机械结构用合金钢和工程结构用合金钢

机械结构用合金钢和工程结构用合金钢

机械结构用合金钢主要用于制造各种机械零件，一般须经过热处理后再使用。按其用途、热处理特点，机械结构用合金钢可分为渗碳钢、调质钢、弹簧钢、轴承钢等。

一、合金渗碳钢

合金渗碳钢通常是指经渗碳淬火及低温回火后使用的合合金钢。

1.用途。合金渗碳钢主要用来制造性能要求较高或截面尺寸较大，且在承受较强烈的冲击作用和磨损条件下工作的渗碳零件。例如，制作承受动载荷和重载荷的汽车变速箱齿轮和汽车后桥齿轮等。凡是要求表面具有高的硬度和耐磨性，心部具有较高的强度和足够韧性的零件，都可采用合金渗碳钢。

2.性能特点。合金渗碳钢的渗碳层具有优异的耐磨必、抗疲劳性及适当的塑性和韧性未渗碳的心部具有足够的强度及优良的韧性。如心部强度不足时，则对表面硬、脆的渗碳层缺乏足够的支撑，渗碳层易破坏、剥落。心部韧性不足时，在冲击载荷或较大过载作用下容易断裂。合金渗碳钢具有良好的热处理工艺性能，在渗碳温度(900～950℃)下奥氏体晶粒不易明显长大。此外，还有良好的淬透性。

3.成分特点。合金渗碳钢中碳的含量一般在Wc=0.10%～0.25%之间，这是为了保证渗碳零件心部具有良好的韧性。碳素渗碳钢的淬透性低，热处理对心部的性能改变不大，加入合金元素可提高钢的淬透性，改善心部性能。常用的合金元素有铬、镍、锰和硼等，其中以镍的作用最好。为了细化晶粒，还加入少量阻止奥氏体晶粒篚的强碳化物形成元素，如钛、钒、钼等，它们形成的碳化物在高温渗碳时不溶解，有效地抑制渗碳时的过热现象。

5.常用合金渗碳钢。按其淬透性大小，合金渗碳钢分为三类：

a)低淬透性合金渗碳钢如20Cr、20Mn2等，这类钢由于淬透性不高，心部性能不很好，只适于制造承受载荷不大的大小型耐磨零件，如活塞销、凸轮轴、滑块等。

b)中淬透性合金渗碳钢，如20CrMnTi、20SiMnVB等，这类钢含有合金元素较高，其淬透性和力学性能均较高，可用来制造承受中等载荷的受磨零件，如汽车变速齿轮、花键轴套、凸轮盘等。

c)高淬透性合金渗碳钢，如20Cr2Ni4、18Cr2Ni4WA等，这类钢含有较多的铬、镍等元素。其淬透性高，甚至空冷也能淬成马氏体，渗碳层和心部的性能都非常优异，主要用来制造承受重载荷及强烈磨损的重要大型零件，如飞机、坦克的发动机齿轮。

二、合金调质钢

合金调质钢是经调质后使用的合金钢。

1.用途。合金调质主要用来制造一些重要零件，如机床的主轴、汽车底盘的半轴、柴油机连杆螺栓等。零件均在多种载荷下工作，承受载荷情况复杂，因此，既要求零件具有良好的综合力学性能，又要有较高的韧性。

2.性能特点。合金调质钢的基本性能是具有良好的综合力学性能。但在生产实践中，由于零件承受载荷的情况不同，具体的性能要求也有差异。对截面承受载荷均匀的零件(连杆、联接螺栓等)，要求整个截面都有较高强度和韧性，对截面承受载荷不均匀的零件(弯曲或扭转的轴)，只要求承受载荷较大的零件表层有较好强度和韧性，其余地方要求不高。因此，选材时还要考虑合金调质钢的淬透性要求。

3.成分特点。合金调质钢的含碳量一般在Wc在0.25%～0.50%之间。碳的质量分数过低不易淬硬，回火后达不到所需要的强度;如果碳的质量分数过高，则零件韧性较差。

4.热处理特点。

a)预备热处理。调质零件锻造毛坯应进行预备热处理，对珠光体类钢可在AC3以上进行正火或退火。马氏体钢则行在AC3以上进行一次空冷淬火，然后再在AC1以下进行高温回火，获得回火索氏体组织。

b)最终热处理。一般采用淬火后进行500～650℃的高温回火，经获得回火索氏体，使钢件具有高的综合力学性能。

三、合金弹簧钢

合金弹簧钢是指用于制造各种弹簧及其它弹性零件的合金钢。

1.用途。合金弹簧钢主要用于制造各种弹性元件，如在汽车、拖拉机、坦克、机车车辆上制作减震板簧和螺旋弹簧，大炮的缓冲弹簧，钟表的发条等。

2.成分特点。合金弹簧钢的含碳量一般为Wc为0.5%～0.7%，碳的质量分数过高时，塑性和韧性差，疲劳强度下降。常加入以硅、锰为主的提高淬透性的元素。硅、锰合金元素溶入铁素体中，使铁素休得到强化，使屈强比接近1。但硅有使钢脱碳，锰有使钢热处理时容易过热的不良作用。辅加元素钨、钒、铬的作用是减少脱碳与过热倾向，同时进一步提高规定非比例伸长应力、屈强比和耐热性。钒能细化晶粒，提高韧性。这此合金元素均能增加奥氏体稳定性。

