机械工程材料：第八章 工业用钢

第八章工业用钢8.1概论8.2合金元素在钢中的作用8.3合金结构钢8.4合金工具钢

一、合金刃具钢

二、合金模具钢

三、合金量具钢8.5

特殊性能钢及合金一、不锈钢二、耐热钢及合金三、耐磨钢一、钢的分类：按化学成分分类：碳素钢：低碳钢：<0.25%C如：Q235、20

中碳钢：0.25%~0.6%C如：45

高碳钢：>0.6%C

如：658.1概论合金钢：

低合金钢：<5%Me如：16Mn、15MnVN

中合金钢：5-10%Me

高合金钢：>10%Me如：Cr12MoV按质量等级分类：普通钢：(P.S<=0.05%)

优质钢：(P.S<=0.04%)

高级优质钢：(P<=0.035%S<=0.03%)按金相组织分类按退火组织分：亚共析钢

共析钢

过共析钢

莱氏体钢按空冷组织分：珠光体钢

贝氏体钢

马氏体钢

莱氏体钢

奥氏体钢按用途分：结构钢：普通碳素结构钢，如：20、30

普通低合金钢，如：16Mn、14MnMoV

优质碳素结构钢，如：20g

合金结构钢如：15MnVn、40Cr工具钢：刃具钢，如：T10A

模具钢，如：5CrNiMo、CrWMn

量具钢，无专用钢特殊性能钢：不锈钢，如：1Cr18Ni9

耐热钢，如：Cr25~Ni20型

耐磨钢，如；CrMo钢按炼钢炉分类:

转炉钢

平炉钢

电炉钢按炼钢末期脱氧程度不同:

沸腾钢

镇静钢按钢的成形方法:

铸钢

锻钢

轧材

二、合金钢的编号见P１３３8.2合金元素在钢中的作用一、合金元素与铁和碳的作用合金元素加入钢中的主要作用是：与铁形成固溶体与碳形成碳化物少量存在于夹杂物中合金元素的种类：

非碳化物形成元素：Ni.Co.Cu.Si.Al.N.B

碳化物形成元素：Ti,V,W.Nb.Zr.Mo,Cr.Mn扩大

相区元素：奥氏体稳定化元素，如：Mn.Ni.Co.C.N.Cu缩小

相区元素：铁素体稳定化元素，如：Cr.Mo.W.V.Ti.Al.Si.B.Nb.Zr溶于渗碳体中：

形成合金渗碳体(Fe,Me)3C，使耐磨性增大；形成新相－－碳化物

如:TiC2200HV熔点3200℃

Cr23C6,Cr7C3,W2C,Mo2C

Fe3W3C,Fe3Mo3C三、合金元素对铁碳合金状态图的影响加入Mn、Ni等使奥氏体区扩大,即使A3,A1温度下降

含量足够高时，室温为奥氏体；

奥氏体钢:

高Mn钢如:ZGMn13

高Ni钢1Cr18Ni9加入缩小

相区元素，如：Cr、Mo、W、V、Ti、.Al、Si、B、Nb、Zr使

相增大：

铁素体钢：高铬钢合金元素对S及E点的影响合金元素均使S点及E点左移：

使S点左移，钢中P量增加；合金元素较多的钢即使含碳量不高，也可能是过共析钢。

例：含0.3%C的工具钢：3Cr2W8V即过共析钢。

含0.7~0.8%C的W18Cr4V，E点已左移到0.7%以下。合金元素对热处理性能的影响合金元素对钢加热时转变的影响：

合金钢的奥氏体化速度较碳钢慢；

其热处理可加热到较高的温度，保温较长的时间。合金元素对奥氏体冷却转变的影响；加入合金元素(除Co外)，过冷奥氏体稳定性增加，使C曲线右移。

Co、Mn、Cr、Si、Ni、B加入并溶入奥氏体中，使淬透性变大。合金元素对回火转变的影响：提高回火稳定性淬火奥氏体中含V、Si、Mo、W、Ni、Mn、Co回火时，阻碍马氏体的分解及碳化物的析出和聚集，使回火稳定性大。产生二次硬化－－钢中含Mo、W、V量超过一定限度后,回火温度高于450℃时、钢的硬度反而升高的现象。增大回火脆性

