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第五章 合金钢 第一节合金元素在钢中的作用 合金元素为了提高钢的力学性能或得到某些特殊性能 在钢的冶炼过程中有目的地加入一些元素 一 合金元素在钢中的存在形式 一 形成合金铁素体几乎所有的合金元素都能不同程度地溶入铁素体中 形成合金铁素体 当合金元素溶入铁素体后 必然引起铁素体的晶格畸变 使铁素体的强度 硬度提高 产生固溶强化 但塑性 韧性却有所下降 常见合金元素对铁素体硬度和韧性的影响 二 形成合金碳化物 1 合金渗碳体合金元素溶入渗碳体 置换其中的铁原子 所形成的化合物 2 特殊碳化物由中强或强碳化物形成元素与碳化合所形成的碳化物 特殊碳化物的两种类型 简单晶格的间隙相碳化物 如WC VC TiC等 复杂晶格的碳化物 如Cr23C6 Cr7C3 Fe3W3C等 二 合金元素对Fe Fe3C相图的影响 一 缩小奥氏体相区会使奥氏体相区缩小的合金元素有铬 钨 钼 钒 铝 硅 钛等 铬对Fe Fe3C相图的影响 二 扩大奥氏体相区镍 钴 锰等合金元素的加入 会使奥氏体相区扩大 锰对Fe Fe3C相图的影响 1 合金元素对奥氏体形成速度的影响除镍 钴外 大多数合金元素减缓钢的奥氏体化过程 三 合金元素对钢热处理的影响 一 合金元素对钢加热转变的影响 2 合金元素对奥氏体化温度的影响 3 合金元素对奥氏体晶粒大小的影响除锰外 大多数合金元素都不同程度的阻碍奥氏体晶粒长大 二 合金元素对钢冷却转变的影响1 合金元素对过冷奥氏体等温转变曲线的影响除钴外 大多数合金元素溶入奥氏体后 能够降低原子的扩散速度 使奥氏体稳定性增加 C曲线位置向右移动 临界冷却速度降低 使钢的淬透性提高 2 合金元素对过冷奥氏体向马氏体转变的影响除钴 铝外 合金元素溶入奥氏体后 均会使马氏体转变温度Ms及Mf降低 三 合金元素对淬火钢回火转变的影响1 提高淬火钢的回火稳定性 2 回火时产生二次硬化现象 3 回火时产生第二类回火脆性 第二节合金钢的分类及牌号一 合金钢的分类 一 按合金元素含量多少分1 低合金钢钢中的合金元素总含量小于5 2 中合金钢钢中的合金元素总含量为5 10 3 高合金钢钢中的合金元素总含量大于10 二 按用途分1 合金结构钢2 合金工具钢3 特殊性能钢 三 按正火后的金相组织分分为珠光体钢 马氏体钢 奥氏体钢 铁素体钢等 二 合金钢牌号的表示方法 一 合金结构钢的牌号由三部分组成 即 两位数字 元素符号 数字 二 滚动轴承钢的牌号牌号前面加 G 滚 字汉语拼音字首 钢中碳的质量分数不标出 合金元素铬后面的数字表示铬平均含量的千分之几 三 合金工具钢的牌号合金元素的表示方法与合金结构钢表示相同 在合金工具钢中若碳的质量分数平均小于1 时 牌号前面用一位数字表示出平均碳的质量分数的千分之几 若钢中碳的质量分数平均大于1 时 则不标出 四 高速工具钢的牌号与合金工具钢略有不同 钢中碳的质量分数平均小于1 时 含碳量也不标出 五 特殊性能钢的牌号与合金工具钢基本相同 在特殊性能钢中当碳的质量分数平均小于0 03 时 在牌号前用 00 表示 当钢中碳的质量分数平均为0 03 0 08 时 在牌号前用 0 表示 第三节合金结构钢 一 低合金高强度结构钢 一 化学成分钢碳的质量分数较低 一般控制在0 1 0 2 以少量的锰 0 8 1 7 为主加元素 硅的含量比碳素结构钢稍高 wSi 0 