机械工程材料学第二篇第七章课件.ppt

,第一节 概述,第二节 轴类零件用钢,第三节 齿轮用钢,第七章 机器零件用钢,第四节 弹簧用钢,第五节 滚动轴承用钢,第六节 易切削钢,1,t课件,第一节 概述,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。,2,t课件,1、工艺性能可锻性、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,3,t课件,使用性能,1、常温及温度波动不大条件下承受动载荷,机器零件用钢应具有较高的疲劳强度。,2、需要承受短时间过载,机器零件用钢应具有高的抗塑变能力和抗断裂能力。,3、零件相互间产生摩擦,机器零件用钢应具有一定的耐磨性。,4、零件结构复杂，具有不同形式缺口，易产生应力集中,机器零件用钢具有较高的韧性及较低的缺口敏感性。,抗疲劳强度和耐磨性更为重要。,4,t课件,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。根据含碳量分：0.2%左右、0.4%左右、0.5%0.6%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。,5,t课件,第二节 轴类零件用钢,根据轴的工作状态：(1)不传递动力，只承受弯矩起支撑作用的心轴；(2)通过旋转运动来传递力矩的传动轴。,工作条件：承受交变应力；相对滑动产生摩擦；承受一定的冲击载荷；缺口（台阶等）,螺钉、螺栓、连杆等与轴的工作条件近似，统称轴类零件。,6,t课件,性能要求,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。钢的塑变抗力指标(b、s)越高，疲劳极限越高。疲劳裂纹的形成还与异相质点的形状与数量有关。,7,t课件,2、良好的冲击韧性(利于承受一定的冲击载荷)和塑性轴上面存在台阶、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性能。一般采用淬火加回火工艺处理。,8,t课件,二、含碳量、回火温度对淬火钢机械性能的影响,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。,(一)淬火回火钢的拉伸性能,原因：碳化物聚集长大，滑移阻力减少。,9,t课件,(二)淬火回火钢的断裂抗力用冲击韧性(k)、断裂韧性(KIC)及极限塑性(k、k)衡量淬火状态下，钢的韧性和塑性均较低，脆性大。随含碳量的增加，脆性增加(C%0.4%，无颈缩)。,低温回火(200oC)：马氏体分解和部分应力消除，导致韧性和塑性得以改善。但表现出较大的缺口敏感性。,10,t课件,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。,11,t课件,(三)淬火回火钢的疲劳极限,回火温度为300-400oC时，疲劳极限最大。原因：淬火应力和残余奥氏体的消除。,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，疲劳极限下降。,12,t课件,三、轴类零件用钢,根据含碳量、合金元素、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%)。,与中碳钢比，低碳钢疲劳极限低，淬透性差；高碳钢韧性塑性低。,碳素钢淬火态的韧性和塑性很低，脆性大；低温回火后，缺口敏感性大；中温回火后，存在低温回火脆。,轴类用钢通常在高温回火状态使用，又称调质钢。,(一)碳素调质钢的特点,碳素调质钢的组织为回火索氏体,13,t课件,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。,14,t课件,(二)合金调质钢的特点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VSi还可提高回火稳定性,15,t课件,合金调质钢特点：（1）淬透性高于碳素钢；（2）合金钢有第二类回火脆，快冷或加入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。