文档介绍：第三章机器零件用合金结构钢机器零件用合金结构钢是在优质碳素结构钢的基础上发展起来的,机器零件用钢也称机械制造结构用钢,是指用于制造各种机械零件所用的钢种,故此得名。如各种齿轮零件、轴(杆)类零件、弹簧、轴承及高强度结构件等。广泛应用在汽车、拖拉机、机床、工程机械、电站设备、飞机及火箭等装置上。这些零件的尺寸虽差别很大,但其服役条件却是十分相似的,主要是承受拉伸、压缩、扭转、剪切、弯曲、冲击、疲劳、摩擦等力的作用,或者是它们中的多种载荷的交互作用。服役环境是大气、水和润滑油, 温度在-50 ℃~+100 ℃范围之间。机器零件要求结构紧凑、运转快速准确以及零件间有合适的公差配合等。由此便决定机器零件用钢在性能上要求与工程构件用钢有所不同。机器零件用钢通常一力学性能为主,工艺性能为辅。机器零件用钢对力学性能要求通常是多方面的,即不但要求强度和韧性以保证机器零件体积小、结构紧凑及安全性好,而且还要求有良好的疲劳性能与耐磨性等。因此对机器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,所以机器零件用钢的使用状态通常为淬火加回火态,即强化态。机器零件对工艺性能的要求主要是便于制造加工。通常机器零件的制造工艺流程为:型材→改锻→预先热处理→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, 但对钢材的其它工艺性能(如冶炼性能、浇注性能、可锻性能等)也有要求,但一般问题不大。第一节合金渗碳钢这类合金钢是在碳素渗碳钢的基础上发展起来的,碳素渗碳钢存在淬透性较低,强度较低,渗碳过程中晶粒粗化严重等缺陷,已不能满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、活塞销等对力学性能的要求。对于这类零件和普通碳素渗碳钢一样,通常只要求表面强化,心部具有一定的强韧性配合即可。表面高硬度、高耐磨性的获得通常采用渗碳处理,再经淬火和低温回火,因此称这类钢为渗碳钢。通过加入合金元素而发展合金渗碳钢具有更高的性能。一、渗碳钢的化学成分特点( 1)低碳,这类钢的碳含量一般较低,一般在 %~% 范围内。选择如此低的碳含量主要目的是为了保证心部有良好的韧性。值得指出的是,近今年来的研究表明, 渗碳钢心部过低的碳含量却易于使表面硬化层剥落,适当提高心部碳含量可使其强度增加,从而避免剥落现象。所以今年来有提高渗碳钢的碳含量的趋势,但通常也不能太高, 否则会降低其韧性。( 2)加入合金元素 Cr 、 Mn 、 Ni 、 Si 、 B等以提高淬透性。这些元素一方面提高钢材的淬透性,提高机件的强度和韧性;另一方面利用碳化物形成元素 Cr 在渗碳后于表层形成碳化物,提高硬度和耐磨性。此外, Ni 对渗碳层和心部的韧性非常有利。( 3)加入少量阻碍奥氏体晶粒长大的合金元素。由于通常的渗碳温度高达 930 ℃左右,对于用 Mn 、 Si 脱氧的钢,奥氏体晶粒会发生急剧长大。为了防止奥氏体晶粒的长大,常加入少量强碳化物形成元素 V 、 Ti 、 Mo 、 W 等阻止奥氏体的晶粒长大,同时还可增加渗碳层硬度,进一步提高耐磨性。在航空发动机齿轮用渗碳钢中,常加入 Ni,可提高渗层和心部的韧性,并降低韧-脆转变温度。常用渗碳钢的合金化发展过程及其性能特点如图 3-1 所示。由于碳素渗碳钢的淬透性低、热处理变形大,因此发展了淬透性较高的合金渗碳钢。由图 3-1 可以看出,合金渗碳钢的发展是一个由低合金含量到较高合金含量、由单一合金化到复合合金化的演变过程,反映在淬透性上由小到大,反映在力学性能上,则表现为由单一性能到良好的综合性能,从而满足了机器零件制造上不同渗碳零件在不同载荷状态下的实际需要。图 3-1 常用渗碳钢的合金化发展过程及其性能特点必须指出的是,渗碳钢中的合金元素还影响着渗碳速度、渗层深度和表层碳浓度。非碳化物形成元素,如 Ni 、 Si 、 Co 等,一方面加速 C 在 950 ℃奥氏体中的扩散;另一方面,又降低 C在奥氏体中的溶解度并降低渗碳层中的最大碳含量。相反,碳化物形成元素虽然降低 C在奥氏体中的扩散系数,但由于在钢的表层能强烈的形成碳化物,因此能够提高表层的最大碳浓度(图 3-2 )。合金元素对渗层深度的影响取决于其对扩散系数和表层碳浓度的影响。图 3-3 示出了 925 ℃渗碳时,渗层深度和合金元素含量的关系。图 3-2 沿钢的渗碳层深度,碳的浓度分布图 3-3 925 ℃渗碳时,合金元素对渗碳层深度的影响表 3-1 常用渗碳钢的化学成分、热处理、力学性能和用途化学成分( % ) 热处理(℃) 力学性能牌号 C Mn Si Cr 其它渗碳预备处理淬火回火σ(MPa) σ(MPa) δ(%) ψ (%) α(kJ ? m ) 毛坯尺寸 mm 用途 15 ~0