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《机械制造技术基础》教案
教学内容：机械结构用合金钢 合金工具钢与高速钢 教学方式：结合实际，由浅如深讲解 教学目的：
1．了解机械结构用合金钢的牌号；
2．掌握合金渗碳钢、合金调质钢、合金弹簧钢、滚动轴承钢的性能及应用；
3．掌握合金工具钢与高速钢的性能及用途。
重点、难点：机械结构用合金钢的牌号及用途 合金工具钢与高速钢的性能与用途
教学过程：
7.4 机械结构用合金钢
机械结构用合金钢包括合金渗碳钢、合金调质钢、合金弹簧钢、滚动轴承钢。 7.4.1 机械结构用合金钢的牌号
1．合金渗碳钢、合金调质钢、合金弹簧钢的编号方法
其牌号为：“两位数字+元素符号+数字”。
1）起首的两位数字表示钢中碳质量分数的万分数； 2）其后的元素符号表示钢中所含的合金元素；
3）随后的数字表示该合金元素平均含量的百分数。合金元素含量表示方法为：平均质量分数＜1.5%时，牌号中仅标注元素，一般不标注含量；平均质量分数为1.5%～2.49%、2.5～3.49%……时，在合金元素后相应写成2、3……。
4）若牌号末尾加“A”，则表示钢中硫、磷含量少，钢的质量高。
例如碳、铬、镍的平均质量分数为0.2%、0.75%、2.95%的合金结构钢，其牌号表示为“20CrNi3”。
2．滚动轴承钢的牌号
牌号为：“GCr数字＋元素符号＋数字”。
G：滚动轴承钢；Cr数字：Cr含量千分数；后面为其它元素及含量的百分数。
例如：GCr15SiMn表示Cr含量为1.5%，Si含量＜1.5%，Mn含量＜1.5%的滚动轴承钢。 滚动轴承钢中碳的质量分数为0.95%-1.10%时，在牌号中不予标出。 7.4.2 合金渗碳钢 1．成分特点
用于制造渗碳零件的钢称为渗碳钢。
1）渗碳钢中WC=0.12%～0.25%，低的碳含量保证了淬火后零件心部有足够的塑性、韧性。
2）主要合金元素是铬，还可加入镍、锰、硼、钨、钼、钒、钛等元素。其中，铬、镍、锰、硼的主要作用是提高淬透性，使大尺寸零件的心部淬回火后有较高的强度和韧性；少量的钨、钼、钒、钛能形成细小、难溶的碳化物，以阻止渗碳过程中高温、常时间保温条件下晶粒长大。
2．热处理与性能特点
渗碳后的钢件，表层经淬火和低温回火后，获得高碳回火马氏体加碳化物，硬度一般为58～64HRC；而心部组织则视钢的淬透性及零件的尺寸的大小而定，可得低碳回火马氏体1
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（40～48HRC）或珠光体加铁素体组织（25～40HRC）。 3．用途
20CrMnTi是应用最广泛的合金渗碳钢，用于制造汽车拖拉机的变速齿轮、轴等零件。 7.4.3 合金调质钢
优质碳素调质钢中的40、45、50，虽然常用而价廉；但由于存在着淬透性差、耐回火性差，综合力学性能不够理想等缺点。所以，对重载作用下同时又受冲击的重要零件必须选用合金调质钢。 1．成分特点
调质钢WC=0.25%～0.5%。调质钢中主加合金元素是锰、硅、铬、镍、钼、硼、铝等，主要作用是提高钢的淬透性；钼能防止高温回火脆性；钨、钒、钛可细化晶粒；铝能加速渗氮过程。
2．热处理及性能特点
调质钢锻造毛坯应进行预备热处理，以降低硬度，便于切削加工。合金元素含量低，淬透性低的调质钢可采用退火；淬透性高的钢，则采用正火加高温回火。例如40CrNiMo钢正火后硬度在400HBS以上，经高温回火后硬度才能降低到230HBS左右，满足了切削要求。调质钢的最终热处理为淬火后高温回火（500～600℃），以获得回火索氏体组织，使钢件具有高强度、高韧性相结合的良好综合力学性能。
如果除了具备良好的综合力学性能外，还要求表面有良好的耐磨性，则可在调质后进行表面淬火或渗氮处理。 3．用途
调质钢主要用来制造受力复杂的重要零件，如机床主轴、汽车半轴、柴油机连杆螺栓等。40Cr是最常用的一种调质钢，有很好的强化效果。38CrMoAl是专用渗氮钢，经调质和渗氮处理后，表面具有很高的硬度、耐磨性和疲劳强度，且变形很小。常用来制造一些精密零件，如镗床镗杆、磨床主轴等。 7.4.4 合金弹簧钢
弹簧钢主要用于制造弹簧等弹性元件，例如汽车、拖拉机、坦克、机车车辆的减振板簧和螺旋弹簧，钟表发条等。 1．成分特点
弹簧钢WC=0.50%～0.7%。常加入硅、锰、铬等合金元素，主要作用是提高淬透性，并提高弹性极限。硅使弹性极限提高的效果很突出，也使钢加热时易表面脱碳；锰能增加淬透性，但也使钢的过热和回火脆性倾向增大。另外，弹簧钢中还加入了钨、钼、钒等，它们可减少硅锰弹簧钢脱碳和过热的倾向，同时可进一步提高弹性极限、耐热性和耐回火性。 2．热处理及性能特点
弹簧钢的热处理一般是淬火加中温回火，获得回火托氏体组织，具有高的弹性极限和屈服强度。 3．用途
