第06章 合金钢

第六章合金钢 仅以碳元素为主要合金元素的碳素钢在某些条件下难以满足机械性能或其它特殊性能要求 需要添加其它合金元素改善之 第一节钢中的合金元素一 概述钢材是现今工业生产中广泛使用的金属材料 其中 碳钢是wc 2 11 的铁碳合金 其性能主要取决于碳含量 热处理状态和显微组织等 由于碳钢价格低廉 生产加工方便 所以在工业上应用广泛 占钢材总重量的80 以上 碳钢的主要缺点是 1 淬透性低 对于直径大于20 25mm的零件 水冷也不可能淬透 因此 使零件截面性能不均匀 且快速淬火会导致零件产生变形或开裂 2 强度和屈强比低 致使构件笨重 强度的有效利用率低 如碳钢 s b 0 5 0 6 合金钢为0 8 0 9 3 回火稳定性差 不能获得优良的综合力学性能 4 不能满足如耐热性 耐磨性 耐蚀性等特殊性能的要求 合金元素是为了改善和提高钢的力学性能和使钢获得某些特殊的物理 化学性能而专门加入的元素 在实际使用的钢中 除碳外尚存在少量的其它元素 如一般含量的硅 锰 磷 硫以及氧 氮 氢等 这些非特意加入的元素称为常存或残余元素 常用的合金元素有硅 锰 铬 镍 钼 钨 钒 钛 铌 锆 铜 硼 稀土元素等 磷 硫 氮等在某些情况下也起合金元素的作用 合金钢在铁碳合金中加入其他合金元素 提高淬透性进一步提高机械性能 强度 塑性 韧性等 获得特殊性能 耐蚀 耐磨 耐热等 二 合金元素在钢中的分布及作用在平衡状态中 合金元素在钢中存在形式和分布主要有以下五种 1 形成合金铁素体 非碳化物形成元素 Ni Si Co Al Cu N P S等 2 形成合金碳化物 碳化物形成元素合金元素与碳的亲和力从大到小的顺序为 Ti Zr Nb V W Mo Cr Mn Fe Cr23C6 Cr7C3 Fe3CTiC VC W2C Mo2C等 三 合金元素对铁碳系平衡相图的影响铁碳合金中加入合金元素后 使奥氏体转变温度和共析点位置发生变化 A1 A3 Acm S E 线下降 使S E点左下移 并使A区域扩大 当大量加入这类元素 可在室温获得A组织 如奥氏体不锈钢1Cr18Ni9Ti 扩大奥氏体区的元素Mn Ni N等加入 使铁碳相图上的A1 A3 锰对奥氏体相区的影响 缩小奥氏体区域Cr W Mo Si V Ti等元素使A1和A3温度升高 使S点 E点向左上方移动 使奥氏体区存在范围缩小至完全消失 当Cr 13 时 在室温下得到单相铁素体 称为铁素体钢 如0Cr13等 铬对奥氏体相区的影响 四 合金元素对加热转变的影响 1 对奥氏体形成速度的影响大多数合金元素会减缓奥氏体化过程 而Co Ni等元素会使奥氏体的形成速度加快 另外 Al Si Mn对奥氏体的形成速度影响不大 对奥氏体晶粒长大倾向的影响 1 碳 氮化物形成元素阻碍奥氏体晶粒长大 2 非碳化物形成元素Co Si Ni作用较弱3 Mn P促进长大 五 合金元素对过冷奥氏体分解转变的影响对C曲线和淬透性的影响 除Co外 凡溶入奥氏体的合金元素均使C曲线右移 淬透性提高 常用提高淬透性的元素为Mn Si Cr Ni B 对Ms Mf点的影响 除Co Al外 所有元素都使Ms Mf点下降 六 对回火转变的影响 提高钢的回火稳定性 合金元素能阻碍马氏体分解及碳化物的析出与聚集 当回火硬度相同时 合金钢比同含碳量碳钢回火温度高 如果同温度回火 合金钢硬度比碳钢高 二次硬化含高W Mo Cr V钢淬火后回火时 由于析出细小弥散的特殊碳化物及回火冷却时A 转变为M回 使硬度不仅不下降 反而升高的现象称二次硬化 合金元素对回火脆性的影响第一类回火脆性无法消除 但可以通过加入Si使其发生的温度区移向较高温度 