第3章 机器零件用钢

合金元素对氮化层深度和表面硬度的影响（550℃氮化24h）
思考题:
某精密镗床主轴用38CrMoAlA 钢制,某重型齿轮铣床主轴用 20CrMnTi制造,某普通车床主轴 用40Cr钢制造.试分析比较说明它 们各自应采用什么样的热处理工 艺及最终的组织和性能特点
3.3.3 低淬透性钢
感应加热淬火与渗碳和氮化相比，特点有：
3.2.3
弹簧钢
一、弹簧的服役条件及性能要求 弹簧功能 储能减振
板簧，螺簧； 压簧、拉簧和扭簧等
弹簧类型
二、常用弹簧钢及强化工艺
合金化： 含碳量在0.60~1.05％,低合金弹簧钢在 0.40~0.74％C。 ? + Si、Mn、Cr、V等合金元素. Cr和Mn主 要是提高淬透性， Si提高弹性极限， V提高 淬透性和细化晶粒.
二、 获得最佳强韧化的工艺因素
沉淀强化 细化组织 控制轧制 控制冷却
相间 析出
工艺参数 是关键
细化组织和沉 淀析出要协调
决定各种强化机制的效果
三、 组织因素对强韧性贡献的大小
间隙型碳氮化合物沉淀析出的强化量
一般认为可提高150~400 MPa，甚至可达 到600 MPa,脆化矢量为0.23-0.30℃/ MPa 细化组织强化量大约在50 ~ 300 MPa， 脆化矢量为- 0.66℃/ MPa。
冶金 质量 要求
纯净→夹杂物要少：主要有各种 氧化物（如A12O3）和硅酸盐等； 危害程度依次递减：A12O3、球 状不变形夹杂、铝硅酸盐。
碳化物细小均布。主要有三类K：
组 织 均 匀 K液析→ 结晶时枝晶偏析而存在→ 高温扩散退火，不允许液析严重； 带状K→ 轧制时二次碳化物偏析→ 高温扩散退火；
局 限 性
3.3 表面强化态钢
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
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
渗碳钢、渗氮 钢、感应加热淬 火钢等
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
40CrNi > 40Cr > 40CrNiMo
思考：以Mn代Ni，在性能上有什么差别？
综合 强化 工艺
如复合热处理，即热处理强化、表面 处理及形变强化工艺结合起来。如汽车转 向节园角处进行高频淬火处理后，疲劳寿 命提高了50倍
冷变 形
如滚压、喷丸等冷变形方法的效果也比 较好, 能提高零件寿命
锻造 余热 淬火
2、常用渗碳钢及热处理
按淬透性可分为低、中和高淬透性钢三类。
20Cr钢：不宜渗碳后直接淬火。20CrV钢可 20CrMnTi 钢特点:
广泛制造汽车、拖拉机变速箱齿轮，离 合器轴和车辆上的伞齿轮及主动轴等。
① Cr、Mn复合，淬透性好，D油约40mm； ② 较高耐磨性和强韧度，特别是低温韧度较好；
③ 渗碳工艺性较好，晶粒长大倾向小，可直接 淬火，变形也比较小。
高淬透性合金钢: DC≥60~100mm, 有37CrNi3、 40CrNiMo、40CrMnMo等
分析比较： 40Cr→40CrNi→40CrNiMo
淬透性 回稳性 塑韧性 回脆性 40CrNiMo > 40CrNi > 40Cr 40CrNiMo > 40CrNi > 40Cr 40CrNiMo > 40CrNi > 40Cr
网状K→冷却时在晶界析出→正火
合金 化
高碳，加入Cr、Si、Mn等。如GCrl5、 GCrl5SiMn。 Cr含量 ? 经合适的热处理，应得到组织： 细小均匀的奥氏体晶粒度5~8级；M中 含0.5~0.6%C；隐晶M基体上分布细小均 匀的粒状K，体积分数约7~8%， 一般可 有少量AR。 负荷较小时,为提高σ-1，可设计M中 约含0.45%C（疲劳性能最好），K体积 分数约5%。→钢中总含碳量应↓
其它强化机制都不同程度地降低韧度
C、N原子的固溶强化，其脆化矢量分别 为0.72℃/ MPa、1.97℃/ MPa； Mn和Cr元素的脆化矢量为零； Si为0.53℃/ MPa。 铁素体中固溶C、N量极小，Mn和Si固溶 量有限。所以固溶强化相对是较小的。
在强化机制上，不同的成分和工艺是不同
的，所以使钢的组织、性能也有很大的差异。
3.3.1 合金渗碳钢
1、渗碳钢的合金化
一般含碳量在 0.12~0.25％ 常用合金 化元素 保证得到强韧 性好的板条M Mn、Cr、Ni主要↑淬透性 Ti、V、W、Mo细化晶粒
渗碳层性能: 表层碳量、表层浓度梯度和渗层深度 渗碳层深度根据零件需要确定。原则上，渗碳层深度 应大于零件的最大切应力深度。
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?
