其他机械制造结构钢

五、其他机械制造结构钢

(一)低淬透性钢

低淬透性钢是指淬透性特别低(低于碳素钢)，专门用于中小模数齿轮感应加热表面淬火的专用钢种。中小模数的齿轮，由于尺寸小，在感应加热表面淬火时极易淬透，导致心部硬化后强韧性降低，往往难以满足使用要求。采用低淬透性钢制造这些尺寸不大的齿轮，感应淬火加热时即使轮齿全部热透，在冷却时也只能使表层淬硬，轮齿心部仍保持良好的强韧状态。低淬透性钢的淬硬层深度为1～3mm，且淬硬层基本上沿齿廓分布，因而解决了用渗碳钢与调质钢制造这类齿轮的不足之处，低淬透性钢的w_C=0．5%～0．7%，为了降低其淬透性，将钢中的硅、锰等元素的含量尽可能降至最低限度，同时加入少量钛、钒等强碳化物形成元素，促进其冷却时的高温转变。低淬透性钢感应加热淬火时加热速度快，高温奥氏体晶粒长大倾向极小，淬火变形及开裂倾向也小，淬火后硬化层沿齿廓分布，淬火效果理想。多年来，用低淬透性钢制造的拖拉机、煤矿机械、内燃机机车等传动齿轮，其力学性能和装机使用效果均已达到20CrMnTi、30CrMnTi钢渗碳齿轮的水平。

低淬透性钢价格便宜，比合金渗碳钢20CrMnTi低1/4左右;切削性能良好(与45钢相近);热处理工艺简单，与渗碳相比可节约能源50%以上。故合理使用低淬透性钢可实现以普通碳钢代替合金钢、降低成本、简化工艺、提高生产效率、节约能源和改善工作环境的效果。目前这类钢已在汽车、拖拉机重载齿轮、承受冲击的半轴、花键轴、活塞销等零件中得到了应用。

常用的低淬透性钢有55Ti、60Ti及70Ti等，其牌号及化学成分见表7-15所列。

表7-15　常用低淬透性钢的牌号及化学成分

(二)易切削结构钢

钢的切削加工性一般是按刀具的使用寿命、切削抗力的大小、加工表面的粗糙度和切屑排除的难易程度等四个方面综合评定的。所谓易切削钢就是在钢中加入一种或几种能改善或提高切削加工性的元素，利用这些元素本身或易切削元素与其他元素形成某些对金属切削加工有利的夹杂物，使钢的切削抗力降低、切屑易断易排、切削加工性得到改善的钢种。易切削钢中常用的合金元素有硫、磷、铅、钙、硒、碲等。

硫主要以MnS的微粒形式存在于钢中，并沿轧制方向呈纤维状分布，它能中断钢基体的连续性，既有断屑作用，又有利于减少刀具的磨损，还可以降低零件的加工粗糙度。但硫不能加入太多，一般控制在w_S=0．08%～0．35%之间。

磷能固溶于铁素体，提高铁素体的强度、硬度，降低其塑性、韧性。故磷使切屑易断、易排除，并可降低零件加工表面的粗糙度。易切削钢中的磷含量一般控制在w_P=0．05%～0．15%之间。

铅在常温下以孤立细小颗粒(约3μm)状的夹杂物形式均匀分布于钢中，它可以中断钢基体的连续性，并有减磨作用。但铅易产生密度偏析，故一般含量控制在w_Pb=0．10%～0．25%。

钙在钢中能够形成钙铝硅酸盐，在高速钢切削时附着在刀具上，可减轻刀具磨损并生成有润滑作用的保护膜，从而延长了刀具的使用寿命。但钙在钢中只能少量加入，一般用量控制在w_Ca=0．001%～0．005%。

易切削钢牌号首位以字母“Y”表示，是“易”字汉语拼音的第一个字母;含锰量较高的易切削钢在牌号最后标出元素符号“Mn”。常用易切削钢的牌号、性能及用途如表7-16所列。

表7-16　常用易切削钢的牌号、成分、力学性能及用途(GB/T8731—1988)

易切削钢的冶炼工艺要求严格，成本较高，只有在零件批量很大(如螺栓、螺母、销等标准件和紧固件的生产中)，必须改善钢材的切削加工性时选用，才能取得良好的经济效益。一般情况下，自动机床加工的零件，大量选用低碳碳素易切削钢;若切削加工性要求高时选用Y15;需要焊接的选用Y12;强度要求稍高的选用Y20或Y30;车床丝杆常选用中碳含锰量较高的Y40Mn;要求切削性能并需要热处理时选用Y40CrSCa易切削合金调质钢;在精密仪器行业中常选用T10Pb易切削碳工钢制造照相机零件等。

由于新型易切削钢(合金易切削钢、易切削不锈钢等)的不断研制，易切削钢应用也不断扩大，如Y45Ca钢由于力学性能较好，可替代45钢制造齿轮、轴等重要的零件，生产效率提高一倍以上。

易切削钢可进行最终热处理，但一般不进行预先热处理，以免损害其切削加工性。

(三)低合金超高强度钢

超高强度钢一般指σ_b≥1500MPa或σ_s≥1400MPa的合金结构钢。超高强度钢是20世纪40年代以来逐渐发展起来的一类新型钢种，这类钢最初是为了满足飞机结构所需的高比强度材料而研制的。超高强度钢是在合金结构钢的基础上，通过严格控制冶金质量、化学成分和热处理工艺等而发展起来的。由于钢的强度显著提高，可以减轻结构的重量，主要用于制造飞机起落架、机翼大梁、火箭及发动机壳体与炮筒、枪筒、防弹板等。

