第三章機(jī)械制造用結(jié)構(gòu)鋼(二)

1、第六節(jié)第六節(jié) 軸承鋼軸承鋼 第七節(jié)第七節(jié) 滲碳鋼和氮化鋼滲碳鋼和氮化鋼 第八節(jié)第八節(jié) 其他機(jī)械制造結(jié)構(gòu)其他機(jī)械制造結(jié)構(gòu) 鋼鋼 l一、概述 l滾動(dòng)軸承是一切傳動(dòng)機(jī)械中不可缺 少的重要零件。軸承鋼主要用來(lái)制制 造滾動(dòng)軸承的滾動(dòng)體和套圈造滾動(dòng)軸承的滾動(dòng)體和套圈。 l滾動(dòng)軸承的受力狀況 ：承受著各類 高的交變應(yīng)力，如拉力、壓縮、剪 切應(yīng)力以及摩擦力。 l導(dǎo)致滾動(dòng)軸承失效的原因分析： l1、切應(yīng)力以及由此產(chǎn)生的局部塑性 變形是引起疲勞裂紋發(fā)生的重要條件。 l2、材料內(nèi)部的組織缺陷（如夾雜物） 以及組織變化則是導(dǎo)致發(fā)生疲勞裂紋 的內(nèi)因。 l因此，在提高軸承鋼質(zhì)量方面，最主 要的是提高軸承鋼的接觸疲勞壽命。

2、 l軸承破壞的主要形式： l1、接觸疲勞破壞。 l2、由相對(duì)滑動(dòng)引起的磨損破壞。 l二、對(duì)軸承鋼性能的要求二、對(duì)軸承鋼性能的要求 l1、具有高的接觸疲勞強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度； l2、軸承鋼經(jīng)熱處理后，一般硬度要求為 HRC 6165）； l3、高的彈性極限； l4、一定的韌性； l5、良好的尺寸穩(wěn)定性； l6、一定的抗腐蝕性能； l7、良好的工藝性能，如冷、熱成型性能、 切削性能、磨削性能、熱處理工藝性能等。 l三、對(duì)軸承鋼原始組織的要求三、對(duì)軸承鋼原始組織的要求 l1、純凈度，指鋼中雜質(zhì)元素和夾 雜物含量要少； l2、組織均勻，指鋼中非金屬夾雜 物和碳化物應(yīng)當(dāng)細(xì)小分散和分布均 勻 。 l四、軸承鋼

3、中的夾雜物四、軸承鋼中的夾雜物 l1、根據(jù)化學(xué)成分可分為： l（1）簡(jiǎn)單氧化物，如 Al2O3、SiO2等； l（2）復(fù)雜氧化物，包括尖晶石和鈣的鋁酸 鹽，尖晶石； l（3）硅酸鹽和硅酸鹽玻璃，其成分復(fù)雜； l（4）硫化物，如MnS、（Mn，F(xiàn)e）S、 CaS等； l（5）氮化物，如AlN等。 l根據(jù)熱變形能力，可分為以下三類： l（1）脆性?shī)A雜物，如剛玉（A12O3）、尖 晶石，沿軋制方向排列呈點(diǎn)鏈狀分布； l（2）塑性?shī)A雜物，在熱變形過(guò)程中有良好 的塑性，沿軋向呈連續(xù)條狀分布，屬這類 的有MnS和鐵錳硅酸鹽； l（3）球狀不變形夾雜物，主要是鈣的鋁酸 鹽。 l理想的情況應(yīng)該是夾雜物細(xì)、少、

4、塑性好、理想的情況應(yīng)該是夾雜物細(xì)、少、塑性好、 呈細(xì)條狀均勻分布。呈細(xì)條狀均勻分布。 l五、軸承鋼的合金化特點(diǎn)五、軸承鋼的合金化特點(diǎn) l1、高碳 l為了保證軸承鋼的高硬度、高耐磨性和 高強(qiáng)度，碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)應(yīng)較高，一般為 0.950.951.101.10。 l2、鉻為基本合金元素 鉻含量為0.400.401.651.65。鉻能提高淬透 性，并與基體金屬形成合金滲碳體（Fe， Cr）3C，呈細(xì)密、均勻分布，從而提高鋼 的耐磨性，特別是疲勞強(qiáng)度。 l3、加入硅、錳、釩等 lSi、Mn進(jìn)一步提高淬透性，便于制 造大型軸承。 lV部分溶于奧氏體中，部分形成碳化 物VC，提高鋼的耐磨性并防止過(guò)熱。 l六、典

