第6章 合金钢68173.ppt

第六章合金钢（P84）,第一节概述第二节合金结构钢第三节合金工具钢第四节特殊性能钢及合金,第六章合金钢（P84）,碳素钢：生产简单，价格低廉，种类齐全，但碳素钢的强度较低，淬透性差，热硬性、耐磨、耐蚀、耐热性差。合金钢：为了改善碳素钢的力学性能、工艺性能或某些特殊物理、化学性能，有选择地加入一些合金元素，这类钢称为合金钢。,一、合金元素在钢中的存在形式,第一节概述,1.合金元素与铁形成固溶体,大多数合金元素都溶入Fe或Fe中，形成合金元素的固溶体（铁素体或奥氏体），由于合金元素的溶入，引起铁素体和奥氏体的晶格畸变，产生固溶强化，提高其硬度和强度，但有可能会降低塑性和韧性。,溶于基体中形成合金F或合金A,溶于基体中形成合金F或合金A,2、合金元素与碳形成碳化物,Fe、Mn、Cr、Mo、W、V、Ti、Nb、Zr,弱碳化物元素:Fe、Mn。,中强碳化物元素:Cr、Mo、W。,强碳化物元素:V、Ti、Nb、Zr。,合金元素与碳的亲和力从小到大的顺序为：,Ti、Nb、V为强碳化物形成元素，碳化物的稳定性、熔点、硬度、耐磨性高，如TiC、VC等。,钢中碳化物,W、Mo、Cr为中碳化物形成元素，碳化物的稳定性、熔点、硬度、耐磨性较高，如W2C等。Mn、Fe为弱碳化物形成元素，碳化物的稳定性、熔点、硬度、耐磨性较低，如（Fe，Cr）3C（Fe，Mn）3C等。,2、合金元素与碳形成碳化物,二、合金元素对铁碳合金相图的影响,Ni、Mn、Co、等是扩大奥氏体相区的元素，使A1、A3点下降，A4点上升。,1、合金元素对A相区的影响,当Mn13%或Ni9%时，S点降到0以下，室温下为单相奥氏体组织，称奥氏体钢。,Cr、Mo、Si、Ti、W、Al等是缩小奥氏体相区的元素，使A1、A3点上升，A4点下降。当Cr13%时，奥氏体相区消失，室温下为单相铁素体组织，称铁素体钢。,Mn元素对奥氏体区的影响,Cr元素对奥氏体区的影响,凡是扩大A相区的元素均使S、E点向左下方移动；凡是缩小A相区的元素均使S、E点向左上方移动。,2、合金元素对S点、E点的影响：,所有合金元素均使E点和S点左移，即这两点的含碳量下降，使碳含量比较低的钢出现过共析组织（如4Cr13）或共晶组织（如W18Cr4V）。,合金元素对A1线的影响,合金元素对S点成分的影响,合金元素对铁碳合金相图的影响,合金元素对S、E点的影响,a）Cr对S、E点的影响,b）Mn对S、E点的影响,三、合金元素对钢热处理的影响,2、对奥氏体晶粒大小的影响大多数合金元素有阻碍奥氏体晶粒长大的作用。但锰和磷却相反，可以促进奥氏体晶粒长大，所以，除锰钢外，合金钢在加热时不易过热。这样有利于在淬火后获得细马氏体；也有利于适当提高加热温度，使奥氏体中溶有更多的合金元素增加淬透性和提高钢的力学性能。,1、合金元素对加热时的奥氏体化的影响大多数合金元素（镍、钴除外）都减缓奥氏体化过程。所以在热处理时就需要比碳钢更高的加热温度和更长的保温时间碳化物不易分解。,（1）增加过冷奥氏体稳定性除钴外，所有合金元素都使C曲线右移，降低钢的临界冷却速度，提高钢的淬透性。有些合金元素还使C曲线的形状发生改变。另外，大多数合金元素还使Ms点下降。,3、合金元素对过冷奥氏体转变的影响,4、合金元素对回火时的影响,（1）提高钢的耐回火性（回火稳定性）：淬火钢在回火过程中抵抗硬度下降的能力称耐回火性。合金元素能阻碍马氏体分解及碳化物的析出与聚集。,当回火硬度相同时，合金钢比同含碳量碳钢回火温度高。如果同温度回火，合金钢硬度比碳钢高。,（3）防止第二类回火脆性,（2）产生二次硬化（红硬性）,含高W、Mo、Cr、V钢淬火后回火时，由于析出细小弥散的特殊碳化物及回火冷却时A转变为M回,使硬度不仅不下降，反而升高的现象称二次硬化。,加W、Mo可防止第二类回火脆性。,1、合金钢分类,（1）按合金元素的含量分1）低合金钢合金元素总含量小于等于5%；2）中合金钢合金元素总含量在5%10%之间；3）高合金钢合金元素总含量大于等于10%；（2）按合金元素的种类分有铬钢、锰钢、铬镍钢、硅锰钼钒钢等。,四、合金钢的分类与牌号,1、合金钢分类,合金结构钢建筑及工程用结构钢机械制造用结构钢合金工具钢特殊性能钢,（3）按主要用途分,2、合金钢的牌号,（1）合金钢的含碳量、合金元素的种类、合金元素的含量均应在牌号中体现出来。