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第七章 合金钢alloy steel 碳 钢具有不错的机械性能，特别是能通过热处理提高强度、硬度，而且在一般用途上都能胜任且价格低廉。不过在某些需求特别的场合，使用上时钢的性能就嫌得不足，例如：需要耐腐蚀的场合、需要在高温下的高强度、硬度以做为切削刀具；或是具有疲劳强度等。这些时候就必须有各种不同性质的合金钢，例如：不锈钢、耐热钢、工具钢、弹簧钢等，来满足实际上的需求。l合金钢是指碳钢添加一种或一种以上合金元素所形成的钢材。通常的合金元素，除碳以外，若含Mn量在1.65%以上、含Si量在0.60%以上，或含Cu量在0.06%以上等，就可以认定是属于合金钢。碳钢如果依不同用途加入Ni、Cr、V、W、Mo、Ti、.等元素，以得到需要的效果，就成为合金钢。例如：微量的Cr可以使钢具有极佳的硬化能，而12%以上时，钢就不易腐蚀，成为耐蚀钢。加入18%W、4%Cr、1%V时即为高速钢（ W18Cr4V ）。但压力加工、切削加工、焊接工艺性略低于碳钢。 7-1 合金元素在钢中的作用一、合金元素在钢中的作用1 铬 Cr 铬在钢中的角色多元且重要，它会形成稳定而硬的碳化物，而且具有抗蚀性，是不锈耐酸钢及耐热钢的主要合金化元素。 其主要作用有： a提高钢的淬透性并有二次硬化作用、加强渗碳作用。 b使钢在高温时仍具高强度、硬度。 c能增加钢的耐磨性。 d增高钢的淬火温度。 f含量 12%时，使钢有良好的高温抗氧化和耐腐蚀性。（如不锈钢1Cr13）2镍 Ni 镍在钢中的影响有: a细化铁素体晶粒，增进钢的硬化性能。 b能降低热处理时的淬火温度，因此在热处理时变形小。 c能提高钢的塑韧性，特别是低温韧性。 d能提高钢的热强性和耐蚀性，是热强钢及奥氏体不锈钢的主要合金元素之一。（如：1Cr18Ni9 、1Cr18Ni9Ti ）3钨 W 钨能耐高温，而且溶于钢中会与碳形成碳化物称为碳化钨，能提高钢的强度。此外： a钨可以提高钢的淬火温度。对钢的淬透性也有一定提高。 b加强钢的耐磨性、回火稳定性， c可以降低淬火时钢的晶粒长大的趋势。 d钨钢刀具有高的红硬性。（如： W18Cr4V ） e可增加钢的保磁性，故可配入钢中而制造永久磁钢 。4钒 V 钒可以无限量固溶入铁中，并阻止奥氏体晶粒的长大， 钒在钢中有脱酸除氧的能力。此外钒的作用还有： a能提高淬火温度。 b增加钢的回火稳定性并有强烈的二次硬化作用。 c有助于钢的结晶组织细微化，提高钢的低温冲击韧性。 d碳化钒是金属碳化物中最硬最耐磨的，所以可大大提高工具钢的使用寿命。 e钒通过细小碳化物颗粒的弥散分布提高钢的蠕变和持久强度。5锰 Mn 锰亦为钢中重要元素，其作用及影响如下: a在适量下，锰量增加可增加钢的强度及硬度。 b锰有脱氧及脱硫功效（形成MnS），防止热脆，故锰能改善钢的锻造性与可塑性。 c锰在钢中含量多，可降低钢的淬火温度。 d可增进钢的硬化深度，尤其对含碳量高的锰钢最为显著。 e降低钢的下临界点，增加奥氏体冷却时的过冷度，细化珠光体组织以改善其机械性能。6钼 Mo 钼可增加钢的最大强度及硬度，因此在合金钢中也颇为重要。 a阻止奥氏体到珠光体转变的能力最强，从而提高钢的淬透性。 b增加钢的红硬性。 c合金钢中加入钼可消除回火脆性。 d高速工具钢含钼，可改善切削加工性能。 e能改善钢在高温下的抗拉强度。7钴 Co钴为制造合金钢之重要元素，在钢中可以生成碳化物，但也可能有不良影响。 它具有以下特性： a钴可代替镍，如增加强度及耐热等性能。 b能提高钢的淬火温度。 c增加钢的保磁能力，是制造磁性钢的主要元素。d提高钢的Ms点，降低钢的淬透性。8钛 Ti 固溶状态时，固溶强化作用极强。固溶于奥氏体中提高钢淬透性的作用很大，但钛在钢中易与碳形成碳化物TiC，化合钛由于其细微颗粒形成新相的晶核从而促进奥氏体分解，降低钢的淬透性。 