5、型鋼種和牌號(hào)六、典型鋼種和牌號(hào) l1、鉻軸承鋼 l最常用的是GCr15GCr15。使用量占軸承鋼的 絕大部分。除制造軸承外也常用來(lái)制造 冷沖模、量具、絲錐等。 l2、添加 Mn、Si、Mo、V的軸承鋼 l在鉻軸承鋼中加入 Si、Mn可提高淬透 性，例如， GCrl5SiMn、 GCr15SiMnMoV等。 l （一）軸承鋼的球化退火 l球化退火前的原始組織應(yīng)為細(xì)片狀珠光體。 球化退火的目的在于： l1、降低硬度便于切削加工； l2、獲得均勻分布的細(xì)粒狀珠光體細(xì)粒狀珠光體，為淬 火作好組織上的準(zhǔn)備； l3、消除加工硬化，增加塑性，便于冷拔 和沖壓加工。 l（二）軸承鋼的淬火和回火 l淬火：軸承鋼

6、的淬火加熱應(yīng)獲得細(xì)小的 奧氏體晶粒，快冷之后得到隱晶馬氏體 加上均勻分布的細(xì)粒碳化物及少量殘留 奧氏體 。 lGCr15鋼AC1 為735765，840左 右淬火能得到最高的硬度、彎曲疲勞強(qiáng) 度和沖擊韌性。 l冷處理 ：精密軸承為保證尺寸穩(wěn)定，常采 用冷處理的方法消除殘余奧氏體。冷處理 溫度為：-40 -70。 l回火：回火溫度為150170，回火時(shí) 間大于2.5小時(shí) 。 GCr15鋼回火后的組 織為在隱晶回火馬氏體基體上均勻分布著隱晶回火馬氏體基體上均勻分布著 細(xì)小的碳化物顆粒細(xì)小的碳化物顆粒，硬度為HRC6165。 l軸承在磨削加工后要進(jìn)行回火，生產(chǎn)上稱 之謂低溫時(shí)效處理（附加回火）。即

7、130150加熱，保溫36小時(shí)。 l綜上所述，軸承鋼的熱處理主要過(guò)程為： l球化退火淬火冷處理低溫回火 低溫時(shí)效處理 一、滲碳鋼 l1、概述 l有不少機(jī)器零件（汽車、拖拉機(jī)中的變 速齒輪，內(nèi)燃機(jī)上的凸輪軸、活塞銷等） 的機(jī)械性能要求表面具有優(yōu)異的耐磨性 和接觸疲勞抗力，同時(shí)心部具有高的韌 性和足夠高的強(qiáng)度。 l利用低碳結(jié)構(gòu)鋼進(jìn)行滲碳，使零件從表面 到中心具有從高碳（0.81.lC）到低 碳（0.100.25C）連續(xù)過(guò)渡的化學(xué) 成分。滲碳層深度為0.62.0mm。 l滲碳之后淬火，得到從表面到中心的不同 組織，例如形成高碳馬氏體+低碳馬氏體 十珠光體十鐵素體的金相組織。 l2、滲碳鋼的合金化特點(diǎn)

8、 l（1）碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般在0.100.100.250.25 之間，以保證零件心部有足夠的塑性和韌 性。 l（2）加入提高淬透性的合金元素，常加 入 CrCr、NiNi、MnMn等，以提高經(jīng)熱處理后 心部的強(qiáng)度和韌性。Cr還能細(xì)化碳化物、 提高滲碳層的耐磨性，Ni則對(duì)滲碳層和 心部的韌性非常有利。 l（3）加入阻礙奧氏體晶粒長(zhǎng)大的元 素，主要加入少量強(qiáng)碳化物形成元 素TiTi、V V、WW、MoMo等，形成穩(wěn)定的 合金碳化物。除了能阻止?jié)B碳時(shí)奧 氏體晶粒長(zhǎng)大外，還能增加滲碳層 硬度，提高耐磨性。 l3、典型鋼種及牌號(hào) l（1）低淬透性合金滲碳鋼 典型鋼種為20Cr。適用于制造受沖擊載荷較小的 耐