,16,t课件,两位数字（表示平均含碳量的万分之几）+合金元素符号+该元素百分含量数字+当合金元素的平均含量小于1.50%时，只标元素符号，不标含量；当合金元素的平均含量为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，如60Si2MnA。特级优质钢在牌号后加字母E，如30CrMnSiE。,17,t课件,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。,18,t课件,(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，尤其适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。,19,t课件,四、轴类零件加工工艺常用工艺：锻造、切削、热处理,(一)中碳碳素钢制轴类零件的加工工艺锻造预备热处理(退火、正火)机械加工最终热处理(淬火、回火)精加工(磨削)装配,20,t课件,1、锻造锻造目的：锻成接近轴的毛坯。锻造好处：节省原料；改善冶金质量。锻造工艺性能要求：(1)低的热变抗力；(2)宽的锻造温度(始锻温度与终锻温度间隔)；(3)锻裂、冷裂及组织缺陷的倾向小。,21,t课件,锻造工艺规范决定毛坯质量。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。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,22,t课件,2、预备热处理,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。,23,t课件,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。,24,t课件,正火的目的：细化晶粒、消除组织缺陷(可代替调质处理),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。,25,t课件,3、切削工艺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组织铁素体较多时不利于得到光洁表面。,中碳碳素钢锻后经完全退火，可满足切削加工性能。,26,t课件,4、最终热处理目的：赋予零件综合机械性能。工艺：完全淬火+高温回火淬火目的：得到完全的马氏体组织。防止表面脱碳和氧化。脱碳(C+O2CO2)和氧化(2Fe+O22FeO)显著降低疲劳性能。,27,t课件,控制内应力淬火过程中，各部位温差形成热应力；奥氏体转变产物的差异形成组织应力，叠加的内应力大于断裂极限引起开裂。,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性能没有影响，因此采用空冷。,28,t课件,(二)中碳合金钢制轴类零件的加工工艺,工艺过程和种类原则上与中碳碳素钢一样。合金元素的加入使工艺的规范发生相应变化（从临界点和淬透性变化考虑）：锻造温度范围小；锻前加热速度不易过快；锻后冷却需要缓慢进行。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，不含Mo和W的钢，高温回火后，需要快速冷却。,29,t课件,第三节 齿轮用钢,一、齿轮的工作条件及性能要求工作条件：1、通过齿面接触而传递动力，接触应力下易产生接触疲劳而形成剥落。,2、齿根承受反复弯曲应力，易发生弯曲疲劳破坏。,30,t课件,高速运转齿轮间易产生胶合磨损。,3、两齿轮齿面相对运动而易产生摩擦磨损。高速运转齿轮间易产生胶合磨损。4、变速等情况下冲击载荷易导致齿根断裂。,31,t课件,齿轮工作的失效形式：齿根断裂、弯曲疲劳、接触疲劳与磨损。,32,t课件,性能要求(1)高的接触疲劳强度（从回火温度和含碳量考虑）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。表面组织为马氏体或马氏体+粒状碳化物时，接触疲劳强度随含碳量增加而提高；表层存在条状或网状渗碳体时，碳含量越多，接触疲劳强度越低。