工业用钢(钢的分类、结构钢、工具钢).ppt

第6章工业用钢 为满足减速器的设计要求 各组成零件应选择什么样的材料 工程材料分为哪几种 有什么样的特点 主要内容 6 1钢中常存杂质与合金元素6 2钢的分类及编号6 3结构钢6 4工具钢6 5特殊性能钢 一般认为 Mn和Si为钢中的有益元素 6 1 1钢中常存杂质对其性能影响 Mn与S形成MnS 1620 粒状分布在晶内 钢中的MnS夹杂 合金晶界的低熔点硫化物 比利时阿尔伯特运河钢桥因磷高产生冷脆性 于1938年冬发生断裂坠入河中 S P多 脆性大 有害元素 S P有利的一面 若含量适当可提高钢的切削性能 S 0 05 P 0 045 易切削钢 改善切削加工性 激光制导炮弹 H 以原子态溶解于钢中 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 俗称白点 钢中白点 钢的氢脆断口 5 气体元素 6 2 1钢的分类1 按化学成分 6 2钢的分类及编号 非合金钢 2 按冶金质量 3 按显微室温组织 特点 强度 塑性 韧性较好 又具有良好的工艺性能和较低的价格 因而得到广泛应用 80 工业用钢指 碳钢 含碳量低于2 11 的铁碳合金 合金钢 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而得到的钢种 右图 自左向右 随着含碳量增加 组织中的渗碳体 FeC3 数随之增加 4 按用途分 调质处理 6 1 2钢的编号 1 碳钢 牌号 Q屈服强度值 质量等级符号 脱氧方法符号 1 碳素结构钢 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 Q表示屈服强度 单位是MPa 质量等级符合 A B C D E 由A E P S含量依次下降 质量提高 镇静钢 脱氧完全钢 组织致密 成分均匀 力学性能好 如Q235A F 沸腾钢 脱氧不完全钢 凝固前产生大量CO气泡 引起沸腾 其成分组织不均匀 强度较低 不适于制造重要零件 常用普通碳素结构钢的牌号 化学成分 Q195 Q215 Q235A Q235B等钢塑性较好 有一定强度 通常轧制成钢筋 钢板 钢管等 可用于桥梁 建筑物等构件 也可用做普通螺钉 螺帽 铆钉及垫圈等 Q235C Q235D可用于重要焊接结构 如锅炉 容器等 Q255 Q275强度较高 可轧制成型钢 钢板等 用于承受中等载荷的零件 如转轴 链轮及螺纹钢筋等 常用牌号及用途 特点 含碳量低 硫磷含量高 其塑性高 可焊性好 热处理 一般不用热处理 常轧制成棒 板 型钢或以钢锭供应 在某些场合可进行正火 调质 渗碳等处理 以提高其使用性能 碳素结构钢是目前产量最大 使用最多的钢种 约占钢材70 1 碳素结构钢 2 优质碳素结构钢 牌号 用两位数字表示 两位数字表示钢中平均含碳量万分之几 如45钢 平均含碳量为0 45 的优质碳素结构钢 若钢中含Mn量为较高 0 7 1 0 在两位数字后加元素符号 Mn 如60Mn 对于沸腾钢和半镇静钢 在钢号后分别加字母F和b 如08F 10b 高级优质钢在钢号后加字母A 如20A 08F 10F 15F 15 20 25等属于低碳钢 强度 硬度低 塑性 韧性好 具有良好的锻压性能和焊接性能 08F 10F主要用于制造冲压件和焊接件 如壳 