第七章 合金钢

工程材料 授课教师 第七章合金钢概论 1 合金钢的分类 2 合金钢的编号 按用途分 结构钢 工具钢和特殊性能钢 总原则 碳质量分数 合金元素符号 合金元素数量 质量级别 结构钢 碳质量分数万分之一 两位数表示 工具钢 特殊性能钢 碳质量分数千分之一 一位数表示 工具钢的碳质量分数超过1 时 碳质量分数不标出 碳质量分数的表示 标出主要合金元素 质量分数由其后面的数字标出 平均质量分数为 1 5 2 49 标22 5 3 49 标3以此类推若 1 5 不标 合金元素及其质量分数的表示 20CrMnTi 牌号 1Cr18Ni9Ti 牌号 专用钢用汉语拼音字首来表示 少数特殊性能钢的编号例外 特例1 滚珠轴承纲 GCr15 w C 约为1 0 w Cr 约为1 5 特例2 易切削钢 Y40Mn w C 约为0 4 w Mn 1 5 特例3 高级优质钢在钢的末尾加 A 20Cr2Ni4A 特例4 耐热钢 12Cr1MoV w C 约为0 12 w Cr 约为0 1 w Mo 1 5 w V 1 5 1 低合金结构钢 3 2 2合金结构钢 4 常用钢种 例 16Mn Q345 2 合金渗碳钢 4 常用钢种 例 20Cr 20CrMnTi 一般 渗碳后直接淬火 再低温回火 5 热处理和组织性能 例 汽车齿轮 1 渗碳齿轮的工艺路线 下料 锻造 正火 切削加工 渗碳 淬火 低温回火 喷丸 磨削加工 汽车齿轮主要分装在变速箱和差速器中 汽车齿轮受力较大 受冲击频繁 其耐磨性 疲劳强度 心部强度以及冲击韧性等 均要求比机床齿轮高 选材 合金渗碳钢20Cr或20CrMnTi回答以下问题 1 工艺路线 热处理工艺参数 2 分析组织与性能 时间 温度 图20CrMnTi制造齿轮热处理工艺图 最终热处理后的组织 表面渗碳层的组织 合金渗碳体 回火马氏体 少量残余奥氏体硬度60HRC 62HRC 心部组织 完全淬透 回火马氏体多数情况心部为 屈氏体 回火马氏体 少量铁素体硬度 25HRC 40HRC 心部韧性一般高于700kJ m2 正火的目的 提高硬度 改善切削性能 2 组织与性能 3 合金调质钢 4 常用钢种 35CrMo W C 0 35 主要元素Cr Mo的质量分数均在1 5 以下 40Cr 40CrNiMo Cr 提高淬透性Ni 提高淬透性Mo 提高淬透性 防止第二类回火脆性 各元素的作用 牌号 5 热处理和组织性能 注意 铬 镍钢高温回火时易产生回火脆性 可以采用回火后快冷或加入W Mo 热处理 调质处理 淬火 高温回火 组织 回火索氏体 性能 良好的综合机械性能 55HRC 1 工艺路线 锻造 正火 粗加工 调质 精加工 表面淬火 低温回火 磨削加工 例 轴 轴硬度要求为220HB 250HB 轴颈进行表面淬火 硬度要求为52 55HRC 选材 40Cr钢 回答以下问题 1 工艺路线 热处理工艺参数 2 分析组织和性能 时间 温度 空冷正火 Ac3 30 50 油冷淬火 高温回火 乳化液冷淬火 低温回火 600 650 180 200 图40Cr制造车床主轴热处理工艺图 正火 组织为 F S 消除锻造时的应力 均匀化组织 使坯料具有相同的硬度 便于切削 调质 淬火 高温回火 组织为 回火S 良好的综合机械性能 表面淬火 低温回火 组织为 表面为回火M 硬度较高 耐磨 心部为回火S 良好的综合机械性能 原始组织 F P 2 组织与性能 4 合金弹簧钢 1 用途 主要用于制造各种弹簧和弹性元件 60Si2Mn W C 0 6 W Si 2 左右 Mn的质量分数在1 5 以下 Si Mn 提高淬透性 提高屈强比 各元素的作用 牌号 4 常用钢种 5 加工 热处理与性能 热成型弹簧热处理 淬火 中温回火组织 回火屈氏体 冷成型弹簧 图弹簧种类 1 工艺路线 下料 成型 淬火 中温回火 喷丸强化 例 汽车弹簧选材 汽车弹簧选材 