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1、第第4 4章章 机器制造结构钢机器制造结构钢机器制造结构钢的强韧化机制及各类钢的化学成机器制造结构钢的强韧化机制及各类钢的化学成分特点和热处理特点。分特点和热处理特点。基本要求基本要求： l了解机器制造结构钢的强韧化机制；了解机器制造结构钢的强韧化机制； l渗碳钢、调质零件、弹簧、滚动轴承、超高强渗碳钢、调质零件、弹簧、滚动轴承、超高强度结构钢的服役条件及对钢的基本性能要求，度结构钢的服役条件及对钢的基本性能要求，化学成分特点和热处理特点；化学成分特点和热处理特点； l掌握常用渗碳钢、调质钢、弹簧钢及滚动轴承钢。掌握常用渗碳钢、调质钢、弹簧钢及滚动轴承钢。 重点与难点重点与难点: :低碳马氏体
2、型结构钢低碳低合金马氏体型结构钢低碳中合金马氏体型结构钢中碳低合金马氏体型超高强度结构钢马氏体时效钢马氏体型结构钢的类型4.4 4.4 马氏体型结构钢马氏体型结构钢中碳低合金中碳低合金M M钢在超高强度结构钢中发展得最早，钢在超高强度结构钢中发展得最早，成本低廉，生产工艺较为简单，成本低廉，生产工艺较为简单，b b已接近已接近2000MPa2000MPa，其产量仍居超高强度钢总产量的首位。，其产量仍居超高强度钢总产量的首位。背景背景v随着强度随着强度，塑韧性不断，塑韧性不断，容易发生材料的，容易发生材料的早期脆性破坏。早期脆性破坏。钢的强度越高，缺口敏感性越大，钢的强度越高，缺口敏感性越大，早
3、期破坏现象越严重。早期破坏现象越严重。三、马氏体时效钢三、马氏体时效钢（1 1）破坏的性质和缺口的性质有关：破坏的性质和缺口的性质有关： 当构件存在当构件存在钝钝缺口时缺口时（例如应力集中系数（例如应力集中系数K=5K=5），），b b在在190019002000MPa2000MPa的钢种，其实际破坏应力尚能的钢种，其实际破坏应力尚能与设计破坏应力相当；与设计破坏应力相当； 当构件存在当构件存在尖锐尖锐缺口时缺口时（如应力集中系数（如应力集中系数K=10K=10），），低合金中碳低合金中碳M M型钢的型钢的b b水平不能超过水平不能超过1700MPa1700MPa，否，否则就会发生低强度下的早
4、期破断。钢的强度愈高，则就会发生低强度下的早期破断。钢的强度愈高，这种早期破坏现象就愈严重。这种早期破坏现象就愈严重。主要问题主要问题（2 2）中碳低合金中碳低合金M M型钢型钢是中碳钢，在热处理是中碳钢，在热处理过程中过程中有较大的脱碳倾向有较大的脱碳倾向，需要在热处理设，需要在热处理设备和工艺上采用保护措施。这类钢的备和工艺上采用保护措施。这类钢的热处理热处理变形较大变形较大，不易校直，不易校直，焊接性较差焊接性较差。 由于用由于用C C强化的中碳低合金强化的中碳低合金M M型钢具有型钢具有C C强化强化的先天性弱点的先天性弱点。发展了。发展了无无C C的的M M时效钢时效钢，在，在Fe-
5、NiFe-Ni合金合金M M基础上，利用时效析出金属间化基础上，利用时效析出金属间化合物相进一步强化。合物相进一步强化。 合金化原理：合金化原理： M M时效钢的强化效应是由于置换元素在时效钢的强化效应是由于置换元素在M M中固溶中固溶及沉淀析出所造成的，且这些及沉淀析出所造成的，且这些置换元素大都是置换元素大都是F F形成元素，因此要能够得到形成元素，因此要能够得到M M基体，必须加入基体，必须加入扩大扩大A A相区的元素相区的元素。马氏体时效钢的合金化马氏体时效钢的合金化化学成分特点：化学成分特点：0.03%C，Ni，还加入，还加入Co、 Ti、Al、Mo。Ni：主加元素：主加元素。提高淬
6、透性，保证提高淬透性，保证M的形成，的形成，必必须含高含高Ni，但，但又不能使又不能使MS点点过低，以减少低，以减少AR。点阵中位错运动抗力和位错与间隙元素之间点阵中位错运动抗力和位错与间隙元素之间交互作用能量，促进应力松弛，交互作用能量，促进应力松弛，减少脆断倾向减少脆断倾向；Co：降低点阵中位错运动抗力和位错与间隙元素降低点阵中位错运动抗力和位错与间隙元素之间交互作用能量，减少脆断倾向；之间交互作用能量，减少脆断倾向；CoMS点，点，AR含量，含量，板条板条M的形成；的形成；板条板条M的特征是具有高密度均匀分布的位错，提供的特征是具有高密度均匀分布的位错，提供了大量潜在的形核位置，从而了大
