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工业用钢 金属材料及热处理 第六章 第六章工业用钢 钢的分类与编号钢中杂质与合金元素结构钢工具钢特殊性能钢 工业用钢 第一节钢的分类与编号 1 钢的分类 按化学成分 合金钢 碳素钢 低碳钢中碳钢高碳钢 低合金钢 合金元素总量 5 中合金钢 合金元素总量为5 10 高合金钢 合金元素总量 10 C 0 25 0 25 C 0 6 C 0 6 合金钢在压力加工 切削加工 焊接工艺性等方面比碳钢稍差 且成本较高 4 不具备特殊的物理化学性能 碳钢在工程上的应用有以下几方面的局限性 1 强度指标偏低 导致机器设备笨重 2 淬透性较低 对大截面零件难获得高而均匀的力学性能 3 高温强度低 热硬性差 高碳刃具钢只能用于很低的切削速度 碳钢淬火后的使用温度不能高于250 碳钢在抗氧化 耐腐蚀 耐热 耐磨等方面较差 碳钢冶炼工艺简单 易加工 价格低廉 能满足工业生产上的一般需求 因此应用广泛 按质量分类 普通质量钢优质钢特级优质钢 钢的质量是以磷 硫的含量来划分的 按冶炼方法分类 平炉钢转炉钢电炉钢 根据冶炼所用炼钢炉不同 按金相组织分类 按退火组织分类 亚共析钢共析钢过共析钢 按正火组织分类 珠光体钢贝氏体钢铁素体钢奥氏体钢莱氏体钢 按用途分类 特殊性能钢 工程用钢机器用钢 模具钢刃具钢量具钢 不锈钢耐热钢 结构钢 工具钢 2 钢的编号 1 钢铁产品牌号表示方法 采用汉语拼音字母 化学元素和阿拉伯数字相组合 一般从代表产品名称的汉字 碳素结构钢和低合金高强度结构钢 Q 屈服点数值 表6 2中规定的质量等级 脱氧方法等符号表示 按顺序组成牌号 例 Q235AF Q235BZ 质量等级从A Z 硫 磷含量降低 质量提高 优质碳素结构钢 优质碳素结构钢的牌号以两个数字表示 这两位数字表示钢的平均含碳量的万分之几 优质碳素结构钢 例 45 50Mn 合金结构钢和合金弹簧钢 两位数字 带有百分含量数字的合金元素符号组成 表示平均含碳量的万分之几 例 30CrMoSi 20CrNi3 平均含量小于1 5 时 不标含量 平均含量为2 5 3 49 时 标3 高级优质钢在牌号后加字母A 38CrMnSiA 特级优质钢在牌号后加字母E 30CrMnSiE 工具钢 碳素工具钢 T 数字 例 T9 T10A A表示高级优质钢 合金工具钢和高速工具钢 与合金结构钢相同 但一般不标明含碳量数字 例 Cr12MoV W6Mo5Cr4V2 平均含碳量为1 6 平均含碳量为0 85 轴承钢 G Cr 数字 含铬量的千分之几 平均含碳量为0 9 不锈钢和耐热钢 数字 合金元素符号 数字 平均含碳量的千分之几 含合金元素的百分之几 例 11Cr17 铸钢 ZG 数字 数字 最低屈服强度 最低抗拉强度 焦炭 铁矿石 石灰石 高炉炼铁 炼钢生铁 炼钢 铸钢锭 铸造生铁 铸造 轧制 各种型材 锻件 锻造 铸钢 冷冲压 热处理 切削加工 机械产品 锻造 冶炼厂 机械厂 钢铁生产加工过程概略图 第二节钢中杂质与合金元素 一 钢中常存杂质对性能的影响 钢中常存杂质元素主要是指锰 硅 硫 磷及氮 氢 氧等 1 硅和锰的影响 有益元素 