7.2汽车常用的黑色金属（课件）-《汽车机械基础》同步教学（高教版）

第2节 汽车常用的黑色金属 金属分为黑色金属和有色金属两大类。 以铁和碳两种元素为基础及多种元素组成的复杂合金称为黑色金属，钢和铸铁是机械工业中最广泛应用的黑色金属。 黑色金属以外的金属称为有色金属，铜和铝及其合金是最常用的有色金属。 一、钢的基本知识 钢和铸铁主要是由铁和碳两种元素组成，统称为铁碳合金。 碳的质量分数低于2.11%的铁碳合金称为碳素钢； 碳的质量分数大于2.11%的铁碳合金称为铸造生铁。 注意：为了提高钢的力学性能，在冶炼碳素结构钢中加入一种或多种合金元素，如Cr、Mn、Ni、Si、Al、Mo、W、Co等所得的钢，称为合金结构钢。 （一）碳素结构钢 1. 按钢的质量分类 按碳素结构钢中杂质元素的含量分类，将碳素结构钢分为普通碳素钢、优质碳素钢和高级优质碳素钢三种。 注意：硅和锰可提高钢的强度和硬度，是有益的元素；硫造成钢的热脆性，磷造成钢的冷脆性，是有害的元素。 应用举例：汽车中重要的零件都选用合金结构钢或优质碳素结构钢来制造，在保证质量的前提下，可以节省材料，减小汽车的质量，降低油耗。 2. 按钢的用途分类 按钢的用途可分为结构钢、工具钢两种。 应用举例：结构钢主要用于制造机械零件和工程构件，如轴、齿轮、螺钉、螺纹钢、型钢等；工具钢主要用于制造刀具、量具、模具。 3. 按钢中碳的质量分数分类 （1）低碳钢 当碳素结构钢中碳的质量分数低于0.25%时，称为低碳钢。 注意：低碳钢的力学性能较差，强度较低。 （2）中碳钢 当碳素结构钢中碳的质量分数在0.25%~0.6%之间时，称为中碳钢。 注意：中碳钢的力学性能较好，强度较高，韧性和切削性能好，热处理容易，应用最广，常应用于汽车的曲柄、连杆、凸轮轴等。 （3）高碳钢 当碳素结构钢中碳的质量分数高于0.60%时，称为高碳钢。 注意：高碳钢热处理后的耐磨性好，硬度高，应用于制造锉刀、锯条、弹簧等切削工具。 结论：铁碳合金的力学性能随着碳的质量分数的增加，其强度、硬度增高，而塑性、韧性降低。 （二）铸铁 铸铁中碳元素的存在形式有两种，一种是以石墨形式单独存在，这种铸铁的强度和硬度都很低；另一种是以化合物的形式存在，如Fe3C，这种铸铁的硬度高，但脆性大，无塑性和韧性。 按照铸铁中碳元素的存在形式不同，汽车中常用的铸铁有灰铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁和合金铸铁。 1. 灰铸铁 灰铸铁中的石墨以片状形式存在，其断口呈暗灰色。 注意：灰铸铁的抗拉强度低，塑性和韧性差，但具有良好的切削性、耐磨性、润滑性、减振性和铸造性。 2. 可锻铸铁 可锻铸铁中的石墨以团絮状的形式存在。可锻铸铁俗称马铁。 注意：可锻铸铁的塑性和韧性比灰铸铁好。但可锻铸铁并不可以在锻锤上锻打。 3. 球墨铸铁 铁水经过硫化处理后，使石墨大部或全部呈球状存在，这种铸铁称为球墨铸铁。 注意：球墨铸铁的力学性能比灰铸铁和可锻铸铁高，其强度、塑性、韧性与相应的铸钢差不多，疲劳强度与中碳钢相同，耐磨性优于表面淬火钢，与灰铸铁同样具有良好的切削加工性、耐磨性、减振性和铸造性能。 4. 合金铸铁 在灰铸铁或球墨铸铁的熔化过程中加入一定量的合金元素所形成的铸铁，称为合金铸铁。 注意：根据加入的合金元素不同，形成不同的合金铸铁。 （1）耐热铸铁 铸铁中加入合金元素Al、Si、Cr，使铸铁表面形成保护性的氧化膜，在高温下具有抗氧化的能力，称这种合金铸铁为耐热铸铁 （2）耐磨铸铁 铸铁中加入合金元素W、Cu、Cr、Ti，并提高磷的质量分数，称这种合金铸铁为耐磨铸铁。 