盖 罩等 15F主要用于钣金件 15 20钢属于渗碳钢 常用于制造齿轮 销钉 小轴 螺钉 螺母等 其中 20钢用量最大 优质碳素结构钢常用牌号及用途 成分特点 含碳量高 0 08 0 85 齿轮 曲轴 常用牌号及用途 30 35 40 45 50及55等属于中碳钢 经调质处理后 可获得良好综合机械性能 且具有良好的切削加工性 主要用于制造轴类 齿轮等零件 如曲轴 传动轴 连杆等 其中 45钢应用最广泛 60 65 70 75等属于高碳钢 经淬火 中温回火后具有较高的强度 弹性 硬度和耐磨性 但塑性韧性较差 其焊接性 可切削加工性及冷变形塑性低 主要用于制造弹簧 轧辊 凸轮等耐磨工件与钢丝绳等 其中 65钢是最常用的弹簧钢 3 碳素工具钢 锉刀 丝锥 牌号 T 数字组成 字母 其数字表示平均含碳量的千分之几 如T8 其平均含碳量为0 8 若钢中含Mn量为较高 钢号后加元素符号 Mn 如T8Mn高级优质钢在钢号后加 A 如T12A 成分特点 含碳量高 0 65 1 35 低S P 塑性 韧性差 热处理 球化退火 淬火 低温回火 用途 制造各种量具 刃具 模具 工具钢是用于制造刃具 量具和模具的钢种 刃具 量具 模具 2 热处理特点 球化退火降低硬度 改善组织 为切削加工和淬火作组织准备 淬火 低温回火获得回火马氏体 粒状渗碳体及少量残余奥氏体组织 以达到工具所要求的高硬度 60HRC左右 和高耐磨性 T12钢球化退火前显微组织 T12钢淬火后的显微组织 3 常用牌号及用途由于碳素工具钢热硬性 淬透性差 只用于制造小尺寸的手动工具和低速刃具 T7 T8 用于制造要求具有较高韧性的工具 如木工用的冲子 凿子 锤子等 木工凿 T9 T10 T11钢用于制造要求较低韧性 较高硬度的工具 如小钻头 冲模 手丝锥等 丝锥 钻头 木工钻 T12 T13钢用于制造要求具有高硬度和耐磨性的工具 如锉刀 锯条 量规等 锉刀 手锯条 量规 碳素工具钢的牌号 化学成分及热处理如表6 11所示 光面量规 4 铸钢 牌号 ZG 组成 ZG表示铸钢 其后数字分别表示最低屈服强度和抗拉强度 如ZG200 400表示屈服点 s 或 0 2 200Mpa 抗拉强度 b 400MPa的铸造碳钢 铸钢主要用于制作受力不大且要求一定韧性的各种机械零件 如机座 变速箱壳等 2 合金钢 2 合金钢 1 性能特点 1 低合金高强度结构钢 高强度 可减轻结构重量 节约钢材 比采用普通碳结构钢节约15 钢材 足够的塑性 韧性及良好的焊接性能 良好的耐蚀性及低的韧脆转变温度 在低碳钢基础上加入少量 5 的合金元素而得到的钢种 其含wS wP均 0 045 主要用来制造强度要求较高的工程结构 如桥梁 船舶 压力容器 机车车辆 房屋 输油管道 锅炉等 南京长江大桥 2 成分特点 低碳 wC 0 2 以保证良好塑性 韧性和焊接性能 合金元素 Mn 强化铁素体 降低冷脆转变温度 增加珠光体的量 提高强度 V Ti Nb等主要起细晶强化作用 RE可提高韧性 疲劳极限 降低冷脆转变温度 3 热处理大多数在热轧空冷状态下使用 其组织为F S 4 常用牌号及用途Q345 16Mn 钢综合性能好 用于船舶 桥梁 车辆及建筑结构 应用最广泛等 Q390钢含V Ti Nb 强度高 用于中等压力压力容器 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 