溶于铁素体中 固溶强化 提高钢的强度和硬度 含量应分别控制在0 5 和0 8 以下 2 硫和磷的影响 有害元素 硫在钢中以FeS的形式存在 使钢变脆 产生热脆性 控制在0 05 以下 MnS对断屑有利 磷可溶于铁素体中 使钢的强度 硬度显著增加 但使钢脆化 产生冷脆性 冷脆对高寒地带和其他低温下工作的钢结构具有严重的危害性 在炼钢过程中加入硅铁和锰铁脱氧 来源于矿石 燃料等炼钢原料 二 合金元素在钢中的作用 1 合金元素对钢中基本相的影响 溶于铁素体 起固溶强化的作用 合金元素溶于铁素体中造成晶格畸变 提高塑变抗力 强度和硬度提高 铁素体和渗碳体是碳钢中的两个基本相 与碳亲和力弱的非碳化物形成元素 如镍 硅 铝 钴等 形成碳化物 与碳亲和力强的碳化物形成元素 如锰 铬 钼 钨 钒 铌 锆 钛等 合金元素与碳的亲和力越大 所形成化合物的稳定性 熔点 分解温度 硬度 耐磨性越高 2 合金元素对铁碳相图的影响 对奥氏体相区的影响 扩大奥氏体区域 扩大奥氏体区域的元素有镍 锰 碳 氮等 这些元素使A1和A3温度降低 从而使奥氏体区域扩大 对ZGMnl3耐磨钢和1Crl8Ni9不锈钢由于有很高的Mn或Ni含量 其S点就能降到零点以下 在常温下仍能保持奥氏体状态 称为奥氏体钢 缩小奥氏体区域 缩小奥氏体区域的元素有铬 铝 硅 钨等 使A1和A3温度升高 使奥氏体区域缩小 A1和A3温度升高 钢的淬火温度相应地提高 当Cr 13 时 奥氏体区域消失 在室温下得到单相铁素体 称为铁素体钢 3 合金元素对钢中相变过程的影响 对钢加热时奥氏体化过程的影响 对奥氏体形成速度的影响 大多数合金元素 除镍 钴以外 都减缓钢的奥氏体化过程 合金钢在热处理时要相应地提高加热温度或延长加热时间 才能保证奥氏体化过程的充分进行 对奥氏体晶粒长大倾向的影响 合金元素与碳和氮的亲和力越大 阻碍奥氏体晶粒长大的作用越强烈 Mn P对奥氏体晶粒的长大起着促进作用 因而含锰钢加热时应严格控制加热温度和保温时间 使得合金钢多为本质细晶粒钢 对钢冷却时过冷奥氏体转变过程的影响 对C曲线和淬透性的影响 除Co外 凡溶入奥氏体的合金均使C曲线右移 钢的临界冷却速度下降 淬透性提高 淬火冷却速度降低 减少零件的淬火变形和开裂倾向 对Ms和Mf的影响 除Co Al外 凡溶入奥氏体的合金都使Ms和Mf下降 钢在淬火后的残余奥氏体量增加 对淬火钢回火转变过程的影响 提高耐回火性 耐回火性 淬火钢在回火过程中抵抗硬度下降的能力 合金元素阻碍马氏体分解和碳化物聚集长大过程 回火时的硬度降低过程变缓 提高钢的耐回火性 产生二次硬化 含有高W Mo Cr V等元素的钢在淬火后回火加热时 由于析出细小弥散的这些元素碳化物以及回火冷却时残余奥氏体转变为马氏体 使钢的硬度不仅不下降 反而升高的现象称为二次硬化 二次硬化使钢具有热硬性 这对于工具钢是非常重要的 防止第二类回火脆性 在高温下保持高硬度的能力 第三节结构钢 结构钢 机器用钢 工程用钢 碳素结构钢 低合金高强度结构钢 优质碳素结构钢 合金结构钢 用于各种工程结构 冶炼简便 成本低 一般不进行热处理 一 碳素结构钢 Q 1 牌号 质量等级A B C D 脱氧方式F表示沸腾钢 b表示半镇静钢 