9、磨件，如小軸、活塞銷、小齒輪等。 l（2）中淬透性合金滲碳鋼 典型鋼種是20CrMnTi20CrMnTi。用于制造承受高速中載、 要求抗沖擊和耐磨損的零件，特別是汽車、拖拉機(jī) 上的重要零件。 l（3）高淬透性合金滲碳鋼 典型鋼種為18Cr2Ni4WA18Cr2Ni4WA和20Cr2Ni4A。這類鋼 具有很好的韌性，特別是低溫沖擊韌性。用于制造 大截面、高載荷的重要耐磨件。 l4、熱處理和組織性能 l滲碳后直接淬火+低溫回火。 熱處理后，表面滲 碳層的組織由合金滲碳體與回火馬氏體及少量殘 余奧氏體組成，硬度為6062HRC。 l二、氮化鋼 l1、概述： l機(jī)械零件經(jīng)表面氮化處理后，可顯著提高 其

10、疲勞強(qiáng)度和耐磨性，還具有抗水、油等 介質(zhì)腐蝕的能力。氮化層在較高溫度下仍 能保持其硬度。 l零件在氮化前，要經(jīng)過(guò)調(diào)質(zhì)熱處理，得到 穩(wěn)定的回火索氏體組織，保證使用過(guò)程中 尺寸穩(wěn)定。 l氮化溫度低，零件變形小。常用的氮化溫 度為510510570570，表面形成相（Fe4N） 和相（Fe3-2N）。 l2、氮化鋼的合金化特點(diǎn) l（1）如果要求表面硬度不超過(guò)HV900， 可采用鉻、鉬、鎢鋼種；如果表面硬度需 要在HV900以上，需要采用含強(qiáng)氮化物 形成元素鋁的鋼種。 l（2）鉻、鉬、錳可使鋼獲得足夠的淬透 性。 l（3）鉬及釩能使鋼在500580之間長(zhǎng) 時(shí)間保溫時(shí)保持強(qiáng)度。為了防止或減輕鋼 發(fā)生回火

11、脆化，往往須要在氮化鋼中加入 0.20.5鉬。 l 3、氮化處理提高零件疲勞強(qiáng)度和耐磨性 的原因 l（1 1）在表面形成高硬度的）在表面形成高硬度的-（FeFe4 4N N） 和和-（FeFe3-2 3-2N N）層； ）層； l（2 2）滲入的氮原子與氮化物形成元素形）滲入的氮原子與氮化物形成元素形 成彌散的合金氮化物，提高表面氮化層的成彌散的合金氮化物，提高表面氮化層的 強(qiáng)度和硬度。強(qiáng)度和硬度。 l（3 3）表面滲入氮原子后體積膨脹，因而）表面滲入氮原子后體積膨脹，因而 在表面產(chǎn)生了殘留壓應(yīng)力，能抵消外力作在表面產(chǎn)生了殘留壓應(yīng)力，能抵消外力作 用產(chǎn)生的張應(yīng)力，減少表面疲勞裂紋的產(chǎn)用產(chǎn)生的張

12、應(yīng)力，減少表面疲勞裂紋的產(chǎn) 生。生。 l4、氮化鋼典型牌號(hào) 常用氮化鋼是38CrMoAl38CrMoAl。經(jīng)調(diào)質(zhì) 和表面氮化處理后，鋼表面可獲得最 高氮化層硬度，達(dá)到HV9001000 （HRC65HV800）。 l一、彈簧鋼 l1、用途：合金彈簧鋼主要用于制造各種彈 簧和彈性元件。 l2、性能要求： l（1）高彈性極限e及其高的屈強(qiáng)比Sb。 l（2）高的疲勞強(qiáng)度r。 l（3）足夠的塑性和韌性，以免受沖擊時(shí)脆 斷。 l（4）較好的淬透性，不易脫碳和過(guò)熱，容 易繞卷成型等。 l3、彈簧鋼的合金化特點(diǎn)： l（1）中、高碳。 一般為0.500.500.700.70。碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)過(guò) 低，強(qiáng)度不足。碳質(zhì)量

13、分?jǐn)?shù)過(guò)高時(shí)，塑性、 韌性降低，疲勞抗力也下降。 l（2）加入以SiSi、MnMn為主的提高淬透性的 元素。 lSiSi和和MnMn的作用主要是提高淬透性，同時(shí)也的作用主要是提高淬透性，同時(shí)也 提高了屈強(qiáng)比提高了屈強(qiáng)比，而以，而以SiSi的作用最突出，但的作用最突出，但 SiSi在加熱時(shí)促進(jìn)表面脫碳，在加熱時(shí)促進(jìn)表面脫碳，MnMn則使鋼易于則使鋼易于 過(guò)熱。過(guò)熱。重要用途的合金彈簧鋼必須加入重要用途的合金彈簧鋼必須加入CrCr、 V V、W W等元素等元素。 l4、鋼種和牌號(hào) l合金彈簧鋼大致分兩類。 l（1）以Si、Mn為主要合金元素的合金彈 簧鋼代表性鋼種有65Mn65Mn和和60Si2Mn