7、量潜在的形核位置，从而保证时效过程中保证时效过程中获得细小的沉淀物获得细小的沉淀物。Ni、Ti、Al、Mo、Nb等：形成金属间化合物等：形成金属间化合物Ni3Al、Ni3Ti、Ni3Mo和和Fe2Mo等沉淀硬化相。等沉淀硬化相。MoMo和和CoCo复合加入，复合加入，使沉淀强化效应进使沉淀强化效应进一步加强一步加强协同协同效应。效应。Mo和和Co的协同效应：的协同效应：产生协同效应的原因：产生协同效应的原因：CoCo减小含减小含MoMo强化相的溶解度，使更多的强化相在强化相的溶解度，使更多的强化相在时效过程中析出；时效过程中析出；MoMo还可以降低还可以降低M M时效钢的回火脆性。时效钢的回火
8、脆性。TiTi除了形成沉淀相以外，还会与残余除了形成沉淀相以外，还会与残余C C或或C C形成形成TiTi的碳氮化合物而细化钢的组织，但它们常沉的碳氮化合物而细化钢的组织，但它们常沉淀在淀在A A晶界引起各向异性效应，并降低钢的塑晶界引起各向异性效应，并降低钢的塑性。性。严格控制钢中杂质元素含量严格控制钢中杂质元素含量C：0.03%0.03%。C C，强度，强度，但是塑韧性，但是塑韧性。固溶于固溶于M中的中的C会形成气团，钉扎位错，会形成气团，钉扎位错，降低降低M的范性的范性；C与与Mo、Ti、Nb能形成稳定的能形成稳定的K，在晶界上析出时使，在晶界上析出时使韧韧性降低，缺口敏感性增加性降低，
9、缺口敏感性增加，同时还，同时还减少其有效含量，使减少其有效含量，使强化效应减少强化效应减少。N：形成：形成TiN和和NbN，裂纹源裂纹源。少量少量Si和和Mn有强化作用，但有强化作用，但对韧性有害对韧性有害。S形成硫化物，降低钢的横向性能。形成硫化物，降低钢的横向性能。M时效钢必须采用高纯原料，严格控制时效钢必须采用高纯原料，严格控制C、N、S、P、Si等的含量，强度越高，杂质控制越严等的含量，强度越高，杂质控制越严格。格。固体受外力作用而使各点间相对位置的改变，当外力固体受外力作用而使各点间相对位置的改变，当外力撤消后，固体不能恢复原状谓之撤消后，固体不能恢复原状谓之“索性形变索性形变”，又
10、称，又称为为“范性形变范性形变”。 根据钢的含根据钢的含Ni量，量，M时效钢可分为时效钢可分为18%、20%和和25%Ni三种类型。三种类型。18Ni钢：根据强度分为钢：根据强度分为1400MPa、1700MPa、2100MPa三级。三级。三者基本成分相似，主要是强化元素三者基本成分相似，主要是强化元素Ti含量不同。含量不同。18Ni钢的基本成分：钢的基本成分：Ni=18%、Co=8%、Mo=5%、Al=0.1%、C0.003%、Mn0.1%、Si0.01%、S、P60HRC； 高高接触疲劳强度接触疲劳强度以免过早失效以免过早失效保证材质、组织；保证材质、组织； 一定一定韧度韧度承受冲击，以免
11、碎裂；承受冲击，以免碎裂； 尺寸稳定性好尺寸稳定性好保证精度；保证精度； 一定耐蚀性一定耐蚀性大气、润滑油腐蚀。大气、润滑油腐蚀。关键因素关键因素冶金质量冶金质量、化学成分化学成分和和加工工艺加工工艺 二、轴承钢的冶金质量二、轴承钢的冶金质量冶金冶金质量质量要求要求 纯净纯净杂质元素和非金属夹杂物杂质元素和非金属夹杂物要少：主要有各种氧化物（如要少：主要有各种氧化物（如A12O3）、）、硫化物（如硫化物（如MnS）和硅酸盐等；）和硅酸盐等； 危害程度依次递减：刚玉、尖晶石、危害程度依次递减：刚玉、尖晶石、球状不变形夹杂、铝硅酸盐、球状不变形夹杂、铝硅酸盐、硫化物硫化物。接触面小接触面小应力集中
12、大应力集中大易产生裂纹易产生裂纹材质纯净、组织均匀材质纯净、组织均匀非金属夹杂物的来源：非金属夹杂物的来源：冶炼时的脱氧产物，钢液凝固时析出氧化物冶炼时的脱氧产物，钢液凝固时析出氧化物和硫化物；和硫化物；出钢时钢液与渣混出时残留在钢中的渣；出钢时钢液与渣混出时残留在钢中的渣；冶炼和浇注时钢液对耐火材料的浸蚀；冶炼和浇注时钢液对耐火材料的浸蚀；出钢时钢液的二次氧化。出钢时钢液的二次氧化。利用真空脱气、炉外精炼和电渣重熔可提高利用真空脱气、炉外精炼和电渣重熔可提高钢的纯净度。钢的纯净度。高碳高碳铬轴承承钢的使用的使用组织：M回回基体上分布着均匀基体上分布着均匀细小的小的颗粒状粒状K和少量和少量AR
13、；未溶；未溶K数量占数量占78%左右，左右，AR量不大于量不大于8左右，固溶体的左右，固溶体的C含量在含量在0.450.50%之之间； K的尺寸和分布的尺寸和分布对轴承的接触疲承的接触疲劳寿命有很寿命有很大的影响。大的影响。组织不均匀：组织不均匀：轴承钢的碳化物不均匀性。轴承钢的碳化物不均匀性。组组织织均均匀匀 碳化物细小均布碳化物细小均布。主要有三类。主要有三类K： K液析液析 结晶时枝晶偏析而存在结晶时枝晶偏析而存在高温扩散退火高温扩散退火，不允许液析严重；，不允许液析严重； 带状带状K 轧制时二次碳化物偏析轧制时二次碳化物偏析长时间的长时间的高温扩散退火高温扩散退火； 网状网状K冷却时在
