳强度 ※ 具有足够的韧性 ※ 一定的淬透性 ※ 耐热性和耐蚀性
二、弹簧钢的化学成分
（一）含碳量（WC） 采用较高的含碳量保证高弹性极限和疲劳强度。 碳素钢： WC 0.6%~0.75% 合金钢： WC 0.46%~0.70% （二）合金元素 合金弹簧钢中主要含有Si、Mn、Cr、V等 主要作用 1、提高淬透性 Si、Mn、Cr 2、强化铁素体 Si、Mn、Cr 3、提高回火稳定性 Cr、V 4、提高高温强度 Cr、V
（二）连杆和连杆螺栓 1、连杆的功用、工作条件性 能要求： （１）功用：连接曲轴和活塞， 将作用于活塞上的力传给曲轴 （２）工作条件：小端往复直 线运动质量惯性力，气体压力， 摆动惯性力。以上各力大小和 方向不断变化易引起连杆疲劳 破坏。
受力分析：
连杆：大压小拉
爆排进压
衬套 铜合金
连杆1
连杆 螺栓 2
3
螺 帽
轴瓦
巴氏合金
（３）性能要求： a.强度和刚度。 b.尽量减轻连杆质量。c.大端及 小端轴承可靠，耐磨性好。d.易于制造，成本低。 2、连杆的失效形式：断裂
3、连杆的结构 连杆组包括：连杆， 连杆盖，连杆螺栓， 连杆轴瓦，小端衬套。 连杆本身又分为：连 杆小端，连杆杆身和 连杆大端三部分。
4、连杆材料： 低速船用柴油机：选用优质碳素钢 如45钢 高速强载柴油机：选用优质高强度合金钢 如42CrMo 中等强度柴油机：选用合金结构钢 如40Cr
２．Cr钢、Cr-Mo钢、Cr-Mn钢、Cr-V钢 Cr的加入主要是增加淬透性，强度有所提高， 对塑性、韧性影响不大；42CrMo、35CrMo、 40CrV钢中的Mo、V不仅能增加淬透性，也能 细化组织，防止第二类回火脆性，提高塑性和 韧性；Cr-Mn钢中同时加入Cr、Mn两种元素， 能更好的提高钢的淬透性和强度。 ３．Cr-Ni钢、Cr-Ni-Mo钢 钢中同时加入Cr、Ni两种元素，可获得更好的力 学性能，高的强度、韧性和塑性，同时也有很好 的淬透性，但Cr-Ni钢有回火脆性。
四、弹簧的生产工艺路线
（一）热轧弹簧钢 材料选择（p149表6-7） 65Mn：淬透性好，强度高，但有脱碳敏感性、 过热倾向和回火脆性，淬火时易开裂。 硅锰弹簧钢如55Si2Mn、60Si2Mn，硅含量高， 提高弹性极限和回火稳定性。 热处理 淬火+中温（460℃~540 ℃ ）回火，得到回火 屈氏体
处理后硬度为180~200HBS，便于机加工。 1、退火 （合金钢）完全退火、不完全退火和等温退火
2、正火 （碳素钢或合金元素少的钢） 3、（正火+）高温回火（650~700℃）（合金钢） 4、调质（对强度和硬度要求较低，调质后进行机加工， 加工后不再进行热处理）
（三）调质处理
调质：淬火+高温回火 组织：回火索氏体（回火S）
1．模数m为3.5的汽车圆柱直齿轮，承受大的冲击，要求心部 性 能：σb＞900MPa,σs＞700MPa,Ak＞50J；要求表面硬度达到 58~60HRC，问选用哪一种钢制造为宜？其生产工艺路线如何安 排？并说明其热处理工艺方法及主要目的。 2．某型号柴油机的凸轮轴，要求凸轮表面有高的硬度 （>50HRC），而心部具有良好的韧性（Ak>40J），原采用45 钢调质处理再在凸轮表面进行高频淬火，最后低温回火，现因 工厂库存的45钢已用完，只剩15钢，拟用15钢代替。试说明 （1）原45钢各热处理工序的作用及其热处理后得到的组织； （2）改用15钢后，仍按原热处理工序进行能否满足性能要求？ 为什么？ （3）改用15钢后，为达到所要求的性能，在心部强度足够的 前提下应采用何种热处理工艺？ 3．已知直径为Φ65mm的轴，要求心部硬度为30~40HRC，轴 颈表面硬度为50~55HRC，现库存45、20CrMnTi、40CrNi、 40Cr四种钢，问选用哪种钢制造为宜？其生产工艺路线如何安 排？说明其中的热处理工序的主要目的并画出其工艺曲线，注 明加热温度、冷却介质。
第五节 弹簧钢
一、弹簧对性能的要求
弹簧主要有螺旋弹簧和板簧两种，它是利用弹 性变形来储存能量、缓和振动和冲击的，承受的载 荷也属于变动载荷。 （一）、受力分析 板簧 ：承受弯曲、剪切应力和微动磨损 螺旋弹簧 ：承受扭转、剪切应力
（二）、失效形式：主要是疲劳断裂。 （三）、对弹簧的性能要求
※ 较高的弹性极限
（3）失效形式 断裂、磨损
2、材料
45、球铁
40Cr、45Mn2、50Mn2 35CrMo、42CrMo、18Cr2Ni4WA 为提高耐磨性，球墨铸铁进行正火或高频淬火， 钢的要调质，高频淬火或氮化。轴颈表面要精 磨，抛光，以防出现裂缝。
3、加工路线
