第4章机器零件用钢.docx

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第4章机器零件用钢

4.1概述

机器零件钢是国民经济各部门中，特别是机械制造业中广泛使用并用量较大的钢种。

机器零件用钢是指用于制造各种机器零件的钢种，如各种轴类零件、齿轮、弹簧和轴承等。

机器零件在工作时承受拉伸、压缩、剪切、扭转、冲击、震动、摩擦等力的作用，或几种力同时作用。

因此，在零件的截面上产生拉、压、切等应力。

4.1.1工况条件及性能要求

表4.1列出了典型机器零件的服役条件、失效方式及材料选择的一般原则。

机器零件要求结构紧凑、运转快速，以及零件间要有公差配合等。

由此便决定零件用钢在性能上要求与工程构件用钢有所不同。

零件用钢以力学性能为主，工艺性能力辅。

其力学性能具体要求如下：

（1）机器零件在常温或温度波动不大的条件下，承受反复同向或反复交变载荷作用，因而要求机器零件用钢应有较高的疲劳强度或耐久强度。

（2）机器零件有时承受短时超负荷作用，因而要求机器零件用钢具有高的屈服强度、抗拉强度以及较高的断裂抗力。

以防止零件在使用过程中产生大量塑性变形或断裂而造成事故。

（3）机器零件工作时往往由于相互间有相对滑动或滚动而产生磨损，引起零件尺寸变化和接触疲劳破坏，因而要求机器零件用钢具有良好的耐磨性和接触疲劳强度。

（4）由于机器零件的形状往往比较复杂，不可避免地存在有不同形式的缺口如台阶、键槽、油孔等，这些缺口都会造成应力集中，使零件易于产生低应力脆断。

因而零件用钢应具有较高的韧性（如KIC、αk等），以降低缺口敏感性。

由此可见，机器零件用钢对力学性能要求是多方面的，不但在强度和韧性方面有要求，以保证机器零件体积小，结构紧凑及安全性好，而且在疲劳性能与耐磨性能方面也有所要求。

因此对零件用钢必须进行热处理强化，以充分发挥钢材的性能潜力。

机器零件用钢的使用状态为淬火加回火态，即强化态。

影响机器零件用钢力学性能的主要因素有含碳量、回火温度及合金元素的种类和数量。

通常机器零件的生产工艺是：

型材→改锻→毛坯热处理→切削加工→最终热处理→磨削等。

其中以切削加工性能和热处理工艺性能为机器零件用钢的主要工艺性能。

4.1.2分类

机器零件用钢种类繁多，分类方法较多。

按用途分为调质钢、弹簧钢、渗碳钢和轴承钢；按含碳量分为低碳钢（C<0.2%）、中碳钢（C0.4%~0.6%）和高碳钢（约C>1%）；按回火温度分为淬火低温回火钢、淬火中温回火钢和淬火高温回火钢。