耐磨铸铁的强度、韧性和耐磨性都较高。 （3）高强度铸铁 球墨铸铁中加入少量的合金元素Cu和Mo，称这种合金铸铁为高强度铸铁。 （三）铸钢 铸钢是将熔化的钢水直接浇注入预先造型好的沙箱中，不用经过轧制就能得到机械零件。 注意：当零件的形状较为复杂，或零件的质量较大，而零件的力学性能要求又较高，不能选用铸铁代替，用型钢或锻造又不能实现时，只能采用铸钢。 （四）合金钢 合金钢是为了提高的力学性能或得到某些特殊的性能，在冶炼碳素结构钢时加入合金元素，以改变钢材的综合性能。 注意：常用的合金元素有Cr、Mn、Ni、Si、Al、Mo、Ti、V、Co等。 合金钢按用途分为合金结构钢、合金工具钢、特殊性能钢。 注意：与同样的碳的质量分数的碳素结构钢相比较，合金钢具有更高的硬度、强度、耐磨性、淬透性，整体力学性能都得到较大的提升。但是，合金钢的工艺性能不如普碳钢，尤其是对应力集中的敏感性较大。 （五）钢的热处理 钢的热处理是将钢加热到一定的温度，并保持一定的时间，然后快速冷却到室温的工艺方法。 注意：热处理可以改善钢的内部组织，提高钢的力学性能，延长使用寿命，是强化钢材、发挥潜在能力的重要工艺措施。 按处理的位置不同，钢的热处理分为普通热处理和表面热处理两种。按加热温度和冷却速度的不同，普通热处理分为退火、正火、淬火和回火四种，通称为“四火”。表面热处理分为表面淬火和化学热处理两种。 1. 退火 定义：将钢件加热到材料内部组织变化的临界温度保温一段时间后，随炉缓慢冷却的的热处理工艺称为退火。 目的：退火目的是为了改善组织，消除钢中的残余内应力，降低钢的硬度，提高塑性和韧性，便以切削加工和冷冲压，并为后续工序做好准备。 分类：按退火温度由高到低分为均匀化退火、完全退火、球化退火、等温退火、再结晶退火和去应力退火，如图7-6所示。 2. 正火 定义：将钢件加热到材料内部组织变化的临界温度以上，保温一段时间出炉后放在空气中冷却的的热处理工艺称为正火。 目的：正火的目的与退火基本相同。 正火与退火的区别：正火与退火的加热温度相同，但冷却的方式不同，正火是将钢件放在空气中冷却，冷却的速度比退火的冷却速度快，生产率高、成本低，正火得到力学性能比退火有所提高。 3.淬火 定义：将钢件加热到材料内部组织变化的临界温度以上，保温一段时间后，快速冷却的热处理工艺称为淬火。 目的：淬火的目的是为了提高工件的硬度、耐磨性和强度，经过回火处理的淬火零件，还具有较好的韧性和塑性。 注意：各种零件的碳的质量分数不同，其淬火加热的温度也不同。 4. 回火 定义：将淬火后的钢件加热到材料内部组织变化的临界温度以下某个温度，保温一段时间后，以一定的方式冷却下来的热处理工艺称为回火。 目的：回火的目的是为了稳定组织，消除淬火应力，降低材料的脆性，提高韧性，以得到更好的力学性能。 分类：按回火的主要目的不同，回火的温度也有所不同，所以回火分为低温回火、中温回火和高温回火三种。 （1）低温回火 温度：低温回火的温度控制在250 ℃以下。 目的：淬火钢经过低温回火后，能够达到很高的硬度，如58~65HRC；低温回火降低了材料的内应力及脆性，提高了耐磨性和韧性。 应用：常应用于刃具、模具、量具、滚动轴承等。 （2）中温回火 温度：中温回火的温度控制在250~500 ℃之间。 目的：淬火钢经过中温回火后，能够达到较高的硬度，如40~50HRC；中温回火提高了材料的韧性和弹性极限。 应用：常应用于弹性零件，如弹簧、发条等。 （3）高温回火 温度：高温回火的温度控制在500 ℃以上。 目的：淬火钢经过高温回火后，硬度可达到25~35HRC，具有良好的综合力学性能。 