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1、机器零件用钢是指用于制造各种零件所用的钢种，如轴类、齿轮和弹簧等。,可锻性、切削加工性及热处理工艺性能,机器零件的生产工艺： 型材改锻毛坯热处理机械加工最终热处理精加工,工艺性能,使用性能,1、常温及温度波动不大条件下承受动载荷,较高的疲劳强度,2、需要承受短时间过载,高的抗塑变能力和抗断裂能力,3、零件相互间产生摩擦,耐磨性,4、零件结构复杂，具有不同形式缺口，产生应力集中,较高的韧性及较低的缺口敏感性,机器零件用钢的使用状态一般是淬火+回火，称为强化状态。,根据强化范围分为整体强化和表面强化。,机器零件用钢是不同含碳量的碳钢和合金钢。 根据含量分：0.2%左右、0.4%左右、0.5%0.6
2、%左右和1%左右。 合金元素总质量分数一般在3%5%，最多不大于10%。,影响机器零件力学性能的主要因素有三方面： (1)碳含量；(2)淬火后的回火温度；(3)合金元素种类和数量。,螺钉、螺栓、连杆等与轴的工作条件近似，统称轴类零件。,1、高的疲劳极限（利于承受交变应力）多数轴类零件通过建立疲劳与普通拉伸性能之间的经验公式加以解决：,适用于中、低碳钢。,2、良好的冲击韧性(利于承受一定的冲击载荷)轴上面存在台阶、键槽及油孔等，为减少应力集中效应以减轻缺口效应，要求具有良好的抗冲击韧性、断裂韧性及塑性。,3、轴的表面或局部表面有一定的耐磨性(利于承受摩擦),通过热处理强化使轴类零件获得良好的综合
3、性能。 一般采用淬火加回火工艺处理。,低、中、高碳钢随回火温度的升高，强度(b、s)不断下降、塑性(、)不断上升，弹性极限(e)先升后降。,原因：碳化物聚集长大，滑移阻力减少。,低温回火(4%，无颈缩)。,中温回火(200-400oC)： 塑性(、)随回火温度的升高而升高； 回火脆使k值降低；在回火脆温度范围内KIC最小。,高温回火(500-650oC)，即调质状态： 强度降低，塑性(、)和韧性(KIC、k)较高。,随碳含量增加，整个回火温度范围内，强度增加而塑性和韧性相对减少。,回火温度为300-400oC时，疲劳极限最大。,碳质量分数在0.4%-0.7%时，钢的疲劳极限较高，随碳含量增加，
4、疲劳极限下降。,根据含碳量、回火温度对钢机械性能的影响，轴类零件选用中碳钢(0.3%0.5%)。,轴类用钢通常在高温回火状态使用，又称调质钢。,碳素调质钢的组织为回火索氏体,不足之处：(1)碳素钢淬透性低；(2)调质状态钢硬度较低，耐磨性不足；(3)回火温度高，强度下降较多。,克服缺点的措施： (1)通过合金化克服淬透性低； (2)采用表层强化(表面淬火或化学热处理)提高耐磨性； (3)适当调整回火温度提高调质碳素钢强度。,为提高淬透性常加入Mn、Cr、Ni、B、Si等元素； 为抑制第二类回火脆可加入Mo和W； 为减少过热敏感性及细化奥氏体晶粒，加入Ti和V； 为提高回火稳定性可加入Si。,合
5、金调质钢特点： (1)淬透性高于碳素钢； (2)合金钢有第二类回火脆，加入Mo和W可抑制； (3)合金调质钢的过热敏感性较小，奥氏体晶较细，韧性强度高； (4)合金调质钢的强韧性高于碳素调质钢。,两位数字+合金元素符号+该元素百分含量数字+,合金元素含量1.5%时，不标含量，当为1.502.49%、2.50 3.49% 时，在相应的合金元素符号后标2、3等数字。,高级优质钢在牌号后加字母A,表示平均含碳量的万分之几,60Si2MnA,按淬透性高低将调质钢分为以下五类： (1)碳素调质钢，如45钢。 淬透性低，承载能力小，只能制造中小负荷的轴类，如机床。 (2)含Cr的钢，如40Cr。 淬透直径