加W Mo可防止第二类回火脆性 高速钢 七 合金元素对钢的性能的影响 1 合金元素对钢的强度的影响 1 强化机制 强化就是使强度增高的现象 指对塑性变形的抗力 塑变 由位错运动引起 阻碍位错运动 强化 阻碍位错运动障碍溶质原子 固溶强化晶界 细晶强化第二相粒子 第二相强化位错 位错强化 2 钢的强化 淬火十回火钢淬火形成马氏体 马氏体强化充分而合理地利用全部四种强化机制 固溶强化 M中溶有过饱和的碳和合金元素 位错强化 马氏体形成时 产生高密度位错 细晶强化 A转化为M时 形成许多极细小的 取向不同的M束 产生细晶强化效应 析出强化 回火时析出细碳化物粒子 加入合金元素的作用 提高淬透性 在完全获得M的条件下 碳钢和合金钢强度水平是一样的 提高钢的回火稳定性 产生二次硬化 2 合金元素对钢的韧性的影响 1 韧性的概念 韧性是指材料对断裂的抗力 实际金属有三种解理断裂 特定晶面断开韧窝断裂 以第二相粒子或夹杂物为中心形成孔洞 然后形成 长大 汇合 断裂沿晶断裂 由晶界产生 沿晶界断裂 2 提高钢韧性的途径 细化晶粒 细晶强化 加入少量Ti V Nb AL等元素 形成TiC VC NbC ALN等细小稳定的化合物粒子 阻碍A晶粒长大 Ni等某些合金元素置换于F中 可以改善基体的韧性 利用回火稳定性的提高 回火温度的提高 充分降低间隙固溶程度和位错密度 更多减轻其脆化作用 细化碳化物 析出强化对韧性影响较小 控制非金属夹杂和杂质元素 八 合金元素对钢的工艺性能的影响 1 铸造性能 许多元素如Cr Mo V Ti AL等 使铸造性能恶化 在钢中形成高熔点碳化物或氧化物质点 增大钢液粘度 降低其流动性 2 塑性加工性能 热加工和冷加工 合金钢的锻造性能比碳钢差的多 3 焊接性能 指金属可焊性和焊接区的使用性能 合金元素含量愈高 焊接性能愈差 4 切削性能 金属被切削的难易程度和加工表面的质量 一般 合金钢的切削性能比碳钢差 易切削钢 专用 加入元素S 5 热处理工艺性能 热处理难易程度和产生缺陷的倾向 主要包括淬透性 变形和开裂倾向等 合金的淬透性高使淬火操作较容易 并且减少工作变形和工裂的倾向 工业用钢按化学成分分为碳素钢和合金钢两大类 碳素钢是指含碳量在0 0218 2 11 的铁碳合金 合金钢是指为了提高钢的性能 在碳钢基础上有意加入一定量合金元素所获得的铁基合金 第二节工业用钢 合金元素在钢中作用 细化A晶粒 提高淬透性 提高回火抗力 固溶强化 Ni Si Al Co Cu Mn Cr Mo W 第二相强化 扩大A相 扩大F相 形成致密氧化膜 一 钢的新分类方法 一 钢的分类及编号 1 按用途分类 二 钢的通常分类 2 按化学成分分类 3 按质量分类钢的质量是以磷 硫的含量来划分的 分为普通质量钢 优质钢 高级优质钢和特级优质钢 根据现行标准 各质量等级钢的磷 硫含量如下 4 按冶炼方法分类 平炉炼钢 5 按金相组织分类 6 按所含主要合金元素铬钢铬镍钢锰钢硅锰钢 三 钢的编号我国钢材的编号是采用汉语拼音字母 化学元素符号和阿拉伯数字相结合的方法 1 普通碳素结构钢Q 最低屈服强度值 质量等级符号 脱氧方法符号Q表示 屈服强度 屈服强度值单位是MPa 质量等级符号为A B C D E 由A到E 其P S含量依次下降 质量提高 脱氧方法符号 沸腾钢 F 镇静钢 Z 半镇静钢 b 特殊镇静钢 TZ 如碳素结构钢牌号表示为Q235AF Q235BZ 钢板 低合金高强度结构钢都是镇静钢或特殊镇静钢 其牌号中没有表示脱氧方法的符号 如Q345C 根据需要 低合金高强度结构钢的牌号也可以采用两位阿拉伯数字 表示平均含碳量的万分之几 和化学元素符号 