14、冷却时在A晶界析出晶界析出正火正火 或或控轧控轧大颗粒大颗粒K 正火消除网状正火消除网状K时，加，加热 保温和随后退火保温和随后退火时未溶未溶K 颗粒粒继续长大。大。三、滚动轴承钢的合金化三、滚动轴承钢的合金化高高C，加入，加入Cr、Si、Mn、V等。等。p 一般一般为0.951.15%，属于，属于过共析共析钢。p 一部分存在于一部分存在于M基体中以基体中以强强化化M；p 另一部分形成足另一部分形成足够数量的数量的K以以获得所要求得所要求的耐磨性。的耐磨性。p 过高的高的C含量会增加含量会增加K分布的不均匀性，分布的不均匀性，且易生成网状且易生成网状K而降低其性能。而降低其性能。 n高高C 保
15、保证轴承承钢有有高的硬度和耐磨性。高的硬度和耐磨性。p部分部分Cr形成的形成的(Fe,Cr)3C在淬火加热时溶解较在淬火加热时溶解较慢，可慢，可减少过热减少过热倾向，经热处理后可以得到倾向，经热处理后可以得到较细的组织，且较细的组织，且K能以细小质点均匀分布于钢能以细小质点均匀分布于钢基体组织中，既可基体组织中，既可提高钢的回火稳定性提高钢的回火稳定性，又，又可可提高钢的硬度提高钢的硬度，进而，进而提高钢的耐磨性和接提高钢的耐磨性和接触疲劳强度触疲劳强度。适宜的。适宜的Cr含量为含量为0.401.65%。n主加主加Me：Cr 提高钢的淬透性提高钢的淬透性和形成合金渗碳体，和形成合金渗碳体，提高
16、轴承钢的提高轴承钢的耐腐蚀耐腐蚀性能。性能。p当当Cr1.65%以后，会使以后，会使AR增加，使钢的增加，使钢的硬度和尺寸稳定性降低硬度和尺寸稳定性降低，还会，还会增加增加K的不的不均匀性均匀性，降低钢的韧性降低钢的韧性。 p 大型大型轴承用承用钢通常加入通常加入Mn、Si提高淬透提高淬透性，适量的性，适量的Si（0.400.60%）还能明能明显地地提高提高钢的的强强度和度和弹性极限；性极限；p V一部分溶于一部分溶于A，提高淬透性，另一部，提高淬透性，另一部分形成分形成VC，提高，提高钢的耐磨性并防止的耐磨性并防止过热。通常无通常无Cr钢中都含有中都含有V。 nSi、Mn、V等：进一步等：进
17、一步提高淬透性提高淬透性。n降低降低S、P含量含量，减少氧化物、硅酸盐减少氧化物、硅酸盐夹杂物夹杂物的数量，提高冶金质量。的数量，提高冶金质量。 p由于轴承钢的接触疲劳性能对钢材的由于轴承钢的接触疲劳性能对钢材的微小缺陷十分敏感，所以要求微小缺陷十分敏感，所以要求S0.02%，P0.027%，一般采用电渣重熔、电炉，一般采用电渣重熔、电炉冶炼及真空冶炼等技术以减少夹杂物数冶炼及真空冶炼等技术以减少夹杂物数量。量。 n预先热处理：预先热处理：轴承钢是过共析钢，且对轴承钢是过共析钢，且对K的的形状和分布要求较高，形状和分布要求较高，通常采用通常采用球化退火球化退火。四、滚动轴承钢的热处理四、滚动轴
18、承钢的热处理p目的：目的：降低钢的硬度降低钢的硬度，退火后硬度一，退火后硬度一般为般为207229HB，这样可，这样可改善切削加改善切削加工工性能，获得细球状性能，获得细球状P和均匀分布的细和均匀分布的细粒状粒状K，为最终热处理作组织准备为最终热处理作组织准备。p球化退火工球化退火工艺加加热温度：温度：780800l S中片中片层状状K已断开，残存一定量已断开，残存一定量细小未溶小未溶K质点，点，A成分不均匀，成分不均匀，为冷却冷却时获得得许多多K形核的形核的颗粒状粒状非自非自发形核核心，得到球状形核核心，得到球状P组织。l加热温度过高加热温度过高，A A中未溶中未溶K K量过少，量过少，A
19、A成分进一步均成分进一步均匀化，冷却后得到的是匀化，冷却后得到的是粗片层粗片层P P，或有大块聚集，或有大块聚集K K，这是不合格的过热组织；，这是不合格的过热组织； l加热温度不足加热温度不足，片状，片状P P溶解得不充分，溶解得不充分，A A成分很不成分很不均匀，冷却过程中均匀，冷却过程中K K沿着原片层析出，或呈细小的沿着原片层析出，或呈细小的链状特征。链状特征。l球化退火冷却方式有两种，一种是连续冷却，球化退火冷却方式有两种，一种是连续冷却，按冷却速度按冷却速度20-30/h20-30/h冷到冷到650650出炉；或者出炉；或者在在700700等温等温2-4h2-4h，再炉冷到，再炉冷