3.热处理特点。根据弹簧尺寸的不同，成形与热处理方法也有不同。

a)热成形弹簧钢。弹簧丝直径或弹簧钢板厚度>10～15㎜的螺旋弹簧或板弹簧通常在热态下成形，成形后利用余热进行淬火，然后中温回火(350～500℃)处理，得到回火托氏体，具有高的规定非比例伸长应力与疲劳强度，硬度一般为42～48HRC。

弹簧经热处理后，一般还要进行喷丸处理，使表面强化，并在表面产生残余压应力，以提高其疲劳强度。

b)冷成形弹簧钢。对于钢丝直径<8～10㎜的弹簧，常用冷拔弹簧钢丝冷绕而成。冷拔弹簧钢丝在钢厂经索氏体化处理。钢丝在冷拔过程中，首先将盘条坯料加热至奥氏体组织后(Ac3以上80～100℃)，在500～550℃的铅浴或盐浴中等温转变获得索氏体组织，然后经多次冷拔，得到均匀的所需直径和具有冷变形强化效果的钢丝。用这种钢丝冷卷成弹簧，只需在200～250℃的油槽中进行一次去应力退火，就可以获得成品弹簧。

四、滚动轴承钢

1.轴承钢是用来制造滚动轴承中的滚动体(滚珠、滚柱、滚针)及内、外滚道的专用钢种。也可做其它用途，如形状复杂的工具、冷冲模具、精密量具以及要求硬度高、耐磨性高的结构零件。

2.成分特点。一般的轴承用钢是高碳铬钢，其碳的含量为Wc=0.95%～1.15%，属过共析钢，目的是保证轴承具有高的强度、硬度和足够碳化物，以提高耐磨性。

铬的含量为0.4%～1.65%，铬的作用主要是提高淬透性，使组织均匀，并增加回火稳定性。铬与碳作用形成的(Fe、Cr)3C合金渗碳体，能阻碍奥氏体晶粒长大，减少钢的过热敏感性，使淬火后获得细针马氏体或隐针马氏体组织，从而增加钢的韧性。但铬含量>1.65%，淬火后残余奥氏体量会增加，使零件的硬度和尺寸稳定性降低，增加碳化物的不均匀性，降低韧性和疲劳强度。

用于大型轴承的轴承钢，还需要加入硅、锰等元素，以便进一步提高钢的淬透性，提高钢的强度和规定非比例伸长应力。

滚动轴承钢的纯度要求极高，硫、磷含量限制极严(Ws<0.020%、Wp<0.027%。因硫、磷形成非金属夹杂物，降低接触疲劳抗力。故它是一种高级优质钢(但在牌号后不加“A”)。

.热处理特点。滚动轴承钢的热处理包括预备热处理(球化退火)和最终热处理(淬火与低温回火)。球化退火目的是获得球化体组织，以降低锻造后钢的硬度(207～229HBS)，而利于切削加工，并为淬火作好组织上准备。退火工艺一般是将钢加热到780～810℃，在710～720℃保温3～4h，以使碳化物全部球化。

淬火与低温回火是决定轴承钢最终性能的重要热处理工序。温度过高，晶粒粗大，就出现过热组织，则疲劳强度和韧性下降，且容易淬裂和变形;如温度过低时，会使硬度不足。淬火温度应严格控制在840±10℃的范围内，回火温度一般为150～160℃。轴承钢淬火、回火后的组织为极细回火马氏体和分布均匀的细小碳化物以及少量的残余奥氏体。回火后硬度为61～65HRC。

五、耐磨钢

1.用途耐磨钢是指在强大压力和严重冲击力作用下才能发生硬化的钢，是一种常用的工程结构用合金钢。耐磨钢主要用于工作时承受很大压力、强烈冲击和严重磨损的机械零件，如拖拉机履带、挖掘机铲齿、防弹钢板和保险箱钢板等。

2.成分特点耐磨钢的成分特点是高碳高锰。含碳量高，Wc=1.0%～1.5%，以提高钢的耐磨性;含锰量很高，Wmn=11%～14%，锰是扩大A相区的元素，含锰量高可使钢获得全部奥氏体组织，具有很强的加工硬化能力和良好的韧性。

3.热处理特点高锰耐磨钢机械加工比较困难，但铸造性能好，一般采用铸造成形。但其铸态组织中存在沿奥氏体晶界析出的网状渗碳体，脆性很大，耐磨性并不高。因此，必须经过水韧处理后才能使用。所谓水韧处理，是将高锰钢件加热到1000～1100℃，使碳化物全部溶解于奥氏体，然后进行水冷的热处理工艺。

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