特殊性能钢

一、 特殊性能钢 

特殊性能钢是一种含有较多合金元素，并具有某些特殊理化性能或其它性能的钢。常用的有易切削钢、不锈钢、耐热钢、耐磨钢。

1.易切削钢（GB/T8731－2008）

易切削钢是在钢中加入硫、铅、磷、钙等一种或几种合金元素，改善钢材的切削性能。

我国常用的易切削钢的牌号、化学成分及力学性能见表3-18。

表3-18  易切削钢的牌号、化学成分、及力学性能（GB/T 8731－2008）

过去应用的易切削钢主要是碳素易切钢，随着汽车工业的发展，合金易切钢的应用日益广泛，如图3-42所示，常用来制造承受载荷大的齿轮和轴类零件。除表中所列常用牌号之外，还有Y12Pb、Y15Pb、Y35、Y45Ca等易切削钢。

齿轮                                               轴

图3-42 易切削钢的应用

2.不锈钢（GB/T1220－2007）

不锈钢具有抵抗大气或弱腐蚀介质侵蚀作用的能力。不锈钢中主要的合金元素是铬和镍，铬能在钢的表面形成一层致密的氧化膜，使钢具有良好的耐蚀不锈性能。而且当铬的质量分数超过12％之后，钢基体的电极电位大大提高，从而使基体金属受到保护。常用不锈钢有铁素体不锈钢、马氏体不锈钢、奥氏体不锈钢和奥氏体-铁素体不锈钢等四类。如10Cr17、12Cr13、12Cr18Ni9、14Cr18Ni11Si4AlTi等。

如图3-43所示，要有用于制造消声器外壳的耐热不锈钢和装饰用的耐蚀不锈钢。

    消声器外壳                          装饰用的耐蚀不锈钢

图3-43  不锈钢的应用

3. 耐热钢（GB/T1221－2007）

耐热钢是在高温下具有较高抗氧化性和强度的钢，用于制造在高温条件下工作的零件，如内燃机气阀等。耐热钢可分为抗氧化钢和热强钢两类。

1）抗氧化钢  在钢中加入适量的合金元素铬、硅、铝元素，在高温下与氧生成一层致密而牢固的高熔点氧化膜（Cr₂O₅、SiO₂、Al₂O₃），将钢与外界的高温氧化性气体隔绝，从而保证了钢不被氧化。应用较多的抗氧化钢有22Cr20Mn10Ni2Si2N和26Cr18Mn12Si2N，这类钢不仅抗氧化，而且铸、锻、焊性能较好。

常用抗氧化钢的牌号、化学成分及用途见表3-19。

表3-19  常用抗氧化钢的牌号、化学成分及用途（GB/T 1221－2007）

2）热强钢  在钢中加入钨、钼等合金元素，能提高其再结晶温度，从而阻碍蠕变的发展；加入铌、钒、钨、钼等碳化物形成元素，所形成的碳化物既产生了弥散强化，又阻碍了位错的移动，因而提高了抗蠕变能力，在高温下保持高强度的能力。

常用的热强钢的牌号、热处理方法、使用温度及用途见表3-20。

表3-20  常用热强钢的牌号、热处理、使用温度及用途（GB/T 1221－2007）

如图3-44所示，汽车上用耐热钢制造的零部件有发动机的进排气门、涡流室镶块、涡轮增压器转子、排气净化装置等。国产汽车的气门用钢主要有：40Cr10Si2Mo（夏利）、45Cr9Si3（桑塔纳、标致）、80Cr20Si2Ni等。

     涡轮增压器转子                     进排气门                         排气净化装置

图3-44  耐热钢的应用

铸铁的热处理

(1) 灰铸铁的变质处理（孕育处理）

在灰铸铁浇注前往铁水中加入少量变质剂（硅铁、硅钙铁等），改变铁水的结晶条件，使其获得细小珠光体和细小均匀分布的片状石墨组织，这种处理称为变质处理（孕育处理）。变质处理后的灰铸铁叫变质铸铁或孕育铸铁。灰铸铁经变质处理后，强度有较大的提高，韧性和塑性也得到改善，常用于铸造力学性能要求较高、截面尺寸较大的铸件。