其中轴类零件、弹簧、齿轮和轴承等是构成各种机器的基础件，它们具有一定的代表性和典型性，故重点讨论之。

4.1.3合金化

机器零件用钢的合金化元素主要有Cr、Mn、Si、Ni、Mo、W、V、B等，或是单独加入，或是复合加入，其中，主加元素为Cr、Mn、Si、Ni。

主加元素的作用主要是提高钢的淬透性和力学性能。

辅加元素有Mo、W、V、B等。

这些元素的配合加入，能降低钢的过热敏感性，消除钢的回火脆性，进一步提高淬透性等作用。

4.2调质钢

通常将经过淬火和高温回火（即调质处理）处理而使用的结构钢称为调质钢。

调质处理后的组织为回火索氏体组织。

调质钢是应用最广的机器零件用钢，约占机械行业中机器零件用钢的30%。

为了获得良好的综合机械性能，通常进行调质处理。

近来有很多调质钢采用等温淬火处理，获得优良的机械性能。

此外，根据不同的技术要求，还可施以正火、表面淬火+低温回火和化学热处理等处理工艺。

4.2.1调质钢的工作条件及性能要求

许多机器设备上的重要零件如机床主轴、汽车拖拉机的后桥半轴、柴油发电机曲轴、连杆、高强度螺栓等，都是在多种应力负荷作用下工作的，受力情况比较复杂。

例如汽车上的主轴，工作时既传递扭矩又承受弯矩，所受力是交变的动负荷应力，其最常见的失效形式是疲劳断裂。

还有些轴，由于轴颈与滑动轴承相配合而产生相对滑动、摩擦磨损。

在极少数情况下，当机器启动或急刹车换挡时，受到一定冲击载荷的作用。

因此，对调质钢的性能提出如下要求：

高的屈服强度和疲劳极限、良好的冲击韧性和塑性、轴的表面和局部要有一定的耐磨性。

不难看出，调质钢既有高的强度，还有良好的塑性和韧性，即又强又韧，具有良好的综合力学性能。

在满足材料综合力学性能要求的同时，还必须考虑材料的断裂韧性和疲劳裂纹扩展速率等性能。

一般调质钢的力学性能指标范围大体如下：

σb≈800σ~1000MPa，σ0.2≈700~1000MPa，δ≈9%~15%，ψ≈45%~55%，αk≈60~120J/cm2，Tk≤-40℃。

4.2.2调质钢的组织特点

调质钢具有良好的综合力学性能的原因与其在使用状态下组织为中碳回火索氏体有关。

这种组织状态具有以下特点：

（1）强化相为弥散、均匀分布的粒状碳化物，可以保证有较高的塑变抗力和疲劳强度。

（2）组织均匀性好，减少了裂纹在局部薄弱地区形成的可能性，可以保证有良好的塑性和韧性。

（3）作为基体组织的铁素体是从淬火马氏体转变而成的，其晶粒细小，使钢的冷脆倾向性大大减小。

4.2.3调质钢的化学成分

调质钢在化学成分上的主要特点是中碳（C0.3%~0.5%），并辅以合金化。

主加合金元素有Mn、Cr、Si、Ni及B等。

这些元素单独加入或复合加入可以提高钢的淬透性，并保证机械零件整体具有良好综合力学性能。

这是调质钢成分设计的主要着眼点。

辅加元素有Mo、W、V、Ti等碳化物形成元素，它们一般不单独加入，而是加在含有主加元素的钢中，且含量较少。

主要作用是细化晶粒、提高回火稳定性和钢的强韧性。

调质钢的回火温度正好处于第二类回火脆的温度范围，加入W、Mo元素可以抑制回火脆性。

这时需要特别指出的是，调质钢一般用以制作大的结构件，所以淬透性至关重要。

4.2.4调质钢的热处理

由于调质钢中含碳量较高，又含有不同数量的合金元素，因而在热加工后其组织将有很大差别。

为了改善切削加工性以及改善因轧、锻不适当而造成的晶粒粗大和带状组织，调质钢在切削加工前需进行预备热处理。

对于合金元素含量较低的调质钢可进行正火或退火处理。

对于合金元素含量较高的调质钢，因正火后会得到马氏体组织，尚需正火后再在Acl以下温度进行高温回火，使其组织转变为粒状珠光体，降低硬度，更于切削加工。

调质钢的最终热处理是淬火加高温回火。

调质钢的最终性能取决于回火温度的选择。

当要求高塑性、高韧性及一定的强度时，采用500~600℃回火，即调质处理，获得回火索氏体组织。

如一些零件表面还要求有良好耐磨性时，则再进行表面淬火或化学热处理如氮化处理。

当要求零件有较高的强高和适当的塑性和韧性时，采用200~250℃回火，以获得回火马氏体组织，或采用450℃左右回火，以获得屈氏体组织。

总之，对调质钢的回火温度选择应根据机器零件工作条件和失效分析来确定。

对在小能量多次冲击条件下工作的零件，即高周疲劳时，应适当降低回火温度，以发挥材料的强度潜力；只有对于大能量冲击条件下的零件即低周疲劳时才适宜采用较高的回火温度，以保证有足够的塑性和韧性。

例如某煤机厂M211型-吨模锻锤杆（φ120×2000mm）原采用40Cr钢油淬和650℃回火，硬度为HB227-238，αk为130J/cm2，使用中常常折断，寿命仅20天左右。

后来将回火温度降低到450~500℃，硬度提高到HRC38~45，αk只有40J/cm2左右，却可使寿命提高到一年左右。

因此，对调质钢回火温度应根据零件的失效分析而有针对性地区别对待。

4.2.5常用调质钢

常用调质钢的化学成分、热处理规范、力学性能和用途见表4.1。

根据淬透性的高低，调质钢可大致分为三类：

①低淬透性调质钢，油淬临界淬火直径为30-40mm，如40、45、45MnV、40Cr、38CrSi、40CrV、40MnVB钢等；②中淬透性调质钢，油淬临界淬火直径为40~60mm，如40CrMn、40CrNi、35CrMnSi等钢；③高淬透性调质钢，油淬临界淬火直径大于60~100mm，如40CrMnSi、40CrNnMo、25Cr2N4WA钢等。

