碳钢和合金钢

第九章碳钢及合金钢(工业用钢 )第一节工业用钢的分类及牌号表示方法钢是经济建设中使用最广、用量最大的金属材料，在现代工农业生产中占有重要地位。碳钢： 含碳量在 0.0218% 2.11% 之间的铁碳合金称为碳素钢，简称碳钢。合金钢： 在碳钢的基础上特意地加入一种或几种合金元素，使其使用性能和工艺性能得以提高的铁基的合金称为合金钢。钢中除铁、 碳及合金元素外，还有炼钢时随生铁、脱氧剂和燃料带入的硅、锰、硫、磷、氮、氢、氧等元素。钢的分类方法多种多样，其主要方法有如下几种：一、钢材的品种为便于采购、订货和管理，我国目前将钢材按外形分为型材、板材、管材、金属制品四大类，共十六大品种：1. 型材钢轨、型钢（圆钢、方钢、扁钢、六角钢、工字钢、槽钢、角钢及螺纹钢等）、线材（直径 5-10 毫米的圆钢和盘条）等。2. 板材薄钢板： 厚度等于和小于4 毫米的钢板；厚钢板： 厚度大于4 毫米的钢板；又可分为中板（厚度大于4mm 小于 20mm ）、厚板（厚度大于20mm小于 60mm ）、特厚板（厚度大于60mm ）；钢带： 也叫带钢，实际上是长而窄并成卷供应的薄钢板； 电工硅钢薄板 ：也叫硅钢片或矽钢片。精品资料3. 管材无缝钢管： 用热轧、热轧 冷拔或挤压等方法生产的管壁无接缝的钢管； 焊接钢管： 将钢板或钢带卷曲成型，然后焊接制成的钢管。4. 金属制品：包括钢丝、钢丝绳、钢绞线等。二、钢的分类钢的种类繁多，为了便于生产、 使用和研究， 可以按照化学成分、冶金质量和用途对钢进行分类。1按化学成分分类。碳钢、合金钢两大类。碳钢： 低碳钢（ wc 0.25% ）、中碳钢（ wc=0.25% 0.60% ）和高碳钢（ wc0.6% ） 合金钢： 按钢中含合金元素总量（ me% ）分为低合金钢 （me10% ）。按合金元素的种类可分为锰钢、铬钢、硼钢、铬镍钢、硅锰钢等。 2按冶金质量分类。按钢中所含有害杂质硫、磷的多少，可分为： 普通钢： s% 0.055% ，p% 0.045%优质钢： s% 、p% 0.040%高级优质钢：s% 0.030% ， p% 0.035%此外，按冶炼时脱氧程度，可将钢分为沸腾钢（脱氧不完全）、镇静钢（脱氧较完全） 和半镇静钢三类。3. 按金相组织分类按钢退火态的金相组织可分为亚共析钢、共析钢、过共析钢三种。按钢正火态的金相组织可分为珠光体钢、贝氏体钢、马氏体钢、奥氏体钢等四种。4. 按成形方法分类。锻钢、铸钢、热轧钢、冷轧钢等。5. 按用途分类。按钢的用途可分为结构钢、工具钢、特殊性能钢三大类。结构钢工程结构钢建筑工程用钢桥梁工程用钢船舶工程用钢车辆工程用钢一般属于低碳钢或低碳低合金钢按用途分类机器结构钢刃具钢渗碳钢属于低碳钢或低碳合金钢调质钢属于中碳钢或中碳合金钢 弹簧钢属于中、高碳钢或中、高碳合金钢滚动轴承钢属高碳合金钢一般属于高碳钢工具钢模具钢或高碳高合金钢量具钢不锈钢耐热钢耐磨钢实际中给钢的产品命名时，常常把成分、 质量和用途几种分类方法结合起来，如碳素结构钢、优质碳素结构钢、碳素工具钢、高级优质碳素工具钢、合金结构钢、合金工具钢等。三、钢的牌号表示方法钢的牌号简称钢号， 是对每一种具体钢产品所取的名称，是人们了解钢的一种共同语言。钢编号的原则主要有两条：一是根据编号可以大致看出该钢的成分；二是根据编号可大致看出该钢的用途。我国钢的牌号表示方法，根据国家标准钢铁产品牌号表示方法（gb221-79 ）中规定，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表示。即：钢号中化学元素采用国际化学符号表示，例如si、mn 、cr等,混合稀土元素用“re ”（或 “xt ”）表示。产品名称、用途、冶炼和浇注方法等，一般采用汉语拼音缩写字母表示。钢中主要化学元素含量（%）采用阿拉伯数字表示。（一）碳钢的牌号表示方法见第四章（碳钢的分类、用途及牌号表示方法）（二）合金钢的牌号表示方法平均含碳量的万分之几合金元素平均含量的百分之几1合金结构钢两位数字合金元素符号数字质量等级符号“a”（ 1）当合金元素的平均含量 1.5% 时，钢号中一般只标出元素符号，而不标明含量； 但在特殊情况下易致混淆者，在元素符号后亦可标以数字 “1”，例如钢号 “12crmov ”和 “12cr1mov ”，前者铬含量为 0.4-0.6% ，后者为 0.9-1.2% ，其余成分全部相同。