其它特性： a钛在不锈钢中，可以防止高温时铬量的局部减少，维持其防蚀的能力。 b可以防止合金钢由高温缓冷时的脆化现象。 9铜 Cu 合金钢中铜含量不可以超过1.5% ，否则会使钢变脆。此外： a铜在钢中有抵抗大气腐蚀的性能。低碳合金钢内含铜1%，其抵抗大气腐蚀性比不含铜者高出四倍。在不锈钢中加铜 3-4%，亦有助不锈钢的防蚀作用。 b可以适当增加钢的强度。10铝 Ala极易与氧结合形成氧化铝，是一种强脱氧剂。b能抑制晶粒长大。c在渗氮钢中促进形成坚硬耐蚀的渗氮层，所以铝是氮化用钢的重要元素。 d使钢具有高温抗氧化、耐氧化性介质及H2S气体的腐蚀作用。11硅 Si a硅能增加钢的电磁传导率，故适于制造电气材料。 b提高钢的淬透性和抗回火性，对钢的综合机械性能，特别是弹性极限有利，是弹簧钢和低合金高强度钢的常用合金元素。 c硅能增高淬火温度。 d会阻碍碳元素溶于钢中。 e对于含碳量较高的钢，硅则增加其脆性。 f增加耐热钢的氧化性，可用为脱酸性。12硫 S 硫在钢中为有害之杂质，硫与铁化合成为FeS，与锰化合成MnS，其结果： a会增加钢的热脆性 b硫含量0.2%以上，就会严重影响钢的强度和韧性。 c硫可使钢强度降低，因此有利于钢的切削，但除了易切钢之外，极少利用。l 综合各种合金元素对于碳钢的影响，而选择添加合金元素时必须考虑元素特性及应用场合的需要，因材适用才是最重要的，如果不了解特性贸然选择，不但可能增加成本，效果也可能适得其反。 二、合金元素对钢中基本相的影响 1. 溶于F形成合金F 形成合金F，产生固溶强化。固溶强化使钢的强度、硬度提高而韧性下降。（见图7-1、7-2）2. 形成碳化物 合金渗碳体，如 (Fe, Mn)3C ； 特殊碳化物，如 Cr7C3、MoC、WC、 VC、TiC 。 稳定性，熔点、硬度比Fe3C高得多， 显著提高钢的强、硬度。 三、合金元素对铁碳合金相图的影响 扩大或缩小A、F区域 如，室温下，1Cr18Ni9 为单相A，1Cr17Ti 为单相F。 使共析转变点S、共晶转变点E 左移 钢中P含量增加，或出现Ld （见图7-3、7-4）四、合金元素对钢的热处理影响 1.减缓A化过程（Ni、Co除外） 合金碳化物熔点高、难分解，障碍C的扩散，热处理时要提高加热温度或延长保温时间。 2. 使C曲线右移，Vk减小，淬透性提高（Co除外）。 3. 细化晶粒 合金元素及其碳化物（ Mn除外）阻止A晶粒长大。 4. 提高回火稳定性 合金元素阻碍 M 分解和碳化物聚集长大过程 回火稳定性 淬火钢在回火过程中抵抗硬度下降的能力。5. 弥散硬化 回火过程生成的细小、高硬度的合金碳化物使硬度反而提高。 6. 回火脆性 淬火钢在某一温度范围回火时，出现脆化现象。 第一类（不可逆）回火脆性 在300左右 第二类（可逆）回火脆性 500650，回火后快冷可避免脆化。7-2 合金钢的分类和编号方法一、分类 按合金元素含量分 低合金钢（合金元素总量 5% 如 40Cr、9SiCr 中合金钢（合金元素总量 5% 10 %） 如 18Cr2Ni4W 高合金钢（合金元素总量 10%） 如 Cr12、Cr12MoV、W18Cr4V按用途分 合金结构钢 合金工具钢 特殊性能钢 1.合金结构钢建筑及结构用钢 （普通低合金结构钢） 机械制造用钢 渗碳钢 20Cr 20CrMn 20CrMnMo 调质钢 40Cr 30CrMnSi 38CrMoAl 40CrMnMo 弹簧钢 60Si2MnA 50CrMnMo 50CrVA 轴承钢 GCr15 GCr15SiMn2.合金工具钢 刃具钢 高速钢： W18Cr4V、 W6Mo5Cr4V2 低合金刃具钢： 9SiCr、9Mn2V 模具钢 冷作模具钢： Cr12、Cr12MoV 热作模具钢： 5CrNiMo、5CrMnMo 量具钢 ： CrMn CrWMn 3. 特殊性能钢 不锈钢： 马氏体不锈钢 1Cr13 2Cr13 4Cr13 铁素体不锈钢 1Cr17Mo 奥氏体不锈钢 1Cr18Ni9 耐热钢： 1Cr25Si2、 1Cr18Ni9Ti 耐磨钢：Mn13二、合金钢牌号的表示方法 1. 