大型船舶及重要桥梁 船舶 桥梁 储气罐 车辆 2 合金工具钢 1 性能特点 表硬里韧 具有高的淬透性和渗碳能力 2 成分特点 低碳 0 10 0 25 合金元素 渗碳钢 指经渗碳 淬火 低温回火后使用的钢种 提高淬透性 Cr Mn Ni B 细化晶粒 W Mo Ti V 3 热处理特点渗碳件一般的工艺路线为 下料 锻造 正火 机加工 渗碳 淬火 低温回火 磨削正火 改善锻造组织 调整硬度 便于切削加工 渗碳 增加表面含碳量 淬火 提高硬度和耐磨性 低温回火 保持高硬度 降低脆性 使用状态下组织 表层 高碳回火马氏体 粒状碳化物 少量残余奥氏体 硬度为58 64HRC 心部 低碳回火马氏体 少量铁素体与屈氏体 硬度为35 45HRC 如CA 10B载重汽车变速箱中间轴的三挡齿轮选用20CrMnTi材质 其工艺路线为下料 锻造 正火 车削 加工齿形 渗碳 淬火 低温回火 磨削加工 磨齿 下料 锻造 正火 机加工 渗碳 淬火 低温回火 磨削 4 常用牌号及用途 低淬透性合金钢如20Cr 20Mn2等 其淬透性差 渗碳淬火后 心部强韧性较低 只要用于受力尺寸较小耐磨件 如活塞销 凸轮轴等 活塞销 凸轮轴 中淬透性合金钢如20CrMnTi 20SiMnVB等 其淬透性较好 主要用于制造承受中等载荷 要求足够冲击韧性和耐磨性的零件 如汽车 拖拉机的变速齿轮 离合器轴等 齿轮 高淬透性合金钢 如20Cr2Ni4A 18Cr2Ni4WA等 其淬透性好 主要用于制造大截面 承受高负荷的重要耐磨件 如飞机 坦克中的曲轴 齿轮等 增压柴油机曲轴 1 性能特点 良好的综合力学性能 良好的淬透性 2 成分特点 中碳 0 25 0 5 合金元素 强化铁素体 提高淬透性 Mn Si Cr Ni B 细化晶粒 防止第二类回火脆性 W Mo V 6 3 5调质钢 指经过调质处理 淬火 高温回火 后使用的钢种 主要用于制造受力复杂 要求综合力学性能好的重要零件 如精密机床的主轴 汽车的后桥半轴 发动机曲轴 连杆等 常用调质钢的调制处理规范及其力学性能 3 热处理特点调质件一般的工艺路线为 40Cr拖拉机连杆螺栓下料 锻造 退火 粗加工 调质 精加工 装配退火 调整硬度 改善锻件组织 性能 消除缺陷 为切削加工和淬火作好组织上的准备 调质 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 4 常用钢号及用途 低淬透性钢 常用40Cr 40MnB等 用于制造截面尺寸较小的齿轮 轴 螺栓等 中淬透性钢 常用35CrMo 40CrNi等 用于制作截面尺寸较大 承受较大载荷零件 如大型发动机曲轴 连杆等 高淬透性钢 常用40CrNiMo 37CrNi3等 用于制造大截面承受重载荷零件 如航空发动机曲轴 汽轮机主轴等 连杆 曲轴 螺杆 1 性能特点 高的 s s b 以保证承受大的弹性变形和较高载荷 高的 1 以避免产生疲劳破坏 足够的塑性 韧性 6 3 6弹簧钢 弹簧作用 利用弹性变形储存能量 传递力与缓和冲击和振动 或与其他零件相配合控制某一工作过程 如钟表中发条 指用于制造弹簧或其他弹性零件所使用的钢种 2 成分特点 含碳量较高 碳钢0 6 0 9 C 合金钢0 45 0 7 C 合金元素 提高淬透性 强化铁素体 Mn Si 