其中45钢和40Cr钢应用最广泛。

为了节约Cr元素，常用40MnB、42SiMn、40MnVB钢代替40Cr钢。

此外在500℃以下的较高温度下工作的零件如汽轮机转子、叶轮等可用35CrMo、40CrMn钢等。

对某些重型设备采用截面大的大锻件用钢时，还应注意有关的工艺性能，如铸造性能、锻造性能、

表4.1常用调质钢的成分、热处理、机械性能和用途

钢号

主要化学成分（%）

热处理

机械性能

退火

状态

用途

其它

淬火

（℃）

回火

（℃）

毛坯尺寸（mm）

ψ（%）

0.42

-0.50

0.50

0.80

0.17

-0.37

830-840

水

580-640

空

＜100

≥650

≥350

≥17

≥38

≥45

主轴、曲轴、齿轮、柱寒等

45Mn2

0.42

-0.49

1.40

-1.80

0.2

-0.40

840油

550水、油

900

750

217

代替φ＜mm的40Cr作得要螺栓和轴类件等

40MnB

0.37

-0.44

1.10

-1.40

0.20

-0.40

B0.001

-0.035

850油

500水、油

1000

800

代替φ＜mm的40Cr作得要螺栓和轴类件等

40MnVB

0.37

-0.44

1.10

-1.40

0.20

-0.40

0.05

-0.10

B0.001

-0.004

850水

500水、油

1000

800

可代传颂40Cr和部分代替40CrNi作重要零件，也可代替38CrSi作重要销钉

35SiMn

0.32

-0.40

1.10

1.40

1.10

-1.40

900水

590水、油

900

750

228

除低温（＜-20℃）韧性稍差外，查哨全面代替40Cr和部分代替40CrNi

40Cr

0.37

-0.45

0.50

-0.80

0.20

-0.40

0.80

-1.10

850油

500水、油

1000

800

作重要调质件，如轴类、连杆螺栓、进气阀和重要齿轮等

38CrSi

0.35

-0.43

0.30

-0.60

1.00

-1.30

1.30

-1.60

900油

600水、油

1000

850

255

作承受大载荷的轴类和车辆上的重要调质件

40CrMn

0.37

-0.45

0.90

-1.20

0.20

-040

840油

520水、油

1000

850

代40CrNi

30CrMnSi

0.27

-0.34

0.80

-1.10

0.90

-1.20

0.80

-1.10

880油

520水、油

1100

900

228

高强度钢，作高速载荷砂轮轴、车轴上内外摩擦片等

续表4.1

钢号

主要化学成分（%）

热处理

机械性能

退火

状态

用途

其它

淬火

（℃）

回火

（℃）

毛坯尺寸（mm）

ψ（%）

35CrMo

0.32

-0.40

0.40

-0.70

0.20

-0.40

0.80

-1.10

0.15

-0.25

850油

550水、油

1000

850

228

重要调质件，如曲轴、连杆及代40CrNi作大截面轴类件

38CrMoAlA

0.35

-0.42

0.30

-0.60

0.20

-0.40

1.35

-.65

0.15

-0.25

A10.70

-1.10

940水、油

640水、渍

1000

850

228

作氮化零件，如高压阀六、缸套等

40CrNi

0.37

-0.44

0.50

-0.80

0.20

-0.40

0.47-

0.75

1.00

-1.4

820油

500水、油

1000

800

241

作较大截面和重要的曲轴、主轴、连杆等

37CrNi3

0.34

-0.41

0.30

-0.60

0.20

-0.40

1.20