20、到650650出炉。出炉。lK的形状取决于加的形状取决于加热温度，而温度，而K的弥散度取决的弥散度取决于冷却速度。冷却速度越大，于冷却速度。冷却速度越大，K的弥散度也越的弥散度也越大，其硬度也越高。大，其硬度也越高。 p对对GCr15钢，淬火加热温度为钢，淬火加热温度为820-840。 p温度过高会引起过热温度过高会引起过热，晶粒长大，使钢的韧，晶粒长大，使钢的韧性和疲劳强度下降，且易淬裂和变形；性和疲劳强度下降，且易淬裂和变形；温度温度过低过低，则，则A中溶解的中溶解的Cr和和C的含量不够，钢的含量不够，钢淬火后淬火后硬度不足硬度不足。 pM中的中的C含量在含量在0.45-0.5%时，轴承钢
21、既具有时，轴承钢既具有高硬度，又有良好的韧性，还具有最高的接高硬度，又有良好的韧性，还具有最高的接触疲劳寿命。触疲劳寿命。n最终热处理：最终热处理： 淬火淬火+ +低温回火低温回火n（1）细小均匀的）细小均匀的A晶粒晶粒(58级级)； n（2）显微组织：隐晶）显微组织：隐晶M基体上分布着均匀细基体上分布着均匀细小的颗粒状小的颗粒状K；占；占79%左右，左右，AR量不大于量不大于8左右，固溶体的左右，固溶体的C含量在含量在0.500.60%之间；之间； n（3）淬火组织硬度为）淬火组织硬度为HRC6466； n（4）淬火后零件表面不应有氧化脱碳及软点。）淬火后零件表面不应有氧化脱碳及软点。轴承零
22、件淬火后一般要满足以下要求：轴承零件淬火后一般要满足以下要求：l淬火后应立即回火，以消除内应力，提高淬火后应立即回火，以消除内应力，提高韧性、稳定组织和尺寸；韧性、稳定组织和尺寸； l回火温度一般为（回火温度一般为（150160），保温时，保温时间为间为24h。为使回火性能均匀一致，回火为使回火性能均匀一致，回火温度也要严格控制，最好在油中进行。温度也要严格控制，最好在油中进行。 l轴承钢经淬火及回火后的组织轴承钢经淬火及回火后的组织为极细的回为极细的回火火M、均匀分布的细粒状、均匀分布的细粒状K以及少量的以及少量的AR，硬度为，硬度为6266HRC。l轴承在淬回火后的磨削加工过程中，还会产生
23、轴承在淬回火后的磨削加工过程中，还会产生磨削应力，通常还要进行一次附加回火（回磨削应力，通常还要进行一次附加回火（回火温度为火温度为120150，回火时间为，回火时间为23h）以稳）以稳定组织和尺寸。定组织和尺寸。 l对于精密轴承，为了保证能长期存放和使用中对于精密轴承，为了保证能长期存放和使用中不变形，在淬火后要立即进行不变形，在淬火后要立即进行“冷处理冷处理”，以使钢中未转变的以使钢中未转变的AR进一步发生转变；再在进一步发生转变；再在磨削加工后进行附加回火（温度为磨削加工后进行附加回火（温度为120150，时间为，时间为510h）。）。 五、滚动轴承钢的应用实例五、滚动轴承钢的应用实例
24、n常用轴承钢常用轴承钢n根据其根据其Me的种类分为两类：的种类分为两类：pCr轴承钢轴承钢 n典型代表是典型代表是GCr15，使用量占轴承钢的绝，使用量占轴承钢的绝大部分。由于大部分。由于淬透性不是很高淬透性不是很高，因此多用，因此多用于制造于制造中小型轴承中小型轴承。p添加添加Mn、Si、Mo、V的轴承钢的轴承钢u在铬轴承钢中加入在铬轴承钢中加入Mn、Si可提高淬透性，可提高淬透性，如如GCr15SiMn钢钢等，主要用于制造等，主要用于制造大型大型轴承轴承； u为了节约为了节约Cr，可以加入，可以加入Mo、V，得到不，得到不含铬的轴承钢，如含铬的轴承钢，如GSiMnMoV、GSiMnMoVR
25、E钢钢等，其性能和用途与等，其性能和用途与GCr15相近。相近。特大型轴承特大型轴承大型圆锥滚子轴承大型圆锥滚子轴承 离合器分离轴承离合器分离轴承 各类标准轴承各类标准轴承 四列圆锥滚子轴承四列圆锥滚子轴承 轮毂轴承轮毂轴承 必须指出的是高碳铬轴承钢也可用于制造必须指出的是高碳铬轴承钢也可用于制造精密量具、冷冲模、机床丝杠等耐磨件。精密量具、冷冲模、机床丝杠等耐磨件。滚珠丝杠副滚珠丝杠副 丝杠丝杠轧钢机械、矿山挖掘机械、建筑机械等一些轧钢机械、矿山挖掘机械、建筑机械等一些受冲击负受冲击负荷较大荷较大的机械使用的轴承，不仅要求其表面硬度高、的机械使用的轴承，不仅要求其表面硬度高、耐磨性好，具有较