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;表面强化采用淬火+低温回火。夹杂物往往是接触疲劳的裂纹源，降低疲劳抗力,33,t课件,2、钢的耐磨性（从含碳量和碳化物颗粒考虑）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，耐磨性和塑变抗力随之提高，且有利于防止黏合。3、具有高的弯曲疲劳强度和良好的韧性与塑性,34,t课件,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。综合强化方式：(1)低碳钢渗碳淬火；(2)中碳钢感应加热表面淬火；(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。,35,t课件,(三)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（如马氏体组织或采用化学热处理提高碳含量和渗氮），防止剥落、磨损和疲劳。(2)表层内应力分布（表层压应力提高疲劳抗力）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。,36,t课件,(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应力。,37,t课件,二、齿轮用钢与强化工艺,根据齿轮使用性能的要求，齿轮用钢及强化工艺主要有：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。,38,t课件,(一)渗碳用钢及强化工艺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。,39,t课件,(2)合金元素的作用心部硬度增加，疲劳寿命增加；心部强度和硬度增加，可防渗碳层脱落。心部强度和硬度决定于淬透性。淬透性过低，心部不能得到完全马氏体；淬透性过高，淬火变形量增加。渗碳钢加入Cr、Ni、Mo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易使碳化物呈长条和网状分布，产生不利影响,为使渗碳后直接淬火组织为较细的晶粒，要采用本质细晶粒钢。,40,t课件,(3)齿轮渗碳用钢按强度(b)级别或淬透性的大小，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。,41,t课件,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,42,t课件,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负荷渗碳件，如飞机、坦克的变速箱齿轮。,43,t课件,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，且保证心部良好的性能。(1)齿轮的渗碳,经渗碳的机车从动齿轮,在增碳的活性介质中，将低碳钢加热到高温(900-950oC)使活性碳原子渗入钢表面，以获得高碳的渗碳层组织。,44,t课件,气体渗碳法示意图,固体、液体和气体渗碳法气体渗碳法将工件放入密封炉内，在高温渗碳气氛中渗碳。渗剂为气体 (甲烷、乙烷、煤油等)。,活性碳被齿轮表面吸收，造成浓度梯度，C向内部扩散，固溶于奥氏体中。,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组成。,45,t课件,(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。,46,t课件,低碳钢渗碳缓冷后的组织,渗碳后，碳含量从外向内逐渐降低，渗层碳浓度可达1.2-1.3%。,渗层碳质量分数超过0.8%-0.9%的为过共析组织；向内依次为共析组织和亚共析组织。,对于齿轮，渗碳层碳质量分数一般不超过0.9%-1.0%。碳量过高使二次渗碳体过量，增加渗层脆性。,表层渗碳后，比容大，有膨胀趋势，受压应力，可提高抗弯曲疲劳性能。,47,t课件,(3)渗碳后的热处理淬火+低温回火， 回火温度为150-200。