机械工程材料-工业用钢

2020 4 15 1 机械工程材料工业用钢 河北工业大学材料学院 2020 4 15 2 工业用钢 1钢的分类及编号 2合金元素在钢中的作用 3结构钢 4工具钢 5特殊性能钢 2020 4 15 3 1钢的分类及编号 一 钢的分类 一 按用途划分1 结构钢 机械零件和工程用钢 2 工具钢 刃具 模具 量具用钢3 特殊性能钢 不锈钢 耐热钢 耐磨钢 2020 4 15 4 1 碳素钢 1 低碳钢 C 0 25 2 中碳钢 0 25 C 0 6 3 高碳钢 C 0 6 2 合金钢 1 低合金钢 M总 5 M总 为合金元素总量 2 中合金钢 5 M总 10 3 高合金钢 M总 10 二 按化学成分划分 1 普通钢 P 0 045 S 0 055 2 优质钢 P S 均 0 040 3 高级优质钢 P 0 035 S 0 030 三 按钢的质量划分 2020 4 15 5 碳 素 钢分类 1 普通碳素结构钢2 优质碳素结构钢3 碳素工具钢4 铸造碳钢 2020 4 15 6 一 普通碳素结构钢 钢号 Q195 Q215 Q235 Q255 Q275五个强度级别牌号 Q 数字 质量等级 脱氧方法质量分A B C D级 D级S P含量最低 1 Q 字表示屈服强度之义 Q195表示屈服强度为195Mpa 2 A B C D表示钢材质量等级不同 A表示P S质量分数最高 D表示P S质量分数最低 3 F 表示沸腾钢 b 表示半镇静钢 不标注 F b 者为镇静钢 如 Q235 A F表示屈服强度235MPa的A级沸腾钢 2020 4 15 7 普通碳素结构钢的牌号 主要成分 力学性能及用途 2020 4 15 8 普通碳素结构钢 应用 含碳量较低 一般在0 06 0 38 范围内 焊接性能 塑性 韧性好 价格低 通常轧制成钢板 钢带 型钢 棒钢等各种型材 用于桥梁 建筑等工程构件和要求不高的机械零件 这类钢主要保证机械性能 2020 4 15 9 二 优质碳素结构钢 钢号 08F 10F 15F 08 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 间隔 及15Mn 20Mn 25Mn 30Mn 35Mn 40Mn 45Mn 50Mn 55Mn 60Mn 65Mn 70Mn牌号是两位数字 表示钢的平均含碳量 单位是万分之一 如钢号45 表示平均含碳量为0 45 的优质碳素结构钢 若钢中锰含量较高 则在钢号后附以符号 Mn 如45Mn等 含Mn 为0 35 0 6 时将Mn标出 专门用钢在钢号后加字母 如20g钢为锅炉用钢优质碳素结构钢主要用来制造各种机器零件 2020 4 15 10 三 碳素工具钢 钢号 T7 T8 T9 T10 T11 T12 T13含碳量 在0 65 1 35 之间 以千分之一表示含碳量 T8钢为C 0 8 为 碳 字 含Mn 为0 35 0 60 时将Mn标出 如T8Mn钢 碳素工具钢都是优质钢 钢号后的 A 字表示高级优质钢 如T8A 2020 4 15 11 碳素工具钢 应用 碳素工具钢用来制造各种量具 刃具 模具等 T7 T8硬度高 韧性较高 可制造冲头 凿子 锤子等工具 T9 T10 T11硬度更高 韧性适中 制造钻头 刨刀 丝锥 手锯条等刃具及冷作模具等 T12 T13硬度很高 韧性较低制作锉刀 刮刀等刃具及量规 样套等量具 碳素工具钢使用前都要进行热处理 2020 4 15 12 四 铸造碳钢 铸钢有两种编号方法 机器零件用铸造碳钢的牌号由 ZG 碳钢的牌号组成 例如 ZG45 ZG15等 工程用铸钢的牌号由 ZG 铸钢 的汉语拼音字首 最小的屈服强度值 最小的抗拉强度值组成 例如ZG200 400表示屈服强度为200MPa 抗拉强度为400MPa的工程用铸钢 2020 4 15 13 合金钢 1 合金结构钢2 合金工具钢3 特殊性能钢 2020 4 15 14 合金结构钢编号规则 钢号由三部分组成 数字 元素 数字钢号前的两位数字表示平均含碳量 以万分之几表示 合金元素以汉字或化学元素符号表示 合金元素后的数字表示含合金元素量 M 以百分之几表示 如果平均M 1 5 时一般不标明含量数字 如果M 1 5 2 5 3 5 4 5 时分别标以2 3 4 5 如36Mn2Si 平均约0 36 C 1 5 1 8 Mn 0 4 0 7 Si 合金结构钢均是优质钢 若是高级优质钢 在钢号后加以 A 字 例如 38CrMoAlA钢 0 38 C 含Cr Mo Al 均 1 5 60Si2Mn 40Cr 20MnVB等 2020 4 15 15 合金工具钢 编号规则与合金结构钢大体相同 不同之处在于含碳量的表示方法 若含C 1 0 时 在钢号前不标含碳量数字 如Cr12钢 C 1 0 如CrMn钢 平均碳含量约1 3 1 5 含C 1 0 时 以千分之几 一位数字 表示含碳量 如9CrSi钢 C 0 9 9Mn2V 0 85 0 95 C 1 7 2 0 Mn 0 1 0 25 V合金元素以百分之几表示 方法与合金结构钢相同 2020 4 15 16 特殊性能钢 特殊性能钢 如不锈钢 耐热钢 与工具钢表示碳含量方法相同 