（ 2）当合金元素的平均含量1.5% 、2.5% 、3.5%时， 则相应地在元素符号后面标以 2 、3、4；如果为高级优质钢，则在其钢号后加“a ”， 以区别于一般优质钢。例如： 18cr2ni4wa。（ 3）钢中的钒v 、钛 ti、铝 al、硼 b 、稀土 re 等合金元素，均属微合金元素，虽然含量很低， 仍应在钢号中标出。例如 20mnvb钢中，钒：0.07 0.12% ，硼：0.001 0.005% 。（ 4）专门用途的合金结构钢，钢号冠以（或后缀）代表该钢种用途的符号。例如，铆螺专用的30crmnsi钢，钢号表示为ml30crmnsi。举例：1. 20crmnti ：表示平均含碳量为0.20% ，主要合金元素cr 、mn 含量均低于1.5% ， 并含有微量元素ti 的合金结构钢；2. 60si2mn ：表示平均含碳量为0.60% ，主要合金元素mn 含量低于1.5% ， si 含量为 1.5 2.5% 的合金结构钢。练习： 40cr 、45mn22. 低合金高强度结构钢旧的编号方法， 基本上和合金结构钢相同。新牌号的编制方法与碳素结构钢相同。如旧牌号的 16mn 为新牌号的q345 。3. 滚动轴承钢“g” cr 数字 其它元素符号。字母“g”为 “滚”字头，表示为滚动轴承钢类，高碳铬轴承钢的含碳量不标出，数字表示平均含铬量的千分之几，如gcr15 ，平均含铬量为1.5 。渗碳轴承钢的钢号表示方法，基本上和合金结构钢相同。平均含碳量的千分之几合金元素平均含量的百分之几4. 合金工具钢和高速工具钢数字合金元素符号数字说明： 合金工具钢中，当wc1.0% 时，含碳量不标出，如cr12 、crwmn ；当 wc 1.0%时，以千分之几表示，如9sicr 、3cr2w8v 。 对于含铬量低的钢，其含铬量以千分之几表示，并在数字前加“0”，以示区别。如平均 cr =0.6% 的低铬工具钢的钢号为“cr06 ”。 高速钢，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“钨 18 铬 4矾”（ w18cr4v ，简称 18-4-1 ），“钨 6 钼 5 铬 4 矾 2 （” w6mo5cr4v2，简称 6-5-4-2 ）。5. 不锈钢和耐热钢同合金工具钢。例如：“2cr13 ”钢的平均碳含量为0.2% 。说明：（ 1）钢中含碳量0.03% 者，钢号前分别冠以“00”表示之，如 00cr17ni14mo2；wc0.08% 者，冠以 “0 ”表示之，、 0cr18ni9 。（ 2）对钢中主要合金元素以百分之几表示；对钛、铌、锆、氮等微量元素则按合金结构钢对微合金元素的表示方法，只标出元素符号，如1cr18ni9ti。第二节合金元素在钢中的作用一、碳钢的优缺点优点： 冶炼工艺简单，可热处理强化，压力加工和机械加工性能好，价格低廉。不足之处：（ 1 ）加热时，晶粒易长大；（ 2 ）淬透性低。形状复杂、尺寸大的零件，在淬火时易开裂、淬不透；（ 3 ）回火稳定性差。 回火温度高时， 强度和硬度显著下降，不能在高温下使用。回火稳定性是指淬火钢在回火时抵抗硬度下降的能力。（ 4 ）强度不够高。碳钢的屈强比在0.6 左右，合金钢为0.85 0.9 。碳钢强度低，增加截面积提高构件刚度会使重量增加，构件笨重，不能满足重量轻、体积小、效率高的要求。（ 5 ）不具备特殊性能。化工、仪表等要求耐腐蚀、耐高温、无磁等性能，碳钢不能满足特殊性能的要求。二、合金元素在钢中的作用1. 合金元素在钢中的分布为了使钢获得预期的性能， 而有目的地加入钢中的化学元素称为合金元素。 按其与碳的亲和力的大小， 可将合金元素分为非碳化物形成元素和碳化物形成元素两大类， 在钢中主要以固溶体和化合物的形式存在。（ 1）非碳化物形成元素：包括ni 、co 、cu 、si、al、n、b 等，在钢中不与碳化合， 大多溶入铁素体、奥氏体或马氏体中，产生固溶强化；有的形成其它化合物如al 2 o3、aln 、sio 2 、ni 3al 等。