目的：(1)淬火使表面抗压强度和耐磨性增加，心部保持高韧性；(2)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。,48,t课件,淬火规范应考虑两点：(1)消除长时间渗碳引起的晶粒长大；(2)仅要求表面硬度，对其他机械性能要求不高的齿轮可直接淬火。如：20Cr等,49,t课件,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。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（可用正火）；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,50,t课件,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,渗碳钢的锻造性能较好,51,t课件,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。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。18Cr2Ni4WA，淬透性大，且没有珠光体转变区，贝氏体和马氏体转变区重合，因此锻后需要进行高温回火软化，得到回火索氏体。,52,t课件,高合金钢，如18Cr2Ni4WA的Mf点在0oC以下，普通淬火和回火工艺后，残余奥氏体量较多，降低渗碳层硬度。措施：冷处理，-60 -70oC。,淬火和回火后，为提高齿轮表面疲劳强度，需进行喷丸处理。,喷丸处理使工件表面产生塑性变形，形成加工硬化层，同时获得残余压应力。也可用滚压法或碾压法。,最终热处理,53,t课件,(二)感应加热表面淬火用钢及强化工艺,对于小模数轻载齿轮或特大尺寸的齿轮，使用中碳钢、中碳低合金钢或低淬透钢制造，并采用感应加热表面淬火。,1、中碳钢轻载齿轮可用中碳钢或中碳合金钢，如45、40Cr等。重载齿轮可采用37CrNi3A等。这些钢号属于调质钢，但它们与调质钢存在差别。,54,t课件,(1)感应加热表面淬火前，可用正火替代调质处理；(2)化学成分应保证淬火后，淬硬层和心部都得到所要求的性能。控制淬透性和含碳量淬透性大，零件易变性开裂；过低，达不到要求含碳量增加，表面性能增加，但脆性也变大。元素含量波动性小。,55,t课件,齿轮放入感应器内，通入高频电流，齿轮表层中产生同频率交变磁场而产生感应电流，而心部电流密度接近0，这一现象为集肤现象。频率越高，电流层越薄。,表面淬火后，获得高硬度，高耐磨性能和接触疲劳抗力；心部组织性能不发生变化。齿轮表面产生一定的残余压应力，可抵消工作时的拉应力。,56,t课件,2、低淬透性钢指淬透性很低，甚至低于普通碳素钢。适用于中等模数齿轮(模数4-6)进行感应加热表面淬火。对于中等模数齿轮，高频感应加热淬火，仅能得到齿顶硬化层；中频导致整个齿牙热透而出现开裂；齿间距小也不能进行逐齿加热。,利用低淬透性钢进行中频感应加热。,57,t课件,降低钢的淬透性可采用如下措施：(1)限制钢中元素Si和Mn含量w(Si)0.25%；w(Mn) 0.29%(2)加入w(Ti)0.04%-0.10%形成TiC以细化晶粒，并成为奥氏体转变珠光体的核心。,58,t课件,3、感应加热表面淬火齿轮加工工艺对于承受较大冲击载荷的齿轮锻造完全退火切削加工调质精加工感应加热表面淬火低温回火对于承受较小冲击载荷的齿轮锻造正火切削加工精加工感应加热表面淬火低温回火感应加热后立即低温回火去应力。,59,t课件,(三)齿轮氮化用钢及氮化处理对于精度要求较高的精密齿轮，工作中受到强烈摩擦，常常采用氮化用钢及氮化处理。1、氮化用钢普通碳钢不形成特殊氮化物，氮化层硬度不高。常使用38CrMoAlA，加入1%的Al提高氮化速度和氮化层的硬度；加入0.2%的Mo以抑制第二类回火脆并提高回火抗力。氮化前，先进行调质处理，使心部获得回火索氏体来支撑表面氮化层。,60,t课件,2、齿轮的氮化氮化方法有：液体氮化、离心氮化、气体氮化等。氨分解的气体氮化(500-600oC)法应用较多。,井式气体氮化炉,氮原子渗入钢中，形成-Fe2(C、N)和 -Fe4(C、N) 。