也以千分之一为单位的一位数字表示碳含量 以百分之一表示含合金元素量 1Cr18Ni9Ti钢 C 0 1 Cr 18 Ni 9 Ti 1 5 但若含碳量 0 03 及 0 08的钢 在钢号前分别冠以 00 及 0 如00Cr18Ni10 0Cr18 2020 4 15 17 特例 铬滚动轴承钢 在钢号前注明 滚 或 G 其后为Cr 数字 数字表示含Cr量的千分之几 例如 GCr15钢 Cr 为1 5 低Cr工具钢 小于1 以千分之几表示Cr含量 并在数字前加 0 以示区别 如平均含Cr量为0 6 的低Cr工具钢的钢号为Cr06 在高速钢的钢号中 一般不标出含碳量 只标出合金元素平均含量的百分之几 如W18Cr4V 0 7 0 8 C W6Mo5Cr4V2 含0 8 0 9 C 2020 4 15 18 一 固溶态形式 大多数合金元素都固溶于F A M中 并产生固溶强化 如 Si Mn Ni等非碳化物元素常常以固溶态形式存在 一 合金元素在钢中的分布 2合金元素在钢中的作用 2020 4 15 19 二 当合金元素含量超过了溶解度极限后将形成金属化合物 WC VC TiC等间隙相 Fe3C Cr7C3等间隙化合物 三 合金元素溶入Fe3C可形成特殊碳化物或合金渗碳体 合金渗碳体 Fe Cr 3C Fe Mn 3C特殊碳化物 Fe Cr 7C3 Fe Cr 23C6 2020 4 15 20 二 合金元素与Fe的作用 除Pb外 合金元素均可与Fe形成合金F或合金A 1 扩大 相区的合金元素 A稳定化元素 A3 A1点 完全扩大 区的元素 Mn Ni Co 能与 Fe形成无限固溶体 如1Cr18Ni9Ti钢 高温 低温都是A组织 A3点降到室温以下 部分扩大 区的元素 C N Cu 部分溶于 Fe 在a Fe中的溶解度更小 2 缩小 相区的合金元素 扩大F 称铁素体稳定化元素 A3 A1 完全封闭 相区的元素 Cr Mo W V Ti Al Si 如1Cr17Ti为F不锈钢部分缩小 相区的元素 B Nb Zr等 2020 4 15 21 三 合金元素与碳的相互作用 1 非碳化物元素Ni Co Cu Si Al N B等 一般为固溶态形式存在于F和A中 2 碳化物元素 与碳的亲合力由左向右增强 Mn Cr Mo W V Nb Zr TiMn与C的亲合力较弱 少部分溶于Fe3C中 大部分溶于F或A中 Cr Mo W 含量低时 形成合金渗碳体 含量高时 形成合金碳化物 V Nb Zr Ti 形成特殊碳化物 稳定性最高 2020 4 15 22 一 扩大A相区的元素使A3 缩小A相区的元素使A3 二 扩大A相区的元素使S点 缩小A相区的元素使S点 所有合金元素均使S点左移 如 4Cr13钢 3Cr2W8V钢都属于过共析钢 40钢与40Cr钢 退火后的组织性能 40Cr钢的强度 硬度均比40钢高 原因是40Cr钢组织中的P 大于40钢 S点左移的结果 四 合金元素对Fe C相图的影响 2020 4 15 23 一 强碳化物元素Ti V Zr Nb W Mo等阻止A晶粒粗化 碳化物阻止晶界迁移 因此可以细化晶粒 如 W18Cr4V钢 1280 加热 晶粒度9级 二 非碳化物元素 Si Ni Cu对晶粒长大影响不大 而Mn P B 使A1 加热易于过热 促进晶粒长大 如 T8Mn钢加热非常易于过热 五 合金元素对加热相变的影响 影响奥氏体晶粒度 2020 4 15 24 一 合金元素对C曲线的影响 除Co元素外固溶于A中的合金元素都使C曲线右移 推迟P和B转变 vk 提高了钢的淬透性 二 合金元素对M相变的影响 除Co Al元素外 固溶于A中的合金元素 均使Ms 同时使组织中的M条 M片 六 合金元素对冷却相变的影响 对P B M转变 2020 4 15 25 三 对淬火钢回火转变的影响 提高回火稳定性 淬火钢在回火时抵抗软化的能力称为回火稳定性 Me推迟M分解和A 的转变 提高F再结晶温度 使碳化物难以聚集长大 提高了回火软化的抗力 产生二次硬化 一些Mo W V含量较高的钢在回火时 硬度不是随回火温度的升高单调降低 而是到某一温度 约400度 后反而开始增大 并在另一更高温度 一般为550度 达到峰值 这种现象称为回火过程中的二次硬化 产生原因 1 二次淬火 A M 2 沉淀硬化 回火时在450度以上渗碳体溶解 开始析出弥散稳定的Mo2C W2C VC 使钢的硬度升高 3 回火脆性 第一类回火脆性 Cr Mn Ni促进脆性 Mo W V Al减弱脆性 Si使回火脆性温度提高 第二类回火脆性 Mn Si Cr Al V P Cu增加脆性 Ti Nb Zr不改变脆性倾向 Mo W减小脆性 2020 4 15 26 七 对钢性能的影响 钢的强化机制 固溶强化 细晶强化 第二相强化 位错强化淬火 1 淬火马氏体中溶有过饱和的碳和合金元素 固溶强化 2 M形成时产生高密度位错 位错强化 3 A M形成细小的M束 细晶强化 回火 1 析出细碳化物粒子 第二相强化 2 同时保留了上面的三种强化 2020 4 15 27 合金元素对钢的韧性的影响 1 细化晶粒钢中加入少量Ti V Nb Al 会形成TiC VC NbC