第五节 常用钢材及铸铁

第五节常用钢材及铸铁 一 钢材及其生产过程 钢铁材料的生产过程 铁矿石生铁钢 钢锭 型材 铸铁 轧制 挤压 拉拔 锻造等压力加工方法 1 生铁的冶炼原料 铁矿石燃料 焦炭熔剂 石灰石设备 高炉 2 钢的冶炼原料 生铁 废钢燃料 焦炭熔剂 石灰石 氧化剂 脱氧剂设备 电弧炉 钢板 型钢 钢管 高炉 电弧炉 二 化学成份对碳钢力学性能的影响 1 碳质量分数对碳钢力学性能的影响 含碳量对钢的力学性能影响 2 硅和锰的影响 有益元素 不但可以溶于F中 产生强化作用 使钢的强度和硬度提高 而且Mn能消除硫对钢的危害 3 磷的影响 有害元素 使钢产生冷脆性 4 硫的影响 有害元素 使钢产生热脆性 1 按化学成分分类 1 碳素钢 非合金钢 2 合金钢 1 低碳钢 C0 6 三 钢的分类 牌号及用途 一 钢的分类 碳素钢 C 2 11 一般 1 5 少量Si Mn S P等杂质 低碳钢C0 6 C 合金钢 加入一种或几种合金元素 也就是 2 按质量分类 P S 0 020 1 普通质量钢 2 优质钢 3 特殊质量钢 S 使合金产生热裂 热脆缺陷 P 使合金产生冷裂 冷脆缺陷 P 0 045 S 0 045 P 0 040 S 0 035 1 低合金钢 合金含量10 3 按用途分 弹簧钢 轴承钢 耐热钢 耐蚀钢等 1 结构钢 2 工具钢 3 特殊性能钢 1 工程结构钢 2 机械制造用钢 1 碳素工具钢 2 合金工具钢 不同种类的钢 质量等级的划分并不完全相同 1 普通 碳素结构钢 A B C D A 质量最低 D 质量最高 2 碳素工具钢 优质 高级优质 A 3 合金结构钢 优质 高级优质 A 特级优质 二 碳钢 非合金钢 的种类 牌号和用途 普通碳素结构钢 优质碳素结构钢 碳素工具钢 低合金高强度结构钢 铸钢 易切削结构钢 碳素钢 非合金钢 种类 碳素结构钢的钢号用屈服强度表示 这类钢主要用于制造一般的机械零件和工程构件 如 薄板 铁丝 钉 小轴 螺栓等 Q195 0 06 0 12 C Q215 0 09 0 15 C Q235 A 0 14 0 22 C B 0 12 0 20 C Q255 0 18 0 28 C Q275 0 28 0 38 C Q195A s MPa 1 普通 碳素结构钢 A B C D表示质量等级 钢中硫 磷含量依次降低 质量变好 使用时一般不进行热处理 供货时主要保证力学性能 不保证化学成分 2 优质碳素结构钢 08 10 15 20 25 冲压件 焊接件 30 35 40 45 50 55 调质处理 制造齿轮 连杆 凸轮和轴类零件 60 65 70 淬火 中温回火 制造弹簧 75 80 85 耐磨件使用时一般要进行热处理 供货时既要保证力学性能 又要保证化学成分 这类钢的有害杂质P S含量较低 钢的质量较好 主要用于制造各种较重要的机械零件 钢号用两位数字表示 数字表示含碳量的万分之几 45 表示含碳量是万分之45 0 45 3 碳素工具钢 碳素工具钢含碳量为0 65 1 35 可制造低速切削的刀具和普通模具 量具 常用牌号有T7 T8 T8Mn T9 T10A T11 T12A T13等 数字表示平均碳的质量分数 千分数 如 T8 表示碳的平均含碳量为0 8 的碳素工具钢 4 低合金高强度结构钢 低合金高强度结构钢是在低碳钢的基础上加入少量合金元素制得 其合金元素总量不超过5 以Mn为主要合金因素 这类钢一般在热轧或正火状态下使用 不需再进行热处理 