,表层为氮化物，次层为 氮化物；前者脆性大于后者。,61,t课件,氮化优点：氮化后表面硬度可达HRC65-72，高于渗碳层的HRC58-62；且高温下硬度好。氮化后齿轮不需要淬火，避免变形；具有高的疲劳强度和较低的缺口敏感性；化学稳定性高，防腐蚀。,氮化缺点：渗氮时间长，如渗0.3-0.5mm厚的渗氮层，需要30-50h；脆性大。,氮化适用于精度高、变形小、高耐磨和耐蚀齿轮。,工艺路线：锻造完全退火切削加工调质精加工氮化研磨。,62,t课件,第四节 弹簧用钢,弹簧是在交变应力作用下工作的零件，破坏形式为疲劳断裂。,弹簧是利用弹性变形储存能量或缓和冲击的零件。,不出现塑性变形保证弹簧工作可靠性。,63,t课件,1、性能要求(1) 高的弹性极限e可储备更多能量，并防止弹簧产生塑性变形。(2)高的疲劳极限-1防止疲劳断裂(3)具有一定塑性和韧性k5%；k20%； k不做要求。,64,t课件,二、弹簧用钢(一)碳素弹簧钢的特点碳量较高的钢具有较高的弹性极限和疲劳极限，而含碳量过高，则疲劳强度较低。碳含量控制在0.6%-0.9%最终热处理为淬火+中温回火，钢可获得最高的弹性极限和疲劳极限；弹簧钢需用优质钢，保证其疲劳寿命；小型弹簧可用碳素钢（淬透性低）；而大型弹簧需用合金钢。,65,t课件,(二)合金弹簧钢的特点碳质量分数0.5-0.7%之间。为提高淬透性和回火稳定性，加入Mn、Si、Cr和V等元素。Mn提高淬透性；但增加晶粒尺寸，一般控制在1%以下。Si提高淬透性，强化铁素体基体，提高弹性极限和疲劳极限；提高回火稳定性、硬度和强度。但Si增加表面脱碳倾向，降低疲劳强度；促进出现石墨而降低强度。加入Cr和V替代Mn、Si。,66,t课件,两位数字（表示平均含碳量的万分之几）+合金元素符号+该元素百分含量数字+当合金元素的平均含量小于1.50%时，只标元素符号，不标含量；当合金元素的平均含量为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，如60Si2MnA。特级优质钢在牌号后加字母E，如30CrMnSiE。,(三)弹簧钢的牌号、性能及用途编号方法与轴类用钢相同。,67,t课件,可分为五类：1、碳素弹簧钢淬透性差，适于小截面弹簧，线径小于12-15mm，一般制成冷拔钢丝后用冷成型法制弹簧，如坐垫弹簧。2、锰弹簧钢，如65Mn与碳素弹簧钢强度相当，但淬透性高，有过热倾向。适于制造截面尺寸小于15mm的中小型低应力弹簧。,68,t课件,3、硅锰弹簧钢，如60Si2MnA淬透性(油淬25-30mm)、回火抗力和弹性极限高于65Mn。但存在脱碳、石墨化倾向。适于机车车辆等的板状弹簧及耐热弹簧(可在250oC左右下工作)。4、铬钒弹簧钢，如50CrVA淬透性高于60Si2MnA (油淬50mm) ，弹性极限、韧性和强度较高，不易脱碳和石墨化。适于大截面，应力较高的螺旋弹簧和工作在300oC以下的弹簧。,69,t课件,5、硅铬弹簧钢，如60Si2CrA淬透性与50CrVA相当，过热敏感性小。主要用于承受高应力的弹簧和耐热低于300-350oC的受冲击载荷弹簧。不锈耐酸钢、耐热钢和高速工具钢等也常用来制造弹簧。,70,t课件,三、弹簧的制造工艺弹簧尺寸较小时，采用常温成型，称为冷成型；弹簧尺寸较大时，采用加热后成型，称为热成型。(一)冷卷螺旋弹簧制造工艺原料为：0.1-12mm的钢丝或圆钢等原料状态：硬化状态和退火状态,71,t课件,硬化状态(1)钢丝经冷拔变形而强化；(2)钢丝冷拔后，再经淬火和回火强化；(3)铅淬冷拔钢丝。正火+酸洗+Ac3上80-100oC+550oC铅浴(S)+多次冷拉拔(总变形量90%左右)最后得到强度很高、具有一定塑性的弹簧钢丝，又称白钢丝或钢琴丝。冷卷后不用淬火+回火，只需去应力回火。,72,t课件,退火状态钢丝不具弹性，冷卷后需进行淬火+中温回火处理。回火温度一般选在400-520oC卷簧热处理端面加工(二)热成型螺旋弹簧的制造工艺工艺为：下料加热卷簧成型最终热处理喷丸强化断面加工,73,t课件,卷簧温度为950-980oC热处理为：淬火和中温回火(与退火状态冷卷弹簧一致)。,进一步提高疲劳强度采用喷丸处理。