合金结构钢.docx

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合金结构钢

第四节合金结构钢

   一、合金渗碳钢

  渗碳钢通常是指需经渗碳处理后使用的钢材，具有外硬内韧的性能，用于承受冲击的耐磨件，如汽车、拖拉机中的变速齿轮，内燃机上的凸轮轴、活塞销等。

[化学成分]：

低碳，一般wC=0.10％～0.25％，以保证零件心部具有足够的塑性、韧性。

主要合金元素是Cr，还可加入Ni、Mn、B、W、Mo、V、Ti等，其中，Cr、Ni、Mn、B的主要作用是提高淬透性，使大尺寸零件淬火后心部得到低碳马氏体组织，以提高强度和韧性；少量的W、Mo、V、Ti能形成细小、难溶的碳化物，以阻止渗碳过程中高温、长时间保温条件下晶粒长大。

在零件表层形成的合金碳化物还可提高表面渗碳层的耐磨性。

[常用牌号]：

主要有20Cr、20CrMnTi、20Cr2Ni4等。

20Cr钢常用来制造负荷不大、小尺寸的一般渗碳件，如小轴、小齿轮、活塞销等，也可在调质状态下使用，制造工作速度较大并承受中等冲击载荷的零件。

这个钢在渗碳时易过热，表面也容易出现渗碳体网。

20CrMnTi是应用最广泛的合金渗碳钢，用于截面在30mm以下、高速运转并承受中等或重载荷的重要渗碳件，如汽车、拖拉机的变速齿轮、轴等零件。

20Cr2Ni4钢用作大截面、较高载荷、交变载荷下工作的重要渗碳件，如内燃机车的主动牵引齿轮、柴油机曲轴等。

[热处理及性能]：

预先热处理为正火，其目的是为了改变锻造状态的不正常组织，获得合适的硬度以利切削加工。

最终热处理一般是渗碳后淬火加上低温回火。

使表层获得高碳回火马氏体加碳化物，表面硬度一般为58～64HRC；而心部组织则视钢的淬透性高低及零件尺寸的大小而定，可得到低碳回火马氏体或其他非马氏体组织，心部具有良好的强韧性。

常用合金渗碳钢的牌号、化学成分、热处理、力学性能及用途（摘自GB/T3077—1999）

 牌号

热处理

力学性能

应用举例

第一次淬火温度/℃

第二次淬火温度/℃

回火温度

σ

σ

δ5 

AK

/MPa 

/MPa 

/%

/J 

不小于

20Cr

880水、油

780～820水、油

200水、空

540

835

10

47

截面在30mm以下形状复杂，心部要求较高强度、工作表面承受磨损的零件，如机床变速箱齿轮、凸轮、蜗杆、活塞销、爪形离合器等

20Mn2

880水、油

200水、空

590

785

10

47

代替20钢制作小型渗碳齿轮、轴、轻载活塞销，汽车顶杆、变速箱操纵杆等

20CrMnTi

880油

870油

200水、空

850

1080

10

55

在汽车、拖拉机工业中用于截面在30mm以下，承受高速、中或重载荷以及受冲击、摩擦的重要渗碳件，如齿轮、轴、齿轮轴、爪形离合器、蜗杆等

20MnVB

860油

200水、空

885

1080

10

55

模数较大，载荷较重的中小渗碳件，如重型机床上的齿轮、轴，汽车后桥主动、从动齿轮等

20MnTiB

860油

200水、空

930

1130

10

55

20CrMnTi的代用钢种，制作汽车、拖拉机上小截面、中等载荷的齿轮

20Cr2Ni4

880油

780油

200水、空

1080

1180

10

63

大截面、较高载荷、交变载荷下工作的重要渗碳件，如大型齿轮、轴等

注：

表中各牌号的合金渗碳钢试样尺寸均为15mm。

二、合金调质钢 

   合金调质钢主要用于制造在多种载荷（如扭转、弯曲、冲击等）下工作，受力比较复杂，要求具有良好综合力学性能的重要零件，一般需经调质处理后使用。

如汽车、拖拉机、机床等上的齿轮、轴类件、连杆、高强度螺栓等。

它是机械结构用钢的主体。

[化学成分]:

合金调质钢为中碳成分，碳的质量分数wC=0.25％～0.50％，以保证调质处理后具有良好的综合力学性能。

主加合金元素有Cr、Ni、Mn、Si、B等，能提高淬透性和强化钢材，而加入少量的W、Mo、V、Ti等元素可形成稳定的合金碳化物，阻止奥氏体晶粒长大，起细化晶粒及防止回火脆性的作用。