(2) 灰铸铁的热处理

灰铸铁的力学性能不高，热处理强化的效果也不明显。所以，灰铸铁的热处理一般只用于消除应力和白口组织，稳定尺寸和提高工作表面的硬度和耐磨性。

1）去应力退火。对于大型、复杂的铸件或精密铸件，在切削加工前要进行去应力退火。去应力退火是将铸件缓慢加热到500～600℃，保温一段时间，然后随炉冷却。这种方法又叫人工时效处理。此外，还可将铸件长期放置在露天下，让其应力自然消失，这种方法又叫自然时效处理，但因其处理时间长，效果不佳，较少应用。

2）消除白口组织退火。铸件冷却时，在薄壁部位及表层处，由于冷却速度较快，容易形成白口组织，使铸件的硬度和脆性增加，造成加工困难并影响正常使用。消除白口组织的方法是将铸件加热到850～950℃，保温2～4小时，然后随炉冷却至400～500℃，出炉后空冷。

3）表面淬火热处理。为了提高灰铸铁件的表面硬度和耐磨性，可选择采用火焰表面淬火，高频、中频淬火和化学热处理等，机床导轨表面可采用电接触表面加热自冷淬火法。

(3)  球墨铸铁的热处理

由于球状石墨对基体的割裂作用不大，因此，球墨铸铁可通过热处理进行强化。常用的热处理方法有退火、正火、调质、等温淬火等，还可进行表面热处理，如表面淬火、渗氮等。其工艺过程可参考热处理有关资料。

汽车零件的选材

零件的合理选材，对产品有着重要的意义。汽车零件材料的选择首先必须遵循一般的工程材料选择原则。选择适合的材料是设计和制造产品的必要条件。由于材料的种类繁多，性能、作用和应用场合也各不相同，因此，工程材料的选择一般遵循以下三个原则：

（1 ）使用性能原则

使用性能原则: 采用所选材料制造的零件在使用过程中具有良好的工作性能；

零件的使用性能主要指零件在使用状态下应具有的力学性能、物理性能和化学性能。满足使用性能是保证零件完成规定功能的必要条件。在大多数情况下，它是选材首先要考虑的问题。

零件的使用性能的要求中，零件在使用状态下的力学性能要求是对零件的最重要的要求，是保证零件经久耐用的决定性条件。它一般是在分析零件工作条件和失效形式的基础上提出的。因此，通过对零件工作条件和失效形式的全面分析，可确定零件对使用性能的具体要求。

由于工况不同，零件的工作条件是复杂的。从载荷性质来分，有静载荷、动载荷；从受力状态来分析，有拉、压、弯、扭应力，有交变应力；从工作温度来分，有低温、室温、高温、交变温度等；从环境介质来看，有加润滑剂的，有接触酸、碱、盐、海水、粉尘的等。此外，有时还要考虑物理性能方面的要求，如电导性、磁导性、热导性、热膨胀性、幅射等。

进行选材前，应通过对零件工作条件和失效形式的全面分析，确定零件对使用性能的具体要求。

如上节所述，材料各项力学性能指标可满足零件不同的使用要求。例如，材料的刚性和屈服强度是保证零件在使用时不产生过量变形的前提；材料的硬度是满足耐磨性的重要指标。耐磨零件应选择具有较高硬度的材料；为防止零件的疲劳破坏，材料应具有较高的强度和韧度。对于一些零件，还会以一些特殊的物理、化学性能作为零件的使用要求。在确定了零件的具体力学性能指标和数值以后，即可利用各种机械手册选材。

应当指出，当以强度为主要依据选材时，还应考虑构件所承受的载荷与其重量之比。此时选材的参数为比强度R_eL/ρ，当A_s/ρ比值最大时，构件重量最小。所以，在给定外载条件时，当材料的密度接近时，应选用屈服点高的材料。目前生产中，作为高强度结构零件的较理想的材料还是钢铁材料。此外，强度对材料的组织很敏感。因此，在选材时既要按强度要求选用合适的材料，又必须确定材料的热处理工艺。   