合金结构钢 C% 用万分数表示；合金含量用百分数表示，小于1.5%不标。A 表示高级优质 如，20Cr2Ni4A 如 40Cr : 表示 C% =0.4% ，Cr%1.5%的合金结构钢。 如 60Si2Mn: 表示C% =0.6% ，Si% = 2% ，Mn% 1.5% 2. 合金工具钢 C%1.0% 时，不标含量。 C%1.0% 时，用千分数表示。 如 9SiCr: 表示 C = 0.9%、Si%和 Cr%均1.5%的合金工具钢。 如 CrWMn: 表示 C 1.0%、Cr、W、Mn% 均 1.5% . 合金工具钢都是高级优质钢,不需要用 A 表示。3. 特殊性能钢 表示方法与合金工具钢的编号规则基本一致,但是：当C0.09或0.03时,应分别标出 “0”、“00”。如：0Cr21Ni5Ti：表示 C0.09、Cr =21、Ni= 5、Ti1.5 .00Cr18Ni5Mo3Si2：表示 C0.03、Cr =18、Ni = 5 、Mo =3 、Si =2 4. 编号例外的钢 滚动轴承钢在钢号前加“ G ”，其后Cr的含量用千分数表示。 如：GCr15：表示 C 1.0%、 Cr% = 1.5%。 高速钢平均C% 1.0%。但是不标出数字。如： W18Cr4V：表示：C= 0.7-0.8 、W=18 、Cr=4 易切钢在钢号前加“ Y ”，其余与结构钢一致。如：Y40Mn：表示 C= 0.37-0.45 、Mn =1.2-1.557-3 合金结构钢一、普通低合金钢 在普通碳素钢的基础上加入少量合金元素 .1.成分 C% 0.2% ；主加元素是Mn 。 2.性能 高强度，高韧性，良好焊接性能和冷成形性能。 3.热处理、组织 热轧空冷，SF 4.应用举例 低强度级别：16Mn，桥梁、工程结构中等强度： 15MnVN，大型桥梁、船舶、焊接结构。 高强度： 18MnMoNb，高压锅炉、高压容器。 二、渗碳钢 1.成分 C% = 0.10.25 %，合金元素可提高淬透性，细化晶粒和提高耐磨性，增加渗层的塑、韧性。 2. 性能 渗层硬度高，耐磨，抗接触疲劳；心部高韧性和足够的强度。 3. 热处理 正火 渗碳 一次(或二次)淬火 低温回火 4. 组织 表层：KMA；心部：低C的M或TMF(少量) 。(见下图) 5. 应用举例 低淬透性：20Cr，冲击载荷小的耐磨件，如小轴、活塞销、小齿轮。 中淬透性：20CrMnTi，高速较高载有冲击的耐磨件，如汽车齿轮。 高淬透性：18Cr2Ni4WA，重载大截面耐磨件，如柴油机曲轴、连杆。三、调质钢 1.成分 C% = 0.250.50 %，合金元素可提高淬透性细化晶粒，消除回火脆性，提高回火稳定性，强化F。 2.性能 综合机械性能高 3.热处理调质（油淬+高温回火），可附加表面淬火或氮化 (38CrMoAl)。 4.组织 S 5.应用举例 低淬透性：40Cr，一般尺寸重要零件，如齿轮、主轴。 中淬透性：35CrMo，较大截面零件，如曲轴、连杆。 高淬透性：37CrNi3， 四、弹簧钢 1.成分 C% = 0.450.70 %， Si,Mn为主要合金元素，可提高淬透性和屈强比，细化晶粒。 2.性能 e 、s、屈强比和疲劳抗力高，有足够塑性，耐震动、冲击。 3.热处理 热轧弹簧：热成型 淬火 + 中温回火 喷丸 冷轧弹簧：淬火 + 中温回火 冷成型 去应力 喷丸 4.组织 T 5.应用举例 65Mn、60Si2Mn：汽车，拖拉机，机车的板簧和螺旋弹簧。 50CrVA：350400 以下重载、较大型弹簧，如高速柴油机气门弹簧。 五、滚动轴承钢1.成分 C% = 0.951.10 %，主加元素是 Cr，提高淬透性，细化碳化物，提高耐磨性和接触疲劳抗力。 GCr15中含Cr%1.5% . 2.性能 高接触疲劳强度、高硬度和耐磨性，足够的韧性和淬透性， 一定耐蚀能力和良好尺寸稳定性。 