细化晶粒 减小脱碳和过热敏感性 Cr W V 3 热处理特点 冷成型弹簧冷拉 淬火 中温回火 冷卷成形 去应力退火 成品 用于截面尺寸10mm大型弹簧 如汽车板簧 火车螺旋弹簧 汽车板簧 火车螺旋弹簧 4 常用钢号及用途 Si Mn弹簧钢如65Mn 60Si2Mn 用于制造截面尺寸 25mm的弹簧 如汽车 拖拉机 火车的板簧和螺旋弹簧等 Cr V弹簧钢如50CrV 用于制造在350 400 C下工作大截面 30mm 大载荷的耐热弹簧 如高速柴油机的气门弹簧 阀门弹簧等 6 3 7滚动轴承钢 1 性能特点 高硬度和高耐磨性 高的弹性极限和接触疲劳强度 足够的韧性 淬透性和抗耐蚀性 滚动轴承钢是指用来制造各种滚动轴承的滚动体及内外套圈的专用钢种 也可用于制作形状复杂的工具 冷冲模具 精密量具以及要求硬度高 耐磨性高的结构零件 推力球轴承 滚针轴承 2 成分特点 高碳 0 95 1 15 C 合金元素 Cr 提高淬透性 接触疲劳强度 耐磨性和耐腐蚀性 Si Mn V 进一步提高钢的淬透性和强度 当wCr 1 65 时 会因残余奥氏体量的增加而使硬度和稳定性下降 3 热处理特点 球化退火获得球状珠光体 降低硬度 改善切削加工性并为淬火做好组织上的准备 淬火 低温回火这是决定轴承钢性能的关键 最终得到细针状的回火马氏体 颗粒状碳化物与少量残余奥氏体组织 硬度为62 66HBC 淬火后冷处理 60 80 进一步减少残余奥氏体和消除内应力 稳定尺寸 4 常用钢号及用途 含铬轴承钢GCr9 GCr15的淬透性较低 主要用于制作中 小型滚动轴承及冷 冲模 量具 丝杠等 GCr9SiMn GCr15SiMn的淬透性较高 主要用于制作大型滚动轴承 无铬轴承钢如GMnMoVRE等 向心球轴承 圆柱滚子轴承 自动调心球轴承 6 3 8易切削钢 易切削钢是指为改善钢的切削加工性而特意加入一定量的硫 磷 铅及钙等附加元素的钢种 热处理特点 一般不用热处理 经冷镦 冷轧等冷压力加工和切削加工制成零件 主要用于制造受力较小 尺寸精度高 表面粗糙度低的仪器 仪表中的零件 标准件及普通机床丝杠等 常用的易切削钢的牌号和化学成分如表6 10所示 易切削钢的成分和力学性能 6 4 1量具刃具钢 1 性能特点 高硬度和高耐磨性 足够的强度和韧性 较高的淬透性 量具刃具钢是指用于制造一般量具 如千分尺 塞规 和切削速度较低的刃具 如铰刀 丝锥 等所使用的钢种 千分尺 卡尺 矩形花键环规 塞规 2 成分特点 1 高碳0 8 1 10 以保证高硬度和高耐磨性要求 2 低合金含量小于5 主要作用是提高淬透性和回火稳定性 3 热处理特点 1 球化退火2 淬火 低温回火最终获得回火马氏体 粒状碳化物和少量残余奥氏体组织 硬度为60 62HRC 与碳素工具钢相比 淬透性明显提高 可采用油淬 且淬火变形 开裂倾向性小 4 常用钢号及用途 板牙 9SiCr 用于制造形状复杂 淬火变形小的低速切削工具 如板牙 丝锥 铰刀等 扳手 丝锥 Cr12 常用于制造精度较低的量具 如塞规 平尺 量柱等 塞规 常用量具刃具钢牌号9SiCr GCr15 6 4 3冷作模具钢用于制造金属在冷态下变形模具 如冷冲模 冷镦模等 1 成分特点高碳 高合金2 性能特点 高硬度和耐磨性 60HRC 高的强度 疲劳强度和一定的韧性 良好的工艺性能 淬透性 切削加工性等 