四、合金元素对钢性能的影响Ｐ1388.3合金结构钢碳素结构钢+合金元素（Si、Mn、Cr、Ni、W、Mo、V、Ti、B）用于淬透性、强韧性要求高的零件。一、低合金高强钢普低钢：热轧钢(代替普碳钢)、正火钢性能要求：高强度（>300MN/m2）、高韧性、良好的焊接性能；成分特点：1）低碳：C<0.2%，塑性好，可焊性好；

2）加Mn：固溶强化,提高强度,如:16Mn

3）加Nb、V、Ti：细化晶粒、沉淀强化

如:15MnV热处理特点：在热轧空冷状态下或正火使用；钢种及牌号

见P145表二、合金渗碳钢用途：用于齿轮、凸轮轴等上的表层；性能特点：表面耐磨,心部抗冲击。成分特点：1）C为0.1-0.25%、保证心部有足够塑性和韧性；

2）加入Cr(<2%),Ni(<4%),Mn(<2%)，使心部强化并提高韧性；

3）加入强碳化物形成元素V(<0.4%)、Ti(0.1%)、Mo(<0.6%)、W(<1.2%)，防止渗碳时晶粒长大。热处理：一般为：渗碳后，直接淬火+低温回火；

对易过热的钢（如：20Cr、20Mn2)：渗碳后，正火，再淬火+低温回火；组织性能：渗碳层：合金渗碳体+回火马氏体+少量奥氏体残，HRC60~62；心部：屈氏体+少量回火马氏体+少量铁素体，HRC25~40，韧性高。三、合金调质钢用途：用于重要零件：齿轮、轴、连杆；性能要求：具有高的强度、良好的塑性、韧性，具有良好的综合机械性能。成分特点:1）中碳：0.25-0.5%C、以0.4%居多。2）加入提高淬透性的合金元素：Cr、Mn、Si、Ni、B：

40Cr的淬透性>40钢的淬透性；3）加入Mo、W消除回火脆性；

含Ni、Cr、Mn的合金调质钢，高温回火慢冷时容易产生第2类回火脆。热处理和组织性能：调质钢最终热处理：为调质处理；最终性能取决于回火；如：40Cr的回火温度：500-650℃；

回火采用快冷，可防止回火脆，提高韧性；常规热处理后的组织：回火索氏体牌号P150表四、弹簧钢

用途：制造弹簧和弹性元件；性能要求：（1）高的弹性极限；（2）高的疲劳极限；（3）足够的塑性和韧性；成分特点：（1）中、高碳；（2）加入以Si、Mn为主的提高淬透性的元素；加工、热处理与性能：（1）热成形弹簧：热轧制成的较大型弹簧：淬火＋中温回火（450~550℃），获得回火屈氏体；（2）冷成形弹簧：小尺寸弹簧；钢种与牌号：Ｐ154

如：65Mn、60Si2Mn、50CrVA五、滚珠轴承钢

用途：用来制造滚动体（滚珠、滚柱、滚针）、内外套圈；也用于制造精密量具、冷冲模、机床丝杠等耐磨件；性能要求（１）高的接触疲劳强度；（２）高的硬度和耐磨性；（３）足够的韧性和淬透性；成分特点：（１）高碳0.95~1.1%；（２）加入Cr：以提高淬透性和耐磨性，特别是接触疲劳强度；（３）加入Si、Mn：进一步提高淬透性；（４）加入V：提高耐磨性，防止过热；（５）提高纯度：S<0.02%、P<0.027%。热处理及性能：主要为球化退火、淬火和低温回火。钢种与牌号：Ｐ1558.4合金工具钢按化学成分分：碳素工具钢：T10、T8A

