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第五章合金钢 第一节合金钢概述碳素钢 生产简单 价格低廉 种类齐全 但碳素钢的强度较低 淬透性差 热硬性 耐磨 耐蚀 耐热性 回火稳定性差 且不具有特殊的物理化学性能 满足不了特殊工况的使用要求 合金钢 为了改善碳素钢的力学性能 工艺性能或某些特殊物理 化学性能 有选择地加入一些合金元素 这类钢称为合金钢 常用合金元素有 锰 铬 镍 硅 钼 钨 钒 钛 铌 铜 钴 锆 铝 錋等 5 1 1合金钢的分类 1 按用途分类 1 合金结构钢 指用于制造各种机械零件和工程结构的钢 主要包括低合金结构钢 合金渗碳钢 合金调质钢 合金弹簧钢 滚动轴承钢 2 合金工具钢 指用于制造各种工具的钢 主要包括合金刃具钢 合金模具钢 和合金量具钢等 3 特殊性能钢 指具有特殊物理化学性能的钢 主要包括不锈钢 耐热钢 耐磨钢等 2 按合金元素的含量分 1 低合金钢合金元素总含量小于等于5 2 中合金钢合金元素总含量在5 10 之间 3 高合金钢合金元素总含量大于等于10 3 按正火后的组织分类将一定截面的试样 在静止空气中冷却后 按所得组织分为珠光体钢 马氏体钢 奥氏体钢 铁素体钢等 5 1 2合金钢的牌号 1 合金钢的含碳量 合金元素的种类 合金元素的含量均应在牌号中体现出来 2 两位数字 表示平均含碳量的万分之几 合金元素符号 该元素百分含量数字 3 当合金元素的平均含量小于1 50 时 只标元素符号 不标含量 例 合金弹簧钢60Si2Mn含碳量 0 6 硅含量 2 锰含量Mn 1 合金钢牌号的一般命名原则 高级优质钢在牌号后加字母A 如60Si2MnA 特级优质钢在牌号后加字母E 如30CrMnSiE 1 合金结构钢其牌号由 两位数字十元素符号 数字 三部分组成 前面两位数字代表钢中平均碳质量分数的万倍 元素符号表示钢中所含的合金元素 元素符号后面数字表示该元素的平均质量分数的百倍 合金元素的平均质量分数Me 1 5 时 一般只标明元素而不标明数值 当平均质量分数 1 5 2 5 3 5 时 则在合金元素后面相应地标出2 3 4 例如40Cr 其平均碳的质量分数c 0 4 平均铬的质量分数Cr 1 5 如果是高级优质钢 则在牌号的末尾加 A 例如38CrMoAlA钢 则属于高级优质合金结构钢 2 合金工具钢这类钢的编号方法与合金结构钢的区别仅在于 当c 1 时 用一位数字表示碳的质量分数的千倍 当碳的质量分数 1 时 则不予标出 例如Cr12MoV钢 其平均碳的质量分数为 c 1 45 1 70 所以不标出 Cr的平均质量分数为12 Mo和V的质量分数都是小于1 5 又如9SiCr钢 其平均 c 0 9 平均 Cr均 1 5 不过高速工具钢例外 其平均碳的质量分数无论多少均不标出 因合金工具钢及高速工具钢都是高级优质钢 所以它的牌号后面也不必再标 A 高速工具钢是工具钢的一类 通常用作高速切削工具 简称高速钢 俗称锋钢 编号与合金工具钢基本相同 主要区别是钢中平均含碳量Wc 1 时也不标数字 3 特殊性能钢这类钢牌号前面数字表示碳质量分数的千分数 例如3Crl3钢 表示平均含碳量为wc 0 3 平均wCr 13 当碳的质量分数wc 0 03 及wc 0 08 时 则在牌号前面分别冠以 00 及 0 表示 例如00Cr17Ni14Mo2 0Cr19Ni9钢等 4 滚动轴承钢在牌号前面加 G 滚 字汉语拼音的首位字母 后面数字表示铬的质量分数的千倍 其碳的质量分数不标出 例如GCr15钢 就是平均铬的质量分数Cr 1 5 的滚动轴承钢 铬轴承钢中若含有除铬外的其它合金元素时 这些元素的表示方法同一般的合金结构钢 滚动轴承钢都是高级优质钢 