,大型热卷弹簧,74,t课件,第五节 滚动轴承用钢,向心球轴承,1内层 2外层3 滚动体 4 保持架1、2、3均为滚动轴承钢,75,t课件,工作条件轴承内套与轴紧密配合，承受轴的等大小反作用力。轴承内外套和滚动体周期进入负荷带，受交变接触应力作用。滚动体与内外套及保持架间存在相对滑动，产生相对摩擦，会产生磨损。冲击载荷作用。,76,t课件,轴承失效的形式与所受的负荷大小、转速高低等工作条件及轴承精度等级有关。对于承受负荷较大的轴承，主要失效形式是滚动体、内外套工作表面上产生麻点剥落，属接触疲劳。对于精密轴承，疲劳前就由于磨损及组织变化造成尺寸变化而失效(尺寸稳定性)。强大的冲击下，轴承零件可能破碎(韧性)。摩擦表面温度过高而造成表面烧伤(耐高温和腐蚀)。,77,t课件,性能要求(1)高接触疲劳抗力即高硬度，HRC61-65。(2)高耐磨性（硬度和碳化物）(3)良好的尺寸稳定性即减少残余奥氏体含量。(4)具有一定的韧性和良好的冶金质量(疲劳寿命)(5)要求承受高温和腐蚀作用时，具有一定耐热性和抗蚀性能。,78,t课件,二、滚动轴承用钢铬轴承用钢,常用钢号应用最广的是GCr15,79,t课件,成分特点 高碳：0.91.11%C 合金元素：以Cr(0.5%-1.65%)为主，加入Mn、Si。Cr、Mn、Si的主要作用是提高淬透性；Cr还提高耐磨性（形成合金渗碳体）和耐蚀性；且形成的碳化物稳定，可细化奥氏体晶粒。,当1.65%Cr时，会因A增加而使硬度和尺寸稳定性下降；同时，由于形成碳化物不均匀分布而影响使用寿命和尺寸稳定性。,强化状态：淬火+低温回火,80,t课件,三、铬轴承钢制滚动轴承的加工工艺,滚珠采用冷墩成型。普通轴承套圈加工工艺：锻造预备热处理 (正火+球化退火)切削加工不完全淬火+低温回火磨削去应力,1、锻造始锻温度小于1100oC；终锻温度在800-850oC之间。终锻温度过低：(1)两相区，易形成带状组织；(2)如在Ar1以下则易因奥氏体分解而造成塑性降低，使锻件出现锻裂。锻后采用吹风冷却，防止网状碳化物形成。,81,t课件,2、预备热处理(正火、球化退火),锻后出现网状碳化物或终锻温度过高形成粗大奥氏体时，需要使用正火。,目的：消除网状二次渗碳体 细化晶粒若锻造规范合理，锻后组织为S+细小弥散分布的二次渗碳体，则不需要正火。,82,t课件,为使钢易于切削，减小淬火时的变形、开裂及过热倾向及提高接触疲劳强度和耐磨性，需要使用球化退火工艺。,83,t课件,球化退火目的：降低硬度便于切削；消除内应力；获得球状珠光体，为淬火做组织准备。铬轴承钢球化退火温度应适中温度过高，得到的是片状产物；退火温度过低，珠光体中的片状碳化物不能完全溶解，产物仍存在片状物。冷速越大弥散程度越高,84,t课件,3、切削加工,影响切削因素：硬度和组织球化后硬度：一般为HB179-207组织：球化较差，甚至有片状渗碳体，不利于切削（尺寸小且均匀，形状圆且分散好）,4、最终热处理目的：获得高硬度、强度和耐磨性工艺：不完全淬火+低温回火,85,t课件,GCr15淬火后组织为隐晶马氏体,硬度为HRC63-66铬轴承钢淬火后，若残余奥氏体量过多，需要冷处理。（防止零件尺寸发生变化）最后的精加工过程中，需防止磨削带来的高温产生的应力，必要时需要去应力回火。,86,t课件,第六节 易切削钢,易切削钢是在低碳、中碳或高碳的钢中加一种或几种合金元素，通过相应的工艺使其具有良好的切削加工性能。,常加入S、Pb、P及微量Ca等元素改善切削性能(中断钢基体利于排削；减小摩擦)。S和Mn形成颗粒，轧制时形成纤维组织，中断了钢基体的连续性，使钢易于切削和排削；同时硬度和摩擦系数低，减小刀具磨损。,87,t课件,Pb以孤立颗粒形式存在，中断钢基体而增加切削性；同时切削产生热量使铅熔化，降低了摩擦，从而提高刀具寿命。编号Y12、Y40、Y40Mn为保持良好的切削性能，此类钢不能预备热处理；此类钢成本高。,88,t课件,第八章 工具材料,按工作条件和用途工具钢分为:刃具钢；模具钢；量具钢,制造工具的材料：工具钢、硬质合金及陶瓷材料,89,t课件,第一节 刃具钢,第二节 高速钢,第三节 模具钢,第四节 量具钢,第五节 硬质合金,90,t课件,刃具钢：用来制造各种切削刀具的钢种。