6、20mm(介质为油)，使用于截面不大的轴类零件。 (3)淬透性较高，如40CrMn。 可用于直径20-40mm的零件。,(4)含1wt.%1.5wt.%的Ni。 Ni即增加淬透性，又降低脆性转折温度。 直径为40-70mm的轴可用，尤其使用于受冲击载荷的零件。 (5)直径大于70mm，需要调质时，采用30CrNi3，但第二类回火脆倾向大； 对于承受动载荷的大尺寸零件用30CrNi2MoV。,基本工艺路线：锻造预备热处理(退火、正火)机械加工最终热处理(淬火、回火)精加工(磨削)装配,锻造目的：锻成接近轴的毛坯。 锻造好处：节省原料；改善冶金质量及流线分布。 锻造性能的要求： (1)低的热变抗力
7、； (2)宽的锻造温度范围； (3)锻裂、冷裂及组织缺陷的倾向小。,锻造,锻造工艺规范指锻造加热速度和透烧时间、始锻和终锻温度、冷却规范、变形程度。,锻前加热速度不宜过快，保温时间要充分。目的是消除应力并获得低的热变形抗力。 始锻温度要考虑钢具有最佳塑性和最小变形抗力。 终锻温度过高，奥氏体晶粒长大；过低造成锻裂和内应力。 冷却速度过快，易形成冷裂。,中碳碳素钢始锻温度为1100-1150oC，终锻温度800-850oC,中碳钢锻后组织：块状铁素体+细片珠光体,锻造工艺规范决定毛坯质量。,目的：消除锻造工艺中的缺陷，为随后的工艺操作作组织准备。 原因： 中碳碳素钢锻后，易形成硬度较高的细片状的
8、珠光体组织，不利于切削； 锻后毛坯内存在内应力； 锻后晶粒粗大，组织不均匀，影响淬火后质量。,预备热处理工艺：完全退火或正火。,预备热处理,中碳碳素钢完全退火的加热温度为Ac3+30-50oC，退火后得到铁素体加珠光体，硬度HB180左右。,为缩短完全退火时间，可采用等温退火工艺。钢件加热到Ac3+30-50oC后，快冷到Ac3以下50-100oC保温，使奥氏体完全转变。,完全退火目的：降低硬度，消除内应力。,正火的目的：细化晶粒、消除组织缺陷。,终锻温度高，奥氏体晶粒粗大； 冷却不当得到强度和韧性低的针状铁素体+珠光体组织； 终锻温度介于Ar3-Ar1时，会形成带状组织，使钢呈现方向性。,碳
9、质量分数介于0.3-0.4%时，可用正火代替完全退火。 碳质量分数大于0.4%时，正火钢硬度高，不利于切削，不用正火代替完全退火。,影响切削性能的因素主要有两方面 硬度 硬度高，切削抗力大，刀具磨损快。 硬度低，易黏刀，降低刀具寿命。 HB160-203适宜切削 组织 铁素体过多不利于得到光洁表面，尤其大块F降低切削能力。,中碳钢完全退火后，在硬度和组织上均符合切削需求。,切削,目的：赋予零件综合机械性能。 工艺：完全淬火+高温回火,最终热处理,水淬：Ms点附近冷却速度快，易导致零件变形和开裂。 油淬：Ms点附近冷却速度比水小。,碳钢临界冷却速度大，因此用水冷。,高温回火冷却速度对碳素调质钢的
10、性能没有影响，因此采用空冷。,淬火要求：1、要淬透；2、冷速尽量小,合金元素的加入使工艺的规范发生相应变化： 锻造温度范围小；锻前加热速度不宜过快；锻后冷却需要缓慢进行。 预备热处理：完全退火、正火。 最终热处理工艺：完全淬火+高温回火工艺。 通常合金钢的临界冷却速度小，可用油冷防止淬火后零件变形和开裂。 中碳合金钢存在第二类回火脆性，不含Mo和W的钢，高温回火后，需要快速冷却。,1、通过齿面接触而传递动力，易产生接触疲劳而形成剥落。 2、两齿轮齿面相对运动而易产生摩擦磨损。,工作条件,3、齿根承受反复弯曲应力，易发生弯曲疲劳破坏。,4、高速运转齿轮间易产生胶合磨损。,齿轮工作的失效形式：齿根
11、断裂、弯曲疲劳、接触疲劳与磨损。,(1)高的接触疲劳强度 表面硬度越高，接触疲劳的抗力越大。 应对齿轮表面进行淬火和低温回火。表面含碳量越高，抗接触疲劳性能越好。 要求齿轮表面碳含量为0.9%-1.0%，碳化物呈细而圆的形态均匀分布。夹杂物往往是接触疲劳的裂纹源，降低疲劳抗力。,性能要求,(2)高的耐磨性 钢的硬度越高，耐磨性能越高。 随钢中碳和碳化物元素量增加，淬火后钢中碳化物数量增多，马氏体硬度增大，耐磨性随之提高，且有利于防止黏合。(3)高的弯曲疲劳强度和良好的韧性与塑性，防止齿轮断裂,有四种途径可以满足不同工作条件下齿轮的需求： (1)低碳钢渗碳淬火； (2)中碳钢感应加热表面淬火；