广泛用于建筑 石油 化工 铁道 桥梁 造船等工业部门 牌号有Q295 Q345 Q390 Q420 Q460 5 铸钢 用于浇注成铸件的钢 其强度高于各类铸铁 同时具有良好的塑性和韧性 适于制造形状复杂 强度和韧性要求高的零件 如火车轮 大齿轮等 其牌号如 ZG230 450 6 易切削用钢 主要用在自动机床上加工大批量的零件 如螺钉 螺母等 其牌号如 Y20 表示易切削结构钢 其平均含碳量为0 2 一 合金元素对钢性能的影响 1 提高了钢的力学性能 2 提高了钢的淬透性 3 使钢具有某些特殊性能 钛 钒等合金元素的加入提高了钢的强度和硬度 细化了晶粒 也提高了塑性与韧性 铬 硅 镍 锰 硼等合金元素的加入提高钢的淬透性 铬 锰等合金元素的加入使钢具有了耐高温 耐热 耐磨 不生锈等特殊性能 三 合金钢的种类 牌号和用途 常加合金元素 Mn Si Cr Ni Mo W V Ti 稀土元素等 合金钢 合金结构钢 合金工具钢 特殊性能钢 机器合金结构钢 不锈钢 耐热钢 耐磨钢 合金刃具钢 合金弹簧钢 合金渗碳钢合金调质钢 合金轴承钢 合金模具钢 合金量具钢 低合金刃具钢 高合金刃具钢 高速钢 冷作模具钢 热作模具钢 没有专用钢种 工程合金结构钢 普通低合金结构钢 二 合金钢的种类 三 合金钢的牌号和用途 1 合金结构钢 C 0 15 0 45 牌号 数字 元素符号 数字意义 第一个数字表示含碳量的万分之几 符号后面数字表示合金含量的百分之几 1 5 不标 1 5 标2 以上指的是质量分数 若为高级优质钢 后加A 如 1 40Cr 0 4 C Cr 1 5 2 18Cr2Ni4WA 0 18 C 2 Cr 4 Ni 1 5 W 高级优质 3 GCr15 1 C 1 5 Cr 此处Cr的含量以千分数表示 滚动 珠 轴承钢 应用 重要机械零件 主要包括 低合金结构钢 合金渗碳钢 合金调质钢 合金弹簧钢 滚动轴承钢等 1 普通低合金结构钢 低碳 合金含量小于3 主加元素为Mn其强化了铁素体 提高了强度 V Ti等元素使晶粒细化 使韧性提高 在建筑 桥梁 车辆 船舶中应用广泛 以16Mn为最广 船舶 桥梁 2 合金渗碳钢 含碳量为0 1 0 2 以保障心部具有足够的韧性 合金含量小于3 主加元素为Cr Mn 钛 钒 提高了淬透性 使晶粒细化 耐磨性提高 主要用于表面要求硬而耐磨 心部具有足够强度和韧性的零件 如 汽车变速箱的齿轮等 以20Cr 20CrTiMn为最广 变速齿轮 拨叉 3 合金调质钢 含碳量为0 25 0 5 主加元素为Cr Mn Si Ni等以提高淬透性和强化铁素体 调质钢具有良好的综合力学性能 合金调质钢广泛用于制造汽车 拖拉机 机床和其它机器上的各种重要零件 如齿轮 轴类件 连杆等 曲轴 连杆 4 合金弹簧钢 它具有高的弹性 疲劳强度及冲击韧性 含碳量为0 5 0 7 主加元素为Cr Mn Si等以提高淬透性和弹性极限 合金弹簧钢是一种专用结构钢 主要用于制造各种弹簧和弹性元件 拉力弹簧 离合器弹簧 5 滚动轴承钢 主要用来制造滚动轴承的滚动体 滚珠 滚柱 滚针 内外套圈等 属专用结构钢 碳质量分数一般为0 95 1 10 以保证其高硬度 高耐磨性和高强度 铬为基本合金元素 铬含量为0 40 1 65 高碳低铬 如 GCr15 2 合金工具钢 合金工具钢是制造刃具 量具和模具的钢种 不仅有更高的硬度和耐磨性 还具有更高的红硬性 牌号 数字 元素符号 数字意义 与结构钢类似 