低合金工具钢：9SiCr、CrWMn

高合金工具钢--高速钢：

W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2;按用途分：刃具钢

模具钢

量具钢一、合金刃具钢用途：车刀、铣刀、钻刀等切削刀具；性能要求：（刃部发热，达500-600℃）（１）高硬度：刃部硬度>HRC60；

（２）高耐磨性：碳化物；

（３）高红硬性；与钢的回火稳定性和弥散析出的碳化物有关；

（４）足够的塑性和韧性：防止折断，崩刃；红硬性（即热硬性）——钢在高温下保持高硬度的能力。成分特点:１、低合金刃具钢（如：CrWMn）工作温度：<300℃；１）高碳，0.9~1.1%，保证高硬度及耐磨性；

２）加入Cr、Mn、Si（提高淬透性），W、V（提高硬度、耐磨性、细化晶粒）；２、高速钢（W18Cr4V）：具有很高的红硬性，刃部工作温度>600℃

１）高碳：>0.7%可达1.5%左右，以保证足够量的碳化物和马氏体的高硬度；

２）加Cr：提高淬透性，约4%；３）加W、Mo：保证高红硬性；４）加V：提高耐磨性。低合金刃具钢的加工过程:

球化退火机加工淬火+低温回火高速钢（即莱氏体钢）的加工过程：

锻造球化退火淬火＋回火（三次）1）锻造：可打碎大量鱼骨状碳化物、并使之均匀；2）球化退火：利于机加工、为淬火作准备；退火组织：索氏体＋粒状碳化物加工及热处理特点:

3）淬火：

a）预热（一次、二次）：因为导热性差；

b）淬火加热温度高：1220-1280℃

原因：高速钢中含有大量W、Mo、Cr、V的难溶碳化物，它们只有在1200℃以上才能多量地溶于奥氏体中；

c）淬火组织：淬火马氏体+剩余合金碳化物+大量残余奥氏体；4）

回火：在二次硬化峰值温度（如：550~570℃）下进行三次回火；目的：可减少残余奥氏体量；回火组织：回火马氏体+细粒剩余碳化物+少量残余奥氏体W18Cr4V热处理曲线

淬火后有30%左右的残余奥氏体，经一次回火后约剩15~18%；经二次回火后约剩3~5%；经三次回火后约剩1~2%；钢种及牌号：

二、合金模具钢用途：冷作模具钢：工作温度<200-300℃

冷冲模、冷镦模、冷挤压模、拉丝模热作模具钢：工作温度>600℃

热锻模、热压模、热挤压模、压铸模性能要求：

冷模具钢：高硬度

HRC58-62；

高耐磨性；

有足够的韧性，疲劳抗力；

热处理变形小；热模具钢：高红硬性和高温耐磨性；

高的抗氧化能力；

高热强性,足够的韧性(锻模)；

高的热疲劳抗力；

高淬透性,高导热性；成分特点:１、冷模具钢：1）高碳：>1.0%，以保证高硬度和高耐磨性；2）加Cr、Mo、W、V：形成难溶碳化物，提高耐磨性，如：Cr12MoV，Cr形成M7C3；２、热模具钢：１）中碳：0.3~0.6%，以保证高强度、高韧性、较高硬度（HRC35~52）和较高的热疲劳抗力；２）加入Cr、Ni、Mn、Si等，提高淬透性；

Cr、Ni提高回火稳定性；３）加入Mo、W、V等，二次硬化；

Mo防止第二类回火脆,提高高温强度和回火稳定性。加工热处理特点１、冷模具钢：与刃具钢类似，高碳高铬钢的热处理：一次硬化法：较低温淬火（950-1000℃）＋低温回火（150-180℃），硬度达HRC61-64，有较高好的耐磨性和韧性，适于重载模具；二次硬化法：较高温淬火（1100~1150℃）＋三次回火（510~520℃），产生二次硬化，硬度达HRC60-62，红硬性、耐磨性较高，但韧性较差。