3.2.5
低碳马氏体钢
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
抗拉强度ζb ，1150~1500MPa ； 屈服强度ζs , 950~1250 MPa ； ψ≥40% ；伸长率δ，≥10% ； 冲击韧度AK≥6J 。 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。
50CrVA :
① Cr 、V均↑回稳性, 韧性好； Cr提高淬透性
和弹性极限
② V 细化晶粒, ↓过热敏感性; ③ 含Si少,脱C敏感性↓, 热处理不易脱C;↑回稳 常用于受应力高的螺旋弹簧及<300℃工作的阀 门弹簧.
热成形 弹簧 基本 工艺 方式 冷成形 弹簧
大型 弹簧
热成形后+ 淬、中温回火
第3章 机器零件用钢
根据热处理强化工艺特点分为：整体强 化态钢和表面强化态钢 ； 根据钢的生产工艺 和用途，可分为：调质钢、低碳马氏体钢、 超高强度结构钢、渗碳钢、氮化钢、弹簧钢、 轴承钢和易削钢等。
二、机器零件用钢合金化特点
主加 元素 辅加 元素
Cr、Mn、Si、Ni。 主要作用：↑淬透性和力学性能。 Mo、W、V等 ↓过热敏感性，↓回脆，↑淬透性。 获得最佳性能→称为极限合金化理论 结构钢常用范围为：<1.2%Si, <2%Mn， 1~2%Cr, 1~4%Ni，< 0.5%Mo，<0.2%V, < 0.1%Ti，0.4~0.8%W。 或是单独加入，或是复合加入。
不改变表面化学成分，表面硬化而心部仍 然保持较高的塑性和韧度； 表面局部加热，零件的淬火变形小； 加热速度快，可消除表面脱碳和氧化现象； 在表面形成残余压应力，提高疲劳强度。 与渗碳相比，感应加热淬火工艺常用于轻负 荷工件或需要局部淬硬的轴类零件，其耐磨性 和疲劳抗力不如渗碳工艺。
感应加热淬火钢主要有中碳低淬透性调质 钢和低淬透性钢。这里介绍低淬透性钢 概念
常用硅锰板簧钢有60Si2Mn 、 55Si2Mn等
60Si2Mn:
① Si、Mn复合,强化F,→↑σe， σs/σb可达到 0.8~0.9；
② Si / Mn ↑淬透性，Ms不过分↓,开裂倾向小;
③ Si有效↑回稳性, 但↑脱C倾向; ④ Si、Mn复合，脱碳和过热敏感性较硅钢、锰 钢为小.
常用螺旋弹簧钢有50CrVA等。
基 本 性 能
1 成分工艺特点
成 分 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
工 艺 特 点
高温加热 较长t保温
高速冷却
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（表3.1）
组织 特点
三、高碳铬轴承钢的热处理
工艺特点是简单而要求高。（工艺路线见书）
球化退火→为最终淬火作组织准备（见书图）
淬回火工艺参数对疲劳寿命有很大影响（见书图）
热 处 理 特 点
一般采用保护气氛加热或真空加热
160℃保温3h或更长回火，硬度62~66HRC 如要求消除AR → 淬火后立即冷处理, 而后立即低温回火。
小型 弹簧
冷变形或热处 理强化+冷成形 +低温退火
思考题： 大型弹簧为什么要先成形后 强化，小型弹簧先强化后成形? 小型弹簧成形后为什么进行 低温退火?