Z表示镇静钢 TZ表示特殊镇静钢 例 Q235 A F 2 使用状态和热处理 一般不经热处理 而在钢厂供应状态 轧制状态 下直接使用 保证力学性能 简称普碳钢 屈服强度 屈服强度值 质量等级和脱氧方式 碳素结构钢 屈服强度 235MPa 质量级别为A的沸腾钢 3 用途 钢结构件 焊接和扳金机械结构件 含碳量低 0 06 0 38 硫 磷高 二 优质碳素结构钢 1 牌号 渗碳钢 渗碳 淬火 低温回火 外强内韧 调质钢 调质处理 优良的综合力学性能 弹簧钢 淬火 中温回火 具有高的弹性极限 冷冲压钢 冷冲压件 塑性和韧性高 含碳量的万分之几 2 用途 冷冲压钢 冷冲压件 仪器外壳等 渗碳钢 耐磨并承受冲击的齿轮 销轴 08F 10 25 35 55 60 70 08F 10 25 同时保证化学成分和力学性能 含碳量0 08 汽车和拖拉机的曲轴和连杆 机床主轴 齿轮和其他受力不大的轴类零件 45应用最广 尺寸较小的 小于12 15mm 弹簧和钢丝绳 60 70 35 55 三 低合金高强度结构钢 1 性能特点 1 强度高于碳素结构钢 可降低结构自重 节约钢材 2 具有足够的塑性 韧性及良好的焊接性能 3 具有良好的耐蚀性和低的冷脆转变温度 在碳素结构钢的基础上 加入少量的合金元素发展起来的 2 成份特点 1 低碳 含碳量 0 2 2 低和金 主加元素为锰 对铁素体具有明显的固溶强化作用降低钢的冷脆转变温度 增加组织中的珠光体 提高强度 3 热处理特点 在热轧状态下使用 组织为铁素体加珠光体 5 典型钢种及用途 广泛用于石油化工设备 船舶 桥梁 车辆等大型钢结构中 Q345是应用最广 用量最大的低合金高强度结构钢 Q 4 牌号 屈服强度 屈服强度值 275MPa 质量等级和脱氧方式 四 渗碳钢 1 成分 含碳量0 10 0 25 的合金钢 主要加入能提高淬透性的Mn Cr Ni等元素 2 性能特点 经热处理后表硬里韧 耐磨性及抗疲劳性好 预先热处理 正火 渗碳 磨削 下料 锻造 机加工 淬火 低温回火 3 渗碳件一般的工艺路线 4 用途 应用很广 主要用于制造渗碳零件 如变速齿轮 内燃机凸轮轴等各种表面耐磨件 5 常用的渗碳钢 低淬透性渗碳钢 15Cr 20Cr等 心部强度低 尺寸和载荷小的齿轮和滑块 中淬透性渗碳钢 20CrMnTi 20CrMn等 心部强度较高 用于制造中等强度的耐磨零件 如汽车 拖拉机的变速齿轮 齿轮轴等 高淬透性渗碳钢 18Cr2Ni4WA 20Cr2Ni4A等 淬透性很高 用来制造承受重载荷和强烈磨损的重要零件 如飞机 坦克中的曲轴及重要齿轮等 以20CrMnTi渗碳钢制造汽车变速齿轮为例 下料 毛坯锻造 正火 加工齿形 局部镀铜 渗碳 930 预冷淬火 830 低温回火 200 喷丸 磨齿 五 调质钢 调质件一般的工艺路线 在调质处理后使用的钢种 主要用于制造受力复杂的汽车 拖拉机 机床及其他各种重要零件 齿轮 连杆 螺栓 轴类件 性能要求 良好的综合力学性能良好的淬透性 成分特点 中碳 含碳量为0 25 0 50 主加合金元素为Mn Si Cr Ni B 提高淬透性 强化铁素体基体 精机加工 下料 锻造 退火 粗机加工 调质 典型钢种 低淬透性调质钢 45 