60Si2Mn钢 回答以下问题 1 工艺路线 热处理工艺参数 2 分析组织与性能 时间 温度 图60Si2Mn制造汽车弹簧的热处理工艺路线图 性能 硬度 42HRC 47HRC屈服强度 1200MPa冲击韧性 250kJ m2 300kJ m2 2 组织与性能 淬火后得到的组织为 M 中温回火后得到的组织为 回火T 5 滚珠轴承钢 1 用途 主要用于制造滚动轴承 GCr15 Cr 提高淬透性 提高的耐磨性 特别是疲劳强度 元素的作用 牌号 4 常用钢种 锻造 正火 球化退火 机械粗加工 淬火 冷处理 低温回火 磨削加工 低温时效 加工工艺过程 5 热处理及组织性能 主要为球化退火 淬火和低温回火 时间 温度 图GCr15热处理工艺曲线图 正火 球化退火 正火 目的是细化组织并消除锻造缺陷 锻造后的组织为 索氏体 少量粒二次渗碳体 硬度255HB 340HB 球化退火 降低钢的硬度 以利于切削加工 获得球状珠光体 为零件的最终热处理作准备 低温时效 120 130 多次 进一步稳定尺寸 消除磨削中的应力 淬火 840 组织 M 碳化物 冷处理 60 80 使残余A转变成M 为了稳定尺寸 低温回火 150 160 组织 回火M 细小弥散的碳化物 A 1 合金刃具钢 3 2 3合金工具钢 主要用于制造各种金属切削刀具 1 用途 低合金刃具钢a 高碳w C 0 9 1 1 b 加入Cr Mn Si W V等合金元素Cr Mn Si 提高淬透性Si 还提高回火稳定性W V 提高硬度和耐磨性 高速钢a 高碳w C 0 7 b 加入Cr W Mo V等合金元素Cr 提高淬透性W Mo 获得高的热硬性V 提高硬度和耐磨性 3 成分特点 低合金刃具钢 9SiCr 牌号 Cr Si提高淬透性 Si提高回火稳定性 4 常用钢种 高速钢 W18Cr4V 牌号 W C 0 7 0 8 Cr 提高淬透性 一般Cr的质量分数为4 W 保证高的热硬性 V 提高钢的硬度和耐磨性 w W 18 w Cr 4 w V 1 5 回火后的组织 回火M 细粒状碳化物 A 工艺路线 图W18Cr4V钢的热处理工艺路线图 2 合金模具钢 1 冷模具钢 性能要求a 高硬度 一般为58HRC 62HRCb 高耐磨性c 足够的韧性和疲劳抗力d 热处理变形小 用途用于制造各种冷冲模 冷镦模 冷挤压模和拉丝模等 工作温度不超过200 300 成分特点a 高碳碳质量分数多在1 0 以上b 加入Cr Mo W V等合金元素 钢种和牌号9SiCr CrWMn 9Mn2V 热处理特点高碳高铬冷模具钢的热处理方案有两种 一次硬化 在较高温度 950 1000 下淬火 然后低温 150 180 回火 硬度可达61HRC 64HRC 二次硬化 在较高温度 1100 1150 下淬火 然后510 520 多次 一般为三次 回火 产生二次硬化 硬度可达60HRC 62HRC 2 热模具钢 性能要求a 高的热硬性和高温耐磨性b 高的抗氧化性能c 高的热强度和足够的韧性d 高的热疲劳抗力 以防止龟裂破坏 用途用于制造各种热锻模 热压模 热挤压模和压铸模等 工作时型腔表面温度可达600 以上 成分特点a 中碳碳质量分数一般为0 3 0 6 b 加入Cr Ni Mn Si等合金元素c 加入Mo W V等 钢种和牌号5CrMnMo等 热处理 3 合金量具钢 1 用途 主要用于制造各种测量工具 4 常用钢种 CrWMn GCr15 保证硬度的前提下 尽量降低淬火温度 以减少残余奥氏体 高淬火后立即进行 70 80 的冷处理 使残余奥氏体尽可能转变为马氏体 5 热处理特点 1 不锈钢 3 2 4特殊性能钢 1 腐蚀概述 金属腐蚀是自然界存在的一种自然现象 它是金属与环境化学 电化学相互作用的自发破坏过程 世界各国因腐蚀而造成的经济损失十分惊人 一般工业发达国家的腐蚀损失是国民经济总产值的4 左右 据估计 