（ 2） 碳化物形成元素：mn 、cr 、mo 、w、v 、nb 、zr、ti 等。形成碳化物的倾向由弱到强这类合金元素在钢中，一是可溶入渗碳体中形成合金渗碳体，如(fe,mn) 3c 、(fe,cr) 3c 等，是低合金钢中存在的主要碳化物，比渗碳体的硬度高，且稳定。二是强碳化物形成元素与碳形成特殊碳化物，如 tic 、nbc 、vc 、moc 、wc 、cr 3c6等，它们具有高熔点、高硬度、高耐磨性、稳定性好，主要存在于高碳高合金钢中，产生弥散强化，提高钢的强度、硬度和耐磨性。（ 3）其它：如稀土元素，钢号中统一用re 表示。2. 合金元素在钢中的作用作用机理比较复杂，可归纳以下几个方面：（ 1）阻碍晶粒奥氏体晶粒长大，细化晶粒；（ 2）提高淬透性（ co 除外）；（ 3）提高回火稳定性，防止回火脆性；（ 4）提高钢的使用性能，使之具有耐热、抗腐蚀、高耐磨等特殊的性能；（ 5）提高钢的强韧性。金属材料的强化是通过阻碍位错的移动来实现的，主要方法有： 固溶强化，提高强度和硬度；细晶强化，提高强韧性；位错强化，位错密度增加，提高强度；弥散强化（第二相强化），细小均匀的第二相硬质点分布在基体上，阻碍位错移动面强化；加工硬化， 金属产生塑性变形后位错密度增加，晶料变得细碎， 使金属的强度硬度提高。大多数的合金元素较好利用了上述前四种强化机制。如合金钢淬火时，形成马氏体， 马氏体中含较高的位错密度，马氏体的形成分割了a 的晶粒，使之细小，马氏体中碳的过饱和产生固溶强化，回火时析出的碳化物颗粒又产生弥散强化，等等。第三节结构钢结构钢按用途分为工程结构钢和机器结构钢两大类。一、工程结构钢用于制作各种工程构件的钢称为工程结构钢，如制作房屋、桥梁、起重机机械、锅炉、压力容器、 钻井架、 车辆构件等，所以又称工程构件用钢或建筑工程用钢，包括碳素结构钢和低合金高强度结构钢。1. 碳素结构钢见第四章碳钢的分类、编号及用途。2. 低合金高强度结构钢用途： 在大气和海洋中工作的的大型焊接结构件，如建筑结构、桥梁、车辆、船舶、输油输气管道、压力容器等。性能特点： 强度高，良好的塑性、韧性、冷冲压性能及焊接性能，可抵抗大气腐蚀。成分特点：低碳（ 100mm ， 主要用于制造大截面、高载荷的重要耐磨件，如飞机、坦克中的曲轴、大模数齿轮等。常用牌号： 15 、20 、20cr 、20crmnti 、 20mntib等，通常尺寸小、受力小的零件， 采用低碳钢，而尺寸大的、受力大的则采用低碳合金钢。精品资料热处理特点：预备热处理， 一般是正火，组织为p f，目的是调整硬度，改善组织和切削加工性能； 最终热处理，一般是渗碳后直接淬火低温回火。其组织为：表面组织为 “m 回细小碳化物少量ar ”,心部组织依钢的淬透性及工件尺寸而定，淬透时为低碳m 回，未淬透为低碳m 回fp。应用举例：下面以应用广泛的20crmnti钢为例，分析其热处理工艺规范。20crmnti是中淬透性钢， 适宜制造承受高速中载并且抗冲击和耐磨损的零件。如汽车、拖拉机的后桥和变速箱齿轮、离合器轴、伞齿轮和一些重要的轴类零件。用 20crmnti钢制作齿轮的加工工艺路线如下：下料 锻造 正火 机加工齿形 滲碳，预冷淬火低温回火磨齿。预备热处理为正火， 正火后的组织为 （s f），其目的是改善锻造组织；调整硬度（ 170 210hbs ）便于机加工。最终热处理为滲碳后预冷到875 直接淬火低温回火；预冷的目的在于减少淬火变形，同时在预冷过程中，滲层中可以析出二次滲碳体，在淬火后减少了残余奥氏体量。最终热处理后组织由表面到心部为“m 回细小碳化物少量a 残 m 回+少量 a 残低碳 m fp 。2. 调质钢采用调质处理，即淬火+高温回火后使用的优质碳素钢和合金结构钢，统称为调质钢。应用： 用于受力较复杂的重要结构零件。如机床主轴、火车发动机曲轴、汽车后桥半轴等轴类零件，以及连杆、螺栓、齿轮等。性能要求： 具有良好的综合力学性能，即高的强度、良好塑性和韧性。成分特点：碳含量： 中碳 wc ：0.25 0.5 ，保证热处理后具有足够的强度、良好的塑性和韧性。含碳量太低，强度硬度不足；太高，塑性、韧性降低；为达到两者兼顾，取中碳范围。