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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
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