[常用牌号]：

40Cr、35CrMo、38CrMoAl、40CrNiMoA等为常用的合金调质钢。

    40Cr钢是应用最广泛的合金调质钢，主要用于较为重要的中小型调质件；如机床齿轮、主轴、花键轴、顶尖套等。

 35CrMo适用于制造截面较大、载荷较重的调质件和较为重要的中型调质件，如汽轮机的转子、重型汽车的曲轴等。

 40CrNiMoA适宜于制作重载、大截面的重要调质件，如挖掘机传动轴、卷板机轴等。

 38CrMoAl是氮化钢，主要用于制造尺寸精确、表面耐磨性要求很高的中小型调质件，如精密磨床主轴、精密镗床丝杠等。

   [热处理及性能]：

合金调质钢的最终热处理为调质处理，以获得回火索氏体组织，具有良好的综合力学性能；对于某些受冲击的表面耐磨零件，也可在调质后进行表面淬火并低温回火，或调质后氮化处理。

而对于大截面的碳素调质钢零件，往往使用正火代替调质处理。

常用合金调质钢的牌号、化学成分、热处理、力学性能及用途（摘自GB/T3077—1999）

牌号

化学成分w/%

热处理

力学性能

应用范围

C

Si

Mn

Cr

其他

淬火温度/℃

回火温度/℃

σb/MPa

σs/MPa

δ5

/%

不小于

40Cr

0.37～0.44

0.17～0.37

0.50～0.80

0.80～1.10

850油

520水油

785

980

9

制造承受中等载荷和中等速度工作下的零件，如汽车后半轴及机床上齿轮、轴、花键轴、顶尖套等

40MnB

0.37～0.44

0.17～0.37

1.10～1.40

B:

0.0005～0.0035

850油

500水油

785

980

10

代替40Cr制造中、小截面重要调质件，如汽车半轴、转向轴、蜗杆及机床主轴、齿轮等

35CrMo

0.32～0.40

0.17～0.37

0.40～0.70

0.80～1.10

Mo：

0.15～0.25

850油

550水油

835

980

12

通常用作调质件，也可在中、高频表面淬火或淬火、低温回火后用于高载荷下工作的重要结构件，特别是受冲击、振动、弯曲、扭转载荷的机件，如主轴、大电机轴、曲轴、锤杆等

40CrNi

0.37～0.44

0.17～0.37

0.50～0.80

0.45～0.75

Ni:

1.00～1.40

820油

500水油

785

980

10

制造截面较大、载荷较重的零件，如轴、连杆、齿轮轴等

38CrMoAl

0.35～0.42

0.20～0.45

0.30～0.60

1.35～1.65

Mo：

0.15～0.25

940水油

640水油

835

980

14

高级氮化钢，常用于制造磨床主轴、自动车床主轴、精密丝杠、精密齿轮、高压阀门，压缩机活塞杆、橡胶及塑料挤压机上的各种耐磨件

Al：

0.70～1.10

40CrNiMoA

0.37～0.44

0.17～0.37

0.50～0.80

0.60～0.90

Mo：

0.15～0.25 

850

600水油

835

980

12

要求韧性好、强度高及大尺寸的重要调质件，如重型机械中高载荷的轴类、直径大于25mm的汽轮机轴、叶片、曲轴等

Ni：

1.25～1.65

油

0Cr2NiWA

0.21～0.28

0.17～0.37

0.30～0.60

1.35～1.65

W:

0.80～1.20

850油

550水油

930

1080

11

200mm以下要求淬透的大截面重要零件

Ni:

4.00～4.50

注：

表中38CrMoAl钢试样毛坯尺寸为φ30mm，其余牌号合金调质钢试样毛坯尺寸均为φ25mm。

三、合金弹簧钢

   弹簧是起缓冲、减振和储能等作用。

弹簧一般是在交变应力下工作，常见的破坏形式是疲劳破坏，因此，必须具有高的屈服点和屈强比（σs/σb）、弹性极限、抗疲劳性能，以保证弹簧有足够的弹性变形能力并能承受较大的载荷。

