机械工程材料与热加工之工业用钢讲义课件(ppt 121页).ppt

工程材料与热加工基础 第五章工业用钢 机械工程系金工教研室 第七章工业用钢 钢的基础知识结构钢工具钢特殊性能钢 第一节钢的基础知识 一 合金元素对钢的组织和性能的影响 杂质及合金元素与铁和碳的作用 合金元素对Fe Fe3C相图的影响 合金元素对钢的热处理的影响 一 杂质和气体的影响 Mn 脱氧 去硫 提高钢的强度和硬度 Si 有很强的固溶强化作用 能脱氧 1 有益元素 2 有害元素 P 有很强的固溶强化作用 低温韧性差 冷脆 S 能引起钢在热加工时或高温工作下开裂 热裂 3 气体元素 N 钢中过饱和N在常温放置过程中会发生时效脆化 加Ti V Al等元素可消除时效倾向 O 钢中的氧化物易成为疲劳裂纹源 H 原子态的过饱和氢时将降低韧性 引起氢脆 当氢在缺陷处以分子态析出时 会产生很高内压 形成微裂纹 其内壁为白色 称白点或发裂 二 合金元素与铁和碳的作用 1 溶于基体中形成合金F或合金A 2 与碳作用形成合金碳化物 Fe Cr 3C 3 单独形成特殊碳化物TiC VC 1 溶于基体中形成合金F或合金A 1 溶于基体中形成合金F或合金A 2 与碳作用形成合金碳化物 Fe Mn Cr Mo W V Ti Nb Zr 弱碳化物元素 Fe Mn 中强碳化物元素 Cr Mo W 强碳化物元素 V Ti Nb Zr 碳化物形成元素在周期表中都是位于铁元素的左边的过渡族金属元素 它们都有一个未填满的d电子亚层 当形成碳化物时 碳原子首先将其价电子填入金属原子未填满的d电子亚层 使形成的碳化物具有金属键结合的性质 金属原子的d电子亚层愈不满 周期表中 在铁左边离铁愈远 则其与碳的亲和力愈强 形成碳化物的能力愈大 愈稳定 而且不易分解 3 单独形成特殊碳化物 熔点 硬度 耐磨性最高 稳定性最高 TiC NbC VC 三 合金元素对Fe Fe3C相图的影响 扩大奥氏体区缩小奥氏体区改变共晶点和共析点的参数 1 扩大奥氏体区的合金元素 Mn Ni Co等元素 作用 使A3线温度下降 A4线温度上升 Mn元素对奥氏体区的影响 2 缩小奥氏体区的合金元素 Cr Mo W V Ti Si等元素 作用 使A3线温度上升 A4线温度下降 Cr元素对奥氏体区的影响 3 改变共晶点和共析点参数的元素 几乎所有的合金元素 作用 使S点和E点的成分向左移 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 四 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对过冷奥氏体转变的影响对回火转变的影响 1 合金元素对加热时奥氏体形成的影响 除Mn元素外 所有合金元素的加入 均使奥氏体的形成速度减慢 强碳化物形成元素能强烈的阻止奥氏体晶粒长大 Ti V Zr Nb等 非碳化物形成元素能轻微的阻止奥氏体晶粒长大 Si Ni Cu Co等 2 合金元素对过冷奥氏体转变的影响 除Co元素外 所有的合金元素均使钢的TTT曲线向右移 除Co Al元素外 所有的合金元素都使马氏体转变温度下降 提高钢的淬透性 常用的元素有 Cr Mn Mo Si Ni B等 3 合金元素对回火转变的影响 回火抗力的增加 二次硬化的产生 产生回火脆性 W Mo V等碳化物在550 时 使钢达到最高硬度 产生二次硬化 Cr Ni钢的回火脆性示意图 防止第二类回火脆性的产生的方法 在500 600 快速冷却 加入合金元素W Mo 二 合金元素在钢中的作用 1 主加元素 对提高钢的性能起主要作用 Si Mn Cr Ni B 2 辅加元素 配合主加元素进一步提高钢的性能 弥补主加元素的不足与缺陷 W Mo V Ti Nb 三 碳素钢的编号及用途 1 碳素结构钢 Q235 A F 2 优质碳素结构钢 45 Wc 45 00 较高锰质量分数的优质碳素结构钢45Mn