机械制造结构钢第三章(3.4-3.5节)

3.4 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

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％，保证得到强韧性好的板条M

常用合金化元素，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。

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。

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。

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。

3.渗碳钢的化学成分特点

根据机械零件对性能的要求和以上合金元素对渗碳钢影响的分析，渗碳钢的化学

成分有以下特点：

（1）低碳

含碳量一般为Wc=0.10%-0.25%（即渗碳钢零件心部含碳量），这对于保证心部

有足够的塑性和韧性是十分必要的。

（2）加入提高淬透性的合金元素

对齿轮来说，提高心部的强度将提高齿轮的承载能力，并防止渗层脱落。而心

部强度则取决于刚中含碳量和淬透性，淬透性足够时，心部得到全部位错马氏体

组织，常加入的合金元素有 Cr、Ni、Mn、Mo、W、Si 和 B 等。Ni对渗层和心部

的韧性和强度十分有利。

（3）加入阻止奥氏体晶粒长大的元素

渗碳操作在高温下进行，加入阻止奥氏体晶粒长大，渗碳钢用以铝脱氧的本质

细晶粒钢。Mn在钢中有促进奥氏体晶粒长大的倾向，所以在含Mn钢中加入少量 V、

Ti 等阻止奥氏体晶粒长大的元素。为提高渗层的碳浓度、渗层深度和渗入速度，

可加入碳化物形成元素Cr、Mo、W等，但不能太多。

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。

氮化处理(渗氮)

氮化是向零件表面渗入氮原子的过程，其目的是提高它的表面硬度和耐磨性以及疲劳强度和抗腐蚀性能。

1.氮化处理的原理及工艺

目前应用最广泛的气体氮化法是将氨气加热分解出活性氮原子[N]，钢表面形成氮化层，并向心部扩散。氨的分解反应如下：

氮化通常用专门设备或井式渗碳炉来进行。氮化前须将调质处理后的零件除油净化。入炉后应先用氨气排净炉内空气。氮化过程中根据氮化目的、要求，调节温度、时间、氨气的分解率和炉内气体压力。若氮化温度在500～600℃，氮化层为0.4～0.5mm，一般需要40～50h,氮化结束后，随炉降到200℃以下，停止供氮，零件出炉。

2.氮化处理特点

(1) 钢氮化后不需要淬火表层便有很高的硬度（HV>850相当于HRC64～70）及耐磨性，由于氮化层表面形成了一层硬而脆的合金氮化物，并且氮化层具有高的热硬性(在600～650℃时仍有较高的硬度)。与渗碳处理，硬度(HRC61～62)的20Cr 钢相比，耐磨性提高了75%以上。

（2）氮化后，钢的疲劳强度显著提高。其原因主要是氮化层的体积增大，使钢件表面内形成压应力，如18CrNiW经氮化后，其疲劳强度大为提高。

(3) 氮化后钢的表面是由致密的氮化物组成的连续薄层，具有高的抗腐蚀性能。

(4) 热处理温度低,变形小,它与渗碳感应表面淬火相比变形要小得多，零件氮化后一般不需要任何机械加工，只需精磨或研磨抛光即可。

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：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：是指淬透性比一般碳素钢的淬透性还要低

特点：得到沿着轮廓分布硬化层→“仿形硬化”

降低钢淬透性措施:↓Mn、Si; 加入Ti ，国家标准有55 Ti 、 60 Ti 、 70 Ti 等.

3.5 零件材料选择基本原则

一、选择材料的基本原则

1、材料使用性能要求→最大限度发挥材料潜力

2、材料的工艺性能→加工工艺性能良好

3、经济性涉及材料的价格、加工成本、国家资源情况等,零件的总成本与零件寿命的关系

4、其它因素材料毛坯的选择、生产设备的可能性、环境协调性等

二、零件的加工工艺路线

基本上可分为三类：

（1）性能要求不高的零件

一般是铸铁和碳钢制造。其工艺路线比较简单：毛坯→正火（退火→机械加工→零件。如直接用型材加工，则不需要进行热处理。

（2）性能要求较高的零件

合金钢制造的轴、齿轮等零件。工艺路线：毛坯→预先热处理→机械粗加工→最终热处理（淬火回火或渗碳淬火等)→精加工。

（3）要求高的精密零件

一般用于精密丝杆、主轴等。工艺路线为：毛坯→预先热处理→机械粗加工→热处理→半精加工→氮化处理→精加工→去应力退火→零件。

三、选择材料的基本思路及方法

分析零件工作条件→确定主要失效抗力指标作为选材的基本依据→选择材料→考虑工艺措施→考察经济性和生产成本

四、典型零件材料选择与工艺分析

1、齿轮类零件

不同机械的齿轮，其工作条件差别很大，所以在选择材料和热处理工艺上也有很大不同。

机床齿轮，载荷不大，工作平稳，一般无大的冲击力，转速也不高。常选用调质钢制造，如45、40Cr、42SiMn等钢，热处理工艺为正火或调质，高频感应加热淬火