但第一个数字表示含碳量的千分之几 含C 1 0 不标 符号后面数字仍表示合金含量的百分之几 1 9SiCr 板牙 丝锥 C 0 9 Si 1 5 Cr 1 5 2 CrWMn 长铰刀 丝锥 拉刀 精密丝杠 C 1 0 Cr 1 5 W 1 5 Mn 1 5 3 高速钢 含C 1 0 也不标 W18Cr4V 0 7 0 8 C 18 W 4 Cr 1 5 V应用 刃具 模具 量具等 包括合金刃具钢 合金模具钢及合金量具钢等 1 合金刃具钢 用途 主要用于制造各种金属切削刀具 如车刀 铣刀 钻头等 性能 1 高硬度 60HRC以上 2 高的耐磨性 3 高热硬性 4 足够的塑性和韧性 铣刀 英制模板刀 2 合金模具钢 合金模具钢按其用途分为冷作模具钢和热作模具钢两大类 冷作模具钢 用途 冷模具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 热作模具钢 如 9Mn2V CrWMn 用途 热作模具钢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 如 5CrMnMo 5CrNiMo 性能要求 高硬度 58 62HRC 高耐磨性 足够的韧性和疲劳抗力 3 合金量具钢 用途 量具用钢用于制造各种测量工具 如卡尺 千分尺 块规 性能要求 1 高硬度 大于56HRC 和高耐磨性 2 高尺寸稳定性 在存放和使用过程中 尺寸不发生变化 螺纹规 游标卡尺 千分尺 量具用钢的选用举例 3 特殊性能钢 牌号表示方法及意义同合金工具钢 C 0 03 牌号首部冠以 00 C 0 08 牌号首部冠以 0 1 不锈钢 1Cr13 1Cr18Ni9Ti等 C 0 1 Cr 13 18 包括马氏体型不锈钢 铁素体型不锈钢 奥氏体型不锈钢 2 耐热钢 1Cr13 2Cr13 400 工作 3 耐磨钢 高锰钢ZGMn13 C 1 左右 Mn 13 如 1Cr13 2Cr13 3Cr13 4Cr13 不锈钢船用螺旋桨 不锈钢剪刀 含碳为0 1 0 4 含铬为12 13 主要用于力学性能要求不高 耐蚀性要求较低的零件 如 1 马氏体型不锈钢 这类钢的铬质量分数为17 30 碳质量分数低于0 15 主要用作耐蚀性要求很高而强度要求不高的构件 例如容器和管道等 3 奥氏体型不锈钢 如 1Cr17 1Cr17Ti等 如 0Cr18Ni9 1Cr18Ni9等 2 铁素体型不锈钢 4 耐磨钢 就是高锰钢如 ZGMn13 履带 铁轨分道叉 破碎机颚板 挖掘机斗齿 四 铸铁 C 2 11 4 3 一 分类 按C在铸铁中存在形式不同 可分三类 白口铸铁 C微量溶于F外 全部以Fe3C形式存在 断面银白 硬 脆 难机械加工 很少用于制造零件 仅用于不冲击 耐磨件 如轧辊等 主要用途 炼钢原料 也可处理成可锻铸铁 灰口铸铁 碳以游离石墨形式存在 根据石墨的形态不同又分为 普通灰口铸铁 石墨片状 球墨铸铁 石墨球状 可锻铸铁 石墨团絮状 蠕墨铸铁 石墨蠕虫状 麻口铸铁 石墨 Fe3C 属于白口铁和灰口铁之间的过渡组织 断口黑白相间 麻点 硬 脆 难加工 按化学成分分类 普通铸铁 合金铸铁 Si 4 Mn 2 或一定量的TiMoCrCu等 二 铸铁的结晶过程和石墨化 何为石墨 石墨是游离状态的碳 其强度 硬度 塑性 韧性很低 硬度仅为3 5HBS 伸长率近于零 铸铁的组织可以看成是在铁或钢的基体上夹杂着石墨 石墨对基体产生割裂作用 因此 