按顺序表示 如16Mn 说明 通常情况下 屈服强度值小300MPa时为碳素结构钢 大于300MPa时为低合金高强度钢 热连轧钢板 2 优质碳素结构钢牌号用两位数字表示 这两位数字表示钢平均含碳量的万分之几 如45钢 平均含碳量为万分之四十五 即0 45 的优质碳素结构钢 3 碳素工具钢T 数字T表示 碳素工具钢 数字表示平均含碳量的千分之几 如T8 其平均含碳量为千分之八 0 8 C 说明 碳素工具钢都是优质以上质量的 高级优质钢在钢号后加 A 如T8A 丝锥 锉刀 4 合金结构钢类钢的牌号由 数字 元素 数字 三部分组成 前两位数字表示平均碳含量的万分之几合金元素以汉字或化学元素符号表示合金元素后面的数字表示该元素的近似含量 单位是百分之几 小于1 5 的不标出 1 5 2 49 2 2 5 3 49 3以此类推 例如40Cr 或40铬 就是 C0 37 4 0 Cr0 8 1 1 Cr的铬钢 5 合金工具钢含碳量 合金元素符号 该元素百分含量 当含碳量小于1 00 时 含碳量用一位数字标明 这一位数字表示平均含碳量的千分之几 如9SiCr当含碳量大于1 00 时 不标含碳量 CrWMn 注 高速钢不标含碳量 如W6Mo5Cr4V2 含0 85 C 含铬量小于1 时 在含铬量 以千分之一为单位 前加数字 0 如Cr06 铣刀 6 滚动轴承钢G Cr 铬含量 不标含碳量 G 表示 滚动轴承钢 铬含量以千分之一为单位 如 GCr15 的平均含铬量为1 5 注意 渗碳轴承钢牌号的表示方法与合金结构钢相同 仅在牌号头部加字母 G 如 G20CrNiMo 7 不锈钢和耐热钢含碳量 合金元素符号 该元素百分含量 含碳量以千分之一为单位 8 铸钢ZG 两位数字ZG表示 铸钢 两位数字表示平均含碳量的万分之几 如ZG25 二 结构钢 对结构钢的性能要求为 使用性能以强韧性为主 工艺性能以可焊性 淬透性为主 铜陵长江公路大桥 1 用途常以热轧板 带 棒及型钢使用 用量约占钢材总量的70 用于建筑结构 适合焊接 铆接 栓接等 螺纹钢 黄河小浪底枢纽工程 一 普通碳素结构钢 2 成分特点及钢种 成分 0 4 C P S量及非金属夹杂较多 性能 可焊性 塑性好 热处理 不进行专门热处理 热轧空冷态下使用 使用状态下组织 F P 1 对低合金高强度钢的性能要求 高强度 高韧性 良好的焊接性能和冷成型性能2 化学成分特点 低碳 0 2 C 合金元素 主要是Mn 还有少量V Ti Nb等 二 低合金高强度钢 3 热处理特点 大多数热轧空冷后使用 少数可用正火 高温回火处理 4 钢种 牌号与用途 低合金高强钢合金元素细化晶粒作用 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 疲劳极限 降低冷脆转变温度 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 用于中等压力的压力容器 Q460钢含Mo B 正火组织为贝氏体 强度高 用于石化中温高压容器 南京长江大桥 1 典型渗碳零件的工作条件 失效方式及性能要求 制造渗碳零件的钢种 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 三 渗碳钢 2 化学成分特点 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 渗碳淬火后的表层组织 3 热处理特点渗碳件的加工工艺路线为 下料 锻造 正火 机加工 渗碳 淬火 低温回火正火目的为调整硬度 便于切削加工 淬火温度一般为Ac1 30 50 4 