《機械製造技術基礎》教案
教學內容：機械結構用合金鋼合金工具鋼與高速鋼
教學方式：結合實際，由淺如深講解
教學目的：
1． 了解機械結構用合金鋼的牌號；
2． 掌握合金滲碳鋼、合金調質鋼、合金彈簧鋼、滾動軸承鋼的效能及應用；
3． 掌握合金工具鋼與高速鋼的效能及用途。
重點、難點：機械結構用合金鋼的牌號及用途合金工具鋼與高速鋼的效能與用途
教學過程：
7.4 機械結構用合金鋼
機械結構用合金鋼包括合金滲碳鋼、合金調質鋼、合金彈簧鋼、滾動軸承鋼。
7.4.1 機械結構用合金鋼的牌號
1．合金滲碳鋼、合金調質鋼、合金彈簧鋼的編號方法
其牌號為：「兩位數字+元素符號+數字」。
1）起首的兩位數字表示鋼中碳質量分數的萬分數；
2）其後的元素符號表示鋼中所含的合金元素；
3）隨後的數字表示該合金元素平均含量的百分數。合金元素含量表示方法為：平均質量分數＜1.
5%時，牌號中僅標註元素，一般不標註含量；平均質量分數為1.5%～2.49%、2.
5～3.49%……時，在合金元素後相應寫成2、3……。
4）若牌號末尾加「a」，則表示鋼中硫、磷含量少，鋼的質量高。
例如碳、鉻、鎳的平均質量分數為0.2%、0.75%、2.95%的合金結構鋼，其牌號表示為「20crni3」。
2．滾動軸承鋼的牌號
牌號為：「gcr數字＋元素符號＋數字」。
g：滾動軸承鋼；cr數字：cr含量千分數；後面為其它元素及含量的百分數。
例如：gcr15simn表示cr含量為1.5%，si含量＜1.5%，mn含量＜1.5%的滾動軸承鋼。
滾動軸承鋼中碳的質量分數為0.95%-1.10%時，在牌號中不予標出。
7.4.2 合金滲碳鋼
1．成分特點
用於製造滲碳零件的鋼稱為滲碳鋼。
1）滲碳鋼中wc=0.12%～0.25%，低的碳含量保證了淬火後零件心部有足夠的塑性、韌性。
2）主要合金元素是鉻，還可加入鎳、錳、硼、鎢、鉬、釩、鈦等元素。其中，鉻、鎳、錳、硼的主要作用是提高淬透性，使大尺寸零件的心部淬回火後有較高的強度和韌性；少量的鎢、鉬、釩、鈦能形成細小、難溶的碳化物，以阻止滲碳過程中高溫、常時間保溫條件下晶粒長大。
2．熱處理與效能特點
滲碳後的鋼件，表層經淬火和低溫回火後，獲得高碳回火馬氏體加碳化物，硬度一般為58～64hrc；而心部組織則視鋼的淬透性及零件的尺寸的大小而定，可得低碳回火馬氏體（40～48hrc）或珠光體加鐵素體組織（25～40hrc）。
3．用途
20crmnti是應用最廣泛的合金滲碳鋼，用於製造汽車拖拉機的變速齒輪、軸等零件。
7.4.3 合金調質鋼
優質碳素調質鋼中的40、45、50，雖然常用而價廉；但由於存在著淬透性差、耐回火性差，綜合力學效能不夠理想等缺點。所以，對過載作用下同時又受衝擊的重要零件必須選用合金調質鋼。
1．成分特點
調質鋼wc=0.25%～0.5%。調質鋼中主加合金元素是錳、矽、鉻、鎳、鉬、硼、鋁等，主要作用是提高鋼的淬透性；鉬能防止高溫回火脆性；鎢、釩、鈦可細化晶粒；鋁能加速滲氮過程。
2．熱處理及效能特點