热处理变形小 保证尺寸精度 常用冷作模具钢牌号Cr12 Cr12MoV 3 热处理淬火 低温回火或碳氮共渗使用状态下的组织 M回 粒状碳化物 A 少量 4 常用牌号及用途9Mn2V钢常用于制造截面尺寸较大 形状较复杂的冷作模具 Cr12MoV用于制造承受重负荷 形状复杂大型的冷作模具 冷镦模具 冷冲模具 1 性能特点 较高的强度 韧性 及足够耐磨性和硬度 40 50HRC 良好的抗热疲劳性 导热性 回火稳定性及淬透性 热作模具钢是指利用热锻模 热挤压模及压铸模等使热态金属成形的模具钢 通常工作温度 600 C 6 4 4热作模具钢 2 成分特点1 中碳 0 30 0 6 保证良好的强度 韧性 2 合金元素 10 提高淬透性 Mn Si Cr Ni 提高回火稳定性 减少第二类回火脆性 W Mo V 提高抗热疲劳性能 高Cr 高W 汽车四缸压铸模 热作模具钢调质处理 回火索氏体或回火屈氏体组织 热压模具钢淬火后在略高于二次硬化峰值温度 600 C左右 回火最终组织 回火马氏体 粒状碳化物和少量残余奥氏体 3 热处理 常用热作模具钢牌号5CRMnMo 5CrNiMo 4Cr5MoSiV 4 常用牌号及用途 热锻模具钢5CrNiMo主要用于制造形状复杂 承受重载荷大型热锻模 5CrMnMo主要用于制造中小型热锻模 普通热锻模具 热压模具钢 压铸模 4Cr5MoSiV 4Cr5MoSiVl 4Cr5W2VSi等钢具有高的淬透性和回火稳定性 在400 500 C温度下工作仍具有良好的强韧性 主要用于制造热压模具 6 4 6高速钢 俗称风钢 制造高速切削刃具的高合金工具钢 1 性能特点 高热硬性600 时硬度仍保持在55 60HRC 高淬透性空冷即可淬火 俗称 风钢 2 成分特点 高碳 0 70 1 5 C 高合金 10 提高淬透性及回火稳定性 Cr 提高热硬性 耐磨性 W Mo V 3 铸态组织与锻造高速钢是莱氏体钢 其铸态组织为粗大的鱼骨状合金碳化物 脆性大且不能用热处理来消除 只能进行反复轧制或锻造 才能击碎 使之均匀分布在基体上 W18Cr4V钢铸态组织鱼骨状Ld 与树枝状M T W18Cr4V钢退火组织S 粒状或小块碳化物 W18Cr4V钢淬火组织M 粒状碳化物 A 4 热处理 球化退火降低硬度 改善组织 消除应力 为切削加工和淬火做好组织上准备 退火后组织 S 粒状或小块碳化物 淬火获得高硬度和高耐磨性 淬火后组织 M 粒状碳化物 A 高温回火 560 三次回火 消除内应力 稳定组织 回火后的组织 M回 粒状碳化物 A W18Cr4V钢淬火 回火后的组织 W18Cr4V插齿刀的热处理工艺如图所示 W18Cr4V钢 其热硬性较高 过热敏感性较小 磨削加工性较好 但热塑性差 碳化物粗大 适用于制造一般的高速切削用车刀 刨刀 钻头及铣刀等 5 常用牌号及用途 车刀 铣刀 钻头 W6Mo5Cr4V2钢 其热塑性良好 碳化物分布比较均匀 耐磨性高 但热硬性较差 易脱碳和过热 广泛用于制造轮铣刀 插齿刀 麻花钻头等刃具 齿轮滚刀 插齿刀 轮铣刀 麻花钻 W9Mo3Cr4V 近几年研制的新钢种 既保留了W18Cr4V钢良好的热塑性 又克服了W6Mo5Cr4V2钢脱碳倾向性大的缺点 且硬度比较高 是很有发展前途的钢种 用于制作各种切削刀具和冷 热模具 5 常用牌号及用途 切削刀具 冷镦模具 6 5特殊性能钢 