55 并加入钒 铌 钛 钼等合金元素 二 性能特点1 足够高的屈服点及良好的塑性 韧性 2 良好的焊接性能 3 较好的耐蚀性 三 热处理特点通常是在热轧或正火状态下使用 一般不再进行热处理 四 常用的低合金高强度结构钢 二 合金渗碳钢通常是指经渗碳 淬火 低温回火后使用的钢 一 化学成分合金渗碳钢碳含量一般为0 10 0 25 主加合金元素为铬 锰 镍 硼等 二 常用的合金渗碳钢低淬透性合金渗碳钢 中淬透性合金渗碳钢和高淬透性合金渗碳钢 三 合金渗碳钢的热处理渗碳后要进行淬火 低温回火处理 表面硬度一般为58 64HRC 心部组织和硬度根据合金渗碳钢的淬透性和尺寸而定 三 合金调质钢指经淬火 高温回火处理后使用的合金钢 一 化学成分碳含量在0 25 0 5 之间的中碳合金钢 主加元素有锰 铬 镍 硼等 主要目的是增加钢的淬透性 二 常用的合金调质钢低淬透性合金调质钢 中淬透性合金调质钢和高淬透性合金调质钢 三 合金调质钢的热处理最终热处理均为淬火后进行500 650 的高温回火处理 即调质处理 四 合金弹簧钢用来制造各种弹性元件的合金钢 一 化学成分含碳量一般为0 45 0 70 含有锰 硅 铬 钒 钼等合金元素 二 常用的合金弹簧钢60Si2Mn 50CrVA等 三 合金弹簧钢的热处理1 热成形弹簧的热处理对于直径或板厚大于10mm的螺旋弹簧或板弹簧 往往在热态下成形后进行淬火 中温回火处理 2 冷成形弹簧的热处理根据其交货状态不同而采用不同方式的热处理 若以退火状态供应的合金弹簧钢应在弹簧冷成形后 需要进行淬火 中温回火的热处理 若供应状态是索氏体化处理或是油淬回火后的钢丝 在冷成形后一般不再进行淬火 回火处理 而只需进行一次200 300 的去应力退火处理 五 滚动轴承钢制造各种滚动轴承内外套圈及滚珠的专用钢 一 化学成分常用的滚动轴承钢是高碳铬轴承钢 其碳含量为0 95 1 10 以保证轴承钢具有高强度 硬度 并形成足够的合金碳化物以提高耐磨性 二 常用的滚动轴承钢 表5 5常用滚动轴承钢牌号 成分 热处理及用途 以高碳铬轴承钢应用最广 占90 左右 以GCrl5 GCrl5SiMn钢应用最多 对于承受较大冲击载荷或特大型的轴承 常用合金渗碳钢制造 三 滚动轴承钢的热处理球化退火 淬火 低温回火 第四节合金工具钢 一 合金刃具钢用来制造车刀 铣刀 钻头 丝锥 板牙等切削刃具的钢 要求刃具材料应具有的性能 高的硬度和耐磨性通常刃具的硬度越高 耐磨性越好 因此一般刃具的硬度都在60HRC以上 高的热硬性在高温下保持高硬度的能力 足够高的塑性和韧性 一 低合金刃具钢 1 化学成分碳含量为0 8 1 5 加入的合金元素有铬 锰 硅等 2 常用的低合金刃具钢 以9SiCr和8MnSi两个牌号应用最为广泛 3 低合金刃具钢的热处理最终热处理为淬火 低温回火 二 高速工具钢 1 化学成分高速工具钢的成分特点是钢中含有较高的碳及大量的碳化物形成元素钨 钼 铬 钒等 2 常用高速工具钢有钨系 钨钼系 超硬系三大类 W18Cr4V 18 4 1 钢是我国发展最早 应用最广泛的高速工具钢 它具有较高的热硬性 过热和脱碳倾向小 但碳化物较粗大 韧性较差 W6Mo5Cr4V2 6 5 4 2 钢是用钼代替了部分钨而形成的钨钼系高速工具钢 由于钼的碳化物细小 从而使钢具有较好的韧性 W18Cr4V2Co8 W18Cr4V2Al是我国研制的含钴 铝类超硬系高速工具钢 这种钢硬度可达68 