調質鋼鍛造毛坯應進行預備熱處理，以降低硬度，便於切削加工。合金元素含量低，淬透性低的調質鋼可採用退火；淬透性高的鋼，則採用正火加高溫回火。例如40crnimo鋼正火後硬度在400hbs以上，經高溫回火後硬度才能降低到230hbs左右，滿足了切削要求。
調質鋼的最終熱處理為淬火後高溫回火（500～600℃），以獲得回火索氏體組織，使鋼件具有高強度、高韌性相結合的良好綜合力學效能。
如果除了具備良好的綜合力學效能外，還要求表面有良好的耐磨性，則可在調質後進行表面淬火或滲氮處理。
3．用途
調質鋼主要用來製造受力複雜的重要零件，如工具機主軸、汽車半軸、柴油機連桿螺栓等。40cr是最常用的一種調質鋼，有很好的強化效果。38crmoal是專用滲氮鋼，經調質和滲氮處理後，表面具有很高的硬度、耐磨性和疲勞強度，且變形很小。
常用來製造一些精密零件，如鏜床鏜杆、磨床主軸等。
7.4.4 合金彈簧鋼
彈簧鋼主要用於製造彈簧等彈性元件，例如汽車、拖拉機、坦克、機車車輛的減振板簧和螺旋彈簧，鐘錶發條等。
1．成分特點
彈簧鋼wc=0.50%～0.7%。
常加入矽、錳、鉻等合金元素，主要作用是提高淬透性，並提高彈性極限。矽使彈性極限提高的效果很突出，也使鋼加熱時易表面脫碳；錳能增加淬透性，但也使鋼的過熱和回火脆性傾向增大。另外，彈簧鋼中還加入了鎢、鉬、釩等，它們可減少矽錳彈簧鋼脫碳和過熱的傾向，同時可進一步提高彈性極限、耐熱性和耐回火性。
2．熱處理及效能特點
彈簧鋼的熱處理一般是淬火加中溫回火，獲得回火託氏體組織，具有高的彈性極限和屈服強度。
3．用途
60si2mna是典型的彈簧鋼，廣泛用於汽車、拖拉機上的板簧、螺旋彈簧等。
7.4.5 滾動軸承鋼
滾動軸承鋼主要用來製造各種滾動軸承元件，如軸承內外圈、滾動體等。此外，還可以用來製造某些工具，例如模具、量具等。
滾動軸承鋼有自己獨特的牌號。牌號前面以「g」（滾）為標誌，其後為鉻元素符號cr，其質量分數以千分之幾表示，其餘與合金結構鋼牌號規定相同，例如平均wcr=1.5%的軸承鋼，基牌號表示為「gcr15」。
1．成分特點
軸承鋼在工作時承受很高的交變接觸壓力，同時滾動體與內外圈之間還產生強烈的摩擦，並受到衝擊載荷的作用，大氣和潤滑介質的腐蝕作用。這就要求軸承鋼必須具有高而均勻的硬度和耐磨性，高的抗壓強度和接觸疲勞強度，足夠的韌性和對大氣、潤滑劑的耐蝕能力。為獲得上述效能，一般wc=0.
95%～1.15%，wcr=0.4%～1.
65%。高碳是為了獲得高硬度、耐磨性，鉻的作用是提高淬透性，增加回火穩定性。
軸承鋼的純度要求很高，磷、硫含量限制極嚴，故它是一種高階優質鋼（但在牌號後不加「a」字）。
2．熱處理及效能特點
軸承鋼的熱處理包括預備熱處理（球化退火）和最終熱處理（淬火與低溫回火）。
3．用途
gcr15、gcr15simn為常用的軸承鋼，具有高的強度、耐磨性和穩定的力學效能，前者製造中小型軸承；後者用於製造較大型滾動軸承。
7.5 合金工具鋼與高速鋼
7.5.1 合金工具鋼
1．合金工具鋼牌號表示方法
合金工具鋼和與合金結構鋼基本相同，只是含碳量的表示方法不同。當平均wc<1.0%時，牌號前以千分之幾（一位數）表示；當wc≥1.