AlN等细小稳定的化合物粒子 阻碍奥氏体晶粒长大 使钢的晶粒细化 增多的晶界面积 能增大裂纹扩展的阻力 提高钢的韧性 2 改善基体的韧性某些置换元素如镍 溶入铁素体中能改变位错运动特点 使其容易绕过某些障碍 避免产生大的应力集中 减小基本断裂的几率 3 提高回火稳定性高的回火稳定性可以使钢在保持高硬度的前提下 使用较高的回火温度 降低间隙固溶程度和位错密度 减轻其脆化作用 4 细化碳化物粗的碳化物对强度和韧性不利 在组织为铁素体和珠光体的钢中 锰对碳化物的作用最有效 一般 含铬的渗碳体和铬 钒的碳化物都很均匀细小 对钢的韧性有利 5 控制非金属夹杂和杂质元素 钼 钨能抑制杂质元素的晶界富集 可消除或减轻钢的回火脆性 稀土元素能有效地脱氧 去硫 去氢及改善非金属夹杂物的形态 使其在钢中呈粒状分布 改善钢的韧性 2020 4 15 28 一 钢号 Q195 Q215 Q235 A F钢 Q235 A b钢 Q235 C钢 Q255 Q275等 二 性能与用途 1 Q195 Q215 Q235 Q235B等钢塑性较好 有一定的强度 通常轧制成钢筋 钢板 钢管 用于桥梁 建筑物等构件 2 Q235C Q235D钢可用于重要的焊接件 3 Q255 Q275钢强度较高 可轧制成型钢或钢板 一 普通碳素结构钢 3结构钢 2020 4 15 29 一 钢号 Q295 12Mn Q345 12MnV 16Mn Q390 15MnV Q420 Q460等 二 成分特点 1 低碳 由于韧性 焊接性能和冷成形性能要求高 故含碳量 0 2 2 主加元素为Mn 产生固溶强化效应 还有少量Nb Ti V等元素 在钢中形成细碳化物或碳氮化物 阻碍A晶粒的长大 三 性能与用途 1 性能 高强度 高韧性 良好的焊接性及冷成形性和耐蚀性 2 用途1 低强度钢 16Mn钢制造工程结构 可使重量减轻20 30 2 中级别强度钢 15MnVN钢用于桥梁 船舶 锅炉等大型结构件 四 热处理 热轧空冷使用 s 500MPa 组织 细晶粒的F P s 500MPa 组织 B 二 普通低合金结构钢 普低钢 2020 4 15 30 2020 4 15 31 三 优质结构钢 1 钢号 1 低淬透性 15 20Mn2 20Cr 20MnV 20CrV2 中淬透性 20CrMn 20CrMnTi 20Mn2TiB 20SiMnVB3 高淬透性 18Cr2Ni4WA 20Cr2Ni4A 15CrMn2SiMo2 渗碳钢的成分特点 低碳 一般为0 1 0 25 低合金 合金元素的作用 Cr Mn Ni等主要是提高钢的淬透性 W Mo Ti主要是形成稳定的合金碳化物 抑制钢在渗碳过程中晶粒长大 增加渗碳层硬度 提高耐磨性 如 20 20Cr 18CrMnTi 20CrMnTi等钢 3 用途 用于制造汽车 拖拉机中的变速齿轮 内燃机的凸轮轴 活塞轴等1 表面耐磨的耐接触疲劳抗力 2 心部有高的韧性和足够高的强度 承受交变载荷的冲击 3 有良好的热处理工艺性能 一 渗碳钢 2020 4 15 32 渗碳钢的热处理 渗碳后表层含碳量为1 0 C左右 热处理一般为 加热淬火 表层的Ac1以上 低温回火 160 渗层 0 5 1 0mm 渗碳温度 900 930 渗碳后组织 表层 M回火隐晶 碳化物 A 少 58 64HRC心部 完全淬透 M回火条 F 40 48HRC 不完全淬透 屈氏体 少量M回火 少量F 25 40HRC 2020 4 15 33 常用钢种及应用 低淬透性渗碳钢 20Cr20CrV20MnV等只适用于冲击载荷较小的小齿轮 活塞销等 中淬透性渗碳钢 20CrMnTi用于尺寸较大的且承受较大载荷的汽车拖拉机上的重要齿轮 高淬透性渗碳钢 18Cr2Ni4A用于坦克齿轮等 2020 4 15 34 常用渗碳钢类齿轮材料及热处理要求 常见的齿轮失效形式是轮齿折断和齿面损伤 2020 4 15 35 举例 汽车后桥圆锥主动齿轮 技术要求 心部硬度要求30 45HRC 齿面硬度要求58 62HRC 选材 一般选用淬透性较好的20CrMnTi钢 油中淬火30 40mm能淬透 钢中含有Ti 对过热不敏感 在渗碳后可直接缓冷淬火 变形较小 价格不贵 适宜批量生产 采用的加工工艺路线是 下料 锻造 模锻 正火 切削加工 留磨量 局部镀铜 或涂及渗剂 渗碳 淬火 低温回火 喷丸 磨削加工 零件 当齿轮批量生产时 应采用模锻以提高生产效率 节约金属材料 正火处理的目的是消除锻造应力 均匀细化组织 调整硬度 利于切削加工 渗碳前对一些不需要有较高的力学性能 而且还需要渗碳淬火后切削加工的部位 如轮盘 轮毂孔 工艺孔 花键 孔 等 要进行局部镀铜 或涂防渗剂 防渗处理 渗碳是为了提高齿面的硬度 耐磨性和接触疲劳强度 一般要求表面wC 0 8 1 05 渗层深度0 8 1 3mm 喷丸处理可去除热处理后的氧化皮 及增大表层压应力 提高齿面的接触疲劳强度 2020 4 15 36 1 成分特点中碳 C 0 25 0 5 合金元素 Cr Mn Si Ni B 提高淬透性 Mo W 细化晶粒 降低第 类回火脆性 2 调质钢的热处理 1 热处理 淬火 高温回火 调质处理 2 热处理后组织 S回 F 