Wc 45 00 WMn 0 7 1 0 3 碳素工具钢 T12A 4 铸造碳钢 ZG200 400 第二节合金结构钢 AlloyConstructionalSteel 普通低合金钢合金渗碳钢合金调质钢弹簧钢滚动轴承钢易切削钢 一 普通低合金钢 commonlow alloyedsteel 1 化学成分 碳素结构钢 合金元素 主加合金元素 Mn1 8 以内 辅加合金元素 V Ti Nb B 一 普通低合金钢 2 牌号 Q345C 一 普通低合金钢 Q460钢含Mo B 正火组织为B 强度高 用于石化中温高压容器 压力容器 南京长江大桥 Q345钢 16Mn 综合性能好 用于船舶 桥梁 车辆等大型钢结构 Q390钢含V Ti Nb 强度高 用于中等压力的容器 二 碳素渗碳钢及合金渗碳钢 1 对渗碳钢的性能要求 2 对渗碳钢的含碳量的要求 低碳 3 渗碳钢的热处理特点 表硬里韧 Wc 0 25 Wc 0 15 0 25 合金元素 Cr Mn Ni B V W Mo Ti等 表层 M回 Fe3C A残 心部 F P 表层 M回 Cm A残 心部 低碳M回 F 4 合金渗碳钢的牌号 20Mn2TiA 5 典型合金渗碳钢种介绍 低淬透性合金渗碳钢钢含合金元素总量 3 15Cr 20Cr 20Mn2 用于受力小的耐磨件 如柴油机的活塞销 凸轮轴等 中淬透性合金渗碳钢钢含合金元素总量在4 左右 20CrMn 20CrMnTi 20Mn2TiB 用于中等载荷的耐磨件 如变速箱齿轮 柴油机凸轮轴 活塞销 20Cr 5 典型合金渗碳钢种介绍 高淬透性合金渗碳钢钢含合金元素总量在4 6 18Cr2NiWA 20Cr2Ni4A等 用于大载荷的耐磨件 如柴油机曲轴 柴油机曲轴 20CrMnTi钢制造齿轮的热处理工艺曲线 三 碳素调质钢及合金调质钢 1 对调质钢的性能要求 既强又韧 2 对调质钢的含碳量的要求 中碳 3 调质钢的热处理特点 淬火 高温回火 500 650 Wc 0 25 0 6 Wc 0 25 0 5 合金元素 Cr Mn Ni B Si V W Mo Ti等 表层 S回 心部 P F 表层 S回 心部 S回 4 合金调质钢的牌号 40Cr40Mn40MnB35CrMo38CrMoAlA25Cr2Ni4WA 5 典型合金调质钢种介绍 低淬透性调质钢 钢含合金元素总量 3 40Cr 40MnB等 中淬透性调质钢 钢含合金元素总量在4 左右 38CrSi 35CrMo等 常用于制造较小的齿轮 轴 螺栓等零件 5 典型合金调质钢种介绍 高淬透性调质钢 钢含合金元素总量在4 10 制造大截面重载荷零件 如曲轴等用高淬透性的零件等 38CrMoAlA 40CrMnMo 25Cr2Ni4WA等 40Cr钢制造连杆螺栓的热处理工艺曲线 四 碳素弹簧钢及合金弹簧钢 1 对弹簧钢的性能要求 高的 e 高的 s b 高的 1 良好的韧 2 对弹簧钢含碳量的要求 中 高碳 3 热成型弹簧钢的热处理特点 淬火 中温回火 450 550 碳素弹簧钢 合金弹簧钢 化学成分 热处理后的组织 Wc 0 6 0 9 Wc 0 5 0 7 合金元素 Si Mn Cr V W Mo等 T回 制造尺寸小于 8 15mm的小型弹簧 T回 制造尺寸在 20 25mm左右的弹簧 4 合金弹簧钢的牌号 6565Mn55Si2Mn60Si2Mn50CrVA50CrMnA55SiMnMoVNb 5 冷成形弹簧生产工艺特点 用于生产尺寸小于 8 15mm的小型弹簧 常用弹簧钢丝 片 冷绕成形 其制造方法有 T组织冷成型 200 300 去应力退火 60 75 85 65Mn T回组织冷成型 去应力退火 退火组织冷成型 淬火 中温回火 55Si2Mn 60Si2MnA 50CrVA 五 滚动轴承钢 bearingsteel 1 性能要求 高的硬度强度和耐磨性 高的接触疲劳强度 足够的韧性和耐蚀性 高的纯净度 五 滚动轴承钢 