,第一节 刃具钢,91,t课件,一、刃具的工作条件及性能要求,刀刃具有足够的硬度能犁入金属，大的切削压力，可能导致车刀变形和断裂；与工件、切屑间的摩擦，可能导致刃口磨损；切削产生的热量使刀具温度升高，可高达500oC；零件组织和尺寸的不均等，刀具受一定的冲击载荷。,失效形式：卷刃、刃口崩断、刃口磨损、整体断裂等，以磨损为主。,92,t课件,切削加工的基本形式, 性能要求1、高硬度 (HRC60),犁入工件，防止卷刃(含碳量高；淬火+低温回火)。 2、高耐磨性 靠高硬度和析出细小均匀硬碳化物来达到。3、高红硬性 即高温下保持高硬度的能力。4、足够的韧性 以防止脆断和崩刃。,取决于Cr、W、Mo和V等的含量和回火时析出碳化物的类型和分布。Cr、W、Mo和V能阻碍马氏体中碳的扩散，钢的回火抗力高；(2)这些元素含量高时，能析出相应的碳化物，有二次硬化的效果。,93,t课件,(二)工艺性能锻造预备热处理机械加工淬火+回火精加工较宽的锻造温度范围，锻裂、冷裂、析出网状碳化物倾向低；球化退火后硬度低，形成珠光体倾向低；良好的淬透性和淬硬性，淬后变形、开裂倾向小；高温时，不易过热和脱碳；抗磨裂性好。制造刃具钢的钢种：碳素刃具钢、低合金刃具钢和高速钢。,94,t课件,二、碳素刃具钢(一)碳素刃具钢使用性能特点马氏体中碳质量分数在0.6%以上时，具有较高硬度；组织中的多余碳化物可提高耐磨性；过多的含碳量影响淬火后钢的强度和韧性。综合考虑硬度、耐磨性、强度和韧性，碳素刃具钢碳含量在0.65%-1.35%范围内。,95,t课件,碳素刃具钢包括：亚共析钢、共析钢和过共析钢。碳素刃具钢的缺陷（限制了其使用范围）：1、高碳片状马氏体中含有较多碳化物，使高碳钢韧性降低，脆性增加。2、高于250oC回火后碳的析出使硬度显著降低，导致其红硬性较低。,96,t课件,(二)碳素刃具钢工艺性能的特点(过共析钢)工艺：下料锻造预处理机械加工淬火、回火精加工过共析钢的锻造目的：与被加工工件相近的尺寸和形状；使碳化物分布均匀(与亚共析钢的差别)。,97,t课件,过共析钢始锻温度比亚共析钢低60-70oC，应防止过烧；终锻温度也不能过高，防止网状碳化物析出。,过共析钢始既有冷裂倾向(不易过快) ，又易析出网状碳化物(不易过慢) 。,98,t课件,球状珠光体,预备热处理正火+球化退火正火目的：消除网状碳化物(球化退火无法实现)球化退火目的：1、降低硬度, 便于加工;2、细化组织为淬火作组织准备;3、消除应力。,碳化物球化程度越高，越利于切削。,99,t课件,T12钢正常淬火组织,热处理：淬火+低温回火,淬火目的：提高硬度和耐磨性。,使用状态下的组织： M回+颗粒状碳化物+A,回火目的：消除内应力，降低脆性。温度为150-180oC。,对于亚共析钢采用完全淬火，得到组织为细针状马氏体。对于过共析钢采用不完全淬火，最后组织为隐晶马氏体和未溶碳化物。,碳素钢淬透性低，采用水冷,100,t课件,T+数字(含碳量的千分之几)+A(高级优质钢)亚共析刃具钢(T7、T7A)：良好的强韧性，制造承受冲击的工具，如木工工具：冲子、凿子、锤子等。,共析刃具钢T8、T8A：良好的淬透性，无网状碳化物析出，可制造大截面刃具。,101,t课件,过共析刃具钢T10T11：制造硬度和耐磨性较高的切削工具，如钻头、丝锥、车刀等。T12T13：韧性低，不易受冲击，制造耐磨工具，如锉刀、锯条等。,102,t课件,三、低合金工具钢由碳素工具钢基础上加入少量合金元素(35)形成。 克服了碳素刃具钢的低淬透性和低红硬性的缺点。,合金元素作用 提高淬透性: Cr、Mn、Si 提高耐回火性及耐磨性 ： Cr、Mn、 V、Si 细化晶粒: W、V,103,t课件,锻造中除防网、条状状碳化物外，还要使莱氏体均匀分布。,Cr、Si、 W、V 缩小区，从而析出莱氏体，若分布不均会导致脆性增加，并且莱氏体无法通过热处理消除。,低合金刃具钢导热性低，加热需缓慢，防温度不均产生应力而开裂。严格控制锻后冷却速度，过快则出现冷裂，过慢则析出网状渗碳体。,工艺性能,104,t课件,淬火选用缓和冷却介质，防止变形和开裂。淬火介质为油(碳素工具钢为水)。,使用状态下的组织为： M回+颗粒状碳化物+A根据淬透性低合金刃具钢分为低淬透性和高淬透性两类。,105,t课件,第二节 高速钢,俗称风钢，制造高速切削刃具用钢。