世界上每年因腐蚀而不能使用的金属质量 大约相当于金属年产量的l 4 l 3 而每年生产的黑色金属 钢铁 由于腐蚀而遭到破坏的有5 20 金属在环境中 在金属表面或界面上进行的化学 电化学多相反应 或者由于物理溶解作用而造成的材料氧化 损坏或变质 金属的腐蚀过程属于氧化还原反应 2 腐蚀的定义 根据腐蚀反应机理的不同 通常可分为化学腐蚀和电化学腐蚀 3 腐蚀的分类 是指金属表面与非电解质直接发生纯化学作用而引起的破坏 其主要特点是非电解质中的氧化剂直接与金属表面的原子相互作用而形成腐蚀产物 电子的传递是在金属和氧化剂之间直接进行的 因而没有电流产生 化学腐蚀 是指金属与电解质发生电化学反映 并伴有电流产生的腐蚀过程 主要特点是其反应历程可以分为两个相对独立 并且可同时进行的过程 阴极反应与阳极反应 电化学腐蚀 最简单的原电池是Cu Zn原电池 如图所示 当外电路接通时 电路中即有电流通过 电极过程如下 Zn的电极电位较负 为阳极 发生氧化反应 Cu的电极电位较正 为阴极 发生还原反应 溶液中的H离子与从Zn电极流过来的电子相结合放出氢气 4 电化学腐蚀的原理 阴极 2H 2e H2 阳极 Zn Zn2 2e 腐蚀电池的总反应 Zn 2H Zn2 H2 随着反应的不断进行 锌不断地被离子化 释放电子 在外电路形成电流 锌离子化的结果 是使锌被腐蚀 如果将一块合金置于电解质溶液中 也会发生同样的氧化 还原反应 组成腐蚀原电池 只不过这种电池的阳极 阴极难以用肉眼去区分而已 金属组织结构的不均匀性而构成的微观电池 金属与合金的晶粒与界面之间 各种不同的相之间的电极电位是有差异的 由此在电解质溶液中也可能导致形成微电池而产生局部腐蚀 图不锈钢的晶间腐蚀 例 渗碳体电极电位高 铁素体电极电位低 物理状态的不均匀性形成的微观电池 金属在加工或使用过程中往往产生部分变形或受力不均匀性 以及在热加工冷却过程中引起的热应力和相变产生的组织应力等 都会形成微观电池 一般情况下 应力大的部位成为阳极 因此在铁板弯曲处和铆接处容易发生腐蚀 另外 温差 光照的不均匀性也会引起微观电池的形成 金属表面膜不完整形成的微观电池 金属的表面一般都存在一层初生膜 如果这种膜不完整 有孔隙或破损 则孔隙或破损处的金属相对于表面膜来说 电极电位较负 成为微电池的阳极 故腐蚀将从这里开始 如 小孔腐蚀 点腐蚀 5 提高金属材料腐蚀的能力 减少原电池形成的可能 使金属材料具有均匀的单相组织 并尽可能提高金属材料的电极电位 尽可能减小两极之间的电极电位差 并提高阳级的电极电位 减少甚至阻隔腐蚀电流 使金属 钝化 即在表面形成致密的 稳定的保护膜 将介质与金属材料隔离 6 不锈钢的成分特点 碳含量耐蚀性要求愈高 碳质量分数应愈低 C与Cr形成碳化物 Cr Fe 23C6 在晶界析出 使晶界周围严重贫铬 W Cr 12 晶界区域电极电位 晶间腐蚀 加入CrW Cr 12 电极电位 加入Ni可获得单相奥氏体组织 加入Mo Cu等 提高钢在非氧化性酸中的耐腐蚀能力 加入Mn N等 部分代替Ni以获得奥氏体组织 并提高铬不锈钢在有机酸中的耐腐蚀性 加入Ti Nb等 同C形成稳定的碳化物 使Cr保留在基体中 避免晶界贫铬 从而减轻钢的晶界腐蚀 6 常用不锈钢 马氏体不锈钢1Cr13 2Cr13 3Cr13 4Cr13 热处理同结构钢 铁素体型不锈钢1Cr17 1Cr17TiW C 0 15 由于Cr质量分数高 钢为单相铁素体组织热处理 退火或正火状态下使用 奥氏体型不锈钢0Cr18Ni9Ti 1Cr18Ni9TiW C 0 1 奥氏体 铁素体双相不锈钢 牌号 合金元素的作用 Cr 提高钢基体的电极电位 提高耐腐蚀性 Ni 获得单相奥氏体组织 提高耐腐蚀性 Ti 与C形成碳化物 使Cr保留在基体中 避免晶界贫Cr 减轻钢的晶界腐蚀 奥氏体不锈钢的热处理工艺 a 固溶处理将钢加热到1050 1150 