bearingsteel 2 化学成分特点 高碳 Wc 0 9 1 1 主加Cr 0 4 1 65 辅加Si Mn 优质钢材 五 滚动轴承钢 bearingsteel 3 热处理特点 球化退火 淬火 低温回火 极细回火马氏体 细粒状碳化物 少量残余奥氏体 4 滚动轴承钢的牌号 GCr9SiMn 5 铬轴承钢制造轴承的工艺路线 锻造球化退火机加工淬火 冷处理 60 80 1h 低温回火磨削加工稳定化处理 120 130 5 10h 六 易切削钢 fee cuttingsteel 2 性能要求 降低切削力和切削热 减少刀具磨损 延长刀具寿命 改屑性能 提高切削速度 3 化学成分特点 1 用途 适用于高速切削和在自动加工机床上加工的材料 S Ws 0 08 0 3 Pb WPb 0 15 0 25 Ca 微量 4 易切削钢的牌号 Y40Mn 5 易切削钢的热处理工艺特点 低碳易切削钢 Y12 Y15 Y20 渗碳或淬火成低碳马氏体 中碳易切削钢 Y40 调质及表面淬火 第三节合金工具钢 合金刃具钢 alloycuttingsteel 合金模具钢 alloydiesteel 合金量具钢 alloymeasuringsteel 量具 刃具 一 碳素刃具钢 1 性能要求 高硬度 高耐磨性 有一定的强度和韧性 2 化学成分特点 高碳 3 热处理特点 淬火 低温回火 4 组织 M回 Fe3C A残 5 用途 用于低速 低温 200 低冲击 硬度在HRC62左右的刃具 一 碳素刃具钢 锉刀 手锤 二 合金刃具钢 种类 低合金刃具钢 高速钢 牌号 1 低合金刃具钢 1 性能要求 高硬度 高耐磨性 有一定的红硬性 强度和韧性 工作温度不超过300 2 化学成分特点 高碳 加入Cr Mn Si W V等合金元素 3 热处理特点 9SiCr钢板牙热处理工艺曲线 板牙 2 高速钢 high speedsteel 1 性能要求 高硬度 高耐磨性 高的红硬性 600 时 HRC63以上 有一定的强度和韧性 高速钢 锋钢 风钢 18 4 1钢 2 化学成分特点 高碳0 7 1 5 钨18 钼5 铬4 钒1 5 保证高硬度 退火状态下形成M6C碳化物 在560 左右回火时 弥散析出W2C 造成二次硬化 提高钢的红硬性 1 Mo的作用等同于2 W 形成Cr23C6碳化物 提高钢的淬透性 形成VC 硬度极高 提高钢的硬度和耐磨性 产生二次硬化 3 W18Cr4V钢的生产工艺及热处理特点 铸造锻造球化退火机加工淬火 三次570 回火磨削加工 铸造 高速钢属于莱氏体钢 铸态组织中含有大量呈鱼骨状分布的粗大共晶碳化物M6C 钢的韧性大幅下降 W18Cr4V钢的铸态组织 W18Cr4V钢的铸态组织 W18Cr4V铸态组织420 锻造 鱼骨状碳化物不能用热处理来消除 只能依靠反复多次锻打来击碎 W18Cr4V锻造组织210 球化退火 消除应力 调整组织 便于机加工 为淬火作好组织准备 球化退火后的组织 S 粒状Cm W18Cr4V球化退火组织420 W18Cr4V钢的热处理过程示意图 淬火 1280 淬火后的组织 M Cm A残 20 25 W18Cr4V钢淬火组织 W18Cr4V淬火组织300 三次570 回火 在570 回火时 产生二次硬化 三次570 回火 淬火后A残约20 25 第一次回火后A残约剩15 18 第二次回火后A残约剩3 5 第三次回火后A残约剩1 2 回火后的组织 M回 Cm A残 1 2 组织硬度为65HRC以上 W18Cr4V淬火 一次回火组织 W18Cr4V淬火 一次回火组织105 W18Cr4V淬火 三次回火组织 W18Cr4V淬火 三次回火组织420 三 合金模具钢 alloydiesteel 热作模钢 工作温度为600 以上 冷作模钢 工作温度为200 300 一 热作模钢 hotdiesteel 1 性能要求 高的热硬性 高温耐磨性 高的抗氧化能力 高的热强性和足够高的韧性 