在F基体上均匀分布细粒状 3 性能 强度 硬度高 塑性 韧性好 综合机械性好 3 调质钢及其应用 1 低淬透性钢 45 40Cr 40MnB 40MnVB 油淬透性最大直径d 30 40mm 用于汽车 拖拉机连杆 螺栓等 2 中淬透性钢 35CrMo 38CrSi 40CrMn等 d 40 60mm 用于尺寸较大的中 大型零件如曲轴 齿轮等 3 高淬透性钢 38CrMoAlA 37CrNi3 40CrNiMo 40CrMnMo等 d 60 100mm用于航空发动机主轴 二 调质钢 2020 4 15 37 轴类零件 轴类零件应具有如下的性能 具有高的强度 足够的刚度及良好的韧性 以防止断裂和过量变形 具有高的疲劳极限 防止过早的疲劳断裂 在相对运动的摩擦部位 如轴颈 花键等处 应具有高的硬度和耐磨性 制造轴类零件一般是以锻件或轧制型材为毛坯 根据承载能力大小选用适当的材料 轻载 低速 不重要的轴 可选用Q235 Q255 Q275等普通碳素结构钢 这类钢通常不进行热处理 受中等载荷而精度要求不高的轴类零件 常用优质碳素结构钢 如35 40 45 50钢 其中45钢应用最多 为改善其力学性能 一般进行正火 调质处理 为提高表面的耐磨性 还可进行表面淬火 对于受较大载荷或要求精度高的轴 以及处于高 低温等恶劣条件下工作的轴 应选用合金钢 常用的有40Cr 40CrNi 40MnB 38CrMoAl 20CrMnTi 12CrNi3 9Mn2V 20Cr GCr15等 根据选材可以进行不同的热处理 包括调质 表面淬火 渗碳 渗氮等 以充分发挥合金钢的性能潜力 2020 4 15 38 举例 曲轴 内燃机曲轴 其功用是承受连杆传来的力 并由此造成绕其本身轴线的力矩 在发动机工作中 曲轴受到旋转质量的离心力 周期性变化的气体压力和往复惯性力的共同作用 使曲轴承受弯曲与扭转载荷 因此要求曲轴具有足够的刚度和强度 各工作表面要耐磨而且润滑良好 曲轴要求用强度 冲击韧性和耐磨性都比较高的材料制造 中小功率内燃机曲轴最常用的材料是45 40Cr 45Mn2等 对于高速大功率曲轴 一般采用合金调质钢如35CrMo 50CrMo等作为曲轴材料 曲轴加工工艺路线为 下料 锻造 退火 粗加工 留调质余量 调质 精加工 留磨削余量 中频感应加热表面淬火 低温回火 精磨 轴颈和曲柄销表面中频感应加热淬火 硬化层较深 可达3 4 5mm 2020 4 15 39 常用调质钢类齿轮材料及热处理要求 2020 4 15 40 碳钢 65 75 85含Si Mn钢 65Mn 50Si2Mn 60Si2Mn 70SiMnA 55MnSi 60MnSi含Cr V W钢 60Si2CrA 60Si2CrVA 65Si2MnWA 50CrVA 50CrMnVA典型钢 65 0 62 0 70 C 65Mn 0 62 0 70C 0 90 1 20 Mn 60Si2Mn 0 57 0 65 C 1 50 2 00 Si 0 60 0 90 Mn成分特点 中高C 0 60 0 75 C碳素弹簧钢 0 45 0 70 C的合金弹簧钢 合元作用 Si Mn提高淬透性 提高屈服强度 Si易脱碳 Mn易过热 2 用途 制造各种弹簧和弹性元件 性能要求 1 高的弹性极限 高的屈服强度 2 高的疲劳极限 3 足够高的塑性和韧性 避免冲击时发生脆断 三 弹簧钢 2020 4 15 41 弹簧钢的热处理 1 热处理 淬火 Ac3以上 中温回火 400 450 冷卷弹簧 10 15mm 先热卷成型 在A相区 油淬 中温回火 450 550 去应力退火 200 300 2 组织及性能组织 T回 F 在F基体上分布微细粒状 性能 高弹性极限 高疲劳极限 足够的塑性和韧性 硬度39 52HRC 2020 4 15 42 钢号 GCr6 GCr9 GCr9SiMn GCr15 GCr15SiMn GMnMoVRe GSiMoMnV典型钢号 GCr15 0 95 1 05 C 1 30 1 65 Cr成分特点 高碳C 0 95 1 15 低Cr 0 4 1 65 Cr 提高淬透性 固溶态 形成细密的碳化物 提高耐磨性和接触疲劳强度 Si Mn提高淬透性 V 提高耐磨性 防止过热 用途 制造滚动轴承热处理 球化退火 淬油 AC1 820 840 低温回火 160 球化退火 球状P和细粒状碳化物 降低硬度 利于切削 组织 M回火隐晶M 合金碳化物 A 少 花脸型组织 性能 高硬度 62 66HRC 高耐磨 一定的韧性和塑性 应用 可用于微型 小型 中型 大型和特大型轴承的滚动体 滚珠 滚柱 滚针 内外套圈 精密量具 冷冲模 机床丝杠等耐磨件 四 轴承钢 2020 4 15 43 2020 4 15 44 五 易切削钢 在钢中附加某一种成某几种元素 使它成为容易被切削加工的钢 这类钢称为易切削钢 目前常用的附加元素有硫 铅 钙 磷等 它们利用自身或与其它元素形成夹杂物 比如 Mn Fe S 降低材料的塑性 使切屑易断 从而改善钢的切削加工性 易切钢中含硫量限定在0 08 0 30 范围内 同时适当提高含锰量 0 66 1 55 与它配合 过高 会导致热脆 铅在钢中孤立地呈细小颗粒均匀分布时能改善切削加工性 