第六章 合金钢

第六章合金钢 前言 随着现代工业和科学技术的迅速发展 对钢的性能提出了越来越高的要求 例如 要求具有优良的综合力学性能 较高的淬透性 回火稳定型 还要求具有抗氧化 耐腐蚀 耐磨 无磁等特殊性能 碳钢不能满足上述的种种要求 必须采用各种合金钢 合金钢 在碳钢基础上 为了改善钢的某些性能 在冶炼时加上一些元素的钢 钢中加入的元素主要有 锰 硅 铬 镍 钨 钒 钛等 在钢的总产量中 合金钢所占的比重约10 15 它已称为发展现代科学技术极为重要的金属材料 第一节合金钢的分类合金钢类繁多 分类方法也很多 一 按化学成分分类1 按钢中所含合金元素的种类分为 锰钢 硅钢 铬钢 铬锰钛钢等 2 按钢中合金元素总含量可分为 低合金钢 合金元素总含量10 二 按用途分类1 合金结构钢2 合金工具钢3 特殊性能钢三 按金相组织分类主要按正火处理后的组织来分类 小尺寸的合金钢 D 25mm 在正火后可分别得到珠光体 铁素体 马氏体 奥氏体类组织 因此分别称为珠光体钢 马氏体钢 贝氏体钢和奥氏体钢 还有某些钢中加入合金元素后 在固态下只具有铁素体组织 这类钢称为铁素体钢 第二节合金元素在钢中的作用一 合金元素对钢中基本相的影响 一 形成合金铁素体几乎所有合金元素都可或多或少地溶入铁素体中 形成合金铁素体 由于合金元素与铁的晶格类型和原子半径的差异 必然引起铁素体晶格畸变 产生固溶强化 使铁素体的强度 硬度提高 但塑性和韧性有下降的趋势 二 形成合金碳化物在钢中能形成碳化物的元素有Fe Mn W V Ti等 根据合金元素与碳亲和力和元素在钢中含量的多少 钢中的合金碳化物可分为合金渗碳体和特殊碳化物两种类型 弱碳化合物形成元素 锰 或中强碳形成元素 铬 钼 钨等 在钢中含量不多时 一般倾向形成合金渗碳体 强碳形成元素 钒 钛等 或中强碳形成元素在钢中含量足够高时就形成特殊碳化物 在结构钢中 碳化物主要通过形成微细分散的颗粒来提高钢的强度 并借助难溶的碳化物来阻碍奥氏体晶粒长大 细化钢的晶粒来保证良好的韧性 工具钢中 碳化物除提高钢的硬度外 还增加工具的耐磨性 某些碳化物析出温度较高 400 600 在析出过程中会强化钢的基体 由此提高工具在热状态下的硬度 保证工具具有高的加工性能 三 形成合金奥氏体合金元素在加热时都能溶入奥氏体中 形成合金奥氏体 奥氏体合金化程度越高 固溶强化的效果越明显 因此 大部分合金钢在高温奥氏体状态下压力加工时 比碳钢的变形抗力大 二 合金元素对淬火钢回火转变的影响淬火钢的回火转变是属于扩散型转变 合金元素能使淬火钢在回火过程中的组织分解和转变速度减慢 即合金元素阻碍淬火钢在回火时的转变 一 提高淬火钢回火稳定性淬火钢在回火时 抵抗硬度 强度下降的能力称为回火稳定性 二 回火产生二次硬化现象当钢的回火温度升高到450 600 时 原先逐渐下降的硬度出现回升的现象称为二次硬化 钼钢就具有二次硬化 二次硬化是提高钢的热硬性 高温下保持高硬度的能力 HRC60 即红硬性 的主要途径 也是提高钢在高温下抗蠕变的主要原因 实际生产中 二次硬化对于需要较高热硬性的工具钢具有重要意义 第三节合金结构钢合金结构钢是在碳素结构钢基础上适当地加入一种或几种合金元素 如铬 锰 硅 钒 钛等 的结构钢 合金结构钢用于制造各种机器零件以及各种工程结构 如厂房构架 桥梁 车辆等 一 合金结构钢的分类和牌号合金结构钢按用途和热处理特点分为 低合金结构钢 渗碳钢 调质钢 弹簧钢 滚动轴承钢等几类 合金结构钢编号 两位数字 元素符号 数字 前面两位数字表示钢的平均含碳量的万分之几 合金元素化学符号或汉字表示 元素符合后面的数字表示该元素平均含碳量的百分之几 凡合金元素含量小于1 5 时 牌号中只表明元素符号 而不表明含量的百分之几 若含量大于1 5 则相应在元素后面标出2 3 如为高级优质钢 则在钢号后加 A 例如60Si2Mn 或60硅2锰 表示C 为0 6 Si 约为2 Mn小于1 5 又如 12CrNi3A表示含碳量为0 12 含Cr量小于1 5 含Ni量为2 5 3 5 的高级优质钢 滚动轴承钢是一类专用钢 为表示钢的用途 在钢号前加上 G 而不标出含碳量 G字后面为Cr 数字 Cr后元素表示含Cr的千分之几 其它元素仍用百分之几表示 如GCr15表示含Cr1 5 的滚动轴承钢 GCr15SiMn表示含Cr1 5 Si Mn少于1 5 的滚动轴承钢 合金结构钢的分类和牌号 二 