超高强度钢通常按化学成分和强韧化机制可分为低合金超高强度钢、马氏体时效钢、中合金超高强度钢和沉淀硬化型超高强度不锈钢四类，其中低合金超高强度钢发展最早，成本较低，生产工艺较为简单，应用较广。本节主要介绍低合金超高强度钢。

1．低合金超高强度钢的化学成分及热处理

目前低合金超高强度钢的强度范围一般在1500～2000MPa。这类钢是在合金调质钢的基础上加入一定量的合金元素而形成的。与普通调质钢的不同点是其最终热处理采用淬火﹢低温回火，故其使用状态的组织不再是回火索氏体而是回火马氏体。

低合金超高强度钢的碳含量范围一般在w_C=0．30%～0．50%。若碳含量过高，虽然钢的强度随之增加，但钢的塑性、韧性变差，各种工艺性能也随之恶化。

低合金超高强度钢中通常加入镍、铬、硅、锰、钼、钨、钒等合金元素，元素总量一般不超过6%。合金元素的主要作用是提高钢的淬透性，细化晶粒和提高钢的回火稳定性。其中钼有防止和改善回火脆性的作用，钒、铌则增加了钢中碳化物的稳定性，当加热温度较高时，这些合金碳化物仍以细小的质点保留在钢中，有较强的阻止奥氏体晶粒长大的作用，保证钢淬火后得到细小的马氏体组织，改善回火马氏体的韧性，提高了钢的抗断裂能力。

为了进一步改善低合金超高强度钢的韧性，提高其使用时的安全可靠性，就必须进一步提高钢的纯净度，尽量降低钢中硫、磷及其他气体杂质和夹杂物的含量。低合金超高强度钢采用真空熔炼、真空自耗和电渣重熔等先进工艺，钢中各种杂质元素和夹杂物的质量分数显著降低，使钢的韧性得到改善，韧脆转化温度降低。

2．常用的低合金超高强度钢

(1)铬-锰-硅-镍系钢种

典型牌号为30CrMnSiNi2A钢。30CrMnSiNi2A钢是在30CrMnSi钢成分的基础上，通过提高锰、铬含量，并加入1．4%～1．8%的镍而形成的，成分调整后钢的淬透性显著提高，淬火、低温回火后σ_b=1700～1800MPa，在获得高强度的同时仍能保持足够的塑性和韧性。30CrMnSiNi2A钢是我国航空工业中应用最广泛的钢种，主要用于制造在切应力条件下工作的高强度螺栓及轴类、飞机起落架支柱、机翼主梁及其他重要的连接件。但这种钢在350℃～550℃温度范围内会产生回火脆性，在高温加热时有脱碳倾向，对缺口较敏感并易产生氢脆，这些应在零件设计及热处理时特别予以重视。

(2)镍-铬-钼系钢种

典型牌号为40CrNi2MoA钢。该钢淬透性好，低温冲击韧性高，具有良好的综合力学性能。淬火后通过在不同温度回火，40CrNi2MoA钢可获得不同的强度和韧性配合，以满足不同零件的性能要求。这种钢还可通过渗氮处理，进一步提高零件的疲劳寿命和表面耐磨性。40CrNi2MoA钢主要用于制造工作条件繁重或大截面高强度零件，如重要紧固件、齿轮、活塞杆以及飞机起落架等。但40CrNi2MoA钢在较高强度水平时，将使其氢脆敏感性增大，在较高应力集中处易发生脆断，抗腐蚀开裂性较差。

(3)铬-镍-钼系钢种

典型牌号为45CrNiMo1VA钢。该钢的碳含量较高，铬、钼的质量分数各为1%，其抗拉强度高，具有高的屈强比以及良好的塑性与缺口韧性。淬透性好，回火温度范围宽，无回火脆性，在高温时仍能保持较高的强度。45CrNiMo1VA钢主要用于制造飞机起落架、飞行器的关键结构件、固体燃料发动机的壳体，并可用于轴、齿轮、弹簧、模具及高压釜等零部件。

(4)硅-锰-铬-钼系钢种

常用牌号为30Si2MnCrMoVA钢。该钢除屈服强度稍低外，低温冲击韧性好，在较高温度下仍具有很好的强度稳定性。特别是在保证冶金质量的前提下，将钢中的硫、磷的含量分别控制在w_S≤0．010%、w_P≤0．015%时，钢的缺口敏感性较低，具有较高的断裂韧性。30Si2MnCrMoVA钢主要用于制造高压容器和重要的高强度连接件，多用来制造固体火箭发动机壳体。

(5)镍-硅-铬-钼系钢种

常用牌号为40CrNi2Si2MoVA钢。该钢主要是通过加入硅使钢的回火脆性温度区间提高至400～500℃，使其淬火后可在较高的温度回火，从而获得优良的综合性能。热处理采用淬火后在300℃回火，回火后抗拉强度无明显降低，但冲击韧性和屈服强度均达到最大值。真空感应自耗冶炼的钢主要用于制造飞机起落架等。

常用低合金超高强度钢的牌号、热处理及力学性能如表7-17所列。

表7-17　常用低合金超高强度钢牌号及化学成分