铅含量在0 15 0 25 范围 过多时引起偏析 钙 0 001 0 005 在钢中能形成高熔点的钙 铝 硅的复合氧化物 钙铝硅酸盐 附在刀具上 形成薄而具有减摩作用的保护膜 从而防止刀具磨损 易切钢的钢号是在普通钢号前冠以 易 或 Y 以区别于非易切钢 例如易12 易20 40锰或Y12 Y20 Y40Mn T10Pb Y40CrSCa等 2020 4 15 45 一刃具钢 车刀 铣刀 钻头 锯条 丝锥 板牙等工具称为刃具 4工具钢 刃具 模具 量具 一 刃具钢的工作条件和性能1 工作条件 刃具切削时与切屑发生强烈摩擦刃口温度高 刃具还承受一定的冲击和震动 刃具的主要失效形式是刃部的磨损 折断或崩刃及刃部软化等 2 性能 刃具钢应具备高硬度 高耐磨性 较高的热硬性和足够的强度和韧性 硬度应 60HRC 高红硬性 刃具切削加工时 必须保证刃口硬度不随温度升高而明显降低 钢在高温 550 下保持高硬度 60HRC 的能力叫热硬性 亦称红硬性 热硬性主要取决于钢的回火稳定性 回火稳定性越高 碳化物越不易聚集 热硬性越好 足够的强度和韧性 以防刃具受冲击或震动时折断或崩刃 2020 4 15 46 二 碳素刃具钢 成分 T7 T12A钢 0 6 1 3 C用途 由于碳素工具钢淬透性相对较低 回火稳定性差 热硬性差 60 2020 4 15 47 图5T12钢正常淬火180 回火组织 图4T12钢正常淬火组织 2020 4 15 48 三 低合金刃具钢 M总 5 1 成分 9CrSi 9Mn2V CrWMn等钢 Cr Mn Si提高淬透性 W V细化晶粒 2020 4 15 49 2 热处理及应用 热处理 球化退火 油淬 Ac1 低温回火 160 3 组织及性能 M回火隐晶 合金粒状碳化物 A 少 硬度为HRC 60用于丝锥 板牙 钻头等形状较复杂工具 以9SiCr钢 Ms 160 制造的圆板牙为例 其工艺路线 下料 球化退火 机械加工 淬火 低温回火 磨平面 开槽 开口 等温球化退火淬火 在600 650 保温预热一段时间 以减少高温停留时间 降低板牙的氧化脱碳倾向 加热到850 870 后 在180 左右硝盐浴等温淬火 2020 4 15 50 四 高碳高合金工具钢 高速钢 钢号 W18Cr4V 18 4 1 W6Mo5Cr4V2 6 5 4 2 W6Mo5Cr4V3 6 5 4 3 成分特点 C 0 7 1 65 C与W Cr V等形成碳化物 还有一定数量的碳溶于奥氏体中 保证马氏体的高硬度 使钢具有高硬度和高耐磨性 以及良好的热硬性 Cr W Mo V等合金元素M总 10 加热时溶入奥氏体的合金元素 能够提高钢的淬透性 并提高回火稳定性 红硬性 未溶的碳化物能明显阻止奥氏体晶粒长大 合金元素作用 Cr 提高淬透性 固溶态 Cr7C3加热到980 时全部溶入A中 W Mo V 提高红硬性 固溶态 W2C V2C VC等1100 开始溶解 V4C3 或VC 在加热到高于1200 时才明显溶解 热处理特点 以W18Cr4V为例 加热温度高 回火温度高 回火次数多 加热前要两次预热 2020 4 15 51 2020 4 15 52 高速钢的工艺路线 锻造球化退火 打碎碳化物 球状P利机加工 预热 两次 淬火 减小热应力 1280 分级淬火 防止变形与开裂提高硬度和韧性回火550 三次 提高强度 硬度和塑性 2020 4 15 53 1 锻造 目的是打碎树枝状碳化物 高速钢属于莱氏体钢 铸态组织中存在鱼骨状共晶碳化物 M6C 这些粗大的碳化物无法用热处理的方法消除 只有通过锻造的方法将其击碎 并使它分布均匀 2 球化退火 得到粒状碳化物目的是 切削加工和为淬火作组织准备 3 预热 600 650 一次 800 850 二次预热 目的是减少热应力 4 淬火加热 1220 1280 AC1 820 840 1 将Cr7C3全部溶入A中 少量W V碳化物溶入A中 淬透性和 红硬性 2 未溶碳化物W2C V2C等细化晶粒 5 淬火冷却 由于淬火温度较高 根据具体情况可分别采用连续淬火 等温淬火及分级淬火 正常淬火后组织为淬火马氏体 粒状碳化物和大量残留奥氏体 例如分级工艺为 1280 加热后在620 分级 等温 减小热应力然后空冷到室温 在空冷时发生M转变 以减小组织应力 热处理 2020 4 15 54 图8W18Cr4V钢正常淬火组织 1280 500X 9级晶粒度 2020 4 15 55 退火工艺 2020 4 15 56 高速钢的淬火回火工艺 2020 4 15 57 6 回火 550 硝盐回火三次 每次1 5小时 由于合金元素较多 产生回火稳定性 并产生二次硬化 原因是 合金元素W Mo V Cr使A 产生了回火稳定性 使A 在回火降温中才能发生M相变 回火稳定性 合金元素W Mo V Cr等使A 在回火转变产生迟滞现象 二次硬化 淬火钢在回火时产生的硬化现象 包括 二次淬火 淬火钢在回火时A M产生的强化 弥散硬化 淬火钢在回火时碳化物的析出产生的强化 550 三次回火的原因 淬火组织大约有25 A 二次淬火 在回火时A 转变成M使硬度升高 一次回火 只使10 A M淬 淬火组织中有25 A 