下料→锻造→调质→机加工→感应淬火（或化学 热处理）→（滚压） →精加工 调质安排在锻造和机加工之间； 机加工后对轴颈进行感应淬火或化学热处理 （渗氮），提高耐磨性； 对过度圆角进行滚压提高疲劳强度，防止疲 劳断裂。
四、典型零件应用举例
内燃机关键零件 曲轴、连杆、连杆螺栓 齿轮、凸轮轴等 1 汽缸体 2 活塞 3 进气阀 4 排气阀 5 连杆 6 曲轴
8
3
4 1 2 5
7 凸轮
10 齿轮
8 顶杆 9 齿轮
7
6
内燃机装配动画
9 10
9
（一）曲轴
1、曲轴的功用、工作条件及失效形式 （１）功用：汇集所有气缸内燃烧气体所做的功， 以旋转的形式输出。
性能：强度、塑性和韧性 均较高； 缺口敏感性小； 接触疲劳强度、 耐磨性较低。
回火S
1、淬火 加热: 在箱式炉（批量较小）或连续炉（大批量） 中加热到单相奥氏体（830~880 ℃ ）保温。
冷却：碳素钢水冷；合金钢油冷或水淬油冷。
箱 式 电 阻 炉
2、回火
回火是控制其力学性能的关键，一般采用 500~600 ℃ 回火。回火后采用水冷、油冷 （防止第二类回火脆性）或空冷。
三、常用弹簧钢
65Mn钢中锰含量为0.90%～1.20%，属于较高 锰含量的优质碳素结构钢，这类钢淬透性较好， 强度较高，但有脱碳敏感性、过热倾向和回火 脆性，淬火时容易开裂。 55Si2Mn、60Si2Mn属于硅锰弹簧钢，由于硅含 量较高，可显著提高弹性极限和回火稳定性。 55SiMnMoV为新钢种，有更好的淬透性和更高 的强度，可替代55CrVA钢制造大截面汽车板簧 和重型车、越野车的板簧。
回火T
注意： （1）淬火加热温度为830~880 ℃ ，加热时不容许 脱碳，以免降低钢的疲劳强度，严格控制炉内气 氛，缩短加热时间。 （2）弹簧热处理后要进行喷丸处理，使其表面强 化，并且使表层产生残余压应力，提高弹簧的疲 劳寿命。 板簧加工路线 扁钢剪断 →加热压弯成型后淬火 →中温回火 →喷丸 →烤漆
表面局部淬火
对许多零件通过调质 处理能满足强韧性要 求，但局部对耐磨性 要求高，满足不了耐 磨性要求。对局部进 行感应淬火。
感应淬火部位
三、常用调质钢及性能特点
（一）碳素钢 力学性能不高，只适用于尺寸和负荷较小的零件 各种调质钢的性能特点和用途见表6-6（P146 ~ 147） （二）合金钢 常用的合金调质钢通常包括三种系列： 1．Mn钢、Mn-B钢 主要合金元素Mn的作用是强化铁素体和增加淬 透性。Si-Mn钢的强度较好，但韧性和塑性较差， 退火后硬度偏高。
在相同回火温度下，含碳量越高，硬度、强度 也越高，但塑性和韧性降低。碳含量过低使硬 度不足，过高使韧性不足。所以调质钢的含碳 量在中碳范围。
（二）调质钢的合金化
合金调质钢中的主加元素有Cr、Ni、Mn、Si等， 它们大都溶入铁素体，使铁素体得到强化，并增 加钢的淬透性。
二、调质钢的热处理特点
（一）生产工艺路线 下料 锻造 预备热处理 机加工 （调质） （表面局部淬火） 精加工 成品 （二）预备热处理
（２）工作条件(受力分析)
Ａ.气体压力往复质量惯性力，回转离心力， 容易产生很大的交变弯曲应力和扭曲应力。 Ｂ.曲轴本身形状复杂，截面变化大，应力集 中严重。 Ｃ.轴颈表面在高比压下高速运动，而且载荷 时冲击的，不容易建立稳定的油膜。轴颈处还承 受摩擦力。 Ｄ.曲轴为细长轴，若刚度不足，容易产生变 形和扭转振动。
板簧加热炉
板簧淬火线
板簧回火炉
板簧喷丸机
板簧疲劳试验机
板簧烤漆线
（二）冷拉（轧）弹簧钢
材料选择 碳钢（65、65Mn、75）或合金钢（ 55Si2Mn、 60Si2Mn ） 制造过程
（1）“索氏体化”：奥氏体化后在500 ℃~550 ℃ 的铅浴中等温处理得到索氏体组织（加少 量屈氏体）。
（2）冷拉成细丝或冷轧成薄带。 （3）加工成型后进行去应力退火。
5、连杆加工路线： 下料→ 锻造→调质→机加工
6、连杆螺栓受力分析：拉应力 7、连杆螺栓材料：40Cr钢 8、连杆螺栓加工路线： 下料→锻造→退火（或正火）→机加工 →调质→检验硬度→加工螺纹→装配 9、连杆螺栓及其热处理工艺
ห้องสมุดไป่ตู้
连杆组件用材：
铜合金
45、40Cr、42CrMo
锡基或铅基巴氏合金 45、40Cr、 42CrMo
45、40Cr、42CrMo 40C钢
（三）齿轮和凸轮轴 1、受力特点：受力都较小，凸轮磨损。 2、 材料：碳钢即可，如45钢 3、齿轮工艺路线： 下料→锻造调质机加工（感应淬火） →装配 4、凸轮轴工艺路线： 下料→锻造调质机加工 感应淬火（凸轮）精加工→装配
齿轮
凸轮轴
配气机构的装配动画