调质处理：通常把淬火钢经过高温回火的热处理工艺称为调质处理。 应用：调质处理应用于重要的机械零件的热处理，如轴、连杆、齿轮、曲轴。 5. 表面淬火 表面淬火是仅对材料表层进行淬火的工艺。 注意：表面淬火不改变零件表面的化学成分。表面淬火提高了材料表面的硬度和耐磨性，而材料心部仍保持较好的塑性和韧性。 分类：火焰加热表面淬火和感应加热表面淬火两种。 （1）火焰加热表面淬火 定义：火焰加热表面淬火是利用氧-乙炔火焰将工件表面快速加热到淬火的温度后，立即对工件表面喷水，使其快速冷却的工艺方法。 适用范围：适用于单件或小批生产，如大齿轮的单个轮齿淬火。 特点：火焰加热表面淬火的设备简单、经济，但温度不易控制，容易产生过热，淬火质量不稳定。 （2）感应加热表面淬火 定义：感应加热表面淬火是利用感应电流通过工件所产生的涡流效应，使工件表层迅速加热到淬火温度后，立即对工件表面喷水，使其快速冷却的工艺方法。 特点：感应加热表面淬火的生产率高，工件变形小，质量稳定。但感应加热需要有专门的加热设备，设备较贵，一般应用于大批量的生产，如成批的齿轮表面淬火。 6．化学热处理 定义：化学热处理是将工件放置于一定温度的活性介质中保温，使一种或几种元素渗入材料的表层，以改变工件表面的化学成份、组织和性能。 特点：化学热处理的主要特点是工件的表面层组织和成分都发生了变化。 分类：常用的化学热处理有渗碳、渗氮和碳氮共渗三种方法。 （1）钢的渗碳 钢的渗碳是将工件放置于在含碳的介质中加热并保温，使活性碳原子渗入钢的表面，增加钢的表面碳的质量分数，然后进行工件的表面淬火，提高了工件的表面硬度和耐磨性，而材料的心部仍保持原有较高的韧性和良好的抗弯曲强度。 适用范围：钢的渗碳适用于受强烈冲击作用的载重汽车变速箱中的低碳合金钢齿轮材料的化学热处理。 注意：钢的渗碳是一个比较缓慢的过程，一般每小时只能增加约0.2 mm厚的渗碳层。 （2）钢的渗氮 钢的渗氮方法和目的与渗碳的方法和目的相似，只是选用的介质不同。此外，渗氮后的工件表面不必再经过热处理淬火就会有很高的表层硬度。 注意：与钢的渗碳速度一样，钢的渗氮生产周期也比较长。 结论：虽然化学热处理的效果好，但工艺复杂，时间长，成本较高，所以应尽可能选用其他方法代替。 （1）钢的渗碳 钢的渗碳是将工件放置于在含碳的介质中加热并保温，使活性碳原子渗入钢的表面，增加钢的表面碳的质量分数，然后进行工件的表面淬火，提高了工件的表面硬度和耐磨性，而材料的心部仍保持原有较高的韧性和良好的抗弯曲强度。 适用范围：钢的渗碳适用于受强烈冲击作用的载重汽车变速箱中的低碳合金钢齿轮材料的化学热处理。 注意：钢的渗碳是一个比较缓慢的过程，一般每小时只能增加约0.2 mm厚的渗碳层。 二、钢材的力学性能与应用 （一）普通碳素结构钢 1.碳素结构钢的牌号 碳素结构钢的牌号由四部分组成。 例如Q235AF：其中，Q为钢材屈服强度“屈”字汉语拼音首字母；235表示钢材的屈服强度ReH 235 MPa；A表示炼钢的品质等级为A级；F表示冶炼的脱氧方法，即沸腾钢。 2. 碳素结构钢的力学性能 汽车常用碳素结构钢的力学性能见表7-1。 3．汽车常用碳素结构钢 （1）Q235A 塑性较高，焊接性能好，价格低，应用于汽车的传动轴间轴承支架、联动杠杆、支杆、加强板。 （2）Q235AF 塑性较高，焊接性能良好，价格低，应用于汽车的法兰连接板、支架、弹簧的夹板。 （3）Q235B 塑性较高，焊接性能良好，价格低，应用于汽车的轮幅、操纵杆、棘爪、齿板。 （4）Q235BF 塑性较高，焊接性能良好，价格低，应用于汽车的夹持架、消声器、后支架、叶片。 （二）优质碳素结构钢 1. 优质碳素结构钢的牌号 优质碳素结构钢的牌号用两位阿拉伯数字代表平均碳的质量分数，以万分之几计；较高锰含量的优质碳素结构钢，加锰元素符号Mn。 举例：45表示钢中的平均碳的质量分数为0.45%；65Mn表示钢中的平均碳的质量分数为0.65%左右，而锰的质量分数在0.90%~1.20%的范围内。 2. 优质碳素结构钢的力学性能 汽车常用优质碳素结构钢的力学性能见表7-2。 3. 汽车常用优质碳素结构钢 （1）08钢 塑性好，应用于驾驶室、油箱、离合器。 （2）15钢 塑性好，具有良好的冲压性能和焊接性能，应用于螺栓、螺母、气门帽、通风阀体、气门座。 （3）20钢 塑性好，良好的冲压性能和焊接性能，应用于风扇叶片、制动杆。 （4）35钢 经调质后具有良好的综合力学性能，应用于齿轮、螺栓、螺母、泵轮、销钉、拉杆。 （5）45钢 经调质后具有良好的综合力学性能，应用于凸轮轴、曲轴、从动盘、气门推杆、齿环、转向节主销。 （6）50钢 经调质后具有良好的综合力学性能，应用于离合器从动盘。 （7）65Mn钢 经过热处理后具有较高的韧性和强度，应用于气门弹簧、拉杆弹簧、复位弹簧、离合器叶片。 （三）铸钢 1. 铸钢的牌号 铸钢的牌号由ZG和一组数字组成。 例如ZG270-500，ZG是“铸钢”两字的汉语拼音字首，270表示屈服强度ReH ≤270 MPa，500表示抗拉强度Rm ≤500 MPa。 2. 常用铸钢的力学性能 常用铸钢的力学性能见表7-3。 3. 汽车常用铸钢 （1）ZG230-450 塑性和韧性较好，具有一定的焊接性能，应用于阀体、机架、减速箱箱体、活接头、限制块。 （2）ZG270-500 强度和切削加工性能较好，应用于制动轮、曲轴、横梁、法兰、支架、导向座、升降器齿轮、变速叉、起动爪。 （3）ZG340-640 强度比较高，应用于齿轮、棘轮等耐磨零件。 （四）合金钢 1. 合金钢的牌号 常用的合金钢按用途分为合金结构钢、合金工具钢和特殊性能钢三种。 （1）合金结构钢的牌号 合金结构钢的牌号由表示平均碳的质量分数的两位数、合金元素符号和数字（平均含量小于1.5%时，牌号中仅标明元素，一般不标明含量）、表示冶金质量的字母（高级优质钢、特级优质钢分别用A、E表示，优质钢不用字母表示）以及表示产品用途、特性或工艺方法的符号组成。 举例：40Cr钢，40表示平均碳的质量分数为0.4%；Cr表示含有铬元素，Cr元素后没有标注数字，表示平均铬的质量分数小于1.5%（如果标注出具体数值，说明铬元素质量分数大于1.5%）。如有其他元素，依次标注在牌号的后面。 （2）合金工具钢的牌号 合金工具钢的牌号通常由两部分组成。 第一部分：平均碳的质量分数小于1.00%时，采用一位数字表示碳含量（以千分之几计）；平均碳的质量分数不小于1.00%时，不标明含碳量的数字。 第二部分：用化学元素符号和数字表示合金元素的含量。 举例：9SiCr，表示平均碳的质量分数为0.9%；Si表示含有硅元素，Si元素后没有标注数字，表示平均硅的质量分数小于1.5%；Cr表示含有铬元素，Cr元素后没有标注数字，表示平均铬的质量分数小于1.5%。 （3） 特殊性能钢的牌号 特殊性能钢的牌号的表示方法与合金结构钢的牌号基本相同，牌号最前面的数字表示平均碳的质量分数的千分之几，当碳的质量分数小于0.10%时，用0表示。 举例：1Cr18Ni9，表示平均碳的质量分数为0.1%，铬的质量分数为18%，镍的质量分数为9%。 有些专用特殊钢，在钢的牌号前冠以汉语拼音字母字首，便于表示钢的用途。 