26、高的接触疲劳强度，还要求心部有耐磨性好，具有较高的接触疲劳强度，还要求心部有一定的韧性、足够的强度和硬度。可以选用渗碳钢制一定的韧性、足够的强度和硬度。可以选用渗碳钢制造。造。 n其它类型的轴承钢其它类型的轴承钢 p 渗碳轴承钢渗碳轴承钢可用于制造轴承钢的渗碳钢，如可用于制造轴承钢的渗碳钢，如20Mn、20NiMo、12Cr2Ni4A、20Cr2Ni4A、20Cr2Mn2MoA等，并发等，并发展了一些新钢种，如展了一些新钢种，如G10CrNi3Mo、G20CrMo、G20Cr2Mn2Mo、G20CrNiMo、G20CrNi2Mo及及G20Cr2Ni4等。等。l用渗碳轴承钢制造轴承，加工工艺性能
27、好，可用渗碳轴承钢制造轴承，加工工艺性能好，可以采用冷冲压技术，提高材料的利用率，再经以采用冷冲压技术，提高材料的利用率，再经渗碳、淬火及回火处理后，在零件的表面形成渗碳、淬火及回火处理后，在零件的表面形成有利的残余压应力，提高轴承的使用寿命。有利的残余压应力，提高轴承的使用寿命。l对于在酸、碱、盐等对于在酸、碱、盐等腐蚀介质中使用腐蚀介质中使用的轴承，的轴承，要求具有良好的化学稳定性，故而常采用高要求具有良好的化学稳定性，故而常采用高碳高铬不锈钢制造，如碳高铬不锈钢制造，如9Cr18等。等。p 高碳铬高碳铬不锈不锈轴承钢轴承钢水下轴承水下轴承 外球面轴承外球面轴承 l燃汽轮机、航空及航天工业
28、用轴承的工作温燃汽轮机、航空及航天工业用轴承的工作温度已超过度已超过300300以上，因此对所用轴承的材以上，因此对所用轴承的材料要求有足够的料要求有足够的高温硬度、高温强度高温硬度、高温强度、耐磨、耐磨性、抗氧化性及一定的腐蚀性能、良好的尺性、抗氧化性及一定的腐蚀性能、良好的尺寸稳定性和寸稳定性和高温下的寿命高温下的寿命。 p 高温高温轴承钢轴承钢uGCr15轴承承钢的最高工作温度的最高工作温度不超不超过180，含抗回火，含抗回火稳定性元素定性元素Si、Mo、V、Al的低合的低合金金轴承承钢的工作温度也的工作温度也不能超不能超过260。因此。因此在更高温度下使用的在更高温度下使用的轴承必承必
29、须采用高温采用高温轴承承钢。u常用的高温轴承钢有常用的高温轴承钢有Cr4Mo4V、Cr14Mo4、Cr15Mo4、GCr18Mo、W6Mo5Cr4V2等。这类钢的成分特点是等。这类钢的成分特点是含有大量的含有大量的W、Mo、Cr、V等等K形成元素，淬火后可形成元素，淬火后可获得高合金化的高碳获得高合金化的高碳M，具有，具有良好的回火稳定性良好的回火稳定性，并，并在高温回火后产生二次硬化现象，能在高温下保持高在高温回火后产生二次硬化现象，能在高温下保持高硬度、高耐磨性和良好的接触疲劳强度。硬度、高耐磨性和良好的接触疲劳强度。 超高温轴承超高温轴承高温、耐腐蚀、自润滑轴承高温、耐腐蚀、自润滑轴承1
30、、渗碳钢的服役条件及对性能要求、渗碳钢的服役条件及对性能要求n有一些机器零件，在工作时零件整体受到周有一些机器零件，在工作时零件整体受到周期性变化的扭转或弯曲力的作用，并且零件期性变化的扭转或弯曲力的作用，并且零件与零件表面之间还有相对的摩擦，并有高的与零件表面之间还有相对的摩擦，并有高的接触应力。接触应力。 n这些零件对材料的机械性能要求：这些零件对材料的机械性能要求：n(1) (1) 表面具有高的弯曲、接触疲劳强度和高表面具有高的弯曲、接触疲劳强度和高的耐磨性。的耐磨性。一、渗碳钢一、渗碳钢4.7 4.7 渗碳钢和氮化钢渗碳钢和氮化钢表面高硬度、高耐磨性的获得可采用渗碳处理，表面高硬度、高
31、耐磨性的获得可采用渗碳处理，再经淬火和低温回火，称这类钢为渗碳钢。再经淬火和低温回火，称这类钢为渗碳钢。(2) (2) 心部具有高强度和韧性。心部具有高强度和韧性。碳素渗碳钢碳素渗碳钢的缺点：的缺点：淬透性较低，强度较低淬透性较低，强度较低，渗碳过程中晶粒粗化严重渗碳过程中晶粒粗化严重等缺陷，已不能满等缺陷，已不能满足高速旋转的机械零件，如汽车、拖拉机上足高速旋转的机械零件，如汽车、拖拉机上的变速齿轮，内燃机上的变速齿轮、活塞销的变速齿轮，内燃机上的变速齿轮、活塞销等对力学性能的要求。通过加入等对力学性能的要求。通过加入Me而发展合而发展合金渗碳钢具有更高的性能。金渗碳钢具有更高的性能。n低低
32、C：0.120.25%。保证心部有良好的韧性保证心部有良好的韧性。 nCr、Mn、Ni、Si、B等：等：提高淬透性提高淬透性。 p提高钢材的提高钢材的淬透性淬透性，提高机件的强度和韧性；，提高机件的强度和韧性； p元素元素Cr在渗碳后于表层形成在渗碳后于表层形成K，提高硬度和提高硬度和耐磨性耐磨性。Ni对渗碳层和心部的韧性非常有利。对渗碳层和心部的韧性非常有利。2、渗碳钢的合金化、渗碳钢的合金化n渗碳温度高达渗碳温度高达930左右，对于用左右，对于用Mn、Si脱氧脱氧的钢，的钢，A晶粒会发生急剧长大晶粒会发生急剧长大。 n少量少量V、Ti、Mo、W等：等：p阻止阻止A的晶粒长大的晶粒长大； p