70HRC 热硬性达670 3 高速工具钢的热处理 1 高速工具钢的退火高速钢锻造后必须进行球化退火 其目的不仅是降低硬度 消除应力 改善切削加工性能 而且也为以后淬火作好组织上的准备 2 高速工具钢的淬火及回火 W18Cr4V钢淬火 回火工艺曲线 二 合金模具钢用于制造模具的工具钢通常称为模具钢 一 冷作模具钢用于制造在冷态下工作的模具用钢 如冷冲模 冷镦模 冷挤压模 拉丝模和滚丝模等 1 化学成分一般碳含量在1 0 以上 加入的合金元素主要有铬 钼 钨 钒等 2 常用的冷作模具钢在低合金工具钢中应用较广泛的钢号有CrWMn 9Mn2V和9SiCr等 对于尺寸大 形状复杂 精度高的重载冷作模具常用Cr12型模具钢 3 冷作模具钢的热处理一般在锻造之后进行球化退火 最终热处理为淬火 低温回火 Cr12型模具钢常采用以下两种最终热处理方法 一次硬化法采用较低的淬火温度和较低的回火温度 如Cr12钢采用980 左右的温度进行淬火 然后在160 l80 进行低温回火 二次硬化法采用较高的淬火温度和多次高温回火 如Cr12钢采用1100 1150 淬火 淬火后由于残余奥氏体量较多 钢的硬度较低 约为40 50HRC 如果在510 520 进行2 3次回火 将发生二次硬化现象 二 热作模具钢用来制造对热态下金属或合金进行变形加工的模具用钢 如制造热锻模 热挤压模 压铸模等 1 化学成分钢中碳的质量分数为0 3 0 6 同时加入一定量的铬 镍 锰 钨 钼 钒等合金元素 2 常用的热作模具钢 典型的热作模具钢5CrNiMo 5CrMnMo 3 热作模具钢的热处理锻造后退火最终热处理通常采用淬火后进行中温 或高温 回火 三 合金量具钢用于制造卡尺 块规 千分尺 卡规 塞规 样板等测量工具所使用的合金钢 一 化学成分碳的含量一般为0 9 1 5 并加入铬 钨 锰等合金元素 二 常用的量具钢8MnSi 9SiCr Cr2 W钢等 对高精度 形状复杂的量具 可采用微变形合金工具钢如CrWMn CrMn钢和滚动轴承钢GCr15制造 三 热处理工艺常进行球化退火及调质的预先热处理 最终热处理为淬火 低温回火 第五节特殊性能钢 一 不锈钢指能够抵抗大气腐蚀或能抵抗酸 碱 盐等化学介质腐蚀的钢 一 不锈钢的成分特点1 含碳量较低2 合金元素常加的合金元素有铬 镍 钛 铌等 二 常用的不锈钢 1 铁素体型不锈钢铁素体型不锈钢中的碳含量小于0 15 铬的含量为12 30 属于铬不锈钢 2 马氏体型不锈钢碳含量一般为0 1 0 4 个别钢种可达0 6 1 2 铬含量为12 18 属于铬不锈钢 马氏体型不锈钢的最终热处理一般为淬火 低温回火 3 奥氏体型不锈钢目前应用最广泛的不锈钢 属镍铬不锈钢 典型的不锈钢为18 8型 这类钢中碳的质量分数很低一般小于0 15 含铬量为17 19 含镍量为8 11 奥氏体型不锈钢的主要缺点是有晶间腐蚀倾向 4 其它类型的不锈钢 二 耐热钢在高温下具有较好的抗氧化性并具有较高强度的合金钢 一 耐热性的概念包括高温抗氧化性和高温强度两方面的综合性能 1 高温抗氧化性金属的高温抗氧化性是指金属材料在高温下对氧化作用的抵抗能力 2 高温强度金属在高温下抵抗塑性变形和断裂的能力 二 常用的耐热钢 1 珠光体型耐热钢这类钢的使用温度为450 600 按含碳量及应用特点不同可分为低碳耐热钢和中碳耐热钢 2 马氏体型耐热钢这类钢的使用温度为580 650 一般这类钢的合金元素含量较高 淬透