-1.6

3.00

-3.50

820油

500水、油

1150

1000

作大截面并需要高强度、高韧性的零件

*35SiMn2MoVA

0.32

-0.42

1.55

-0.185

0.6

-0.90

0.40

-0.50

0.05

-0.10

870水、油

650空

1100

950

作大截面、重载何的轴、连杆、齿轮等，可代替40CrNiMo

40CrMnMo

0.37

-0.45

0.90

-1.20

0.20

-0.40

0.90

-1.20

0.20

-0.30

850油

600水、油

1000

800

217

相当于40CrNiMo的高级调质钢

25Cr2Ni4WA

0.21

-0.28

0.30

-0.60

0.17

-0.37

1.35

-1.65

4.00

-4.50

W0.80

-1.20

850油

550水

1100

950

制造机械性能要求很高的大断面零件

40CrNiMoA

0.37

-0.44

0.50

-0.80

0.20

-0.40

0.60

-0.90

1.25

-1.75

0.15

-0.25

850油

600水、油

1000

100

269

作高强高零件，如航空发动机轴，在＜500℃工作的喷气发动机承力零件

45CrNiMoVA

0.42

-0.49

0.50

-0.80

0.20

-0.40

0.80

-1.10

1.30

-1.80

0.20

-0.30

0.10

-0.20

850油

460油

试样

1500

1350

269

作高强度、高弹性零件，如车辆上扭力轴等

注：

钢号前标有“*”者为新钢种，供参考。

白点敏感性、回火温度范围的宽窄、回火脆倾向性、可焊性和切削加工性能等。

4.3弹簧钢

弹簧钢是专门用来制造各类弹簧（例如叠板弹簧、螺旋弹簧、碟形弹簧、盘簧等）和弹性件（例如扭力杆、弹簧垫圈、弹簧挡环、弹性扣件等）的钢种。

弹簧是非常重要的机械零件，与螺栓、齿轮可合称为机械的三大基础件。

各种机械、机器都离不开它。

4.3.1弹簧的工作条件与性能要求

在各种机器设备中，弹簧的主要作用是吸收冲击能量，缓和机械的振动和冲击作用。

例如，用于汽车拖拉机和机车上的叠板弹簧，它们除了承受车厢和载物的巨大质量外，还要承受因地面不平所引起的冲击载荷和振动，使汽车、火车等车辆运转平稳，并避免某些件因受冲击而过早地破坏。

此外，弹簧还可储存能量，使其机件完成事先规定的动作（如汽阀弹簧、喷嘴弹簧等），保证机器和仪表的正常工作。

由此可见，在外力作用下弹簧发生弹性变形以吸收能量；外力去除后，弹性变形又恢复放出能量，从而保证弹簧本身不受损害。

可见，弹簧也是在交变载荷下工作，其破坏形式是疲劳断裂和由于塑性变形而失零去弹簧作用。

根据以上工作要求，弹簧应具有如下性能：

（1）高的弹性极限、屈服极限和高的屈强比（σk/σb），以保证弹簧有足够高的弹性变形能力，并能承受大的载荷。

（2）高的疲劳极限，以保证弹簧在长期的振动和交变应力作用下不产生疲劳破坏。

（3）为了满足成形的需要和可能承受的冲击载荷，弹簧应具有一定的塑性和韧性。

δk≥20%即可，而对αk不做明确要求。

此外，一些在高温和易腐蚀条件下工作的弹簧，还应具有良好的耐热性和抗蚀性。

4.3.2弹簧钢的特点和常用钢种

弹簧钢分为碳素弹簧钢和合金弹簧钢两类。

常用的弹簧钢的牌号、化学成分、热处理规范和力学性能见表4.2。

由上所述，弹簧的性能以强度要求为主，由此便决定了弹簧钢在化学成分和热处理工艺上有如下特点：

（1）弹簧钢的化学成分：

①弹簧钢的含碳量较高，以保证高的弹性极限与疲劳极限。

一般碳素弹簧钢的含碳量为C0.8%—0.9%，合金弹簧钢的含碳量为C0.5%~0.7%。

②加入Si、Mn。

Si和Mn是弹簧钢中经常应用的合金元素，目的是提高淬透性、强化铁素体（Si、Mn固溶强化效果最好）、提高钢的回火稳定性，使其在相同回火温度下具有较高的硬度和强度。