但牌号后不加 A 5 2 1合金元素与钢的作用一是溶解碳钢原有相中 二是形成新相 存在形式决定于元素与碳亲和力 数量和性质 1 溶入原有相 1 溶入F 相 形成合金F 非碳化物元素和部分弱碳化物元素 例如 Mn Ni Co Si Al B产生固溶强化 2 溶入Fe3C 部分弱碳化物元素 置换出Fe3C中的Fe 例如 Cr Mn形成合金渗碳体 Fe Cr 3C Fe Mn 3C 第二节合金元素在钢中的主要作用 合金元素溶入铁素体后 产生固溶强化 使铁素体的强度 硬度提高 但塑性 韧性都有下降趋势 合金元素对铁素体相性能的影响 2 形成新相 多是碳化物形成元素 与碳的亲合力比较强 形成合金碳化物 常见有Cr23C6 Fe4W2C WC VC TiC等 它们具有比渗碳体更高的熔点和更高的硬度 这些元素提高钢的强硬度 耐磨性 降低塑 韧性 几种化合物的性能 合金元素对Fe Fe3C相图的影响 影响A和F存在的范围Mn Ni Co等扩大 相区 扩大A存在的区域 如1Cr18Ni9Ti和Mn13 室温下只有单相A 形成A钢 Cr Mo W V Ti Si缩小 相区均缩小A存在区域 有可能在室温下只有单相F存在而成为F钢 如1Cr17Ti高铬铁素体不锈钢 Mn对奥氏体区的影响S E点左移 因而合金钢中的共析体的含碳量就不再是0 77 Cr对奥氏体区的影响 使S E点左移 并使A1线的温度变化 合金元素对S点成分的影响 合金元素对A1线的影响 合金元素对钢的热处理的影响 加热时对奥氏体形成的影响减缓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 影响A晶粒长大强烈阻止A晶粒长大的元素 铝 钛 铌 锆中等阻止A晶粒长大的元素 钨 钼 铬促进A晶粒长大的元素 锰 磷 碳 冷却时对过冷A转变的影响 除Co外 合金元素的加入使C曲线右移 即增大过冷A的稳定性 提高钢的淬透性 增强淬透性常用的元素有 Cr Mn Mo Si Ni B等 合金元素还可能使C曲线形状发生改变 甚至出现两组C曲线除Co Al元素外 所有的合金元素都使马氏体转变温度下降 3 对M转变的影响 除Co Al之外 其余合金元素均使Ms Mz点下降 结果增加A残量例 W18Cr4V钢 淬火后A残量达25 处理办法 冷处理 多次回火 提高钢的回火稳定性 CrMoWVNbSi提高了回火温度 提高了韧性同样的回火温度 硬度较高原因 减缓碳的扩散和碳化物的长大 推迟马氏体的分解 4 合金元素对回火转变的影响 2 产生二次硬化 MoWVTi等合金元素使钢在500 600 回火时硬度升高的现象 原因 1 A残发生向M的转变2 析出弥散碳化物例 W18Cr4V钢 淬火后A残量达25 硬度60 63HRC 回火后63 65HRC W Mo V等碳化物在550 时 使钢达到最高硬度 产生二次硬化 第三节合金结构钢 1 性能要求 1 高强度及足够韧性 2 良好的焊接性能和冷成型性能 3 良好的耐蚀性及低的冷脆转变温度 2 成分特点 1 低碳 0 2 C 2 合金元素 主要是Mn 还有少量V Ti Nb等 Mn的作用是强化铁素体 增加珠光体的量 V Ti Nb等起细化晶粒和弥散强化作用 另外加Cu P可提高耐蚀性 加RE可提高韧性 疲劳 一 低合金结构钢 普通低合金钢 极限 降低冷脆转变温度 1 调质处理后具有高强度与很好塑性及韧性的配合 即具有良好的综合力学性能 良好的淬透性 二 合金调质钢 2 成分特点 1 性能特点 调质件 螺杆 中碳 0 25 0 5 C 以0 4 居多 合金元素作用 提高淬透性 Mn Si Cr Ni B 强化铁素体 Mn Si Cr Ni 细化晶粒 Ti V 防止第二类回火脆性 W Mo 二 