40Cr 用于制造尺寸较小的齿轮 轴 螺栓等 中淬透性调质钢 40CrNi 用于制造截面较大的零件 如曲轴 齿轮等 高淬透性调质钢 40CrNiMo 用于制造大截面 重载荷的零件 如汽轮机主轴 叶轮 航空发动机等 六 弹簧钢 1 成分 3 组织 含碳量在0 40 0 70 的合金钢 主要加入元素是硅和锰 提高淬透性和屈强比 2 热处理 淬火 中温回火 回火屈氏体 4 热处理特点 冷成形弹簧 对于钢丝直径小于10mm的弹簧 通过冷拔 或冷拉 冷卷成型 冷卷后的弹簧不必进行淬火处理 只需进行一次消除内应力和稳定尺寸的定型处理 即加热到250 300 保温一段时间 从炉内取出空冷即可使用 据尺寸和加工方法不同 分为热成形和冷成形弹簧两种 热成形弹簧 5 典型钢种 Si Mn弹簧钢 代表性钢种65Mn 60SiMn 主要用于制造较大截面的弹簧 如汽车 拖拉机的板簧 螺旋弹簧等 Cr V弹簧钢 代表性钢种50CrV 主要用于大截面 大载荷 耐热的弹簧 如阀门弹簧 高速柴油机的气门弹簧等 直径大于10 15mm 在高于淬火温度热卷成形 淬火 中温回火 350 500 回火屈氏体 HRC40 45 高的屈服强度的条件下具有足够的韧性指标 七 滚动轴承钢 1 用途 主要用来制造滚动轴承的内外圈 滚动体等 2 牌号 GCr Cr的千分之几 除Cr外其它合金元素的元素符号 3 化学成分 含碳量0 95 1 10 含铬量0 4 1 65 4 热处理及组织 预先热处理 球化退火 最终热处理 淬火 低温回火 提高淬透性和回火稳定性 5 使用状态下组织 回火马氏体 细小碳化物 残余奥氏体 6 典型钢种 应用最广的GCr15钢 大量用于制造中大型轴承 还可用于制造冷冲模 量具 丝锥等 八 耐磨钢 1 用途 2 化学成分 3 热处理及组织 指在冲击载荷作用下发生冲击硬化作用的高锰钢 用于既承受严重磨损又承受强烈冲击的零件 高的耐磨性和韧性 高碳 含碳量为0 75 1 45 高锰 含锰量为11 14 保证高的耐磨性 保证形成单相奥氏体组织 获得良好的韧性 由于加工困难 铸造后直接使用 4 典型钢种 应用最广的GCr4 GCr15 GCr15SiMn钢 第四节工具钢 工具钢是用来制造各种工具的钢种 工具钢 量具钢 刃具钢 模具钢 一 刃具钢 1 性能要求 用于制造各种金属切削刀具的钢种 高的硬度 HRC 60 高耐磨性 耐磨性取决于硬度 韧性和碳化物 高的热硬性 钢在高温下保持高硬度的能力 足够的韧性和塑性 以免刀具在使用过程中崩刃 折断 2 常用刃具钢 碳素工具钢 低合金工具钢 高速钢 碳素工具钢 牌号 T A 含碳千分之几 A 高级 T7 T7A T8 T8A T13A 典型钢种 热处理和组织 预备热处理 球化退火 降低硬度便于切削加工 组织为铁素体基体十细小均布的粒状渗碳体 最终热处理 淬火 低温回火 组织为回火马氏体十粒状渗碳体十少量残余奥氏体 用途 冲头 凿子要选用T7 T8等 车刀 钻头可选用T10 精车刀 锉刀则选用T12 T13 优点 成本低 耐磨性和加工性较好 在受用工具和机用低速工具上广泛应用 缺点 热硬性差 淬透性低 只适于制作尺寸不大 形状简单的低速刀具 低合金工具钢 牌号 热处理和组织 