,性能特点: 高红硬性(600)、高淬透性 成分特点 高碳: 0.701.5%C 合金元素提高淬透性：Cr提高红硬性：W 耐磨性: W、Mo、V,106,t课件,W18Cr4V(又称18-4-1)w(C)=0.7-0.8%; w(W)=17.5-19%; w(Cr)=3.8-4.4%; w(V)=1-1.4%。W以Fe4W2C形式存在。1、加热时，部分溶于奥氏体，起稳定作用(淬透性)；淬火后存在于马氏体，强化马氏体和提高马氏体回火稳定性。钢回火时(560oC左右)，W2C析出并弥散分布，产生二次硬化效果。2、另一部分Fe4W2C不溶于奥氏体，可防奥氏体长大，提高钢耐磨性。,107,t课件,Cr与碳结合成Cr23C6，奥氏体化时分解，Cr溶入奥氏体中，增加淬透性；强碳化物形成元素V，以V4C3形式存在，硬度高，奥氏体化时部分分解溶入奥氏体中；另一部分仍以碳化物形式存在，可细化晶粒，从而增加韧性，同时起到弥散强化的作用，增加耐磨性。0.7-0.8%质量分数的碳即能保证马氏体中含有足够的过饱和碳，且能为碳化物形成提供碳。,108,t课件,W18Cr4V钢的铸态组织,高速钢是莱氏体钢，其铸态组织为亚共晶组织，由鱼骨状莱氏体与树枝状M+T组成。,二、W18Cr4V的铸态组织,莱氏体中碳化物含量为27-28%,碳化物分布不均：钢的抗弯强度与塑性显著降低；机械性能和热处理后的变形呈各向异性；易崩刀，易引起奥氏体变大，增大淬火应力。,109,t课件,碳化物的均匀分布无法通过热处理实现，只能通过热加工改善。锻造目的：打碎粗大的鱼骨状碳化物，使其均匀分布于基体中。锻造开始下压量要小，保证碳化物铸件破碎，防止钢开裂；且大型刃具需反复镦拔。,加工工艺路线：下料锻造退火机加工淬火回火磨削,110,t课件,W18Cr4V钢的退火组织,退火目的：降低硬度，便于切削加工；为淬火作组织准备，采用球化退火。,退火后组织：S+颗粒状碳化物,111,t课件,W18Cr4V钢的淬火组织,Fe77W18Cr4V1C相图,淬火目的: 获得高合金元素含量的马氏体。,淬火后组织： M+未溶碳化物(10%)+A (30%),淬火工艺：加热温度远大于Ac1，1280oC过低无法实现各种碳化物溶解；过高奥氏体急剧长大，还容易过烧,112,t课件,硬度与回火温度关系,回火目的：主要为减少A。消除内应力、稳定组织。, 残余奥氏体中，碳及合金元素含量下降，Ms点上升，回火冷却时，A转变为M，称二次淬火。每次回火加热都使前一次的淬火马氏体回火。,常用560三次回火。回火时的组织变化： 析出弥散小的W、Mo、V的碳化物，产生二次硬化。,113,t课件,W18Cr4V钢热处理工艺示意图,114,t课件,W18Cr4V钢淬火、回火后的组织,使用状态下组织： M回+颗粒状碳化物+A(少量),115,t课件,不同状态下W18Cr4V的组织,116,t课件,常用钢号为W18Cr4V(18-4-1)和W6Mo5Cr4V2(6-5-4-2)。用于高速切削刃具，如车刀、刨刀、铣刀、钻头等。,Mo的存在降低碳化物偏析程度，提高热塑性，为热成型创造条件；另外碳化物分布不均性小，提高了最后的强度和韧性，其碳化物在奥氏体中的溶解性好于W，因此淬火不需要过高的温度。,117,t课件,第三节 模具钢,模具钢：用于制作模具的钢材。,按照被加工毛坯状态分：冷作模具钢和热作模具钢。,一、冷作模具钢加工方式的差别导致工作条件各异。冲裁模：工作中应保持刃口的完整锐利，不变形，不易磨损；刃口具有高硬度、良好耐磨性和强韧性。,118,t课件,镦锻模和挤压模：工作中模具冲头受很大的压力，而凹模受张力；且金属流到导致模具受到摩擦并产生热量。应具有高硬度，好的强韧性和高的断裂抗力和高耐磨性。,其他冷作模具工作条件介于冲裁和冷镦、冷挤压模之间,冷作模具在工作条件上与刃具类似，一般可用刃具用钢制造冷作模具。差别：1、冷作模具钢热处理后变形尽量小；2、红硬性要求不高，但对强韧性、耐磨性、淬透性较高。,119,t课件,二、热作模具钢与冷作模具比，最大差别为：工作温度较高，如机锻模在700oC以上，需要冷却。受力为机械作用力和循环热应力。,120,t课件,性能要求：1、高的变形抗力（反应模具抗坍塌能力）具有较高的硬度，回火抗力、热稳定性和高温硬度。2、良好的断裂抗力较高的抗拉强度、断裂韧性及