合金调质钢 3 热处理及组织特点调质件的加工工艺路线为 下料 锻造 退火 粗加工 调质 精加工 装配调质目的 获得良好综合力学性能使用状态下的组织为 S回 为提高表面耐磨性 调质后可进行表面淬火或氮化 回火索氏体 调质处理车间 三 合金渗碳钢 表面具有高硬度 高耐磨性 心部具有足够的韧性和强度 即表硬里韧 良好的热处理性能 如淬透性和渗碳能力 1 性能要求 2 成分特点 低碳 0 1 0 25 C 合金元素作用 提高淬透性 Cr Mn Ni B 强化铁素体 Cr Mn Ni 细化晶粒 W Mo Ti V 三 合金渗碳钢 三 合金渗碳钢 低淬透性钢 20Cr 20CrV 用于受力小的耐磨件 如柴油机的活塞销 凸轮轴等 3 常用钢种与牌号 中淬透性钢 20CrMnTi 用于中等载荷的耐磨件 如变速箱齿轮 高淬透性钢 18Cr2Ni4WA 用于大载荷的耐磨件 如柴油机曲轴 三 合金渗碳钢 3 常用钢种与牌号 四 合金弹簧钢 制造弹簧或类似性能零件的钢种 1 性能要求弹簧是利用弹性变形储存能量或缓和冲击的零件 1 高的 e s b 2 高的 1 足够的塑性和韧性 3 高的淬透性 中高碳 碳素弹簧钢为0 6 0 9 C合金弹簧钢为0 5 0 7 C 2 成分特点 合金元素作用 提高淬透性 强化铁素体 Mn Si Cr 提高 s b Mn Si 细化晶粒 V 四 合金弹簧钢 冷成型弹簧 冷拔 冷成型 定型处理 250 300 用于 10mm弹簧 3 热处理及组织特点 四 合金弹簧钢 热成型弹簧 热成型 淬火 中温回火使用状态下的组织 T回用于大截面弹簧 10mm 弹簧的表面质量对其寿命影响很大 提高表面质量的方法 防止表面脱碳 避免表面缺陷 进行喷丸处理 使表面产生压应力 板簧喷丸处理示意图 4 弹簧的表面质量 四 合金弹簧钢 1 Cr V W弹簧钢 如50CrV 用于大截面 大载荷 耐热的弹簧 2 Si Mn弹簧钢 如65Mn 60Si2Mn 用于制造较大截面弹簧 5 常用钢号及用途 四 合金弹簧钢 五 滚珠轴承钢 1 性能特点 轴承工作时 承受接触应力 达3000 3500MPa 周期性交变载荷 频率达数万次 分 和摩擦 用于制造轴承套和滚动体的专用钢种 高而均匀的硬度和耐磨性 高的 b和接触疲劳强度 足够的韧性 淬透性和耐蚀性 高碳 0 95 1 10 C 合金元素 以Cr为主 加入Mn Si Cr Mn Si的主要作用是提高淬透性 2 成分特点 Cr还提高耐磨性 形成合金渗碳体 和耐蚀性 当 1 65 Cr时 会因A 增加而使硬度和稳定性下降 五 滚珠轴承钢 应用最广的是GCr15 大量用于大中型轴承 大型轴承用GCr15SiMn 这类钢还可用于制造模具 量具等 3 钢种和牌号 向心球轴承 五 滚珠轴承钢 第四节合金工具钢 一 合金刃具钢二 合金模具钢三 量具用钢 一 合金刃具钢 1 高硬度 60HRC以上 主要取决于含碳量 2 高的耐磨性 靠高硬度和析出细小均匀硬碳化物来达到 3 高的热硬性 红硬性 即高温下保持高硬度的能力 4 具有一定的强度 韧性和塑性 以防止脆断和崩刃 用来制造各种切削刀具的钢种 切削加工 1 性能要求 高碳 0 9 1 1 C 保证高硬度和耐磨性 合金元素作用 提高淬透性 Cr Mn Si 提高耐回火性 Si 提高硬度和耐磨性 防止加热时过热 细化晶粒 W V 2 成分特点 一 合金刃具钢 合金刃具钢 高速钢 俗称锋钢 成分特点 高碳 0 70 1 5 C 合金元素作用 提高淬透性 Cr 提高热硬性 W Mo 提高耐磨性 细化晶粒 V 一 合金刃具钢 不同状态下W18Cr4V的组织 W18Cr4V钢的铸态组织 W18Cr4V钢淬火组织 W18Cr4V淬火组织300 二 合金模具钢 一 冷作模具钢 