含碳量的千分之几 超过10不写 含合金元素及含量 百分之几 平均小于1 5 不写 化学成分 在碳素工具钢的基础上加入少量合金元素 在保持高碳的同时 加入Cr Mn Si W V等合金元素 提高淬透性 提高耐磨性 并细化晶粒 预备热处理 球化退火 降低硬度便于切削加工 加入了合金元素 钢的淬透性提高 采用油淬火 用途 优点 淬火后的硬度与碳素工具钢处于同一范围 但淬火变形小 开裂倾向小 广泛用于制造形状复杂 要求变形小的低速切削刃具 如丝锥 板牙等 也常用作冷冲模 典型钢种 9SiCr 最终热处理 淬火 低温回火 组织为回火马氏体十粒状渗碳体十少量残余奥氏体 以9SiCr钢制造圆板牙为例 用于加工外螺纹的精细刃具 制造工艺路线 下料 球化退火 机加工 淬火 低温回火 磨平面 抛槽 开口 热处理工艺中球化退火采用等温处理 组织为粒状珠光体 淬火 低温回火工艺 600 650 预热 850 870 加热保温 160 200 的硝盐中淬火 190 200 低温回火 降低残余应力 保留较高的硬度值 高速工具钢 牌号 加工和热处理 化学成分 W 制造高速切削刀具用钢 合金元素 合金元素含量 含碳量为0 7 1 6 形成足够量的碳化物 主要加入的合金元素是Cr W Mo V 提高钢的耐回火性 提高钢的热脆性 细化晶粒 高速钢的加工工艺路线 下料 锻造 退火 机加工 淬火 回火 喷砂 磨削加工 1 锻造 成形和改善组织的双重作用 高速钢是莱氏体钢 铸态组织为共晶组织 2 退火 球化退火 索氏体 细颗粒状碳化物 3 淬火 获得高合金元素含量的马氏体 隐针马氏体 颗粒状碳化物 较多的残余奥氏体 61 63HRC 4 回火 减少残余奥氏体量 稳定组织 并产生二次硬化 回火马氏体 细颗粒状碳化物 少量残余奥氏体 降低硬度 便于切削加工 用途 主要用于制造高速切削刀具 如车刀 刨刀 铣刀 钻头等 典型钢种 W18Cr4V 特点 高速钢价格昂贵 为充分发挥其性能和节省材料 常采用焊接或镶拼高速钢刀头 如直径大于10mm的钻头 采用45钢做刀柄 二 模具钢 用于制造各种冷热模具的钢种 模具钢 冷作模具钢热作模具钢 冷作模具钢 用于制造各种冷成型模具 如冷冲模 冷挤压模 冷墩模和拔丝模等 对性能的基本要求 高的硬度和耐磨性 较高的强度和韧性 良好的工艺性 冷作模具钢的类型 1 碳素工具钢和低合金工具钢 适用于尺寸小 形状简单 负荷不大的模具 钢种有T8A T10A T12A Cr2 9Mn2V 9SiCr CrWMn Cr6WV等 优点 价格便宜 加工性能好 满足模具的工作要求 缺点 这类钢的淬透性差 热处理变形大 耐磨性较差 寿命较低 2 耐冲击工具用钢 用于制造冶金 机械工业中剪切钢板或型材用的冷剪刀片和热剪刀片 钢种有4CrVSi 5CrVSi等 高碳高铬模具钢 主要是指Crl2型冷作模具钢 这类钢由于淬透性好 淬火变形小 耐磨性好 广泛地用于制造负荷大 尺寸大 形状复杂的模具 常用牌号有Crl2 Crl2MoV等 热作模具钢 用于制造各种使加热金属或液态金属成型的模具 如热锻模 热压模 热挤模和压铸模等 对性能的基本要求 高温下良好的力学性能 高的抗热疲劳性能 高的淬透性和良好的导热性 高的抗氧化性 钢种