二次回火 10 M淬 10 M回10 A M淬三次回火 10 M淬 10 M回火3 5 A M淬 弥散硬化 在550 时 W2C V2C VC弥散析出 使硬度升高造成强化 从而使钢具有较高的红硬性 硬度62 65HRC 2020 4 15 58 7 回火后的组织及性能 图6 9回火温度对W18Cr4V钢 淬火 硬度 强度及塑性的影响 组织 M回火隐晶 合金粒状碳化物 A 少晶粒度为9 10级 性能 高硬度 62 65HRC 高红硬性 高耐磨性 一定的韧性 图6 8W18Cr4V钢淬火 回火后的组织 2020 4 15 59 刃具的材料选择 制造刃具的材料有碳素工具钢 低合金刃具钢 高速钢 硬质合金和陶瓷等 可以根据刃具的工作条件 加工对象 切削速度 工作温度 有无冲击等 和耐磨性选择适当的材料简单 低速的手用刃具 如手锯锯条 锉刀 木工用刨刀 凿子等对红硬性和强韧性要求不高 可用碳素工具钢制造 如T8 T10 T12钢等 低速切削 刃部温度低于300 形状复杂的刃具 如丝锥 板牙 拉刀等 可用低合金刃具钢9SiCr CrWMn等制造 刃部温度低于550 高速切削用的刃具 选用高速钢 W18Cr4V W6Mo5Cr4V2等 制造 刃部温度低于1000 形状简单的刀头 切削速度快 硬度 89 94HRA 耐磨性要求高的刃具 选用硬质合金制造 YG6 YG8 YT6 YT15等 其缺点是抗弯强度低 冲击韧性较差 价格贵 要求刃部具有高硬度 5000 8000HV 高耐热温度 1400 1500 高耐磨性和红硬性的刃具 选用陶瓷 如氮化硅Si3N4 立方氮化硼 刀具制造 其缺点是抗冲击能力较低 易崩刃 2020 4 15 60 模具钢 冷作模具钢 1 工作条件及性能要求 冷作模具钢用于制造各种冷冲模 冷挤压模和拉丝模等 工作温度不超过200 300 冷作模具工作时要承受很大压力 冲击载荷和摩擦 主要损坏形式是磨损 也常出现断裂和变形等 因此冷作模具钢应具有高硬度 高耐磨性 高韧性和高抗疲劳强度 热处理变形要小 2 常用钢种 我国常用的冷作模具钢有9Mn2V 9CrWMn Cr12 Cr12MoV Cr6WV Cr4W2MoV Cr2Mn2SiWMoV 6W6Mo5Cr4V 4CrW2Si 6CrW2Si等 其中较常用的9Mn2V Cr12 Cr12MoV钢3 成分特点 1 高碳含碳量多在1 0 以上 有时高达2 0 以上 一方面与合金元素形成碳化物 另一方面使一定的碳溶于高温奥氏体中 获得高碳马氏体 以保证钢的高硬度和高耐磨性 2 加入Cr Mo W V等合金元素形成难熔碳化物 提高耐磨性 Cr还显著提高钢的淬透性 2020 4 15 61 2020 4 15 62 热处理特点 冷作模具钢的预先热处理是球化退火 最终热处理一般是淬火 低温回火 但对于二次硬化的高碳高铬钢 如Cr12型钢 有时需高温回火 以产生二次硬化 适用于在400 450 温度下受强烈磨损的模具 组织 组织 M回火隐晶 合金粒状碳化物 A 少性能 高硬度61 63HRC 高耐磨 一定韧性 2020 4 15 63 热作模具钢 工作条件及性能要求 制造各种热锻模 压铸模 高速锻模等 工作时型腔表面温度可达600 以上 热作模具钢在工作中承受较大的冲击载荷和塑变摩擦 强烈的冷热循环所引起的不均匀热应力以及高温氧化 使模具常出现龟裂 塌陷 磨损等失效现象 热作模具钢的性能要求高的热硬性和高温耐磨性 高的抗氧化能力 高的热强性和足够高的韧性 由于热作模具的体积比较大 还要求有较高的淬透性和导热性 我国常用的热作模具钢有5CrMnMo 5CrNiMo 3Cr2W8V 4Cr5MoSiV 4Cr5W2VSi 3Cr3Mo3W2V 4Cr3W4Mo2VTiNb 8Cr3 5Cr4W5Mo2V等 其中较常用的5CrMnMo 5CrNiMo 3Cr2W8V钢成分特点 1 中碳含碳量一般为0 3 0 6 在保证钢具有高硬度 35 52HRC 高强度的同时还有高韧性 高的热疲劳抗力 2 加入较多的提高淬透性的元素Cr Ni Mn Si等元素 Cr是提高淬透性的主要元素 同时和Ni提高回火稳定性 Ni还增加钢的韧性 并可与Cr Mo一起提高钢的耐热疲劳性能 3 加入产生二次硬化的Mo W V等元素 Mo还能防止第二类回火脆性 提高高温强度和回火稳定性 2020 4 15 64 2020 4 15 65 热处理特点 热作模具钢的预先热处理一般是完全退火 最终热处理根据其用途有所不同 热锻模一般为淬火后模面中温回火 模尾高温回火 压铸模是淬火后在略高于二次硬化峰值的温度下多次回火 以保证热硬性 目前在热作模具钢中应用最广泛的H13 4Cr5MoSiV1 钢 尽管含碳量较低 却有亚稳共晶碳化物存在 因此 要对原材料进行合理锻造 锻后进行球化退火处理 等温球化退火工艺为840 880 加热 保温后缓冷至500 出炉 球化退火后组织为点状和小球状珠光体 淬火加热温度常用1020 1050 冷却可采用空冷 油冷或分级冷却 回火温度根据模具的工作条件及性能要求而定 常用500 650 回火两次 2020 4 15 66 模具选材 2020 4 15 67 量具钢 工作条件及性能要求 