特殊性能钢是指具有某些特殊的物理 化学性能 用来制造在特殊环境及工作条件下所使用的钢种 6 5 1不锈钢 在自然环境或一定工业介质中具有耐腐蚀性能钢 1 金属的腐蚀 1 化学腐蚀金属与外界介质直接产生化学反应的腐蚀 2 电化学腐蚀金属与电解质溶液接触发生作用而引起的腐蚀 化工管道的腐蚀 防止电化学腐蚀的措施 获得均匀的单相组织 减少原电池形成的可能性 提高阳极的电极电位 减少两极的电极电位差 加入Cr Al等 使表面形成致密的钝化膜 电化学腐蚀的主要原因 由于不同电极电位的金属在电解质溶液中形成原电池 使低电极电位的阳极被腐蚀 高电极电位的阴极被保护 从而导致金属的电化学腐蚀 2 成分特点 含碳量耐腐蚀性要求越高 含碳量越低 合金元素Cr 决定耐蚀性好坏的最主要元素 Ni 与Cr配合提高耐腐蚀性同时可提高强度 Mo 提高钢在非氧化性酸中的耐腐蚀能力 Ti Nb 防止钢的晶间腐蚀 晶间腐蚀是沿晶粒周界发生腐蚀的现象 危害很大 这是由于Cr23C6析出于晶界 使晶界附近Cr含量降到12 以下 从而在介质作用下发生强烈腐蚀 加Ti Nb会优先与C形成稳定的碳化物 避免晶界贫Cr 奥氏体不锈钢晶界的Cr23C6析出 晶间腐蚀 3 常用不锈钢 1 马氏体不锈钢 1Cr13 2Cr13热处理 调质处理 其组织 S回 具有良好的综合力学性能 常用于制作塑韧性较高的耐蚀件 如汽轮机叶片等 不锈钢制涡轮叶片 4Cr13热处理 淬火 低温回火 使用状态下的组织 M回 主要用于制作高硬度高耐磨的医疗器械 餐具及量具等 手术剪 量具 2 铁素体不锈钢典型钢号如1Cr17 1Cr17Ti等 成分 低碳高铬 只能正火或退火 不能淬火强化 组织 单相铁素体 性能特点 强度较低 耐酸蚀性及塑性很好 主要用于制造耐蚀性要求很高而强度要求不高的构件 如化工设备 容器和管道 食品工厂等 3 奥氏体不锈钢主要是Cr18Ni9型钢 18 8 成分特点 低碳高铬高镍 组织 单相奥氏体 性能特点 高的耐蚀性 塑性和韧性 良好的冷加工性能及焊接性能 用途 广泛用于制造化工设备中的构件和零件 抗磁仪表 医疗器械等 奥氏体不锈钢热处理 固溶处理将钢加热到1050 1150 使碳化物充分溶解后水冷 获得单相奥氏体组织 提高耐蚀性 稳定化处理加热到850 880 使铬中碳化物溶解 然后缓冷 使碳与钛形成碳化钛 避免铬同碳形成碳化物 以消除晶界贫铬的可能 避免了晶间腐蚀的产生 去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 4 其他类型不锈钢 1 双相不锈钢典型钢号如0Cr26Ni5Mo2 03Cr18Ni5Mo3Si2等 特点 这类钢的组织由奥氏体和铁素体两相组成 其晶间腐蚀和应力腐蚀倾向小 强韧性和可焊性较好 应用 可用于制造化工 化肥设备及管道 海水冷却的热交换设备等 2 沉淀硬化不锈钢典型钢号 0Cr17Ni7Al 0Cr15Ni7Mo2Al 经固溶 二次加热及时效处理后 组织为在奥氏体 马氏体基体上分布着弥散的金属间化合物 应用 主要用做高强度 高硬度且耐腐蚀的化工机械和航天用的设备 零件等 1 性能要求 高的抗氧化性指钢在高温下对氧化作用的稳定性 钢中加入Cr Si Al可形成致密稳定的氧化膜 阻碍氧进一步扩散 提高抗氧化性 6 5 2耐热钢 耐热钢是指在高温下具有