12、(3)中碳钢调质处理加氮化处理； (4)热处理后再加表面冷塑性变形(如喷丸等)强化。,齿轮的性能要求：齿轮工作表面应坚硬耐磨；心部应具有良好的韧性和塑性。,影响表面性能的因素,(1)表层组织 采用合金化及表面热处理等方法综合强化表层，防止剥落、磨损和疲劳。 (2)表层内应力分布 通过碾压或喷丸等方法使表面存在过渡缓和的压应力，从而提高疲劳抗力。,(3)硬化层的厚度 硬化层深度不足，易使过渡层产生塑变而形成裂纹，造成硬化层剥落； 硬化层过厚，降低表面残余压应力，降低弯曲疲劳强度。 (4)心部硬度 心部硬度过低，易使硬化层剥落；过高则降低表面残余压应力。,根据齿轮使用性能的要求，齿轮用钢及强化工艺
13、主要有： 齿轮渗碳用钢及渗碳工艺； 感应加热表面淬火用钢及工艺； 氮化用钢及工艺。,1、渗碳用钢 (1)渗碳钢碳含量的确定 从齿表层和齿心部的性能考虑。 保证齿轮心部的韧性，渗碳钢碳含量在0.20%左右，上限为0.30%。 C%过低，强度低，过渡区易塑变，硬化层易脱落； C%过高，表层压应力低，疲劳强度降低，内部韧性下降。,渗碳用钢及强化工艺,(2)合金元素的作用 渗碳钢加入Cr、Ni、Mo、Mn等能获得适当的淬透性。合金元素还影响碳化物形态，从而影响表面性能： Cr使碳化物呈粒状分布，产生有利影响；W、Mo及Si等使碳化物呈长条和网状分布，产生不利影响。,(3)齿轮渗碳用钢 按强度(b)级别
14、或淬透性的大小，可将渗碳用钢分为以下三类： 低强度渗碳用钢。强度(b)为800MPa以下，又称低淬透性渗碳用钢。 如：15、20、20Mn2。 适用于心部强度要求不高的齿轮，如中、小型机床变速箱齿轮。,中强度渗碳用钢。强度(b)为800-1200MPa之间，又称中淬透性渗碳用钢。 如：20Cr、20CrMnTi、20Mn2TiB。 适用于淬透性与心部强度较高的齿轮，可用于制造较重要的齿轮，如汽车、拖拉机的变速箱齿轮。,汽车变速箱齿轮,高强度渗碳用钢。强度(b)大于1200MPa，又称高淬透性渗碳用钢。 如：20Cr2Ni4、18Cr2Ni4W。 具有很高的淬透性和心部强度，适用于制造界面大的重
15、负荷渗碳件，如飞机、坦克的变速箱齿轮。,2、低碳钢的渗碳淬火 目的：赋予齿轮表面良好的耐磨性及较高的接触疲劳强度。 (1)齿轮的渗碳,气体渗碳法 渗剂为气体(甲烷、乙烷、煤油等)。,渗碳过程包括：渗碳介质分解、零件表面吸附碳及碳的进一步扩散。,(2)渗碳工艺规范 控制渗碳层含碳量及渗碳速度的重要参数：渗碳温度、渗碳时间及介质浓度。 提高渗碳温度，渗碳速度和渗层深度急剧增加。,(3)渗碳后的热处理淬火+低温回火， 回火温度为150-200。目的： 淬火使表面抗压强度和耐磨性增加，心部保持高韧性； 低温回火可消除内应力。热处理后，齿轮表面硬度为HRC60左右，心部硬度为HRC15-30。,淬火规范
16、应考虑两点： (1)消除长时间渗碳引起的晶粒长大； (2)渗碳温度较高，对于机械性能要求高的齿轮不可直接淬火。 如：20Cr等，对组织性能要求较高的零件，渗碳后先空冷，再加热至850-900oC，进行淬火，又称一次淬火法。,渗碳后的热处理示意图,对于由18Cr2Ni4WA钢制性能要求特别高的齿轮，采用二次淬火。,第一次加热至850-900oC，为细化心部，消除渗碳网； 第二次加热到780-800oC，为得到细针状马氏体和分布其间的剩余碳化物。,渗碳后的热处理示意图,3、渗碳钢齿轮的加工工艺 锻造正火高温回火(高合金钢)切削加工镀铜(不渗碳部位)渗碳淬火冷处理(高合金钢)低温回火喷丸精磨,锻后预备热处理： 对于低碳钢和低、中合金渗碳钢，锻后采用正火而不用完全退火。 原因：完全退火使组织中出现大块铁素体，降低加工后粗糙度。 高合金钢，如12Cr2Ni4A，淬透性高，正火后还要高温回火，降低硬度。,