同时，弹簧钢还要求具有一定的塑性与韧性，一定的淬透性，不易脱碳及不易过热。

一些特殊弹簧还要求有耐热性、耐蚀性或在长时间内有稳定的弹性。

中碳钢和高碳钢都可作弹簧使用，但因其淬透性和强度较低，只能用来制造截面较小、受力较小的弹簧。

合金弹簧钢则可制造截面较大、屈服极限较高的重要弹簧。

 [化学成分]：

合金弹簧钢为中、高碳成分，一般wC=0.5％～0.7％，以满足高弹性、高强度的性能要求。

加入的合金元素主要是Si、Mn、Cr，作用是强化铁素体、提高淬透性和耐回火性。

但加入过多的Si会造成钢在加热时表面容易脱碳，加入过多的Mn容易使晶粒长大。

加入少量的V和Mo可细化晶粒，从而进一步提高强度并改善韧性。

此外，它们还有进一步提高淬透性和耐回火性的作用。

汽车板簧减震

[常用牌号]：

常用合金弹簧钢的牌号、化学成分、热处理、力学性能及用途见表6－4。

常用的合金弹簧钢有60Si2Mn、50CrVA、30W4Cr2VA等。

 60Si2Mn钢是应用最广泛的合金弹簧钢，其生产量约为合金弹簧钢产量的80％。

它的强度、淬透性、耐回火性都比碳素弹簧钢高，工作温度达250℃，缺点是脱碳倾向较大，适于制造厚度小于10mm的板簧和截面尺寸小于25mm的螺旋弹簧，在重型机械、铁道车辆、汽车、拖拉机上都有广泛的应用。

 50CrVA钢的力学性能与60Si2Mn钢相近，但淬透性更高，钢中Cr和V能提高弹性极限、强度、韧性和耐回火性，常用于制作承受重载荷、工作温度较高及截面尺寸较大的弹簧。

 30W4Cr2VA是高强度的耐热弹簧，用于500℃以下工作的锅炉主安全阀弹簧、汽轮机汽封弹簧等。

[弹簧成型方法]：

对直径或板簧厚度大于10mm的大弹簧，可在比正常淬火温度高出50～80℃的温度热成形，对直径或板簧厚度小于8～10mm的小弹簧，常用冷拔弹簧钢丝冷卷成形。

[热处理]：

为保证弹簧具有高的强度和足够的韧性，通常采用淬火+中温回火。

对热成形弹簧，可采用热成形余热淬火，对热冷成形的弹簧，有时可省去淬火、中温回火工艺，成形后只需进行200～300℃进行去应力退火即可。

弹簧钢热处理后通常进行喷丸处理，其目的是在弹簧表面产生残余压应力，以提高弹簧的疲劳强度。

[性能]：

硬度为40～48HRC，有较高的弹性极限和疲劳强度，以及一定的塑性和韧性。

卷簧

涡旋弹簧

止回弹簧卷

拉簧

板簧

弹簧垫圈

常用合金弹簧钢的牌号、化学成分、热处理、力学性能及用途（摘自GB/T1222—1984）

牌号

主要化学成分w/%

热处理

力学性能

应 用

C

Si

Mn

Cr

V

W

淬火温度/℃

回火温度

/℃

σb/MPa

σs/MPa

δ5/%

不小于

60Si2Mn

0.56～0.64

1.50～2.00

0.60～0.90

≤0.35

870油

480

1177

1275

5

汽车、拖拉机、机车上的减振板簧和螺旋弹簧，气缸安全阀簧，电力机车用升弓钩弹簧，止回阀簧，还可用作250℃以下使用的耐热弹簧

50CrVA

0.46～0.54

0.17～0.37

0.50～0.80

0.80～1.10

0.10～0.20

850油

500

1128

1275

10

用作较大截面的高载荷重要弹簧及工作温度＜350℃的阀门弹簧、活塞弹簧、安全阀弹簧等

30W4Cr2VA

0.26～0.34

0.17～0.37

≤0.40

2.00～2.50

0.50～0.80

4.00～4.50

1050～1100油

600

1324

1471

7

用作工作温度≤500℃的耐热弹簧，如锅炉主安全阀弹簧、汽轮机汽封弹簧等

注：

表列性能适用于截面单边尺寸≤80mm的钢材

四、轴承钢

   [轴承钢性能要求]：

主要用于制造滚动轴承的内圈、外圈、滚动体和保持架。

滚动轴承工作时，内、外圈与滚动体的高速相对运动使其接触面受到强烈的摩擦，因此要求所用材料具有高耐磨性；内、外圈与滚动体的接触面积很小，载荷集中作用于局部区域，使接触处容易压出凹坑，因此要求所用材料具有高硬度；内、外圈与滚动体的接触位置不断变化，受力位置和应力大小也随之不断变化，在这种周期性的交变载荷作用下，内、外圈和滚动体的接触表面会出现小块金属剥落现象，因此要求所用材料具有高的接触疲劳强度。