一般碳素调质钢的淬透性低，含碳量偏上限；合金调质钢淬透性好，随合金元素的增加，含碳量趋于下限，如30crmnsi 、38crmoal 。合金元素：主加 cr、ni 、mn 、si、al 等，提高淬透性，调质处理后有良好的综合力学性能；辅加w 、mo 元素，防止高温回火脆性，细化晶粒，提高回火稳定性。分类及典型牌号：按淬透性的高低，调质钢大致可以分为三类： 低淬透性调质钢。典型钢种45 、40cr ，这类钢的油淬临界直径最大为30 40mm ， 广泛用于制造一般尺寸的重要零件，如轴、齿轮、连杆螺栓等。35simn 、40mnb 是为节约铬而发展的代用钢种。 中淬透性调质钢。典型钢种40crni ，这类钢的油淬临界直径最大为40 60mm ，含有较多的合金元素，用于制造截面较大、承受较重载荷的零件，如曲轴、连杆等。精品资料 高淬透性调质钢。典型钢种40crnimoa，这类钢的油淬临界直径为60 100mm ， 多半为铬镍钢。铬、镍的适当配合，可大大提高淬透性，并能获得比较优良的综合机械性能。用于制造大截面、承受重负荷的重要零件，如汽轮机主轴、压力机曲轴、航空发动机曲轴等。钢种的选择根据零件的工作载荷大小及其尺寸、形状来确定的。载荷大、尺寸大、形状复杂的零件，为保证有足够的淬透性，就要采用合金调质钢。热处理工艺特点：（1） 预备热处理：采用完全退火或正火（高淬透性的调质钢正火后应再高温回火），其目的是细化晶粒，改善组织；调整硬度，改善切削加工性能。组织（p+f ）。（2） 最终热处理：调质处理，组织为回火索氏体，具有良好的综合机械性能。调质处理表面淬火、低温回火。对除了要求良好综合机械性能外，还要求表面具有高硬度、 高耐磨性的调质件，调质处理后还需进行“表面淬火 +低温回火 ” 处理，表面淬火多采用感应加热表面淬火。表面组织为m 回，心部为s 回。举例：通过实例分析热处理工艺规范（ 1）用 40cr 制作拖拉机上的连杆、螺栓。其工艺路线为：下料 锻造 退火或正火 粗机加工 调质 精机加工 装配。在工艺路线中，预备热处理采用退火（或正火），其目的是改善锻造组织，细化晶粒；调整硬度、便于切削加工；为淬火做好组织准备。调质工艺采用830 加热、油淬、得到马氏体组织； 然后在 525 回火水冷， 水冷为防止第二类回火脆性，最终使用状态下的组织为回火索氏体，具有良好综合机械性能。（ 2）45 或 40cr 钢制造机床主轴或齿轮的生产工艺流程一般为：下料 锻造 正火 机加工 调质处理 精加工 局部表面淬火 +低温回火 磨削。讨论题：1. 有一 40cr 钢制机床主轴，心部要求有良好的强韧性（200 300hbs ），轴颈处要求硬而耐磨（ 54 58hrc ），试回答下列问题：（ 1 ）应选择何种预备及最终热处理？（ 2）说明各热处理后的组织？分析： 40cr 为低淬透性钢，应采用正火作预备热处理，细化晶粒，改善组织及切削加工性能；正火处理后的组织为（ p+f ）；最终热处理宜选用调质处理，然后对轴颈处进行 “表面淬火 +低温回火 ”的热处理，可达到性能要求。调质处理后的组织为回火索氏体； “表面淬火 +低温回火 ”后，心部组织仍为回火索氏体，表面组织则为 “m 回少量 a 残”。2. 某厂用 45 钢制作一批齿轮，制作过程中因 45 钢数量有够用，想用 20 钢代替。试问：这两种钢在制作齿轮的热处下工艺上有何不同，并指出热处理后的组织。分析： 45 钢为调质钢，制作齿轮时，预备热处理采用正火，组织为（s f），细化组织、改善切削加工性能；最终热处理为调质处理，组织为s 回，获得良好综合力学性能；最后齿面再进行 “表面淬火低温回火”，齿轮心部组织为s 回，齿面组织 “m 回少量 a 残”，提高齿面硬度及耐磨性，消除淬火应力。20 钢为渗碳钢，预备热处理采用正火，组织为s f；机加工成形后渗碳，再淬火低温回火，齿面组织为“m 回细小渗碳体少量a 残 ”，心部为 “板条 m 回 s f”。新的趋势： 用低碳和金刚经“淬火 + 低温回火 ”得到低碳马氏体代替中碳调质钢，可以提高零件的承载能力，减轻重量。在汽车、石油、矿山方面应用效果好。