使用状态下组织心部 M回 F表层 M回 颗粒状碳化物 A 少量 4 钢种 牌号与用途 1 低淬透性钢 20 20Cr 用于受力小的耐磨件 如柴油机的活塞销 凸轮轴等 2 中淬透性钢 20CrMnTi 用于中等载荷的耐磨件 如变速箱齿轮 3 高淬透性钢 18Cr2Ni4WA 用于大载荷的耐磨件 如柴油机曲轴 调质件 螺杆 1 典型调质零件的工作条件 失效方式及性能要求 调质后使用的钢种 良好的综合力学性能 良好的淬透性 四 调质钢 2 化学成分特点 中碳 0 3 0 5 C 合金元素作用 提高淬透性 Mn Si Cr Ni 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 3 热处理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 调质目的 使用状态下的组织为 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 表面淬火 低温回火 装配 为表面淬火作组织准备 获得最终心部组织 表面 M回 心部 S回 柴油机凸轮轴 4 钢种 牌号与用途 1 低淬透性钢 D0油 30 40mm 常用45 40Cr 用于制造较小的齿轮 轴 螺栓等 2 中淬透性钢 D0油 40 60mm 常用40CrNi 用于制造大中型零件 3 高淬透性钢 D0油 60mm 常用40CrNiMo 用于制造大截面重载荷零件 如曲轴等 1 典型渗碳零件的工作条件 失效方式及性能要求 制造弹簧或类似性能零件的钢种 弹簧是利用弹性变形储存能量或缓和冲击的零件 高的 s s b 高的 1 足够的韧性 高的淬透性 五 弹簧钢 2 化学成分特点 中高碳 碳素弹簧钢为0 6 0 9 C合金弹簧钢为0 45 0 7 C 合金元素作用 提高淬透性 强化铁素体 Mn Si Cr 提高 s b Si 细化晶粒 V 3 热处理特点 冷成型弹簧 冷拔 冷成型 定型处理 250 300 用于 10mm 4 钢种 牌号与用途 1 Si Mn弹簧钢 如65Mn 60Si2Mn 用于制造较大截面弹簧 2 Cr V弹簧钢 如50CrV 用于大截面 大载荷 耐热的弹簧 载荷 频率达数万次 分 和摩擦 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 六 滚动轴承钢 1 典型渗碳零件的工作条件 失效方式及性能要求 用于制造轴承套和滚动体的专用钢种 轴承工作时 承受接触应力 达3000 3500MPa 周期性交变 2 化学成分特点 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 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 3 热处理特点滚动轴承钢是过共析钢 热处理 球化退火 淬火 低温回火 组织 M回 颗粒状碳化物 A 少量 淬火后进行冷处理 60 80 可以减少A 稳定尺寸 轴承生产车间 4 钢种 牌号与用途应用最广的是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 向心球轴承 5 轴承钢的热处理工艺是 下料 锻造 球化退火 淬火 850 油脆 低温回火 160 180 对精密轴承 淬火后进行冷处理 60 80 磨削加工后进行120 的时效处理 防弹钢与防弹衣古代武士以穿戴盔甲作为武斗厮杀的防护品 诸如用青铜做的护心镜 用钢铁做的肩甲 头盔等等 但在近代战争中或日常防暴 或与黑社会势力的斗争中 