工程材料第3章(3[1].2合金钢).ppt

第六章工业用钢6 1合金元素在钢中的主要作用6 1 1合金元素对钢中基本相的影响合金元素加入钢中的主要作用是 a 与铁形成固溶体 b 与渗碳体形成合金渗碳体 Fe Me 3C 使耐磨性增大 c 与碳形成碳化物 合金碳化物 如 TiC2200HV熔点3200 d 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 Mo Cr Mn 6 1 2合金元素对Fe Fe3C相图的影响1 扩大 相区元素 奥氏体稳定化元素 如 Mn Ni Co C N Cu等 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 如 奥氏体钢 高Mn钢如 ZGMn13高Ni钢1Cr18Ni92 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使 相增大 如 铁素体钢 高铬钢 3 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 6 1 3合金元素对热处理性能的影响1 合金元素对奥氏体形成速度的影响 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 2 合金元素对过冷奥氏体转变的影响 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 如果超过一定数量可使C曲线形状发生变化 3 合金元素对回火转变的影响 a 提高回火稳定性b 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 c 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 d 增大回火脆性 6 2合金钢的分类与编号6 2 1合金钢的分类 1 按安用途分类 a 合金结构钢 普通低合金钢如 16Mn 14MnMoV合金结构钢如 15MnVn 40Crb 合金工具钢 刃具钢如 T10A模具钢如 5CrNiMo CrWMn量具钢无专用钢c 特殊性能钢 不锈钢 如 1Cr18Ni9耐热钢 如 Cr25 Ni20型耐磨钢 如 CrMo钢 2 按合金元素含量分类 a 低合金钢 10 Me如 Cr12MoV3 按金相组织分类a 按退火组织分 亚共析钢共析钢过共析钢莱氏体钢b 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 4 按质量等级分类 a 普通钢 P S 0 05 b 优质钢 P S 0 04 c 高级优质钢 P 0 035 S 0 03 5 按炼钢炉分类 a 转炉钢b 平炉钢c 电炉钢6 按炼钢末期脱氧程度不同 a 沸腾钢b 镇静钢7 按钢的成形方法 a 铸钢b 锻钢c 轧材 6 2 2合金钢的编号 6 3合金结构钢碳素结构钢 合金元素 Si Mn Cr Ni W Mo V Ti 用于淬透性 强韧性要求高的零件 6 3 1低合金高强度结构钢性能要求 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 16Mn3 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 6 3 2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 Ti0 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 1 对低淬透性合金渗碳钢 如 20Cr 20Mn2 渗碳后 正火 再淬火 低温回火 2 对中淬透性合金渗碳钢 合金元素含量 4 如 20CrMnTi 12CrNi3A 20CrMnMo 20MnVB等渗碳后预冷到870 左右直接淬火 低温回火 3 对高淬透性合金渗碳钢 合金元素含量4 6 如 12Cr2Ni4A 12Cr2Ni4W等 渗碳后 A 高温回火 淬火 低温回火B 淬火 深冷处理 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 6 3 3渗氮钢渗氮是用氮渗入钢的表面 提高工件的耐磨性和耐蚀性 渗氮工艺 把工件置于氮化炉中 在500 600 的温度下 利用分解出来的氨原子背工件表面吸收并向内层扩散 形成一定厚度的氮化层 之后 工件随炉冷却到200 停止供氮 即可出炉空冷 渗氮目的 在于提高其硬度 耐磨性 热稳定性和耐蚀性 在渗氮前需经过调质处理 常用的渗氮钢有 38Cr2MoAlA 40CrV 30CrNi2WVA 38Cr2WVAlA 40Cr等 6 3 4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 27 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等 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P125表6 4下面就以40Cr钢制作的拖拉机的连杆螺栓为例 说明其热处理工艺方法 连杆螺栓是发动机中一个重要的连接零件 工作时承受冲击载荷的周期性拉应力和装配时的预应力 在发动机运转中 连杆螺栓如果破断 就会引起严重事故 因此要求它具有足够的强度 冲击韧度和抗疲劳能力 连杆螺栓的生产工艺路线为 下料 锻造 退火 机加工 调质 机加工 装配 退火 或正火 作为预先热处理 其主要目的是为了改善锻造组织 细化晶粒 以利于切削加工 并为随后调质热处理作好组织准备 调质热处理中 淬火的加热温度为 840 10 而后油冷 获得马氏体组织 回火加热温度为 525 25 水冷 防止第二类回火脆性即高温回火脆性 调质热处理后的金相组织应为回火索氏体 其硬度约为30 38HRC 6 3 5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 0 6 0 9 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 830 850 中温回火 480 550 获得回火屈氏体 回火后的硬度39 52HRC 2 冷成形弹簧 小尺寸弹簧 A 铅浴等温处理 B 油淬回火处理 C 退火态钢种与牌号 132如 65Mn 60Si2Mn 50CrVA 6 3 6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 高的接触疲劳强度 高的硬度和耐磨性 足够的韧性和淬透性 成分特点 高碳0 95 1 1 加入Cr 以提高淬透性和耐磨性 特别是接触疲劳强度 加入Si Mn 进一步提高淬透性 加入V 提高耐磨性 防止过热 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 6 3 7易切削钢在钢中附加一种或几种合金元素 以提高其切削加工性 这类钢称为易切削钢 目前常用的附加元素有硫 铅 钙 磷等 易切削钢的钢号可写成汉字或字母两种形式 例如汉字式 易12 易20 易40锰等 字母式 Y12 Y20 Y40Mn等 钢号冠以 易 或 Y 以区别于非易切钢 