应用实例：（ 1）汽车螺栓：用15mnvb代替 40cr ，承载能力提高45 70% ；使用寿命延长；（ 2）用 20simnmov代替 35crmo制造石油钻井用的吊环，使吊环质量减轻68 公斤。3. 弹簧钢应用： 用于制造汽车、拖拉机和火车的板弹簧或螺旋弹簧。性能要求： 具有高的弹性极限和屈强比，高的疲劳强度和足够的塑性、韧性。成分特点：wc：0.45 0.70%，多数 0.6%左右，为中、高碳：含碳量过高，塑性和韧性降低，疲劳极限也下降。me： si、mn 、cr、v、nb 、 mo 、w 。主加元素mn 、si，提高淬透性，提高强度及屈强比；辅加元素w、mo 、v 等，进一步提高淬透性，细化晶粒，提高回火稳定性和耐热性。常用牌号： 65mn、60si2mn 、50crva热处理工艺：根据弹簧的加工成形方法不同，弹簧分为热成形弹簧和冷成形弹簧。一般，截面尺寸10 15mm 的弹簧采用热成形方法；截面尺寸10mm采用冷成形方法。（ 1）热成型弹簧：淬火 +中温回火，组织为t 回。这类弹簧多用热轧钢丝或钢板制成。以 60si2mn制造的汽车板簧为例，工艺路线如下： 下料 加热压弯成型 淬火+ 中温回火 喷丸处理 装配成型后采用淬火+中温回火（ 350 500 ），组织为t 回，硬度39 52hrc ，具有高的弹性极限、屈强比和足够的韧性喷丸处理可进一步提高疲劳强度。如用板簧经喷丸处理，使用寿命提高5 6 倍。（ 2）冷成型弹簧：去应力退火。这类弹簧是用铅浴索氏体化处理的冷拉钢丝或油淬回火钢丝冷圈成型。成型后不必淬火处理，只需进行一次去应力退火处理（250 300 保温1 小时），目的是消除内应力、稳定尺寸。由于冷拉过程中产生加工硬化，强度大大提高。4. 滚动轴承钢用于制作各类滚动轴承的内外套圈、滚动体。常用钢种和牌号：有两大类（1） ）高碳铬轴承钢：gcr15 、gcr15simn 。含碳量 ：0.95 1.15 ，高碳， 过共析成分， 保证形成足够铬的碳化物强化相，提高强度、硬度及耐磨性。合金元素： 主加 cr 元素，提高淬透性和接触疲劳抗力，细化晶粒。对大尺寸轴承，加入 si、mn 进一步提高淬透性。从化学成分看，滚动轴承钢属于工具钢范畴，所以这类钢也经常用于制造各种精密量具、冷冲模具、丝杠、冷轧辊和高精度的轴类等耐磨零件。（ 2）高碳无铬轴承钢：为了节铬，加入了mo 、v 得到的，常用牌号gmnmovre、gsimnmov ，其性能与gcr15 相近。热处理工艺：（ 1）预备热处理： 采用球化退火， 获得球状珠光体， 改善组织， 降低硬度（ 210hbs ）， 便于切削加工。（ 2）最终热处理：淬火 +低温回火（ 150 180 ）， m 回细小粒状碳化物a 残， 硬度 61 65hrc 。低温回火保持淬火后的高硬度和高耐磨性，消除淬火应力。对精密轴承零件，为了将残余奥氏体降低到最低程度，提高尺寸稳定性，常采用淬火后冷处理，并时效。冷处理后，恢复到室温，立即低温回火。第四节工具钢工具钢是用来制造刀具、模具和量具的钢。按化学成分分为碳素工具钢、低合金工具钢、高合金工具钢等。按用途分为刃具钢、模具钢和量具钢。刃具：用于切削加工的工具，车刀，刨刀，转头等；模具：用于进行压力加工的工具。冷作模具：200 300 0c ；热作模具：600 0c； 量具：测量尺寸的工具，如卡尺、千分尺、块规等。共性： 一般都在磨损条件下工作，要求具有高硬度和高耐磨性。不同： 具体工作条件的不同，对各自的性能又有特殊要求。如刃具钢要求热硬性好，冷作模具钢要求热处理变形小，热作模具钢要求在高温下保持高的硬度和韧性，量具钢要求热处理后组织稳定好。所以，各类工具在钢材的选用和热处理方法上各有其特点。一、刃具钢1. 切削刃具的工作条件及性能要求切削刃具的种类繁多，工况条件各有特点，性能要求也各有不同。以车刀为例： 工作条件：（ 1 ）刀刃与工件之间发生剧烈的摩擦，造成严重的磨损；（ 2 ） 刀刃部分温度高（高速切削时，温度达600 度）；（ 3 ）进刀时，发生冲击与振动。失效形式： 磨损，崩刃，刀具折断。性能要求：高硬度和耐磨性；高的热硬性；高的抗弯强度和足够的韧性。热硬性： 又称红硬性， 指刃具钢在高温下保持高硬度的能力称为热硬性，是衡量刃具钢使用寿命的重要指标。