用青铜或一般钢铁做头盔或防弹衣来护身就无济于事了 因为现代枪支 流弹杀伤力穿透性非常大 不论是铅心子弹头还是钢心子弹头都能穿透青铜板和一般钢板 现在是用一种叫防弹钢的金属材料做防弹衣或钢盔 什么是防弹钢呢 它与一般钢区别在什么地方呢 防弹钢是超高强度钢家庭中的一员 它与一般钢的区别是 超高 二字 一般结构钢的断裂强度只有几百MPa 断裂强度超过1000MPa的结构钢称为高强度结构钢 断裂强度超过1500MPa的结构钢称为超高强度结构钢 简称超高强度钢 超高强度钢大致可分四类 低合金超高强度钢 中合金超高强度钢 沉淀硬化超高强度钢和马氏体时效硬化超高强度钢 其中以低合金超高强度钢用途最广 价格也比较便宜 例如飞机超落架 轴 火箭框架 壳体等等都是用低合金超高强度钢制造的 防弹钢属于低合金超高强度钢中的一员 含碳量在0 35 0 42 之间 还含有镍 铬 硅 锰 钼 钡等 总合金元素量在5 左右 防弹钢要求含硫 磷 气体及期货杂技量越少越好 以保证具有良好的韧性和高达1700 2200MPa的断裂强度 具备高强高韧性能才能确保在强力子弹射击下既不碎裂也不变形 起到防弹的作用 因此 生产防弹钢必须采用真空冶炼和电渣重熔双联炼钢工艺 加工成冷轧薄板后表面脱碳层越薄越好 最好不脱碳以保证在热处理后表面具有符合要求的硬度 广东冶金研究所采用抚顺钢厂研制生产的超高强度钢F207制制做的防弹衣 在近5m处敌挡住 五四 式手枪和 七九 式冲锋枪钢制弹头的射击 击中处只留一点儿痕迹 防弹衣既不开裂也不变形 具统计 广东省武警自从穿上了这种防弹衣后 两年多来同社会上恶势力作斗争中 伤亡少 所以广东省冶金研究所生产制作的防弹衣畅销全国 也远销东南亚各国 七 超高强度钢 b 1500MPa以上的钢应用 主要航天 航空工业 飞机起落架 机翼大梁 火箭发动机壳体 高压容器 各种武器等等 性能要求 自重轻 抵抗高速气流剧烈冲击和耐高温能力 耐腐蚀 1 成分特点 Wc 0 03 0 45 左右合金元素 按少量多元的原则加入Cr Mn Ni Si显著提高淬透性Si提高回火稳定性Mo V Ti Nb Al形成特殊碳化物V Ti Nb细化晶粒 2 常用牌号 低合金超高强度钢 Wc 0 3 0 4 W总 5 从调质钢基础上发展而来的中合金超高强度钢 Wc 0 3 0 4 W总 5 10 在热作模具钢基础上发展而来的高合金超高强度钢 Wc 0 03 WNi 18 25 马氏体时效钢 三 工具钢 按用途分为 刃具钢模具钢量具钢 刃具是用来进行切削加工的工具 其服役条件是 摩擦导致严重磨损 伴随高温大的切削力导致刃部崩缺振动 冲击使刃具发生断裂 工具的服役条件 1 刃具 冷作模具室温金属变形的模具热作模具热态金属变形的模具可能的失效磨损 刃口钝化 塌陷 沟槽 热疲劳 断裂 2 模具 磨损碰撞变形 3 量具 一 刃具钢 切削加工 1 典型渗碳零件的工作条件 失效方式及性能要求 高硬度 HRC60 主要取决于含碳量 高耐磨性靠高硬度和析出细小均匀硬碳化物来达到 高热硬性即高温下保持高硬度的能力 足够的韧性以防止脆断和崩刃 2 碳素工具钢共有七个牌号 T7 T13 1 化学成分特点 高碳 0 65 1 35 C 随含碳量提高 碳化物量增加 耐磨性提高 但韧性下降 2 热处理特点 热处理 正火 球化退火 淬火 低温回火球化退火目的 降低硬度 便于加工 为淬火作组织准备 使用状态下的组织 M回 颗粒状碳化物 A 少量 3 性能特点由于碳工钢热硬性 淬透性差 只用于制造小尺寸的手工工具和低速刃具 4 钢种 牌号与用途T7 T9 制造承受冲击的工具 如木工工具 冲子 凿子 锤子等 T10 T11 制造低速切削工具 