此外，轴承钢还应有一定的韧性和淬透性。

滚动轴承结构

滚动体

[化学成分]：

滚动轴承钢为高碳成分，wC=0.95％～1.10%，以保证高硬度和高耐磨性。

主要合金元素为Cr，wCr=0.40％～1.65%，Cr能提高淬透性，并与碳形成颗粒细小而弥散分布的碳化物，使钢在热处理后获得高而均匀的硬度及耐磨性。

有时，轴承钢中还加入Si和Mn以进一步提高其淬透性，用于大型轴承。

[牌号]：

牌号前用字母“G”表示滚动轴承钢的类别，后附元素符号Cr和其平均含量的千分数及其它元素符号。

如GCr4、GCr15、GCr15SiMn、GCr15SiMo、GCr18Mo，目前应用最广泛的是GCr15。

   [用途]：

滚动轴承钢虽是制作滚动轴承的专用钢，但其成分与性能接近工具钢，故也可制作冷冲模、精密量具等工具，还可制作要求耐磨的精密零件，如柴油机喷油嘴、精密丝杠。

[热处理]：

预先热处理为球化退火，可获得细小均匀的球状珠光体。

其目的一是降低硬度（硬度为170～210HBS），改善切削加工性能；二是为淬火提供良好的原始组织，从而使淬火及回火后得到最佳的组织和性能。

最终热处理是淬火和低温回火，获得细回火马氏体加均匀分布的细粒状碳化物及少量残余奥氏体，硬度为61～65HRC。

对精密的轴承钢零件，为保证尺寸稳定性，可在淬火后立即进行冷处理（－60～－80℃），以尽量减少残余奥氏体量。

冷处理后进行低温回火和粗磨，接着在120～130℃进行时效，最后进行精磨。

  常用轴承钢的牌号、化学成分、热处理及用途（摘自GB18254-2000）

牌号

化学成分w/%

力学性能

应用

C

Cr

Mn

Si

V

S

P

淬火温度/℃

回火温度/℃

回火后硬度HRC

GCr15

0.95～1.05

1.4～1.65

0.25～0.45

0.15～0.35

≤0.025

825～845

150～170

62～66

壁厚20mm中、小型套圈，φ＜50mm滚珠

GCr15SiMn

0.95～1.05

1.3～1.65

0.9～1.2

0.4～0.65

≤0.025

820～840

150～170

≥62

壁厚＞30mm的大型套圈，φ50～φ100mm滚珠

五、高锰耐磨钢

[性能特点]：

高锰耐磨钢用于工作时受到剧烈的冲击或较大压力作用、摩擦磨损严重的机械零件，如坦克或拖拉机履带板、球磨机滚筒衬板、破碎机牙板、挖掘机的铲齿及铁路上的道岔等，也可制用保险箱钢板、防弹板。

[化学成分]：

高锰耐磨钢的含碳量高，碳的质量分数达wC=0.9%～1.45%，wMn=11%～14%。

由于高锰耐磨钢极易冷变形强化，很难进行切削加工，因此高锰耐磨钢件大多是铸态的。

   [牌号]：

由字母“ZG”（表示铸钢）后附元素符号Mn及其含量百分数表示。

GB/T5680—1998共包含五个牌号：

ZGMn13－1、ZGMn13－2、ZGMn13－3、ZGMn13－4、ZGMn13－5，这五个牌号的成分与性能稍有差异。

[热处理]：

“水韧处理”——将钢加热到1000～1050℃高温，保温一段时间，使钢中碳化物全部溶入奥氏体中，然后在水中快冷，使碳化物来不及析出，得到单相奥氏体组织。

水韧处理后硬度并不高（180～220HBS）。

当它受到剧烈冲击或较大压力作用时，表面迅速产生加工硬化，并伴有马氏体相变，使表面硬度提高到52～56HRC，因而具有高的耐磨性，而心部仍为奥氏体，具有良好的韧性，以承受强烈的冲击力。

[应用场合]：

必须注意的是高锰耐磨钢必须有剧烈的冲击或较大压力时，才能使表面产生加工硬化，使其显示出其高的耐磨性，不然高锰耐磨钢是不耐磨的。

    附表：

耐磨铸钢中外牌号近似对照

中国

（GB）

日本

（JIS）

美国

前苏联

（TOCT）

德国

意大利

（UNI）

法国

（NF）

英国

（BS）

瑞典

（SS14）

国际标准

（ISO）

中国台湾

（CNS）

ASTM

UNS

DIN

W-Nr.

ZGMn13-1

ZGMn13-2

—

B-4

B-3

B-2

A

J91149

J91139

J91129

J91109

T13Л

G-×120Mn13

G-×120Mn12

1.3802

1.3401

—

—

BW10

2183

—

—

ZGMn13-3

ZGMn13-4

SCMnH1

SCMnH2

SCMnH3

B-1

J91119

100T13Л

—

—

—

—

—

—

—

SCMnH1

SCMnH2

SCMn3