使碳化物充分溶解 然后水冷 获得单相奥氏体组织 提高耐蚀性 c 消除应力退火将钢加热到300 350 消除冷加工应力 加热到850 以上 消除焊接残余应力 b 稳定化处理主要用于含Ti或Nb的钢 一般在固溶处理后进行 将钢加热到850 880 使钢中Cr的碳化物完全溶解 而钛等的碳化物不完全溶解 然后缓慢冷却 让溶于奥氏体的碳与钛以碳化钛形式充分析出 这样 碳将不再同Cr形成碳化物 消除晶界贫Cr的可能 避免了晶界腐蚀的产生 2 耐热钢 用于加热炉 锅炉 燃气轮机等高温装置 1 用途 蠕变极限 钢在一定温度下 一定时间内产生一定变形量时的应力 蠕变 当受一定应力作用时 发生变形量随时间而逐渐增大的过程 持久强度 钢在一定温度下经一定时间引起断裂的应力 几个概念 碳质量分数不高 加入Cr Si或Al加入Mo W V Ti 3 成分特点 3 耐磨钢 4 典型的钢种 ZGMn13 车辆履带 挖掘机产斗等 1 用途 水韧处理 即将钢加热到1000 1100 保温 使碳化物完全溶解 然后在水中快冷 在室温获得均匀单一的奥氏体组织 表面硬度高 心部则仍然保持原来的高韧性 钢的韧性高 硬度低 当工件受冲击或强大的压力变形表面层产生加工硬化 发生马氏体转变 5 热处理特点 碳钢 合金钢部分的习题 1 说出Q235A 15 45 65 T8 T12等钢的钢类 碳质量分数 各举出一个应用实例 答 我国的低合金结构钢基本上不用贵重的Ni Cr等元素 而以资源丰富的Mn为主要合金元素 锰除了产生较强的固溶强化效果外 因他大大降低了奥氏体分解温度 细化了铁素体的晶粒 并使珠光体片变细 消除了晶界上的粗大片状碳化物 提高了钢的强度和韧性 2 为什么低合金高强钢用锰做为主要的合金元素 3 试述渗碳钢和调质钢的合金化及热处理特点 答 渗碳钢 碳质量分数一般为0 10 0 25 加入提高淬透性的合金元素Cr Ni Mn等 加入阻碍奥氏体晶粒长大的元素 主要是加入少量强碳化物形成元素Ti V W Mo等 热处理 渗碳后直接淬火 再低温回火 调质钢 碳质量分数一般为0 25 0 50 加入提高淬透性的合金元素Cr Ni Mn Si B等 加入防止第二类回火脆性的元素Mo W 热处理 淬火 高温回火 4 为什么合金弹簧钢以硅为重要的合金元素 为什么要进行中温回火 答 合金弹簧钢要有高的屈强比 Si的主要作用是提高淬透性同时也提高了屈强度比 所以合金弹簧钢以硅为重要的合金元素 进行中温回火是为了得到回火屈氏体组织 它具有很高的屈服强度 特别是弹性极高 并有一定的塑性和韧性 5 轴承钢为什么要用铬钢 为什么对非金属夹杂限制特别严格 答 铬提高了淬透性 形成合金渗碳体 Fe Cr 3C呈细密的均匀分布提高了钢的耐磨性 特别是抗疲劳强度 轴承钢中非金属夹杂物和碳化物的不均匀性对钢的性能 尤其是对接触疲劳强度影响很大 因为夹杂物往往是接触疲劳破坏的发源点 其危害程度与夹杂物的类型 数量 大小 形状和分布有关 6 简述高速钢的成分 热处理和性能特点 并分析合金元素的作用 答 成分 高碳 碳质量分数在0 7 以上 最高达1 5 加入Cr W Mo V等合金元素 热处理 高速钢锻后进行球化退火 淬火 三次回火 金元素的作用 加入Cr提高淬透性 W Mo保证高的热硬性 V能形成VC 非常稳定 难溶解 硬度高 提高钢的硬度和耐磨性 同时阻止奥氏体晶粒长大 细化晶粒 7 W18Cr4V钢的Ac1约为820 C 若以一般工具钢Ac1 30 50 C的常规方法来确定淬火加热温度 最终热处理后能否达到高速切削刀具所要求的性能 为什么 其实际淬火温度是多少 答 以一般Ac1 30 C 50 C 的方法来确定淬火加热温度 最终热处理后不能达到高速切削刀具所要求的性能 原因 高速钢中含有大量W Mo Cr V等难溶碳化物 它们只有在1200 C以上才能大量地溶于奥氏体中 以保证钢淬火 回火后获得