如钻头 丝锥等 T12 T13 制造耐磨工具 如锉刀 锯条等 1 化学成分特点 高碳 0 75 1 5 C合金元素作用 提高淬透性 Cr Mn Si 提高耐回火性 Si 提高耐磨性 细化晶粒 W V 3 低合金工具钢由碳素工具钢基础上加入少量合金元素 3 5 形成 2 热处理特点同碳素工具钢 只是淬火介质为油 碳素工具钢为水 使用状态下的组织为 M回 颗粒状碳化物 A 少量 3 性能特点锻压及切削加工性降低 4 钢种 牌号与用途应用最多的是9SiCr 用于制造形状复杂 要求变形小的低速刃具 如丝锥 板牙等 1 高速钢的特点是 A 硬度高 HRC63 66 红硬性高 当切削温度达600 时 其硬度仍无明显下降 B 淬透性高 在空气中就能淬火 4 高速钢 制造高速切削刃具用钢 2 化学成分特点高碳 0 70 1 5 C合金元素作用 大量 提高淬透性 Cr 提高热硬性 耐磨性 W Mo V 常用的牌号有W18Cr4V W6Mo5Cr4V2等 W18Cr4V钢的铸态组织 3 铸造及热处理特点加工工艺路线 下料 锻造 退火 机加工 淬火 回火 磨削 高速钢是莱氏体钢 其铸态组织为亚共晶组织 由鱼骨状莱氏体与树枝状M T组成 脆性大且无法热处理改善 退火目的 降低硬度 便于切加工 为淬火作组织准备 退火后组织 S 颗粒状碳化物 锻造目的 打碎粗大的鱼骨状碳化物 使其均匀分布于基体中 W18Cr4V钢的退火组织 淬火目的 获得高合金元素含量的马氏体 因此淬火温度高 1200 淬火后组织 M 未溶碳化物 10 A 20 的碳化物 产生二次硬化 碳及合金元素含量下降 Ms点上升 回火冷却时 A 转变为M 每次回火加热都使前一次的淬火马氏体回火 回火目的 主要为减少A 消除内应力 稳定组织 常用560 三次回火 回火时的组织变化 析出W Mo V 高速钢硬度与回火温度关系 W18Cr4V钢热处理工艺示意图 4 钢种 牌号与用途常用钢号为W18Cr4V 18 4 1 和W6Mo5Cr4V2 6 5 4 2 用于高速切削刃具 如车刀 刨刀 铣刀 钻头等 铣刀 高速钢铣刀 3 性能特点耐磨 耐高温 600 5 硬质合金 硬质合金是把高硬度 高熔点的粉末和胶结物质混合 加压成形 再烧结而成的一种粉末冶金材料 硬质合金是用高硬度 难熔的金属碳化物 WC TIC等 和金属粘结剂 C Ni等 在高温条件下烧结而成的粉末冶金制品 常温硬度达89 93HRA 760 时其硬度为77 85HRA 在800 1000t时硬质合金还能进行切削 刀具寿命比高速钢刀具高几倍到几十倍 可加工包括淬硬钢在内的多种材料 但硬质合金的强度和韧性比高速钢差 常温下的冲击韧性仅为高速钢的1 8 l 30 因此 硬质合金承受切削振动和冲击的能力较差 硬质合金是最常用的刀具材料之一 常用于制造车刀和面铣刀 也可用硬质合金制造深孔钻 铰刀 拉刀和滚刀 尺寸较小和形状复杂的刀具 可采用整体硬质合金制造 但整体硬质合金刀具成本高 其价格是高速钢刀具的8 10倍 硬质合金的特点是 A 硬度极高 89 91HRA B 红硬性好 切削温度可达1000 C 耐磨性好 常用的硬质合金有两种 YG 钨钴类 切削脆性材料铸铁 有色金属YT 钨钛钴类 切削塑性材料 钢料YW 通用硬质合金 汽车冲压模具 1 冷作模具钢制造金属冷成型模具钢种 1 冷模具的工作条件 失效方式和性能要求 高硬度和耐磨性 足够的强度和韧性 良好的工艺性能 淬透性 切削加工性等 二 模具钢 2 化学成分特点 高碳 1 4 2 1 C 高铬 11 5 13 Cr 合金元素作用 Cr提高淬透性 Mo V提高耐磨性 细化晶粒 钢种A 碳素工具钢和低合金工具钢钢种有T8A