60Si2MnA是典型的弹簧钢，广泛用于汽车、拖拉机上的板簧、螺旋弹簧等。 7.4.5 滚动轴承钢
滚动轴承钢主要用来制造各种滚动轴承元件，如轴承内外圈、滚动体等。此外，还可以用来制造某些工具，例如模具、量具等。
滚动轴承钢有自己独特的牌号。牌号前面以“G”（滚）为标志，其后为铬元素符号Cr，其质量分数以千分之几表示，其余与合金结构钢牌号规定相同，例如平均WCr=1.5%的轴承钢，基牌号表示为“GCr15”。 1．成分特点 2
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轴承钢在工作时承受很高的交变接触压力，同时滚动体与内外圈之间还产生强烈的摩擦，并受到冲击载荷的作用，大气和润滑介质的腐蚀作用。这就要求轴承钢必须具有高而均匀的硬度和耐磨性，高的抗压强度和接触疲劳强度，足够的韧性和对大气、润滑剂的耐蚀能力。为获得上述性能，一般WC=0.95%～1.15%，WCr=0.4%～1.65%。高碳是为了获得高硬度、耐磨性，铬的作用是提高淬透性，增加回火稳定性。
轴承钢的纯度要求很高，磷、硫含量限制极严，故它是一种高级优质钢（但在牌号后不加“A”字）。
2．热处理及性能特点
轴承钢的热处理包括预备热处理（球化退火）和最终热处理（淬火与低温回火）。 3．用途
GCr15、GCr15SiMn为常用的轴承钢，具有高的强度、耐磨性和稳定的力学性能，前者制造中小型轴承；后者用于制造较大型滚动轴承。
7.5 合金工具钢与高速钢
7.5.1 合金工具钢
1．合金工具钢牌号表示方法
合金工具钢和与合金结构钢基本相同，只是含碳量的表示方法不同。当平均WC<1.0%时，牌号前以千分之几（一位数）表示；当WC≥1.0%时，牌号前不标数字。合金元素表示方法与结构钢相同。 2．量具刃具钢
主要用于制造形状复杂、截面尺寸较大的低速切削刃具和机械制造过程中控制加工精度的测量工具，如卡尺、块规、样板等。
量具刃具钢碳的质量分数高，一般为WC=0.9%～1.5%，合金元素总量少，主要有铬、硅、锰、钨等，提高淬透性，获得高的强度、耐磨性，保证高的尺寸精度。
该钢的热处理与非合金（碳素）工具基本相同。预备热处理采用球化退火，最终热处理采用淬火（油淬、马氏体分级淬火或等温淬火）加低温回火。
9SiCr是常用的低合金量具刃具钢。 3．合金模具钢
①冷作模具钢
用于制作使金属冷塑性变形的模具，如冷冲模、冷挤压模等。冷作模具工作时承受大的弯曲应力、压力、冲击及摩擦。因此要求具有具备高硬度、高耐磨性和足够的强度和韧性。
热处理采用球化退火（预备热处理）淬火后低温回火（最终热处理）。 ②热作模具钢
用于制作高温金属成形的模具，如热锻模、热挤压模等。热作模具工作时承受很大的压力和冲击，并反复受热和冷却。因此，要求模具钢在高温下具有足够的强度、硬度、耐磨性和韧性，以及良好的耐热疲劳性，即在反复的受热、冷却循环中，表面不易热疲劳（龟裂）。另外还应具有良好的导热性和高淬透性。
为了达到上述性能要求，热作模具钢的WC=0.3%～0.6%。若过高，则塑性、韧性不足；若过低，则硬度、耐磨性不足。加入的合金元素有铬、锰、镍、钼、钨等。其中铬、锰、镍主要作用是提高淬透性；钨、钼提高耐回火性；铬、钨、钼、硅还能提高耐热疲劳性。
预备热处理为退火，以降低硬度利于切削加工；最终热处理为淬火加高温回火。 3
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7.5.2高速工具钢 1．牌号表示方法
表示方法与合金工具钢类似，区别在于高速钢牌号中不标出含碳量。 2，性能特点
高速工具钢（高速钢），主要用于制造高速切削刃具，在切削温度高达600℃时硬度仍无明显下降，能以比低合金工具钢更高的速度进行切削。 3．成分特点
高的碳含量（WC=0.7%～1.2%），但在牌号中不标出，高的合金含量（合金元素总量MMe＞10%），加入的合金元素有钨、钼、铬、钒，主要是提高热硬性，铬主要是提高淬透性。
4．热处理
热处理特点主要是高的加热温度（1200℃以上）；高回火温度（560℃左右）；高的回火次数（3次）。采用高的淬火加热温度是为了让难溶的特殊碳化物能充分溶入奥氏体，最终使马氏体中钨、钼、钒等含量足够高，保证热硬性足够高；高回火温度是因为马氏体中的碳化物形成元素含量高，阻碍回火，因而耐回火性高；多次回火是因为高速钢淬火后残余奥氏体量很大，多次回火才能消除。正因为如此，高速钢回火时的硬化效果很显著。
小结：略
作业： 7.2 7.6
1． 合金渗碳钢的化学成分有何特点？通常合金渗碳钢采用何种热处理工艺？
2． 滚动轴承钢为什么要高碳？加入的合金元素各起什么作用？热处理有何特点？目的如
何？
3． 什么是热硬性？合金刃具钢为什么要具有高的热硬性？哪些元素能提高钢的热硬性？
4
讲机械结构用合金钢合金工具钢与高速钢