0%時，牌號前不標數字。合金元素表示方法與結構鋼相同。
2．量具刃具鋼
主要用於製造形狀複雜、截面尺寸較大的低速切削刃具和機械製造過程中控制加工精度的測量工具，如卡尺、塊規、樣板等。
量具刃具鋼碳的質量分數高，一般為wc=0.9%～1.5%，合金元素總量少，主要有鉻、矽、錳、鎢等，提高淬透性，獲得高的強度、耐磨性，保證高的尺寸精度。
該鋼的熱處理與非合金（碳素）工具基本相同。預備熱處理採用球化退火，最終熱處理採用淬火（油淬、馬氏體分級淬火或等溫淬火）加低溫回火。
9sicr是常用的低合金量具刃具鋼。
3．合金模具鋼
①冷作模具鋼
用於製作使金屬冷塑性變形的模具，如冷沖模、冷擠壓模等。冷作模具工作時承受大的彎曲應力、壓力、衝擊及摩擦。因此要求具有具備高硬度、高耐磨性和足夠的強度和韌性。
熱處理採用球化退火（預備熱處理）淬火後低溫回火（最終熱處理）。
②熱作模具鋼
用於製作高溫金屬成形的模具，如熱鍛模、熱擠壓模等。熱作模具工作時承受很大的壓力和衝擊，並反覆受熱和冷卻。因此，要求模具鋼在高溫下具有足夠的強度、硬度、耐磨性和韌性，以及良好的耐熱疲勞性，即在反覆的受熱、冷卻迴圈中，表面不易熱疲勞（龜裂）。
另外還應具有良好的導熱性和高淬透性。
為了達到上述效能要求，熱作模具鋼的wc=0.3%～0.6%。
若過高，則塑性、韌性不足；若過低，則硬度、耐磨性不足。加入的合金元素有鉻、錳、鎳、鉬、鎢等。其中鉻、錳、鎳主要作用是提高淬透性；鎢、鉬提高耐回火性；鉻、鎢、鉬、矽還能提高耐熱疲勞性。
預備熱處理為退火，以降低硬度利於切削加工；最終熱處理為淬火加高溫回火。
7.5.2高速工具鋼
1．牌號表示方法
表示方法與合金工具鋼類似，區別在於高速鋼牌號中不標出含碳量。
2，效能特點
高速工具鋼（高速鋼），主要用於製造高速切削刃具，在切削溫度高達600℃時硬度仍無明顯下降，能以比低合金工具鋼更高的速度進行切削。
3．成分特點
高的碳含量（wc=0.7%～1.2%），但在牌號中不標出，高的合金含量（合金元素總量mme＞10%），加入的合金元素有鎢、鉬、鉻、釩，主要是提高熱硬性，鉻主要是提高淬透性。
4．熱處理
熱處理特點主要是高的加熱溫度（1200℃以上）；高回火溫度（560℃左右）；高的回火次數（3次）。採用高的淬火加熱溫度是為了讓難溶的特殊碳化物能充分溶入奧氏體，最終使馬氏體中鎢、鉬、釩等含量足夠高，保證熱硬性足夠高；高回火溫度是因為馬氏體中的碳化物形成元素含量高，阻礙回火，因而耐回火性高；多次回火是因為高速鋼淬火後殘餘奧氏體量很大，多次回火才能消除。正因為如此，高速鋼回火時的硬化效果很顯著。
小結：略
作業： 7.2 7.6
1． 合金滲碳鋼的化學成分有何特點？通常合金滲碳鋼採用何種熱處理工藝？
2． 滾動軸承鋼為什麼要高碳？加入的合金元素各起什麼作用？熱處理有何特點？目的如何？
3． 什麼是熱硬性？合金刃具鋼為什麼要具有高的熱硬性？哪些元素能提高鋼的熱硬性？
什麼是合金鋼
第五章答案 1 什麼是合金鋼？與碳鋼相比有哪些優點？為什麼合金鋼的熱處理變形小？為什麼合金工具鋼的耐磨性 熱硬性比碳鋼高？答 在鐵碳合金中特意加入錳 鉻 矽 鎳 鎢 釩 鋁 硼 鋁 銅和稀土等合金元素，所獲得的鋼種，稱為合金鋼。碳素鋼的淬透性比較差，強度 屈強比 回火穩定性 抗氧化 耐蝕 耐熱 耐低...
第七章低合金與合金鋼
淮安資訊職業技術學院教案首頁 一 章節 第七章低合金與合金鋼 第一節合金元素在鋼中的作用第二節低合金鋼 二 教學目的 使學生了解合金元素在鋼中的作用及低合金鋼的分類 作用與編號 三 教學方法 講授法四 教學重點 合金元素在鋼中的作用與低合金鋼的應用 五 教學難點 合金元素在鋼中的作用與低合金鋼的應用...
第五章非合金鋼
a 三 判斷題 1 t10a鋼的含碳量為10 2 錳 矽在碳鋼中都是有益元素，適當增加其含量能提高鋼的強度 3 硫是鋼中的有益元素，它能使鋼的脆性下降 4 碳素工具鋼都是優質或高階優質鋼 5 碳素工具鋼的含碳量一般都大於0.7 6 鑄鋼可用於鑄造形狀複雜而力學效能要求較高的零件 7 低碳鋼的強度，硬...