T10A T12A Cr2 9SiCr CrWMn Cr6WV等 这类钢的优点是价格便宜 加工性能好 缺点是淬透性差 热处理变形大 B 高碳高铬模具钢 主要指Cr12型冷作模具钢 钢号有Cr12 Cr12MoV等 3 锻造及热处理特点 Cr12型模具钢也是莱氏体钢 需进行锻造 退火 目的同高速钢 4 钢种 牌号与用途 常用钢号为Cr12和Cr12MoV 用于制造冷冲模 挤压模等 最终热处理为 淬火 低温回火 使用状态下的组织 M回 颗粒状碳化物 A 少量 汽车外板冷冲模 2 热作模具钢 1 热模具的工作条件失效方式和性能要求 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 2 化学成分特点 成分特点 合金元素作用及热处理同调质钢 3 热处理特点 淬火 高温回火使用状态下的组织 S回 4 钢种 牌号与用途 5CrNiMo 5CrMnMo 3Cr2W8V等 制造各种量具用钢 如千分尺 卡尺 块规 塞规等 三 量具钢 1 量具钢的工作条件 失效方式和性能要求 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 3 量具钢的热处理特点 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 2 化学成分特点 与低合金刃具钢相同 4 常用的量具用钢 碳素钢具钢 常用于制作尺寸小 形状简单 精度要求低的量具 低合金工具钢 包括GCr15等 如用GCr15钢制作量具 其工艺路线为 锻造 球化退火 机加工 粗磨 淬火 低温回火 精磨 时效 涂油 有时也用渗碳钢制作精度不高 耐冲击的量具 有时也用冷作模具钢制作精密量具 四 特殊性能钢 特殊性能钢是指具有特殊物理 化学性能的钢 本节只介绍不锈钢和耐热钢 耐磨钢 不生锈的发现七十五年前正是在英国 哈里布雷利首先认识到含铬的铁基合金具有优良的耐腐蚀性 也是布雷利首先指出利用这种性能可以制造出 不生锈 的刀具 他企图解决步枪枪管的腐蚀和生锈问题 用铬对铁进行合金化 在金相工作中发现了这些钢能耐侵蚀剂的腐蚀 后来将这些铁素体组织的Fe Cr合金称为 不锈钢 这类钢是在德国几乎同时发展成商业产品的 在德国 揭示含8 Ni的Fe Cr奥氏体合金的耐腐蚀性的也是一个偶然的发现 1921年埃德瓦德莫勒在实验室中注意到一些有贝诺斯特劳思所制造的合金在酸雾中暴露数月也不受腐蚀 这些合金因为一加工就开裂所以被搁置在一边 根据以往的Fe Cr Ni合金的冶金学试验 莫勒设计了一种用水淬的退火热处理工艺 使大量的碳化铬在固溶体中沉淀 使合金成为可塑性加工的 由于生产和制造技术的进展 1925 1935年间 铁素体不锈钢 17 Cr 和奥氏体不锈钢 18 Cr 8 Ni 两者在英 美 德的氨厂和硝酸厂都得到大规模的使用 但是最终奥氏体合金的产量大大超过了铁素体合金的产量 近年来在美国要多1 2倍 至今 大量的研究和发展工作仍然集中在奥氏体不锈钢种方面 但进十年来 在铁素体不锈钢新钢种的发展和商品化方面 又重新活跃起来 1 化学腐蚀是指金属在非电解质中的腐蚀 2 电化学腐蚀是指金属在电解质溶液中的腐蚀 是有电流参与作用的腐蚀 一 不锈钢 1 金属腐蚀的基本概念 金属的腐蚀分化学腐蚀和电化学腐蚀 防止电化学腐蚀的措施 获得均匀的单相组织 提高合金的电极电位 使表面形成致密的钝化膜 工业发达国家每年金属腐蚀造成的直接经济损失占GNP的4 左右 中国每年腐蚀的损失至少到400亿元以上 2 不锈钢的工作条件 失效方式及性能要求 1 良好的耐蚀性2 良好的力学性能3 