用以制造冷热模具的钢种 用来制造在室温下使金属塑性变形的模具 如落料模 冷镦模 剪切模等 属高碳钢 0 9 1 高硬度和耐磨性 2 足够的强度 韧性和疲劳抗力 3 良好的工艺性能 淬透性 切削加工性等 4 热处理变形小 1 性能要求 汽车冲压模具 1 小尺寸 形状简单 受力不大的模具 可用碳素工具钢和低合金工具钢制造 2 截面 受力大的冷模具用Cr12型冷作模具钢制造 Cr12钢 2 常用钢种 3 常用钢号为Cr12和Cr12MoV 用于制造冷冲模 挤压模等 汽车外板冷冲模 冷冲压件 用来制造对金属进行热变形加工的模具 如热锻模 压铸模等 含碳量0 3 0 6 含C量太高 导热性下降 二 热模具钢 高温下良好的综合力学性能 抗热疲劳性能 高的淬透性和良好的导热性 1 性能要求 二 合金模具钢 5CrNiMo 5CrMnMo前者用于大型热锻模 后者用于中小型热锻模 成分特点 合金元素作用及热处理同调质钢 使用状态下的组织 S回 2 常用钢种 热锻模钢 二 热模具钢 型板压铸模 典型钢号是3Cr2W8V 为过共析钢 中碳 0 3 0 4 C 合金元素作用同高速钢 W Cr提高抗热疲劳性能 淬火 回火后组织 M回 颗粒状碳化物 A 少量 压铸工艺 2 常用钢种 热压铸模钢 二 热模具钢 汽车四缸压铸模 三 量具用钢 P102 制造各种量具用钢 如千分尺 卡尺 块规 塞规等 量具在使用过程中与被测零件接触 承受摩擦和冲击 高硬度和耐磨性 高的尺寸稳定性 足够的韧性 1 性能要求 三 量具用钢 低碳钢渗碳 中碳钢表面淬火 碳素工具钢 低合金工具钢 两者用于尺寸小 形状简单 精度要求不高的量具 滚动轴承钢 冷作模具钢 用于制造精密量具 不锈钢用于制造接触腐蚀介质的量具 2 量具用钢 淬火前预备热处理采用球化退火或调质处理 下限温度淬火及冷处理 目的是减少A 长时间低温时效 以消除内应力 降低马氏体的正方度 量规 2 量具钢的热处理特点 量具在使用的过程中要经受磨损 要求具有较高的硬度和耐磨性 同时要有较高的尺寸稳定性 为提高尺寸的稳定性 淬火后要进行冷处理 50 78 第五节特殊性能钢 一 不锈钢金属腐蚀的种类 化学腐蚀 金属表面与周围介质直接发生化学反应而引起的腐蚀 如金属高温时的氧化 钢的脱碳 电化学腐蚀 金属材料 合金或不纯的金属 与电解质溶液接触 通过电极反应产生的腐蚀 如钢的生锈 金属的防腐 多相 易腐蚀 单相 不易腐蚀两相若电极电位接近耐腐蚀 Cr Ni提高基体电极电位 表面致密的氧化膜也耐腐蚀 Al2O3 Cr2O3 化学成分特点 低碳 耐蚀性要求愈高 碳含量愈低 合金元素 主加Cr 辅加Ni Mo Cu Ti Nb Mn等 铁素体不锈钢 碳含量 0 15 铬含量16 18 Cr是铁素体形成元素 致使此类钢从室温到高温 1000 左右 均为单相铁素体 塑性加工 切削加工和焊接性较优 主要用于对耐蚀性和抗氧化性有较高要求的零件 如耐硝酸 磷酸结构和抗氧化结构 常见的铁素体不锈钢有1Cr17 1Cr28等 马氏体不锈钢 马氏体不锈钢 碳0 1 0 45 含Cr平均为13 当WCr 12 时能起到钝化作用 此类钢在氧化性介质中 如大气 海水 氧化性酸 耐蚀 常见的马氏体不锈钢有 Cr13型如1Cr13 2Cr13 3Cr13 奥氏体不锈钢 奥氏体不锈钢 是在Cr18Ni8 18 8 基础上发展起来的 低碳 0 12 高铬 18 和较高镍 9 Cr主要起钝化作用 Ni主要起扩大A相区的作用 此类钢具有最佳的耐蚀性 但相应地价格也较高 优良的低温韧性 高的加工硬化能力 耐热性 其冷塑性加工性和焊接性能较好 以Cr18Ni8普通型奥氏体不锈钢用量最大 牌号有1Cr18Ni9 1Cr18Ni9Ti及0Cr18Ni9等 二