（2）工艺性能原则

工艺性能原则：所选用材料能够确保零件便于加工。

材料的工艺性能表示材料加工的难易程度。在选材时，同使用性能相比较，材料的工艺性能一般处于次要地位，但在某些特殊情况下,工艺性能也可成为选材考虑的主要依据。例如在大批量切削加工生产中，为保证材料的切削加工性，往往选用易切削钢。因此，选材时必须考虑材料的工艺性能，使所选材料的工艺性能满足生产工艺的要求。有时，尽管某一可选材料的性能很理想，但极难加工或加工成本很高，在这种情况下，选用该种材料是不现实的。选材时应当尽量使材料所要求的工艺性能与零件生产的加工工艺路线方法相适应。

（3）经济性原则

经济性原则：所选用的材料能使产品具有较低的总成本。

材料的经济性是选材的根本原则。采用便宜的材料，把总成本控制至最低，取得最的经济效益，使产品在市场上具有竞争力，始终是零件设计的重要任务之一。

材料的经济性一般从材料的成本、零件的总成本和资源等方面考虑。

材料的成本为直接成本，在产品的总成本中占有相当的份量。在以强度为主要指标进行选材时，常常根据强度和成本来比较材料。例如，在轿车零件选材时，要求重量轻、强度高，可根据材料的比强度(强度/密度)来比较候选材料。在满足使用要求的前提下，尽量选用成本低的材料，并把必须使用的贵重金属材料减少到最低限度。值得一提的是，许多优异性能的高分子材料，在一些场合可以替代金属材料，既降低了成本，又减轻了重量，例如利用高密度聚乙烯替代钢板制造油箱；采用SMC片状玻璃纤维增强塑料替代钢板制造车身外板件，具有相当的竞争力；采用聚甲醛替代轴承钢制造的四吨载重汽车用底盘衬套轴承，可在一万公里以上不用加油保养。

零件的总成本与其使用寿命、重量、加工费用、研究费用、维修费用和材料的价格有关。如果能准确地知道零件总成本与上述个因素之间的关系，就可以将其对材料的选材的影响做出比较精确的判断。但在大多数情况下，要做出完整详尽的分析是比较困难的，只能尽可能利用一切可能得到的资料，组相分析，来保证零件的总成本尽可能的降低。

此外，选材时还要立足于国家的资源，考虑材料的来源是否丰富，生产所用材料所用的能耗的高低，是否有利于环保等诸多因素。

下面介绍汽车发动机曲轴零件的选材和工艺路线的选择，了解汽车零件选材的一般方法步骤和工艺路线的选择。

   曲轴是汽车发动机中的形状复杂的重要零件之一，结构其如图3-45所示。

图3-45  汽车发动机曲轴

（1）汽车发动机曲轴的工作条件 汽车发动机曲轴的作用是输出动力，并带动其它部件运动。曲轴在工作中受到弯曲、扭转、剪切、拉压、冲击等交变应力。而且，曲轴的形状极不规则，其上的应力分布极不均匀；曲轴颈与轴承还发生滑动摩擦。

（2）曲轴的主要失效形式  由上述工作条件及受力情况可知，曲轴的主要失效形式是疲劳断裂和轴颈严重磨损两种。

（3）对曲轴的性能要求  根据曲轴的失效形式，可以对曲轴材料提出如下性能要求：

1）高的强度；

2）一定的冲击韧度；

3）足够的弯曲、扭转疲劳强度；

4）足够的刚度；轴径表面有高的硬度和耐磨性。

（4）典型曲轴的选材  实际生产中，按照制造工艺，将汽车发动机曲轴分为锻钢曲轴和铸造曲轴。锻钢曲轴一般采用优质中碳钢和中碳合金钢制造，如30、45、35Mn2、40Cr、35 Cr Mo等。铸造曲轴主要由铸钢、球墨铸铁、珠光体可锻铸铁及合金铸铁等制造，如ZG230-450、QT600-3、QT700-2、KTZ450-5、KTZ500-4等。

（5）曲轴典型的工艺路线  可根据材质不同分为两类：

1）铸造曲轴的典型工艺路线：

铸造→高温正火→高温回火→切削加工→轴颈气体渗碳

2）锻钢曲轴的典型工艺路线：

  下料→模锻→调质→切削加工→轴颈表面淬火

拓展训练

我们认识了各种汽车常用金属材料的组成、特性和应用，请结合日常生活接触到的和工业中的机器和设备，试分析其材料的选用及性能。