热处理 工艺
淬火和 中温回火
回火 屈氏体
具有一定的冲击韧度，较高的弹性极限、 屈强比和最高的疲劳强度
关键问题: 回火工艺应考虑 弹性参数和 韧性参数之间的平衡或最佳配合。
渗碳后的热处理工艺有直接淬火\一次淬火\二 次淬火 .细晶粒钢可用直接淬火. 18Cr2Ni4WA、20Cr2Ni4A：高淬透性渗碳钢。 由于合金元素多，所以工艺可变程度大，获得 的组织性能也较复杂。（工艺曲线见书） 18Cr2Ni4WA可作为调质钢，低碳马氏体钢， 也可作为渗碳钢。渗碳和淬火工艺较复杂。主 要用于要求高综合力学性能和高耐磨性的重要 件，如航空发动机齿轮等。（工艺曲线见书）
3.3.2 氮化钢
服役条件： 有些零件工作时载荷不大，基本上无冲 击力；有摩擦，但比齿轮等零件的磨损要轻， 同时也受到交变的疲劳应力。这一类零件重 要的要求是能保持高的精度。常采用氮化钢 进行渗氮处理。
氮化钢：多为碳含量偏低的中碳铬钼铝钢 。 国内外广泛使用的氮化钢是38CrMoAl钢，获得 最高氮化层硬度，达到900~1000HV。仅要求高 疲劳强度的零件，可采用不含铝的CrMo型氮化 钢，如35CrMo、40CrV、40Cr等，其氮化层的 硬度控制在500~800HV。 工艺：氮化前，要经过调质热处理以得到稳 定的回火索氏体组织，以保证零件最终的使用性 能和使用过程中的尺寸稳定性，同时也为获得好 的氮化层作组织准备。
Mo：↑淬透性,↑回稳性，细晶,↓↓回脆倾向； V：有效细晶，(↑淬透性) ，↓↓过热敏感性。
在机械制Байду номын сангаас工业中，调质钢是按淬透性高低来 分级的。 DC为油淬临界直径 低淬透性合金钢: DC < 30~40mm, 有40Cr、 40Mn2、42SiMn、35CrMo、42Mn2V等
中淬透性合金钢: DC:40~60mm, 有40CrNi、 42CrMo、40CrMn、30CrMnSi等
2、低碳马氏体结构钢及应用
应 用 实 例
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
石油钻机吊环(卡) 20SiMn2MoV代35钢 材料 工艺 重量kg σb /MPa AK /J 35 正火 137.4 550 50 20SiMn2MoV 淬火 29 1600 110~120 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.
最佳 范围
3.2.1 调质钢
1、淬透性原则 淬透性相同的同类调质钢，可互相代用
0.25~0.45%C的合金钢经调 质后室温性能变化
屈服强度相同的碳钢和合金 结构钢断面收缩率变化
2、合金化及常用钢
含碳量在0.25~0.45%。常用合金作用：
Mn：↑↑淬透性，但↑过热倾向，↑回脆倾向； Cr：↑↑淬透性，↑回稳性，但↑回脆倾向； Ni:↑基体韧度， Ni-Cr复合↑↑淬透性，↑回脆 ；
高而均匀的硬度和耐磨性→足够 淬透性和淬硬性，>60HRC； 高接触疲劳强度→以免过早失效 →保证材质、组织； 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
二、轴承钢的冶金质量和合金化
接触面小 材质纯净、组织均匀 应力集中大 产生裂纹
既能节约能源、简化工序，又能细化组 织，提高零件的强韧性。如柴油机连杆， 已普遍采用锻造余热淬火工艺
3.2.2 微合金非调质钢
一、 微合金元素对强韧化的贡献 非调钢组织：主要是F+P+弥散析出K。 主要强化作用：细化组织和相间沉淀。 微合金化元素： Ti、Nb、V 、N等元素， V是主要的。 多元适量，复合加入：Nb-V-N和Ti-V等— 主要贡献是细化组织。(例见书)
3.2.4 滚动轴承钢
一、滚动轴承钢的工作特点及性能要求
滚动轴承由内、外圈和滚动体（珠、柱、锥、 针）及保持器组成。
工 作 条 件
高负荷→最大接触应力可高达3000~5000MPa 高转速→ 循环周次高达每分钟数万次； 高灵敏度→ 精度要求高→磨损、麻点→噪音 接触疲劳破坏，麻点、剥落
失效形式
性 能 要 求