2. 碳素工具钢碳素工具钢以成本低、具有一般较好的性能，在钳工、木工和形状简单受力不大的刃具、磨具中得到广泛应用。成分： 高碳 0.65 1.35 。常用钢种及用途：这类钢淬火后的硬度相近，但随碳含量增加，未熔渗碳体增多，钢的耐磨性增加，韧性下降。t7 、t8 钢多用于制造承受冲击负荷的工具，如凿子、锤子、冲头等。t9 t11 钢多用于制造要求中等韧性的工具，如形状简单的小冲模、手工锯条等。t12 、t13 耐磨性最高， 但韧性最低， 多用于制造不受冲击负荷的量具、锉刀、 刮刀等。高级优质碳素工具钢（t7a t13a ），由于其淬火时产生裂纹的倾向较小，因此多用于制造形状较为复杂的工具。热处理工艺：（ 1）预备热处理：机加工之前进行，采用球化退火（ t7 钢可采用完全退火），组织为球状珠光体，硬度 217hbs 。目的是降低硬度，改装切削加工性能，并为淬火作组织准备。（ 2）最终热处理机加工之后进行，采用淬火 + 低温回火，组织为回火马氏体 +粒状渗碳体+ 少量 a 残（一般 t7 有 2 3% ， t12 有 5 8% ），硬度可达 60 65hrc 。目的是提高硬度和耐磨性，低温回火消除淬火应力。性能特点： 耐磨性和加工性较好，价格低，生产上得到广泛应用。缺点： 是红硬性差；刃部工作温度不能超过 200 ；淬透性低，尺寸大的淬不透，形状复杂的水淬容易变形和开裂。3低合金工具钢为了克服碳素工具钢热硬性差，加入少量的合金元素，一般不超过淬透性低， 易变形开裂等缺点，3 5%，制造了低合金工具钢。在碳素工具钢的基础上成分特点：含碳量： 0.75 1.50% ，高碳；保证高硬度，并形成足够的合金碳化物，提高耐磨性。合金元素：主加元素硅、锰、铬、钼，固溶强化，提高硬度和淬透性；辅加元素钼、钨、矾，细化晶粒，形成特殊碳化物，提高硬度和耐磨性。常用钢种及用途：9sicr 、crwmn 、9mn2v（ 1 ）用于制作形状复杂、尺寸不大的低速切削刀具，如铣刀、拉刀，板牙、丝锥、钻头、铰刀等。（ 2 ）尺寸较大、形状较复杂的冷作模具和量具。例如： 9sicr 具有高的淬透性和回火稳定性，工作温度可达300 ； 9sicr 多采用分级或等温淬火，减少变形，适宜制造形状复杂的薄刃刀具，如板牙、丝锥、钻头等。注： 硅使钢在加热时容易脱碳，退火后硬度偏高（hb217 241 ），造成切削加工困难， 热处理时要予以注意。crwmn钢的含碳量为0.90% 1.05%, 铬、钨、锰同时加入， 使钢具有更高的硬度（ 64 66hrc ）和耐磨性，但热硬性不如9crsi 。但 crwmn钢热处理后变形小，故称微变形钢。 主要用来制造较精密的低速刀具，如长铰刀、拉刀等。热处理工艺 ：同碳素工具钢。球化退火，淬火低温回火。m 回细小碳化物少量a 9sicr 制造圆板牙工艺路线和热处理工艺（书上）：（ 1）预备热处理采用等温球化退火，等温冷却使球化更充分，为节省时间500 后出炉冷却，这时组织已转变完成。目的：消除锻造应力，降低硬度，便于切削加工。（ 2）最终热处理采用等温淬火加低温回火。等温淬火是减少淬火应力和变形的主要方法。一般在盐浴中等温，转变产物为下贝氏体组织，具有良好的综合机械性能。低温回火目的是消除应力，保持高硬度和高的耐磨性。4高速钢高速钢是高速切削用钢的代名词。尽管低合金工具钢的淬透性、耐磨性及热硬性已有所提高，但其工作温度也只有250 300 ，不能满足高速切削的要求，需要更优异的刃具材料。高速钢就是随着工业技术的不断发展，为适应高速切削的要求发展起来的钢种。常用牌号及用途：我国最常用是w18cr4v 、w6mo5cr4v2，简称 18-4-1 和 6-5-4-2 。前者的过热敏感性小，磨削性好，但由于热塑性差，通常适于制造一般高速切削刀具，如车刀、铣刀、绞刀等；后者的耐磨性、韧性和热塑性要好些，适于制造耐磨性和韧性很好配合的高速刀具，如丝锥、齿轮铣刀、插齿刀等。成分特点：碳含量： 0.7 1.65 ，属高碳。高的含碳量，保证高硬度，并与w 、v 等形成特残碳化物或合金渗碳体，保证具有高的耐磨性和良好的热硬性。合金元素：含有大量合金元素，主要是cr 、w、 mo 、v 等。