石墨的存在使铸铁的力学性能下降 其性能比钢低 不能锻造 且石墨的数量越多 越粗大 分布越不均匀 铸铁的力学性能越差 但石墨的存在也赋予铸铁许多钢所不及的优良性能 如铸造性能 减振性和减摩性等 铸铁的石墨化 白口铸铁 C和Si含量较低 冷却速度很快 按铁碳二元合金Fe Fe3C相图结晶 Fe3C 灰铸铁和球墨铸铁 C和Si含量较高 冷却速度较慢 按铁碳二元合金Fe C 石墨 相图结晶 C 石墨 铸铁中碳原子析出并形成石墨的过程称为石墨化 下面详细探讨一下铸铁的结晶及石墨化过程 1 一次结晶和共晶石墨化 以共晶成分的铸铁为例 1 一次结晶 从液态转变为固态时的结晶 2 共晶转变 A C 也就是 共晶灰 球墨 铸铁一次结晶后的组织为A基体上分布着片状 球状 石墨 3 一次结晶确定 1 石墨的形态及分布特征 如 片状或球状 是否均匀 2 共晶体 团 的尺寸和数目 共晶体 团 的尺寸愈小 数量就愈多 则石墨片 球 愈细小 铸铁力学性能愈高 2 二次结晶和共析石墨化 1 二次结晶 凝固后在继续冷却过程中发生的组织转变 共晶石墨不变化 A转变 2 A转变 A中的C析出 沉积在原有共晶石墨上 2 共析转变 A F C 铸铁石墨化倾向较大 冷却速度较慢时 石墨能充分析出 A P C 铸铁石墨化倾向较小 冷却速度较快时 石墨不能充分析出 A F P C 介于以上两者之间 共析石墨也沉积在原有共晶石墨上 3 二次结晶确定 铸铁的基体组织 有三种类型 F P 和F P 石墨既可以从液体和奥氏体中析出 也可以通过渗碳体分解来获得 灰口铸铁和球墨铸铁中的石墨主要是从液体中析出 可锻铸铁中的石墨则完全由白口铸铁经长时间退火 由渗碳体分解而得到 石墨化若能充分或大部分进行 则能获得灰口铸铁 反之将得到白口铸铁 铸铁组织的类型取决于石墨化的程度 三 灰 口 铸铁 占铸铁产品的80 以上 灰 口 铸铁的组织与性能 组织与机械性能显微组织 金属基体 铁素体 珠光体 片状石墨 相当于在钢的基体上嵌入大量的石墨片 机械性能 b低 塑性 韧性差 脆性材料 抗压强度与钢相差无几 由于石墨的存在 减少了承载的有效面积 石墨片的边缘形成缺口 应力集中 局部开裂 形成脆性断裂 基本强度只利用30 50 灰口铸铁的组织 F G F P G P G 灰 口 铸铁其它性能 工艺性能 脆性材料 不能锻压 可焊性差 易裂纹 焊区白口 难加工 铸造性能好 缺陷少 切削性能好 因石墨 崩碎切屑 减振性好 石墨有缓冲作用 阻止振动能量传播 适于机床床身等 耐磨性好 石墨是固态润滑剂 脱落在磨擦面上 灰口铁摩擦面上形成大量显微凹坑 能储存润滑油 使摩擦面上保持油膜连续 适于导轨 衬套 活塞环等 缺口敏感性低 石墨在基体上形成大量的缺口 外来缺口 键槽 刀痕 对灰口铁的疲劳强度影响甚微 提高了零件工作的可靠性 灰口铁的机械性能与金属基体类别有关 1 珠光体灰口铁 珠光体基体上分布细小 均匀的石墨 石墨对基体割裂较轻 故机械性能好 如齿轮等 2 珠光体 铁素体灰口铁 强度低 适于一般机件 铸造性 切削加工性 减振性 均优于前者 如齿轮箱等 3 铁素体灰口铁 强度硬度低 塑 韧性差灰口铸铁的牌号 HT 三位数HT250 抗拉强度为250MPa 灰 口 铸铁的分类与牌号 发动机飞轮 三 球墨铸铁铁水中加入球化剂 稀土镁合金 使石墨呈球状析出 孕育剂 硅铁75 Si 促进石墨化 防白口 使石墨细化 分布均匀 球铁的组织与性能 1 组织 细小石墨球 金属基体 2 性