适于在400-450℃下工作的模具。Cr12型钢热处理后的组织：回火马氏体＋碳化物＋残余奥氏体２、热模具（加工热处理特点）:热锻模：5CrNiMo、5CrMnMo，热处理与调质钢相似：淬火+高温回火；得到索氏体＋回火屈氏体组织热压模：3Cr2W8V：淬火+多次高温（600℃左右）回火，存在二次硬化；得到回火马氏体＋粒状碳化物；

与高速钢类似，为了保证红硬性，要进行多次回火。钢种及牌号：见P162表三、合金量具钢用途：制造测量工具，如：卡尺、千分尺、塞规…性能要求：高硬度

>HRC56

高耐磨

高的尺寸稳定性成分特点:成分与低合金刃具钢相同：高碳0.9-1.5%；

加Cr、W、Mn...提高淬透性；热处理特点:

关键在于增进尺寸稳定性。

１）降低淬火温度，减少残余奥氏体量；

２）淬火后立即进行-70~-80℃的冷处理+低温回火；

３）精度要求高的量具，在120-130℃进行几至几十小时的时效处理。钢种及牌号无专用钢１）尺寸小、形状简单、精度较低的量具，用高碳钢制造，如65、60、55；

２）复杂的精密量具一般用低合金刃具钢制造，

9SiCr、T10A；

３）精度要求较高的量具用CrMn、CrWMn、GCr15等。8.5

特殊性能钢及合金一、不锈钢－－在自然环境或一定工业介质中具有良好耐磨蚀性的钢。腐蚀的概念：化学腐蚀

电化学腐蚀

提高钢的耐腐蚀性，在合金化方面的方法：

a.提高基体组织的电极电位

加入＞12%的Cr,可提高铁素体的电极电位；

b.使钢在室温得到单相组织：避免形成两个电极，如：18-8型钢，单一奥氏体；

c.使钢的表面形成一层致密的氧化膜,阻止腐蚀向钢的内部发展,如Cr2O3,SiO2,Al2O3钝化用途及性能要求

用来制造各种在腐蚀介质中工作并具有较高腐蚀抗力的零件或结构，如：阀门、泵、管道。合金化特点１）碳含量

尽量低；

晶间腐蚀,见P165２）加入Cr：提高电极电位；在氧化性介质中极易钝化；３）加入Ni：获得单一奥氏体；４）加入Mo、Cu：提高在非氧化性酸（盐酸、稀硫酸、碱溶液）中的钝化能力；５）加入Ti、Nb：作为稳定剂，限制碳的扩散，避免晶界贫铬，减轻晶界腐蚀；６）加入Mn、N：部分代Ni以获得奥氏体常用不锈钢１、马氏体不锈钢如1Cr13、2Cr13、3Cr13、4Cr13；

只在氧化性介质中耐蚀，强度,硬度较高

含C：0.1-1.0%、含Cr：12-18%；热处理：用作高强结构零件：调质处理1Cr13、2Cr13

用作弹簧元件：淬火+中温回火

用作医疗器械、量具：淬火+低温回火3Cr13、4Cr13２、铁素体不锈钢

典型钢种：

Cr17；含Cr高，获得单相铁素体，耐蚀性优于Cr13；

含C<0.15%，强度较低，塑性好；热处理目的：消除冷变形或焊接应力

去应力退火：T>525℃较快冷却。３、奥氏体不锈钢典型钢种：Cr18Ni8Ti成分特点：含碳低<0.1%；

加入Ti,Nb-->防止晶间腐蚀；性能特点：强度、硬度很低，无磁性，塑性、韧性、耐蚀性均较好；利用冷塑性变形强化，切削加工性较差。热处理：固溶处理

稳定化处理

去应力退火二、耐热钢抗氧化钢(耐热不起皮钢)：高温不易发生氧化的钢热强化钢：高温具有较高强度的钢抗氧化钢在800-1100℃工作时具有较长的使用寿命

主要用于受力不大的炉用零件；

加入Cr,Si,Al(在钢的表面形成致密氧化膜)、Ni,Mn,N(获得稳定的奥氏体，高温强度