（ 1）高的含量：使钢保持红硬性，提高回火抗力，提高淬透性。在500-600 度回火时产生细小而弥散分布w 2c 。（ 2） cr: 提高淬透性和回火抗力，增加抗氧化、抗脱碳、抗腐蚀能力。（ 3） v： 提高硬度和红硬性，细化晶粒。（ 4） mo ： 主要是提高热硬性。性能特点：具有高的硬度、 耐磨性和热硬性。 工作温度可达600 ，硬度仍保持在60hrc以上。这是高速钢区别于其它钢种的主要特性。由于它切削金属材料很锋利，又称为“锋钢 ”；因其淬透性好，在空气中就能淬火，又称“风钢 ”。是刃具材料中最重要的钢种。热处理工艺： 下面以 w18cr4v制造盘形齿轮铣刀为例，说明高速钢制作刀具的工艺路线及热处理工艺的制定。下料 锻造（反复镦粗、三镦三拔） 等温球化退火 机加工 淬火（ 1280 0c）目的：打碎粗大的碳化物并均适当降低硬度，利于切削碳化物溶于奥氏体中匀分布，改善钢的性能加工并为淬火作组织准备。a 中含有较多的金属元素 回火（ 560 0 c 三次） 喷砂 磨削 成品减少残余 ar 的量，消除内应力、稳定组织，提高硬度。最终组织：细针状m 回+ 细小粒状碳化物 +少量 a r。性能特点：一定强度、塑性、韧性。高硬度；红硬性；回火抗力。（1） 锻造 ：高速钢的铸态组织为“鱼骨状粗大碳化物+网状莱氏体 +m+a 残”。粗大碳化物的出现使铸态高速钢的脆性很大，且难以用热处理来消除，必须经过反复锻造。（2） 球化 退火：锻造后机加工前进行，860 880 加热保温， 然后冷却到720 750 等温珠光本转变，炉冷至550 以下出炉。硬度207 225hbs ，组织为s细小碳化物。（ 3）淬火、回火高速钢优异的性能必须经正确的淬火、回火才能发挥出来。w18cr4v钢的淬火、回火工艺示意图。 与其它钢的淬火回火工艺相比较，高速钢的淬火、 回火可归纳为 “两高一多 ”，即淬火温度高（1250 1300 ），回火温度高（560 ），回火次数多（3 次）。w18cr4v钢的淬、回火工艺曲线淬火： w18cr4v钢的淬火温度为1270 1280 。由于合金元素多，导热性差，加热时采用分级加热。高速钢的热硬性取决于马氏体中合金元素的含量，即加热时溶入奥氏体中的合金元素量（图示）。所以，高速钢的淬火加热温度尽量高些，这样可以使较多的 w、 v 溶入奥氏体中，在 1000 以上加热淬火， w、v 在奥氏体中的溶解度急速增加； 1300 左右加热，各合金元素在奥氏体中的溶解度也大为增加。但时间稍长， 会造成晶粒长大。 因此， 在不使钢发生过热的前提下，淬火温度越高越好。 w18cr4v 一般选择在 1270 1280 ，淬火冷却采用油中分级淬火法，组织为 m+ 粒状碳化物 +a 残。回火： 淬火后及时回火。常用的回火工艺是560 左右保温 1 小时，重复三次。图示为回火温度对硬度的影响。在 560 左右时产生二次硬化现象，出现了硬度峰值。所以，回火温度确定在560 左右。采用三次回火是由于高速钢淬火组织中残余奥氏体多，一次回火不能转变完全，三次回火的才能基本转变完。硬度峰值的出现，一是回火时mo 、w、v 等碳化物的弥散析出，二是每次回火冷却时发生残奥氏体转变成马氏体的二次淬火现象。为减少回火次数，使高速钢中的残余奥氏体量减少到最低程度，往往还需进行冷处理。回火后的组织为：回火m+ 粒状碳化物 +少量 a 残，硬度 66 63hrc 。当刃具的工作温度高于700 时，一般高速钢也无法胜任， 应使用硬质合金材料制作刀具， 工作温度达 800 1000 ；或陶瓷材料刀具， 工作温度达 1000 1200 ；等。二、模具钢1. 冷作模具钢制造在冷态下变形的模具，如冷冲模、冷镦模、拉丝模、冷轧辊等。工作条件及对性能的要求高的硬度和耐磨性。在冷态下冲制螺钉、螺帽、硅钢片、面盆等，被加工的金属在模具中产生很大的塑性变形，模具的工作部分承受很大的压力和强烈的摩擦，要求有高的硬度和耐磨性，通常要求硬度为58 62hrc ，以保证模具的几何尺寸和使用寿命。较高的强度和韧性。冷作模具在工作时，承受很大的冲击和负荷，甚至有较大的应力集中，因此要求其工作部分有较高的强度和韧性，以保证尺寸的精度并防止崩刃。淬透性好，热处理的变形小。