33、还可还可增加渗碳层硬度增加渗碳层硬度，进一步，进一步提高耐磨性提高耐磨性。nK形成元素对渗形成元素对渗C的作用：的作用： n（a）增大钢表面吸收）增大钢表面吸收C原子的能力；原子的能力； n（b）增大渗）增大渗C层表面层表面C浓度；浓度；n（c）阻碍）阻碍C在在A中的扩散。中的扩散。 前两因素加速渗前两因素加速渗C，有利于渗，有利于渗C层的加厚，层的加厚，而后一因素不利于渗而后一因素不利于渗C层的加厚。总的效果层的加厚。总的效果是是Cr、Mn、Mo等加大渗等加大渗C层的厚度层的厚度，Ti减减小渗小渗C层的厚度层的厚度。 n对于一般零件对于一般零件: n(1)渗渗C层的含层的含C量限制为量限制为
34、0.81.1%C； n(2)渗渗C层的深度控制在层的深度控制在0.62.0mm之内。之内。非非K形成元素形成元素对渗渗C的作用的作用与与K形成元素相反：形成元素相反：总的效果：的效果：Ni、Si、Cu等元素等元素减慢渗减慢渗C，不利，不利于渗于渗C层的加厚。的加厚。K形成元素含量形成元素含量过多，将在渗多，将在渗C层中中产生生许多多块状状K，造成表面脆性。所以，造成表面脆性。所以Me的含量要适当。的含量要适当。nMn是一个是一个较好的好的Me，既可以，既可以加速渗加速渗C层增厚增厚，又不又不过多提高渗多提高渗C层的含的含C量量。 2 2、渗碳钢的热处理、渗碳钢的热处理预先热处理：预先热处理：合
35、金渗碳钢零件，在机械加工前的合金渗碳钢零件，在机械加工前的 预先热处理通常分两步进行。预先热处理通常分两步进行。预先热处理预先热处理+ +渗碳渗碳+ +最终热处理。最终热处理。第一步：正火第一步：正火退火（对退火（对P型钢）型钢）第二步：第二步：高温回火（对高温回火（对M型钢）型钢）l正火正火：细化晶粒，减少组织中的带状程度并调整：细化晶粒，减少组织中的带状程度并调整好硬度，便于机械加工。经过正火后的钢材具有好硬度，便于机械加工。经过正火后的钢材具有等轴状晶粒。等轴状晶粒。 l对对P型钢：通常用在型钢：通常用在800左右的一次退火代替正左右的一次退火代替正火，可得到相同的效果，即既细化晶粒又改
36、善切火，可得到相同的效果，即既细化晶粒又改善切削加工性能；削加工性能； l对对M型钢：则必须在正火之后，再在型钢：则必须在正火之后，再在Ac1以下温度以下温度进行高温回火，以获得回火进行高温回火，以获得回火S组织，这样可使组织，这样可使M型钢的硬度由型钢的硬度由380550HB降低到降低到207240HB，以，以顺利地进行切削加工。顺利地进行切削加工。 n渗碳渗碳 n在机械加工到只留有磨削余量时，进行在机械加工到只留有磨削余量时，进行渗碳处理。渗碳处理。n渗碳温度：渗碳温度：910930。 n钢表面的固溶碳极限是由钢表面的固溶碳极限是由A在渗碳温度时对在渗碳温度时对碳的饱和溶解度决定的。如超过
37、碳在碳的饱和溶解度决定的。如超过碳在A中的中的极限溶解度，在表面层中就会出现极限溶解度，在表面层中就会出现K。 n渗碳扩散层的厚度决定于：渗碳扩散层的厚度决定于： n（1）C在在A中的极限溶解度；中的极限溶解度； n（2）C在在A中的扩散速度；中的扩散速度； n（3）扩散的时间。）扩散的时间。 最终热处理：最终热处理：淬火淬火+低温回火低温回火。 l零件的渗零件的渗C表面表面：高：高C回火回火M + 细小的细小的K，硬度，硬度 （6062HRC），耐磨性高。），耐磨性高。 l零件的非渗零件的非渗C表面和基体部分（心部）表面和基体部分（心部）： u低低C回火回火M淬透性高的钢种；淬透性高的钢种；
38、 u低低C回火回火M+B（4048HRC）淬透性中等的钢种；淬透性中等的钢种； u低低C回火回火T（2540HRC）淬透性小的钢种。淬透性小的钢种。 l这些组织使基体具有更好的强硬度与韧塑性的配合，这些组织使基体具有更好的强硬度与韧塑性的配合，心部的冲击韧性一般都高于心部的冲击韧性一般都高于700kJ/m2。u渗碳后直接淬火，再低温回火。渗碳后直接淬火，再低温回火。采用这种工艺的零件通常只要求表面高硬度和耐磨采用这种工艺的零件通常只要求表面高硬度和耐磨性，而性，而对基体性能要求不高。对基体性能要求不高。主要用于渗碳后不容主要用于渗碳后不容易过热的钢种易过热的钢种(如如20CrMnTi钢）。钢）