良好的工艺性能4 价格低廉3 化学成分特点 碳含量为0 08 0 95 主加元素为Cr Cr Ni 辅加元素为Ti Nb Mo Cu Mn N 低碳 碳高 则降低耐蚀性 Cr 是提高耐蚀性的主要元素 形成稳定致密的Cr2O3氧化膜 Cr含量大于13 时 形成单相铁素体组织 提高基体电极电位 n 8规律 Ni 获得单相奥氏体组织 Mo 耐有机酸腐蚀 Ti Nb 防止奥氏体钢晶间腐蚀 晶间腐蚀是沿晶粒周界发生腐蚀的现象 危害很大 它是由于Cr23C6析出于晶界 使晶界附近Cr含量降到12 以下 在介质作用下发生强烈腐蚀 加Ti Nb则先于Cr与C形成不易溶于奥氏体的碳化物 避免晶界贫Cr 1 奥氏体型1Cr18Ni8Ti主要是18 8 18Cr 8Ni 型不锈钢 性能特点 具有良好的耐蚀性 冷热加工性及 可焊性 高的塑韧性 无磁性 热处理 采用固溶处理 即加热到1100 使碳化物溶解后水冷 组织为单相奥氏体 不锈钢带 4 常用不锈钢 1Cr17削片刀 2 铁素体不锈钢典型钢号如0Cr13 1Cr17等 成分 高铬低碳 无 相变 不能进行热处理强化 组织 单相铁素体性能特点 耐酸蚀 抗氧化能力强 塑性好 但有脆化倾向 3 马氏体不锈钢主要是Cr13型不锈钢钢号为1Cr13 4Cr13随含碳量提高 强度 硬度提高 耐蚀性下降 1Cr13 2Cr13热处理 淬火 高温回火使用状态下的组织 S回应用汽轮机叶片 热裂设备配件 不锈钢棒 3Cr13 4Cr13热处理 淬火 低温回火 使用状态下的组织 M回 具有较高强度 硬度 用于要求耐蚀 耐磨件 医疗器械 量具等 防锈的手术器械及刃具 不锈钢刀 5 镍基耐蚀合金 在自然环境或一定工业介质中具有耐腐蚀性能的合金称耐蚀合金 广泛应用于石油 化工等领域 1 成分及性能特点 低碳高合金wC 0 03 0 2 wMe 30 48 Me Cu Cr Fe Mn Mo Nb TiCu Fe Mn溶于Ni中 形成单相固溶体组织 减轻电化学腐蚀 Cr提高电极电位 形成Cr2O3保护层 Mo Nb Ti形成稳定碳化物NbC TiC 和金属间化合物Ni3Mo Ni3Ti Ni3Nb 2 典型分类 锻造镍镍 铜合金蒙乃尔 Monel 合金镍 铬 铁合金因科镍 Inconel 合金 3 锻造镍 特点耐蚀性特强 强度较高 耐高温和低温用途制作与强酸 强碱接触的泵壳 容器 火箭 导弹耐蚀零件 常用牌号200和201 4 镍 铜合金 特点别称蒙乃尔 Monel 合金 耐蚀性特强 在氢氟酸中的耐蚀性居所有金属材料之首 用途制作与氢氟酸接触的零构件 常用牌号Ni 29 5Cu MonelK 500 Ni 31Cu 1 5Mn 1 4Fe Ni66Cu31Fe Ni 28Cu 1 5Mn 2 5Fe Ni68Cu28Fe 5 镍 铬 铁合金 特点别称因科镍 Inconel 合金 优良的耐蚀性 高温强度高 辐照稳定性好 用途制作高温下要求耐腐蚀的零构件 常用牌号Inconel600 Ni 15 5Cr 10Fe Inconel706 Ni 16Cr 27 6Fe 2 9Nb 1 8Ti Inconel718 Ni 19Cr 18 5Fe 5 1Nb 3Mo 0 9Ti 1 耐热钢的工作条件 失效方式及性能要求 1 高的抗氧化性 2 高的高温力学性能 3 组织稳定性高 4 膨胀系数小 导热性好 5 工艺性及经济性好 二 耐热钢 主要用于制造工业加热炉 高压锅炉 汽轮机 内燃机 航空发动机 热交换器等在高温下工作的构件和零件 固溶强化 第二相强化 晶界强化 加入B Zr等降低晶界能量 2 提高钢的抗氧化性和热强性的途径 涡轮机机壳 1