量具用钢用于制造各种量测工具 如卡尺 千分尺 螺旋测微仪 样板 卡规 块规 塞规等 量具在使用过程中主要受到磨损 主要性能要求是高硬度 56HRC 和高耐磨性 高的组织稳定性 尺寸不发生变化 热处理变形小和较好的加工工艺性 成分特点 1 高碳含碳量为0 90 1 5 以保证高硬度和耐磨性 2 加入合金元素Cr W Mn等提高淬透性 减小淬火变形 这些合金元素还可以形成合金渗碳体 提高钢的硬度和耐磨性 量具用钢 量具没有专用钢 一般对于要求高精度 高耐磨性 尺寸稳定 淬火变形小 硬度均匀及尺寸较大的量具 常选用含Cr W Mn等元素的低合金工具钢或铬轴承钢 对于高硬度 高表面光洁度及尺寸不大的量具或量具零件 可选用碳素工具钢 要求中等硬度及一定强度和韧性的量具结构件 可选用优质中碳结构钢 尺寸小 形状简单 精度较低的量具 可选用高碳钢或渗碳钢 弹性零件则用弹簧钢 2020 4 15 68 量具用钢选用 量具钢热处理 关键在于减少热处理变形和提高尺寸稳定性 1 在保证硬度的前提下 尽量降低淬火温度 以减少残留奥氏体量 2 淬火后立即进行 70 80 的冷处理 使残留奥氏体尽可能地转变为马氏体 然后再进行低温回火处理 3 精度要求高的量具 在淬火 冷处理和低温回火后 尚需进行120 130 几小时至几十小时的时效处理 降低马氏体正方度 稳定残留奥氏体和消除残留应力 为了去除磨削加工中所产生的应力 有时还要在磨削加工后进行120 130 保温8小时的时效处理 甚至要反复进行多次 2020 4 15 69 5特殊性能钢 一 金属腐蚀的概念腐蚀一般包括化学腐蚀和电化学腐蚀两种 金属在非电解质中同介质发生化学反应而破坏的过程 称为化学腐蚀 腐蚀过程中不产生电流 如钢在高温下的氧化 脱碳 在石油 燃气中的腐蚀等 金属在电解质溶液中发生原电池作用而破坏的过程 称为电化学腐蚀 腐蚀过程中有电流产生 在通常情况下 金属材料的腐蚀一般以电化学腐蚀为主 从电化学腐蚀原理看 若要提高金属的耐蚀性 应采取措施 1 可能使金属具有均匀的单相组织 并且有较高的电极电位 2 减小两极之间的电极电位差 尽可能提高基体 阳极 的电极电位 3 在金属表面形成致密 稳定的保护膜 以减小甚至阻断腐蚀电流 使金属 钝化 2020 4 15 70 不锈钢与耐酸钢 不锈钢指在空气中不生锈的钢 耐酸钢指在某种酸中耐蚀 并不适用于所有的酸 复相钢易腐蚀原理 由于两相电极电位不同 在钢表面易于吸附一层水膜与空气中的CO2作用形成H2CO3 碳酸作为电解液 电极电位不同的两相构成一个微电池 在碳酸的作用下电位低的一相 固溶体 作阳极 易腐蚀 电位高的一相 金属化合物 作阴极 不易腐蚀 即为双相钢的电化学腐蚀 2020 4 15 71 合金化特点 低碳 耐蚀性要求越高 碳含量应越低 碳与合金元素形成碳化物 降低有效浓度 合金元素 Cr Ni Ti Mo V Nb等 Cr是决定不锈钢抗腐蚀性能好坏的最主要元素 1 固溶在铁中的Cr超过13 后 铁的电极电位由 0 56V突然升高至 0 12V 2 Cr在氧化性介质中极易钝化 生成致密的氧化膜Cr2O3 提高钢的耐蚀性 3 Cr是缩小奥氏体区域的元素 当含Cr量较高 12 7 时能使钢呈单一的铁素体组织 但当铬与碳形成的碳化物偏聚在晶界上时 会使晶界附近的基体严重贫铬 当铬贫化到耐蚀性所必需的最低含量以下 11 7 时 将造成晶间腐蚀 Ni在不锈钢中与Cr配合能获得单相奥氏体组织或奥氏体 铁素体双相组织 通过热处理可提高钢的强度 Mn N可代替或部分代替Ni起同样的作用 Cr在非氧化性酸 如盐酸 稀硫酸 和碱溶液等中的钝化能力差 加入Mo Cu等元素可提高钢在非氧化性酸中的耐蚀能力 Ti Nb能优先同碳形成稳定碳化物 使Cr保留在基体中 避免晶界贫铬 从而减轻钢的晶界腐蚀倾向 2020 4 15 72 不锈钢的分类及成分特点 二 不锈钢的成分特点1 低碳C 0 1 0 2 一般 最大为0 4 2 合金元素的作用 主加元素Cr Ni Cr 电极电位 固溶态 形成Cr2O3钝化膜 形成单相F不锈钢 一 分类1 马氏体不锈钢 1Cr132Cr133Cr134Cr13 2 铁素体不锈钢 1Cr171Cr28 3 奥氏体不锈钢 1Cr18Ni9Ti Ni 形成单相A不锈钢 Cr Ni同时存在时可 耐蚀性 晶间腐蚀 C 低碳 当C 时 强度 硬度 但耐蚀性 形成Cr7C3 2020 4 15 73 三 M不锈钢 1Cr13 2Cr13 3Cr13 4Cr13 1 成分特点 C 0 1 0 4 最高不超过1 0 Cr 13 随着含碳量的增加 b HB 耐磨性及切削性能明显上升 但耐蚀性下降 2 热处理特点及应用 1 1Cr13 2Cr13调质处理 组织 S回性能 较高强度 硬度 良好的塑性和韧性 应用 用作耐蚀结构件 如汽轮机叶片 2020 4 15 74 2 3Cr13 4Cr13工艺 淬火 低温回火组织 M回 碳化物性能 具有较高的强度和硬度 HRC 55 应用 作医疗器械等结构件 3 3Cr13 4Cr13工艺 淬火 中温回火组织 T回性能 较高的弹性极限 应用 作弹簧 4 9Cr18是一种高碳不锈钢 经淬火 低温回火后 