举例：GCr15， G为汉语拼音字母“滚”的字首，表示该特殊钢专门应用于滚动轴承的制造。 2. 常用合金钢在汽车中的应用 （1）低合金高强度结构钢 定义：合金元素的总质量小于3%的合金钢称为低合金高强度结构钢。 特点：低合金高强度结构钢的强度比碳素结构钢高得多，塑性、韧性、焊接性和耐蚀性也比碳素结构钢好得多。 应用：汽车常用的低合金高强度结构钢有Q345、Q420、Q460。低合金高强度结构钢主要应于制造汽车的大梁、活塞销、半轴齿轮、气缸盖螺栓。 （2）合金结构钢 1）合金渗碳钢 合金渗碳钢属于低碳合金结构钢，含有Cr、Ni、Mn、V、Ti等合金元素。 特点：为了保持心部具有足够的韧性，表面具有足够的强度和硬度，以承受冲击载荷的作用，将低碳合金结构钢做渗碳处理处理后，再进行淬火，使零件具有表硬心韧的特点。 应用：汽车常用的合金渗碳钢有15CrA、20CrMnTi、20MnVB、15 MnVB。合金渗碳钢主要应用于制造汽车的活塞销、挺杆、齿轮、齿套、中间轴、万向节、十字轴、螺栓等。 2）合金调质钢 合金调质钢的碳的质量分数在0.25%~0.50%之间。为了提高合金钢的强度和综合力学性能，对合金钢进行调质处理，以达到具有很高的强度、良好的塑性和韧性。如果调质后再进行表面淬火，还能提高零件表面的硬度和耐磨性。 应用：汽车常用的合金调质钢有40Cr、40MnB、45Mn2、50Mn2。合金调质钢主要应用于受力复杂的重要零件，如螺栓、销、轴、轴套、连杆、花键轴、转向节、进气门、从动盘等。 3）弹簧钢 弹簧钢的碳的质量分数为0.45%~0.70%之间，碳的质量分数较高，塑性和韧性较差。加入Cr、Si、Mn、V、W等合金元素后，提高了合金弹簧钢的弹性极限、疲劳强度、抗拉强度、塑性和韧性。 应用：汽车常用的合金弹簧钢有65 Mn、60 Si2 Mn、55Si MnVB。合金弹簧钢主要应用于吸收能量、缓和振动与冲击，如钢板弹簧、气门弹簧、复位弹簧、压紧弹簧、定位弹簧等。 （五）铸铁 1. 铸铁的牌号 （1）灰铸铁的牌号 灰铸铁的牌号用“灰铁”两字汉语拼音的首字母“HT”和一组数字表示。 举例：HT150，表示灰铸铁的最低抗拉强度为150 MPa。 （2）可锻铸铁的牌号 可锻铸铁的牌号用“可铁”两字汉语拼音的首字母“KT”和两组数字表示。 举例：KTH35-10，“H” 表示“黑”心可锻铸铁，350表示可锻铸铁的最低抗拉强度为350 MPa，10表示可锻铸铁的最低断后伸长率不小于10%。 （3）球墨铸铁的牌号 球墨铸铁的牌号用 “球铁”两字汉语拼音的首字母“QT”和两组数字表示。 举例：QT450-10，450表示球墨铸铁的最低抗拉强度为450 MPa，10表示球墨铸铁的最低断后伸长率不小于10%。 2. 常用铸铁在汽车中的应用 （1）灰铸铁 灰铸铁具有良好的切削性和铸造性，但机械强度较低，应用于力学性能要求不高而形状复杂的零件，如变速箱的壳体、气缸体与气缸盖、制动鼓、飞轮、带轮等。 （2）可锻铸铁 与灰铸铁相比，可锻铸铁具有较高的强度和韧性，常应用于一些形状复杂、减振及强度要求较高的薄壁小型铸件。如汽车后桥壳、差速器壳、减速器壳、轮毂、轴承盖、吊梁等。 （3）球墨铸铁 球墨铸铁具有优良的性能，其强度、韧性、塑性与铸钢差不多，价格比钢便宜，常用来制造性能要求较高的铸件，如汽车前后轮毂、前后轴承座、曲轴、转向器壳、制动蹄、支架、摇臂、弹簧衬套。 此外，汽车上也选用合金铸铁作为特殊的应用材料，如进、排气门座及排气管密封环选用耐热铸铁制造，气缸套和活塞环选用耐磨合金铸铁制造，柴油机汽车曲轴选用高强度合金铸铁制造。 小结： 1.钢的基本知识。 2.钢材的力学性能与应用。 $$