其中Si的作用最大，但含Si量高时有石墨化倾向，且在加热时使钢易于脱碳。

Mn能增大钢的过热敏感性，也应加以注意。

③加入Cr、W、V。

为了克服硅锰钢的不足，加入碳化物形成元素，它们可以防止钢的过热和脱碳，提高淬透性（主要是Cr），W、V可细化晶粒，并保证钢在高温下仍具有较高的弹性

表4.2弹簧钢的成分、热处理、力学性能和用途

钢号

主要化学成分#（%）

热处理

机械性能

用途

其它

淬火（℃）

*回火

（%）

0.62-0.70

0.50-0.80

0.17-0.37

840油

480

1000

800

截面＜12—15mm的小弹簧

65Mn

0.62-0.70

0.90-1.20

0.17-0.37

830油

480

1000

800

截面＜25mm的各种螺旋弹簧、板弹簧

60Si2Mn

0.57-0.65

0.60-0.90

0.15-2.00

870油

460

1300

1200

截面＜25mm的各种螺旋弹簧、板弹簧

70S3iMnA

0.66-0.74

0.60-0.90

2.40-2.80

860油

420

1800

1600

截面＜25mm的各种螺旋弹簧、板弹簧

50CrCVA

0.46-0.54

0.50-0.80

0.17-0.37

0.80-1.10

0.10-0.20

850油

520

1300

1100

制造截面＞30mm重载荷板弹簧和螺旋弹簧，以及工作温度＜400℃的各种弹簧

50CrMnA

0.46-0.54

0.80-1.00

0.17-0.37

0.95-1.20

840油

490

1300

1200

车辆、施拉机上用的直径≤05mm的圆弹簧和板弹簧

65Si2MnWA

0.61-0.69

0.70-1.00

1.50-2.00

W0.80

-1.20

850油

420

1900

1700

制造高温（≤350℃），截面≤50mm强度要求较高的弹簧

*55iMnMoVNb

0.52-0.60

1.00-1.30

0.40-0.70

0.08-0.15

Mo0.30

-0.40

Nb0.01

-0.03

880油

530

≥1400

≥1300

≥7

≥35

≥30

代50CrVA作大截面的板弹簧

60Si2MnBRE

0.56-0.64

0.6-0.9

21.6-2.0

B0.001

-0.005

RE0.15

-0.20

870油

460±25　　　

≥1600

≥1400

≥5

≥20

制造较大截面板弹簧和螺旋弹簧

极限和屈服极限。

（2）最终热处理采用淬火加中温回火，回火温度一般在350~450℃，为回火屈氏体组织，其目的是为了追求高的弹性极限和疲劳极限。

（3）要求有较高的冶金质量，以防钢中夹杂物引起应力集中而成为疲劳裂纹源，故指标中规定弹簧钢为优质钢。

（4）对钢材表面质量有严格要求，以防止表面有脱碳、裂纹、折叠、斑疤气泡、夹杂和压入的氧化皮等引起应力集中，降低钢的疲劳极限。

4.3.3弹簧钢的热处理

根据成形方法，弹簧钢的制造可分为冷成形和热成形（又称强化后成形和成形后强化）两类。

4.3.3.1冷成形弹簧的热处理

对于小型弹簧，如丝径小于8mm以下的螺旋弹簧或弹簧钢带等，可以在热处理强化或冷变形强化后成形，即用冷拔钢丝冷卷成形。

冷拔钢丝具有高的强度，这是利用冷拔变形使钢产生加工硬化而获得的。

冷拔弹簧钢丝按其强化工艺不同可分为三种情况：

（1）铅浴等温淬火冷拔钢丝。

即将盘条先冷拔到一定尺寸，再加热到Ac3+81—100℃奥氏体化后，在450~550℃铅浴中等温以得到细片状珠光体组织，然后多次冷拔至所需要直径。

通过调整钢中含碳量和冷拔形变量（形变量可高达85%~90%），以得到高强度和一定塑性的弹簧钢丝。

这种铅淬拔丝处理实质上是一种形变热处理，即珠光体相变后形变，可使钢丝强度达到3000MPa左右。

（2）冷拔钢。

这种钢丝主要是过冷拔变形而得到强化，但与铅淬冷拔钢丝不同，它是涌过在冷拔工序中间加入一道约680℃中间退火而改善塑性，使钢丝得以继续冷拔到所需最终尺寸，其强度比铅淬冷拔钢丝强度低。

（3）淬火回火钢丝：

这种钢丝是在冷拔到最终尺寸后，再经淬火加中温回火强化，最后冷卷成形的。

此种强化方式的缺点是工艺较复杂，而强度比铅淬冷拔钢丝低。

经上述三种方式强化的钢丝在冷卷成形后必加一道低温回火工艺，其回火温度为250—300℃，回火时间1h。

低温回火的目的是消除应力、稳定尺寸，并提高弹性极限。

实践中发现已经过强化处理的钢丝在冷卷成开后弹性极限往往并不高，这是因为冷成形将使易动位错数量增多，且由于包申格效应引起起始塑变抗力降低。

因此在冷卷成形后必须进行一次低温回火，以造成多边化过程，提高弹性极限。

4.3.3.2热成形弹簧的热处理

热成形弹簧一般是将淬火加热与热成形结合起来，即加热温度略高于淬火温度，加热后进行热卷成形，然后利用余热淬火，最后进行350~450℃的中温回火，从而获得回火屈氏体组织。

这是一种形变热处理工艺，可有效地提高弹簧的弹性极限和疲劳寿命。

一般汽车上大型板弹簧均采用此方法。

对于中型螺旋弹簧也可以在冷态下成形，而后进行淬火和回火处理。

为进一步发挥弹簧钢的性能潜力，在弹簧热处理时应注意以下三点：

（1）弹簧钢多为硅锰钢，硅有促进脱碳的作用，锰有促进晶粒长大的作用。

表面脱碳和晶粒长大均使钢的疲劳强度大大下降，因此加热温度、加热时间和加热介质均应注意选择和控制。

如采用盐炉快速加热及在保护气氛条件下进行加热。

淬火后应尽快回火，以防延迟断裂产生。

（2

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