其硬度值大于55HRC 适于制造优质刀具 外科手术刀及耐腐蚀轴承等 1 成分特点 1 含C C 0 5 较低 2 含Cr Cr 15 当Cr 12 7 时可形成F单相钢 四 铁素体不锈钢1Cr17 1Cr17Ni9 1Cr28 2020 4 15 75 2 F不锈钢特性 应用及热处理 1 特性 耐蚀性好 抗大气腐蚀及耐酸能力强 具有良好的抗高温氧化性能 F不锈钢晶粒粗大 强度不高 但焊接及塑形均高于M不锈钢 2 热处理 F不锈钢在正火或退火状态下使用 3 应用 耐蚀性要求很高 而强度要求不高的构件 如广泛应用于HNO3 氮肥 磷肥等工业中在氧化性介质中工作构件 五 奥氏体不锈钢 又称铬镍不锈钢 也称为18 8型不锈钢0Cr18Ni9 1Cr18Ni9 0Cr18Ni9Ti 1Cr18Ni9Ti 1 成分特点 1 C 含0 1 C 2 Cr 18 Ni 9 当Cr 18 Ni 9 时可得到单相A不锈钢 Ti 1 5 时可消除晶间腐蚀 2020 4 15 76 2 A不锈钢特性 1 良好的耐蚀性 抗氧化性能及高的机械性能 室温及低温韧性好 塑性及焊接性能好 并可以进行塑性变形对A不锈钢进行强化 2 切削性能差 3 具有晶间腐蚀 400 850 保温或缓冷时产生严重的晶间腐蚀 原因是 在此温度时晶界处析出富Cr的Cr23C6碳化物 使周围基体的Cr 从而使耐蚀性下降 消除晶间腐蚀办法 加入Nb Ti元素使其与C形成NbC TiC 避免在晶界析出Cr23C6 2020 4 15 77 3 A不锈钢热处理 要提高A不锈钢性能必需要进行热处理 1 固溶处理 加热到1050 1150 使Cr的碳化物全部溶入A中 然后快速冷却获得单相A组织 2 稳定化处理 含Nb Ti的不锈钢经固溶处理后再重新加热到850 950 保温1 4小时后空冷 使加热时溶于A的C和Ti以TiC形式析出 这样C就几乎全部 稳定 于TiC中 有效消除晶间贫Cr可能 稳定化处理目的是 使Cr的碳化物全部溶入A中Nb Ti的碳化物保留 以防止晶界析出Cr23C6 防止了晶间腐蚀发生 3 去应力退火 一般为了消除冷加工或焊接应力 应在300 350 回火消除冷加工应力 加热至850 以上可消除焊接应力 2020 4 15 78 奥氏体 铁素体双相不锈钢 这类钢是在18 8型钢的基础上 提高铬含量或加入其它铁素体形成元素而构成的 其晶间腐蚀破坏倾向较小 强度 韧性和焊接性能较好 而且节约了Ni 因而得到了广泛的应用 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 钢号 1Cr21Ni5Ti 1Cr18Mn10Ni5Mo3N 2020 4 15 79 耐热钢 要求具有高耐热性的钢 称为耐热钢 耐热钢包括抗高温氧化钢和热强钢 1 抗氧化钢 在高温下有较好的抗氧化性并具有一定强度的钢称为抗氧化钢 又叫不起皮钢 抗氧化钢是在钢中加入Cr Si Al等合金元素 在氧化性气氛当中 在表面上形成致密的Cr2O3 SiO2 Al2O3等氧化膜 可将氧化性介质与基体金属隔开 如在钢中加入15 Cr 其抗氧化温度可达900 在钢中加20 25 Cr 其抗氧化温度可达1100 抗氧化钢多用来制造加热炉用部件和热交换器 如燃气轮机燃烧室 锅炉吊挂和加热炉底板等 实际应用的抗氧化钢 大多数是在铬钢 铬镍钢 铬锰钢的基础上加入硅 铝制成的 和不锈钢一样 随着含碳量的增多 钢的抗氧化性能下降 故一般抗氧化钢为低碳钢 如3Cr18Mn12Si2N 2Cr20Mn9Ni2Si2N 0Cr25Ni20 1Cr25Ni20Si2 00Cr12 2Cr23Ni13 2Cr25Ni20等 2020 4 15 80 2 热强钢 高温下有一定抗氧化能力和较高强度以及良好组织稳定性的钢 金属在高温下承受载荷时 即使负荷远低于钢在该温度下的屈服强度值 但随着时间的延长 零件将缓慢地发生塑性变形 直到断裂 这种现象称为蠕变 金属材料在高温下抵抗蠕变的能力称为热强度 为了提高钢的热强度 通常采取以下措施 1 固溶强化由于面心立方结构原子排列得更紧密 不易发生蠕变 因此奥氏体钢有更高的热强度 在钢中加入钼 钨 铬等合金元素 可增大原子间结合力 也减慢了固溶体中的扩散过程 提高热强度 2 沉淀强化从过饱和固溶体中沉淀析出第二相也是提高耐热钢热强性的重要途径之一 如加入铌 钒 钛 在晶内析出弥散的NbC VC TiC等 可提高塑变抗力 从而提高热强性 3 晶界强化高温下晶界的强度比较低 有利于蠕变 为了提高热强性 应适当减少晶界 采用粗晶粒钢 通过加入钼 锆 硼 稀土元素等晶界吸附元素 降低晶界表面能 使晶界强化 从而提高钢的热强性 但晶粒不宜过分粗化 否则会损害钢的高温塑性和韧性 2020 4 15 81 按空冷状态组织 常用热强钢可分为珠光体钢 马氏体钢和奥氏体钢 1 珠光体钢这类热强钢含合金元素最少 其总量一般不超过3 5 可以在600 以下温度范围内使用 广泛用于动力 石油等工业部门作为锅炉及管道用钢 常用于制造锅炉管道零件的有15CrMo 12CrMoV等 用于制造汽轮机叶片 转子 紧固件等重要零件的有24CrMoV 25Cr2MoVA 35CrMoV 34