低合金结构钢低合金结构钢是在普通低碳钢的基础上加入少量 小于3 合金元素 以提高强度和其它性能的钢种 产品同时保证化学成分和力学性能 广泛用于建筑 石油 化工 车辆 桥梁 造船 汽车等工业 一 化学成分低合金结构钢含碳量较低 一般为0 1 0 2 并以少量 0 8 1 8 的锰为主加元素 硅的含量较碳素结构钢高 0 2 0 55 常以铜 钛为辅加元素 二 性能特点1 具有较高的屈服强度与良好的塑性 韧性 通过合金元素 主要是锰 硅 的强化铁素体 细化铁素体晶粒 增加珠光体数量 以及加入能形成碳化物 氮化物的合金元素 钒 钛 产生弥散强化作用 2 具有良好的焊接性能 低合金结构钢含碳量低 合金元素少 塑性好 不易在焊缝区产生淬火组织及裂纹 且加入钛 钒还可以抑制焊缝区晶粒的长大 使它具有良好的可焊性 三 合金渗碳钢用于制造渗碳零件的钢称为渗碳钢 由于许多机器零件的工作条件比较复杂 一方面承受强烈的磨损和交变应力的作用 另一方面又经常承受较强冲击载荷 例如汽车齿轮 内燃机凸轮等 对这些要求较高的渗碳体应采用渗碳钢制造 而不太重要的渗碳体则采用低碳钢制造 渗碳钢的含碳量一般都很低 大约在0 10 0 25 之间 均属低碳钢范畴 这样低的含碳量可保证渗碳零件心部具有足够的韧性和塑性 合金渗碳钢淬透性高 零件心部的强度和硬度在热处理前后差别较大 即热处理能使合金钢渗碳零件的心部达到较显著的强化效果 四 合金调质钢调质钢通常是指经调质处理后使用的结构钢 对于不太重要的调质件一般采用碳素调质钢 如40 45 制造 而对于承受很大循环载荷与中级载荷或各种符合应力的零件 如机器传递动力的轴 连杆 齿轮等 要求具有较高的综合力学性能 即强度 硬度 塑性 韧性有良好的配合 应选用合金调质钢制造 大多数调质钢含碳量为0 25 0 5 含碳量过低 不易淬硬 回火后强度不足 过高则韧性不足 以强度 硬度为主的零件 含碳量应偏上限 要求较高塑性 韧性的零件 含碳量应偏下限 常用钢的含碳量为0 40 加入Mn Cr Ni等元素可增加钢的淬透性 尤其是几种元素混合使用 加入V Ti元素能阻止奥氏体的长大 起到细化晶粒的作用 加入W Cr Si能显著提高回火稳定性 第四节合金工具钢用于制造各种刃具 模具 量具等工具用钢称为工具钢 一 合金工具钢的分类与编号 一 合金工具钢的分类根据工具的用途可分为 1 刃具钢 用于制造各种刀具 如车刀 铣刀和钻头等 2 模具钢 用于制造各种模具 如冷冲模 冷挤模 热锻模 和压铸模 3 量具钢 用于制造各种量具 如块规 千分尺和样板等 二 合金工具钢编号合金工具钢的编号与合金结构钢大体相同 区别在于用一位数字表示平均含碳量的千分之几 当含碳量 0 1 则不予标出 如9SiCr钢 其平均含碳量为0 9 Si Cr含量都小于1 5 又如Cr12MoV钢 其平均含碳量为1 45 0 70 因大于1 所以不标出 该钢Cr含量约为12 Mo V含量都小于1 5 二 合金刃具钢用于制造各种切削工具 刃具钢有以下要求 高的硬度和耐磨性 高的红硬性 足够的强度与韧性 三 模具钢模具是机械 汽车 仪表和无线电等工业中主要加工工具 模具的质量与使用寿命直接影响产品的精度 产量及成本 根据工作条件的不同 模具钢可分为冷作模具钢 热作模具钢 四 量具钢用于制造各种量具 如块规 千分尺和样板等 其在使用过程中主要磨损而失效 几乎不承受载荷 所以对量具钢要求高的硬度和耐磨性 还要求尺寸精确和稳定 第五节特殊性能钢所谓特殊性能钢是指具有某种特殊物理 化学性能的合金钢 如不锈耐酸钢 耐热钢和耐磨钢和电工硅钢等 一 不锈耐酸钢不锈耐酸钢包括不锈钢和耐酸钢 能抵抗大气腐蚀的钢称为不锈钢 而在一些化学介质中能抵抗腐蚀的钢称为耐酸钢 通常将这两类钢统称不不锈钢 一般不锈钢不一定耐酸 而耐酸钢一般都具有良好的耐腐蚀性 金属表面因受外部介质作用 而逐渐破坏的现象称为腐蚀或锈蚀 腐蚀可分为化学腐蚀和电化学腐蚀 二 耐热钢所谓耐热性 指材料在高温下兼有抗氧化与热强性 高温强度 的综合性能 钢的抗氧化性 指在高温空气或其它燃烧气体作用下 钢能抵抗氧气侵蚀而不起皮和剥落的能力 具有较好抗高温氧化性能和热强性的特殊钢称为耐热钢 它包括抗氧化钢和热强钢两类 三 耐磨钢耐磨钢是指在强烈冲击载荷作用下发生硬化具有高耐磨性的钢种 一般使用的耐磨钢主要是高锰钢 四 电工硅钢 软磁钢 电工硅钢又称软磁钢 它是发展电力工业和电讯工业的关键材料 起着电磁转换的介质作用 主要用来制造各种电