成分特点及常用钢种： 碳素工具钢和低合金工具钢：对于尺寸小、 形状简单、 工作负荷不大的模具采用这类钢，钢种有 t8a 、t10a ；t12a 、cr2 、9mn2v 、9sicr 、crwmn 、cr6wv 等。优点：价格便宜，加工性能好，基本上能满足模具的工作要求。缺点：碳素工具钢淬透性较差，热处理变形大；耐磨性较差，使用寿命较低。低合金工具钢，由于含有少量的合金元素，淬透性提高，可采用油淬火，晶粒细小，变形减小，如 9sicr 、 cr2 可用来制造滚丝模等。高碳高铬模具钢（为主） 主要指 cr12 型冷作模具钢。性能特点及用途：淬透性好，淬火变形小，耐磨性好；广泛用于制造负荷大、尺寸大、形状复杂的冷作模具。典型牌号： cr12 、cr12mov 。含碳量：1.4 2.3% ，保证与铬形成碳化物，提高硬度和耐磨性。合金元素 : cr 、mo 、v 等铬： 11 12% 。高铬量，主要是提高淬透性，细化晶粒，形成足够的铬的碳化物， 提高钢的耐磨性。一般为12% ，过高会使碳化物分布不均。钼和钒：进一步提高淬透性，细化晶粒。其中，钒可形成vc ，进一步提高耐磨性和韧性；钼和钒的加入，可减少碳化物的不均匀性。所以cr12mov钢较 cr12 钢的碳化物分别均匀，强度和韧性高、淬透性高，用于制作截面大、负荷大的冷冲模、挤压模、滚丝模、冷剪刀等。热处理工艺：预备热处理：球化退火。目的是消除应力、降低硬度、便于切削加工，退火后硬度为hb207 255 ，组织为球状珠光体+细小均匀的碳化物。最终热处理：一般淬火+低温回火，组织为m 回+细小碳化物 +少量 a 残，硬度高，用于要求高硬度、高耐磨、热处理变形小的重载模具。这种工艺称为一次硬化法。有时， 为产生二次硬化， 也对 cr12 型冷作模具钢进行高温回火，适用于在 400 450 较高温度下工作的负荷不大、受强烈磨损或表面要求渗氮的的模具。称为二次硬化法。2. 热作模具钢制造使金属热成型的模具，如热锻模、热挤压模和压铸模。工作条件及性能要求在反复受热和冷却的条件下进行工作的，所以比冷作模具有更高要求：良好的强韧性。由于模具在工作时负载大，并承受很大的冲击，要求有高的强度和良好的韧性，即要求综合力学性能好。高抗氧化性和热疲劳抗力。模具工作时的型腔温度高达400 600 0c ，而且又反复加热冷却，因此要求在高温下保持高的强度和韧性的同时，还能承受反复加热冷却的作用。良好的导热性和高的淬透性。对尺寸大的热作模具，要求淬透性高，以保证模具整体的力学性能好；同时还要求导热性好，以避免型腔表面温度过高。成分特点：含碳量： 中碳， 0.3 0.6 。过高，塑韧性及导热性差；过低，硬度及耐磨性不高。合金元素： 常加入 cr 、mn 、si、 mo 、w、v，提高淬透性，回火稳定性及耐磨性。其中， mo 、w 还抑制第二类回火脆性，cr、 si、w 提高热疲劳性能。典型钢种及应用：应用较广泛的是5crmnmo 、5crnimo和 3cr2w8v 。5crnimo综合性能好，主要用于制造形状复杂、冲击载荷大的大型热锻模。5crmnmo中以 mn 代 ni 虽价格低、强度不降低， 但塑性、韧性及淬透性不如5crnimo ， 一般用于中小型（截面尺寸300mm ）热锻模。3cr2w8v具有高的回火稳定性，广泛用于压铸模及热挤压模的制造。热处理工艺：（ 1）退火：在反复锻造（目的是使碳化物均匀分布）之后机加工成形前进行，可采用完全退火或等温退火。属亚共析钢， 需加热到ac 3 以上完全奥氏体化。目的是消除锻造应力，细化晶粒，降低硬度（197 241 hbs ）。（ 2）最终热处理：一般淬火+高温回火：获得所需性能，组织回火索氏体。硬度要求一般在 39 54hrc 。根据用途不同，热锻模淬火后模面中温回火、模尾高温回火；压铸模淬火后在略高于二次硬化峰值的温度多次回火，提高热硬性。三、量具钢（简单介绍，或略）量具钢是用于制造量具的钢，如卡尺、千分尺、块规、塞尺等。工作条件及性能要求：量具在使用过程中主要是受到磨损，因此对量具钢的主要性能要求是：（ 1）工作部分有高的硬度和耐磨性，以防止在使用过程中因磨损而失效；（ 2）要求组织稳定性高，要求在使用过程中尺寸不变，以保证