39、。图图3-4 20CrMnTi钢齿轮的热处理规范钢齿轮的热处理规范u渗碳后先进行空冷（即正火处理）使组织细化，渗碳后先进行空冷（即正火处理）使组织细化，而后再按渗碳后的表面成分进行淬火并低温回而后再按渗碳后的表面成分进行淬火并低温回火。火。当要求表面高硬度、高耐磨性外，对基体当要求表面高硬度、高耐磨性外，对基体性能有较高要求时，性能有较高要求时，可采用这种工艺。可采用这种工艺。主要用主要用于渗碳后容易过热的钢种于渗碳后容易过热的钢种，如，如20Cr、20Mn2等。等。u渗碳空冷后，进行两次淬火。渗碳空冷后，进行两次淬火。当对零件表面和基当对零件表面和基体性能的要求都很严格时，体性能的要求都很严
40、格时，可用这种工艺。可用这种工艺。 n第一次按钢的基体成分加热淬火第一次按钢的基体成分加热淬火，加热温度较高，加热温度较高（870870左右），目的是细化心部组织并消除表左右），目的是细化心部组织并消除表面渗碳层中的网状渗碳体；面渗碳层中的网状渗碳体； n第二次按高碳钢的成分进行（表面）淬火第二次按高碳钢的成分进行（表面）淬火，目的，目的是使表面获得细小的是使表面获得细小的M M加粒状加粒状K K组织，以满足表面组织，以满足表面高性能的要求；高性能的要求； n最后进行低温回火最后进行低温回火起消除应力、稳定组织和稳定起消除应力、稳定组织和稳定尺寸的作用。尺寸的作用。这类热处理工艺主要用于航空发
41、动机齿轮的这类热处理工艺主要用于航空发动机齿轮的热处理。热处理。航空发动机齿轮航空发动机齿轮(可达可达GB10095-88 4级级)n碳素渗碳钢：碳素渗碳钢：15、20 合金渗碳钢按淬透性的高低可分为合金渗碳钢按淬透性的高低可分为 n（1）低淬透性合金渗碳钢低淬透性合金渗碳钢： n 20Cr、20Mn2等等 n（2）中淬透性合金渗碳钢中淬透性合金渗碳钢： n 20CrMnTi、20Mn2TiB、20MnVB等。等。 n（3）高淬透性合金渗碳钢高淬透性合金渗碳钢： n 12Cr2Ni4A、15CrMn2SiMo、 n 18Cr2Ni4WA、20Cr2Ni4A等。等。3、典型渗碳钢及其应用、典型渗
42、碳钢及其应用低淬透性合金渗碳钢低淬透性合金渗碳钢 l抗拉强度通常为抗拉强度通常为b=8001000MPa。 l典型钢种：典型钢种：20Cr、20Mn2等。等。 l这类钢的淬透性低，通常只用于制造受冲击载荷这类钢的淬透性低，通常只用于制造受冲击载荷较小的，且对于心部要求不高的小型渗碳件，如较小的，且对于心部要求不高的小型渗碳件，如小齿轮、活塞销、套筒、链条等。小齿轮、活塞销、套筒、链条等。 中淬透性合金渗碳钢中淬透性合金渗碳钢 l抗拉强度通常为抗拉强度通常为b=10001200MPa。 l典型钢种：典型钢种：20CrMnTi、20Mn2TiB、20MnVB等。等。n20CrMnTi钢：钢：有良好
43、的机械性能和工艺性能。有良好的机械性能和工艺性能。淬透性较高，淬透性较高，由于含有由于含有Ti，其过热敏感性小，其过热敏感性小。 n20CrMnTi钢齿轮可在渗碳后预冷到钢齿轮可在渗碳后预冷到875直接直接淬火。先淬火。先预冷预冷再淬火是为了减少淬火变形；同时再淬火是为了减少淬火变形；同时在预冷过程中渗碳层中析出一些二次渗碳体（合在预冷过程中渗碳层中析出一些二次渗碳体（合金渗碳体），使得淬火后的渗碳层中的金渗碳体），使得淬火后的渗碳层中的AR的数的数量减少。量减少。 n大量用于制造承受高速、中载并要求抗冲击和耐大量用于制造承受高速、中载并要求抗冲击和耐磨损的零件，特别是汽车、拖拉机上的重要齿轮
44、磨损的零件，特别是汽车、拖拉机上的重要齿轮及离合器轴等。及离合器轴等。n20Mn2TiB、20MnVB是为节约是为节约Cr而发展的代用而发展的代用钢，它们的缺点是淬透性不够稳定，热处理变钢，它们的缺点是淬透性不够稳定，热处理变形稍大且缺乏规律。形稍大且缺乏规律。 离合器片淬火离合器片淬火抗拉强度通常为抗拉强度通常为b1200MPa。 l典型钢种：典型钢种：12Cr2Ni4A、15CrMn2SiMo、18Cr2Ni4WA、20Cr2Ni4A等。等。 l这类钢由于含有较多的这类钢由于含有较多的Cr和和Ni等等Me，渗碳，渗碳后表层的后表层的C含量又很高，这样就导致了含量又很高，这样就导致了MS点点