其后面数字表示平均碳含量的万分之几 锰含量较高者 在钢号后标出 锰 或 Mn 如表中T10Pb则表示平均碳含量为1 0 附加铅的易切削碳素工具钢 Y40CrSCa表示为硫钙复合的易切削40Cr合金调质钢 钢种与牌号 6 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 6 4 1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 高硬度 刃部硬度 HRC60 高耐磨性 碳化物 高红硬性 与钢的回火稳定性和弥散析出的碳化物有关 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 低合金刃具钢 如 CrWMn 工作温度 600 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 加Cr 提高淬透性 约4 加W Mo 保证高红硬性 加V 提高耐磨性 加工及热处理特点 1 低合金刃具钢的加工过程 球化退火 机加工 淬火 低温回火2 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 高速钢中各合金元素的作用 A 碳一方面要保证能与钨 铬 钒形成足够数量的碳化物 另一方面又要有一定的碳溶于高温奥氏体 获得过饱和的马氏体 以保证高硬度 高耐磨性以及高的热硬性 B 钨钨是保证高速钢热硬性的主要元素 在淬火加热时 一部分Fe4W2C溶人奥氏体 淬火后存在于马氏体中 提高钢的回火稳定性 同时在560 左右回火时一部分钨以W2C形式弥散沉淀析出 形成 二次硬化 secondaryhardening 在淬火加热时未溶的Fe4W2C能阻止高温下奥氏体晶粒长大 所以钨含量的增加 可提高钢的热硬性 并减小其过热敏感性 但W超过20 时 钢中的碳化物呈不均匀性增加 使钢的强度及塑性降低 若钨含量减少 则碳化物总量减少 钢的硬度 耐磨性及热硬性将降低 C 铬铬的主要作用是提高钢的淬透性 改善耐磨性和提高硬度 D 钒钒与碳的结合力比钨与碳或钼与碳的结合力大 所形成的V4C3 或VC 比钨碳化物更稳定 淬火加热超过1200 时才开始明显溶解 能显著阻碍奥氏体晶粒长大 V4C3的硬度可达到83HRC 大大超过钨碳化物硬度 73 77HRC 其颗粒非常细小 分布十分均匀 因此V4C3对改善钢的硬度 耐磨性和韧性有很大作用 特别是对提高钢的耐磨性最为有效 在560 左右回火时钒也有 二次硬化 作用 钢种及牌号 P144表6 16 6 4 2模具钢用途 冷作模具钢 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 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 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 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61 64HRC 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60 62HRC 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 Cr12MoV钢热处理后的组织 回火马氏体 碳化物 残余奥氏体 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 得到回火屈氏体 回火索氏体 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 模具材料选用见P154表6 21 6 4 3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 降低淬火温度 减少残余奥氏体量 淬火后立即进行 70 80 的冷处理 低温回火 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 尺寸小 形状简单 精度较低的量具 用高碳钢制造 如65 60 55 复杂的精密量具一般用低合金刃具钢制造 9SiCr T10A 精度要求较高的量具用CrMn CrWMn GCr15等 6 5特殊性能钢6 5 1不锈钢1 金属腐蚀的基本概念 化学腐蚀 电化学腐蚀 提高钢的耐腐蚀性的方法 a 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 b 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 c 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 不锈钢用途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 碳含量尽量低 减少晶间腐蚀 加入Cr 提高电极电位 在氧化性介质中极易钝化 加入Ni 获得单一奥氏体 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 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 加入Mn N 部分代Ni以获得奥氏体 2 常用不锈钢 铬不锈钢如1Cr13 2Cr13 3Cr13 4Cr13 1Cr17等 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 4Cr13 Cr13类 1Cr13 2Cr13 3Cr13 4Cr13 为马氏体不锈钢 Cr17类为铁素体不锈钢 耐蚀性优于Cr13类 C 常用牌号 主要成分 组织及性能见表6 22P158 2 铬镍不锈钢 奥氏体不锈钢 典型钢种 Cr18Ni8Ti成分特点 含碳低防止晶间腐蚀 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常用牌号 主要成分及性能见表6 24P159 6 5 2耐热钢及合金1 耐热性的概念金属材料的耐热性是包含高温抗氧化性和高温强度的一个综合概念 高温抗氧化性 金属材料在高温下对氧化作用的抗力 高温强度 金属材料在高温下对力学载荷作用的抗力 2 抗氧化钢在800 1100 工作时具有较好的抗氧化性和较长的使用寿命 主要用于受力不大的炉用零件 热交换器等 抗氧化性取决于材料表面氧化层的稳定性 致密性及其与基体金属的粘附力 加入Cr Si Al和稀土元素能在钢的表面形成 致密氧化膜 加入Ni Mn N等获得稳定的奥氏体 高温强度变高 常用钢种的热处理 性能及用途见表6 25铁素体型抗氧化钢 1Cr13Si3 1Cr18Si2奥氏体型抗氧化钢 3Cr18Mn12Si2N 2Cr20Mn9Ni2Si2N3 热强钢热强钢是指在高温下具有一定的抗氧化能力 较高的强度以及良好的组织稳定性的钢 蠕变极限 指钢在一定的温度下 经过一定时间的工作 塑性变形量不超过某一数值所能承受的最大应力 持久强度 指钢在一定温度下工作一定时间 不发生断裂的情况下 所能承受的最大应力 举例 教材P162常用的热强钢 1 珠光体钢A 常用钢