高的热疲劳抗力 防止龟裂 高的淬透性和导热性 2 化学成分特点 中碳0 3 0 6 合金元素 Cr Ni Mn Si Mo W V 曲轴模具 3 热处理特点 热锻模钢 5CrMnMo热处理工艺 淬火 550 回火热处理后的组织 S回或T回 3 热处理特点 热压模钢 3Cr2W8V热处理工艺 淬火 600 三次回火热处理后的组织 M回 Cm粒状 汽车四缸压铸模 二 冷作模钢 colddiesteel 1 性能要求 高的硬度 HRC62 高的耐磨性 足够高的韧性与疲劳抗力 热处理变形小 2 化学成分特点 高碳1 2 合金元素 Cr Mo W V 汽车冲压模具 3 热处理特点 一次硬化法 淬火 低温回火 950 1000 150 180 二次硬化法 淬火 三次回火 1100 1000 510 520 热处理后的组织 M回 Cm A残 牌号 Cr12 Cr12MoV 四 合金量具钢 1 性能要求 高的硬度 HRC62 高的耐磨性 高的尺寸稳定性 足够高的心部韧性 热处理变形小 尺寸稳定 良好的耐蚀性 3 热处理特点 4 热处理后的组织 M回 Cm 5 牌号 CrWMn 4Cr13 GCr15 9SiCr T12A 60等 2 化学成分特点 高碳0 9 1 5 合金元素 Cr Mn W CrWMn钢制造块规退火后的热处理工艺 第四节特殊性能钢 不锈钢 stainlesssteel 耐热钢 heat resistantsteel 耐磨钢 wear resistantsteel 一 不锈钢 stainlesssteel 1 定义 在腐蚀介质中具有很高的抗腐蚀能力的钢 2 概念 在空气中的年腐蚀量为0 01mm以内的钢 称为在空气中使用的不锈钢 在强酸 强碱介质中的年腐蚀量为0 1mm以内的钢 称为在强酸 强碱介质中使用的不锈钢 3金属腐蚀的机理 金属腐蚀的种类 1 化学腐蚀 金属与介质 干燥气体和非电解质溶液 发生化学反应而产生的腐蚀 例如 高温氧化 脱碳等 2 电化学腐蚀 金属与介质 电解质溶液 即酸 碱 盐溶液 发生电化学反应而产生的腐蚀 电化学腐蚀过程示意图 珠光体电化学腐蚀示意图 4 金属的防腐措施 1 覆盖层保护 涂漆 电镀 发蓝 磷化等工艺 2 形成氧化层 加入合金元素Cr Al Si等 形成Cr2O3 SiO2 Al2O3等氧化膜 3 提高金属的电极电位 加入合金元素Cr Ni Si等 提高金属基体的电极电位 4 使钢在室温下呈单相组织 加入合金元素Mn Ni Co等能扩大 区 可在室温获得奥氏体钢 加入合金元素Cr Mo W V Ti Si等能扩大 区 可在室温获得铁素体钢 5 减少与消除钢中的各种不均匀现象 偏析 应力 组织等 6 牺牲阳极保护阴极 镶嵌一些比金属或合金基体电极电位更低的金属块 5 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 6 常用的不锈钢 马氏体型不锈钢 铁素体型不锈钢 奥氏体型不锈钢 1 马氏体型不锈钢 Cr13型钢 化学成分特点 Wc 0 1 0 4 WCr 13 热处理特点 正火后的组体是马氏体 牌号 1Cr13 4Cr13 用途 医疗器械 医用镊子 1Cr13金相组织图 1Cr13供货状态组织 化染 580 2 铁素体型不锈钢 化学成分特点 Wc 0 1 左右WCr 17 热处理特点 不能进行热处理强化 牌号 1Cr17 1Cr17Ti 1Cr28等 用途 化工设备中要求耐蚀性高 塑性好 强度低的容器 管道等 铁素体型不锈钢的用途 硝酸生产装置 合成氨生产装置 3 奥氏体型不锈钢 18 8型钢 化学成分特点 Wc 0 08 0 14 WCr 17 19 WNi 8 11 Cu Ti Mo等 加工特点 不能进行热处理强化 只能冷塑性变形强化 热处理特点 固溶处理 稳定化处理 消除应力退火 牌号 0Cr18Ni9 1Cr18Ni9 0Cr18Ni9Ti 1Cr