45、的大幅度下降。若渗碳后直接淬火，渗碳层的大幅度下降。若渗碳后直接淬火，渗碳层中将保留大量的中将保留大量的AR，使表面硬度下降，使表面硬度下降，因此因此必须设法减少必须设法减少AR的数量的数量。高淬透性合金渗碳钢高淬透性合金渗碳钢l由于这类钢含有较多的由于这类钢含有较多的NiNi，使得钢具有很，使得钢具有很好的韧性，特别是低温冲击韧性，因此主好的韧性，特别是低温冲击韧性，因此主要用于制造大截面、高载荷的重要齿轮和要用于制造大截面、高载荷的重要齿轮和耐磨件，如飞机、坦克中的重要齿轮及曲耐磨件，如飞机、坦克中的重要齿轮及曲轴等。轴等。 l为了减少为了减少A AR R的数量，通常可以采用下面的三的数量
46、，通常可以采用下面的三种方法：种方法： u第一种方法第一种方法是淬火后进行冷处理（是淬火后进行冷处理（-60-60 - -100100），使），使A AR R继续转变为继续转变为M M；u第二种方法第二种方法 n渗碳及正火后进行渗碳及正火后进行一次高温回火一次高温回火（600620），使），使K从从M和和AR中进一步析中进一步析出；出； n随后再随后再加热到较低温度加热到较低温度（Ac1+3050），），淬火淬火时，这些时，这些K不再溶入不再溶入A中，故减少了中，故减少了A中中C及及Me含量，使含量，使MS点有所升高，淬火后点有所升高，淬火后AR数数量就自然减少了。量就自然减少了。 n最后再进
47、行最后再进行低温回火低温回火，以消除内应力并提高，以消除内应力并提高渗层的强度和韧性。若将上述两种减少渗层的强度和韧性。若将上述两种减少A的方的方法同时采用，效果更好。法同时采用，效果更好。u第三，在渗碳后进行喷丸强化第三，在渗碳后进行喷丸强化，也可以有，也可以有效地使渗层中的效地使渗层中的AR转变为转变为M。 渗碳钢还可以用来制造轴承渗碳钢还可以用来制造轴承。本溪钢铁集团本溪钢铁集团1500热轧线主减速机一轴和二轴用热轧线主减速机一轴和二轴用 轴承套圈和滚子选取了渗碳钢轴承套圈和滚子选取了渗碳钢G20Cr2Ni4A 二、二、 氮化钢氮化钢 服役条件：服役条件： 有些零件工作时载荷不大，基本上
48、无冲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，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。常采用氮化钢要的要求是能保持高的精度。常采用氮化钢 进行渗氮处理。进行渗氮处理。氮化后的特点：氮化后的特点：表面硬度高；耐磨性好；可显著提高疲劳寿命，表面硬度高；耐磨性好；可显著提高疲劳寿命，改善对缺口的敏感性；具有抗水、油等介质腐改善对缺口的敏感性；具有抗水、油等介质腐蚀的能力；有一定的耐热性，在低于渗蚀的能力；有一定的耐热性，在低于渗N N温度温度下受热可保持高的硬度
49、。下受热可保持高的硬度。Me：Al、Nb、V、Cr、Mo、W合金元素对氮化层深度和表面硬度的影响（合金元素对氮化层深度和表面硬度的影响（550氮化氮化24h） 氮化钢的热处理特点氮化钢的热处理特点n氮化：氮化：510-570，氮化层的厚度一般是，氮化层的厚度一般是0.30.5mm。氮化层表面形成。氮化层表面形成相（相（Fe4N）和）和相相（Fe2-3N） 调质调质处理：得到稳定的处理：得到稳定的S回回组织，保证零件最终的组织，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。获得好的氮化层作组织准备。淬火淬火高温回火高温
50、回火氮化氮化表面形成高硬度的表面形成高硬度的-Fe4N，-Fe2-3N层； 渗入的氮原子与氮化物形成元素形成弥散的渗入的氮原子与氮化物形成元素形成弥散的合金氮化物，提高表面氮化合金氮化物，提高表面氮化层的的强强度和硬度；度和硬度； 氮化氮化处理提高零件疲理提高零件疲劳强强度和耐磨性的原因：度和耐磨性的原因：表面渗入氮原子后体积膨胀，在表面产生残余压表面渗入氮原子后体积膨胀，在表面产生残余压应力，能抵消外力作用产生的张应力，减少表面应力，能抵消外力作用产生的张应力，减少表面裂纹的产生。裂纹的产生。典型氮化钢种及应用：典型氮化钢种及应用：l要求高耐磨性的零件要有高硬度的表面氮化要求高耐磨性的零件要有高硬度的表面氮化层，一般采用含强氮化物形成元素铝的钢种，层，一般采用含强氮化物形成元素铝的钢种，如如38CrMoAl。l仅要求高疲劳强度的零件，可采用不合铝的仅要求高疲劳强度的零件，可采用不合铝的Cr-Mo型氮化钢，如型氮化钢，如35CrMo、40CrV等，其氮化等，其氮化层的硬度控制在层的硬度控制在500800HV。 调质和表面氮化和表面氮化处理后，理后，38CrMoAl钢表面可表面可获得最得最高氮化高氮化层硬度，硬度，9001000HV。超精密镗床超精密镗床 防震镗杆防震镗杆