3.热处理 球化退火：便于切削, 使碳化物细小均匀, 为淬火作准备。 淬火 + 低温回火 冷处理，时效（120140, 1020h）：稳定尺寸，去应力。 4.应用举例 GCr15： 中小型轴承，冷冲模，量具，丝锥。 GCr15SiMo： 大型轴承。 GCr15的淬火组织 回火组织7-4 合金工具钢 刃具、模具、量具钢一、刃具钢 （一）性能要求 1.高硬度 机加工刀具大于HRC60 。含碳量约0.61.5 % 。 2.高耐磨性 影响刀具的使用寿命和生产效率。 高耐磨性组织 硬而细小的碳化物，均匀分布在强而韧的金属基体中。 3.高的热硬性（红硬性） 高温下保持高硬度的能力，与回火稳定性有关。 4.足够的强度、韧性 以承受冲击载荷。 （二）碳素工具钢 含碳量约 0.61.3 % 1.性能 常温硬度（HRC6062）及耐磨性较好。 淬透性差（水冷临界直径20mm，易变形开裂。 热硬性差（200，硬度、耐磨性显著下降。） 2. 应用举例 T1012 的硬度高，常做钻头、锉刀；T79 韧性较高，常做木工刀具、锤子、錾子、带锯等。 3.热处理及组织 T10 淬火 T10回火（三）低合金工具钢 1.成分 含 0.91.50 % C ，合金元素5%，如Si、Mn、Cr、W、V 等。 2.性能 HRC60，耐磨性及热硬性优于碳素工具钢。 3.热处理 球化退火（机加工前）+ 淬火（油冷）+低温回火 4.最终组织 回火M + 合金碳化物 + 少量残余A 。5.应用举例 9SiCr ，做板牙、丝锥、低速切削刃具等。 （四）高速钢 1.成分 含0.71.25 %C ，合金元素10%，如 W、 Mo、Cr、V、Co 等。 2.性能 高硬度、高耐磨性 W2C、VC等弥散硬化。 高热硬性 600 时硬度约HRC62 。 W、Cr、V等提高热硬性。 高淬透性 尺寸不太时空冷即可淬火。 Cr 等元素提高淬透性。3.热处理 以 W18Cr4V盘形铣刀 为例 工艺路线：下料 锻造 退火 机加工淬火 回火 喷砂 磨削 锻造 成型；击碎铸态莱氏体中大量的粗大碳化物，并使之均匀分布。 退火 消除锻造应力，降低硬度，便于切削加工， 为淬火作组织准备。 淬火（1280 ） 增加A和 M中合金元素含量，提高热硬性。 温度不能过高，防止A晶粒粗大，淬火后A增多。 回火 回火三次，A基本消除；560 回火硬度最高（二次硬化 ）：弥散硬化（强化） M中W2C、VC 弥散析出； 二次淬火 A中析出合金碳化物，使A中合金的浓度下降， MS 上升，在随后的冷却过程中转变为M。 淬火组织及最终组织如下： W18Cr4V（18-4-1）淬火组织 W18Cr4V回火组织 M + 合金碳化物 + A M+ 粒状合金碳化物 + A W18Cr4V淬火过热组织 W18Cr4V淬火过烧组织 W6Mo5Cr4V2（6-5-4-2）淬火组织 W6Mo5Cr4V2回火组织（五）硬质合金 将高熔点、高硬度的金属碳化物粉末和粘结剂混合，压制成型，再经烧结而成的一种粉末冶金材料。 1.性能 高硬度（HRC69）；热硬性高（可达1000），切削速度高。 耐磨性好，寿命长。2.应用 主要做刀具 YG3（WC + 3%Co） 加工铸铁、有色金属及塑料。 YT5（ WC + 5%TiC + Co ） 加工合金钢、耐热钢等。 二、模具钢 （一）冷作模具钢 冷冲模、冷镦模、冷挤压模等。 1.性能要求 高硬度、强度和耐磨性，足够的韧性。 2.应用 小型模具 T10A、9Mn2V、9SiCr、CrWMn 等。 大型模具 Cr12、Cr12MoV 等，淬透性好、热处理变形小、耐磨。 3.热处理及组织 （Cr12 、Cr12MoV） 最终热处理工艺 淬火（分级） + 低温回火 最终组织 M+ 合金碳化物 + 少量A （二）热作模具钢 热锻模、热挤压模、压铸模等。 1.性能要求 良好的综合力学性能、抗热疲劳能力高、中小型模具 5CrMnMo 等。 大型模具 5Cr