14、60Si2Mn等 l這類鋼的價(jià)格便宜，淬透性明顯優(yōu)于碳素 彈簧鋼。這類鋼主要用于汽車、拖拉機(jī)上 的板簧和螺旋彈簧。 l（2）含Cr、V、W等元素的合金彈簧鋼， 典型鋼種為50CrVA50CrVA。 l這類鋼可制作在 350400溫度下承 受重載的較大彈簧，如閥門(mén)彈簧、高速柴 油機(jī)的汽門(mén)彈簧等。 l5、加工、熱處理與性能 l熱成型彈簧用熱軋鋼絲或鋼板制成，然 后淬火淬火+ +中溫（中溫（450450550550）回火）回火， 獲得回火屈氏體回火屈氏體組織。一般用來(lái)制作為 較大型的彈簧。 l為了提高彈簧的疲勞壽命，廣泛采用噴 丸強(qiáng)化處理。 l二、易削鋼 l在鋼中附加某一種或某幾種元素，使它 成為容

15、易被切削加工的鋼，這類鋼稱為 易削鋼。常用的附加元素有硫、鉛、鈣、 磷等。 l硫的作用（0.080.30%）： 硫在鋼中與錳和鐵可形成硫在鋼中與錳和鐵可形成（MnMn，F(xiàn)eFe）S S夾夾 雜物，能起減摩作用，降低切屑與刀具雜物，能起減摩作用，降低切屑與刀具 之間的摩擦系數(shù)，并使切屑不粘附在刀之間的摩擦系數(shù)，并使切屑不粘附在刀 刃上。刃上。 l鉛的作用（0.150.25%）： 鉛在鋼中鉛在鋼中孤立地呈細(xì)小顆粒孤立地呈細(xì)小顆粒（約（約3m3m） 均勻分布時(shí)，能改善切削加工性。與硫均勻分布時(shí)，能改善切削加工性。與硫 易切鋼相比，鉛易切鋼可得到較高的機(jī)易切鋼相比，鉛易切鋼可得到較高的機(jī) 械性能。械性

16、能。 l鈣的作用（0.0010.0010.005%0.005%） ： 微量的鈣能改善鋼在高速切削下的切削微量的鈣能改善鋼在高速切削下的切削 加工性。加工性。 l鋼號(hào)及表示方法：例如，Y40CrSCa表 示硫鈣復(fù)合的易切 40Cr合金調(diào)質(zhì)鋼。 l三、耐磨鋼 l1、用途及性能要求 l耐磨鋼主要用于運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中承受嚴(yán)重磨損 和強(qiáng)烈沖擊的零件，如車輛履帶、挖掘機(jī) 鏟斗、破碎機(jī)顎板和鐵軌分道叉等。對(duì)耐 磨鋼的主要要求是有很高的耐磨性和韌性主要要求是有很高的耐磨性和韌性。 l2、典型鋼種 l高錳鋼由于機(jī)械加工困難，故基本上是鑄 態(tài)下使用。典型牌號(hào)為ZGMn13ZGMn13及 ZGMn13Re。 l3、合金化特點(diǎn) l（1）高碳：保證鋼的耐磨性和強(qiáng)度。其碳 質(zhì)量分?jǐn)?shù)不超過(guò)1.41.4。 l（2）高錳：錳是擴(kuò)大相區(qū)的元素，它和 碳配合，保證室溫下完全獲得奧氏體組織， 提高鋼的加工硬化率及良好的韌性。錳質(zhì) 量分?jǐn)?shù)為1114。 l（3）一定量的硅：硅可改善鋼水的流動(dòng)性， 并起固溶強(qiáng)化的作用。其質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3 0.8。 l4、熱處理特點(diǎn) 高錳鋼采用水韌處理水韌處理。即將鋼加熱到 10001100保溫，使碳化物全部溶解， 然后在水中快冷，在室溫下獲得均勻單一 的奧氏體組織。此時(shí)鋼的硬度很低（約為 210HB），而韌性很高。當(dāng)工件在工作中 受到強(qiáng)烈沖擊或強(qiáng)大壓力而變形時(shí)，表面 層產(chǎn)生強(qiáng)烈的加工硬化