（2）两位数字（表示平均含碳量的万分之几）+合金元素符号+该元素百分含量数字+（3）当合金元素的平均含量小于1.50%时，只标元素符号，不标含量；例：合金弹簧钢60Si2Mn含碳量0.6%；硅含量2%；锰含量Mn1%。,合金钢牌号的一般命名原则,高级优质钢在牌号后加字母A，如60Si2MnA。特级优质钢在牌号后加字母E，如30CrMnSiE。,（1）含碳量+合金元素符号+该元素百分含量+（2）当含碳量小于1.00%时，含碳量用一位数字标明，这一位数字表示平均含碳量的千分之几，如8MnSi。（3）当含碳量大于1.00%时，不标含碳量。,合金工具钢,*高速钢不标含碳量，如W6Mo5Cr4V2(含0.85%C)。*含铬量小于1%时，在含铬量(以千分之一为单位)前加数字“0”，如Cr06。,铣刀,（1）G+Cr+铬含量(不标含碳量)（2）“G”表示“滚动轴承钢”。（3）铬含量以千分之一为单位。如“GCr15”的平均含铬量为1.5%。（4）渗碳轴承钢牌号的表示方法与合金结构钢相同，仅在牌号头部加字母“G”，如“G20CrNiMo”。,轴承钢,第二节合金结构钢（P88）,一、低合金结构钢二、合金渗碳钢三、合金调质钢四、合金弹簧钢五、滚动轴承钢,一、低合金结构钢（普通低合金钢）,（1）高强度及足够韧性。（2）良好的焊接性能和冷成型性能。（3）良好的耐蚀性及低的冷脆转变温度。,2、成分特点,（1）低碳：0.2%C。（2）合金元素：主要是Mn，还有少量V、Ti、Nb等。Mn的作用是强化铁素体；增加珠光体的量。V、Ti、Nb等起细化晶粒和弥散强化作用。另外加Cu、P可提高耐蚀性；加RE可提高韧性、疲劳,1、性能要求,极限，降低冷脆转变温度。,3、热处理特点：大多数热轧空冷后使用，少数可用正火+高温回火处理，使用状态下组织：F+S,4、常用钢种16Mn、15MnTi等。,5、用途：Q345钢(16Mn)综合性能好，用于船舶、桥梁、车辆等大型钢结构。Q390钢含V、Ti、Nb，强度高，用于中等压力的压力容器。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。,二、合金渗碳钢,表面具有高硬度、高耐磨性，心部具有足够的韧性和强度，即表硬里韧。良好的热处理性能,如淬透性和渗碳能力。,1、性能要求,2、成分特点,低碳：0.10.25%C合金元素作用：提高淬透性：Cr、Mn、Ni、B强化铁素体：Cr、Mn、Ni细化晶粒：W、Mo、Ti、V,二、合金渗碳钢,预先热处理为正火、渗碳后为淬火加低温回火。,二、合金渗碳钢,3、热处理特点,正火目的为调整硬度，便于切削加工。淬火温度一般为Ac1+3050。,渗碳淬火后的表层组织,心部：M回+F表层：M回+颗粒状碳化物+A(少量)；,4、使用状态下组织,二、合金渗碳钢,低淬透性钢：20Cr、20CrV。,用于受力小的耐磨件，如柴油机的活塞销、凸轮轴等。,5、常用钢种与牌号,中淬透性钢：20CrMnTi。用于中等载荷的耐磨件，如变速箱齿轮。高淬透性钢：18Cr2Ni4WA。用于大载荷的耐磨件，如柴油机曲轴。,二、合金渗碳钢,5、常用钢种与牌号,20CrMnTi钢制汽车变速齿轮热处理工艺曲线,中淬透性钢,(1)调质处理后具有高强度与很好塑性及韧性的配合，即具有良好的综合力学性能。良好的淬透性。,三、合金调质钢,2、成分特点,1、性能特点,调质件（螺杆）,中碳：0.250.5%C，以0.4%居多合金元素作用：提高淬透性:Mn、Si、Cr、Ni、B强化铁素体:Mn、Si、Cr、Ni细化晶粒:Ti、V防止第二类回火脆性:W、Mo,三、合金调质钢,3、热处理及组织特点调质件的加工工艺路线为：下料锻造退火粗加工调质精加工装配调质目的：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。,回火索氏体,调质处理车间,低淬透性钢：D0油60mm,常用40CrNiMo,用于制造大截面重载荷零件，如曲轴等。,三、合金调质钢,4、常用钢号及用途,四、合金弹簧钢,制造弹簧或类似性能零件的钢种。1、性能要求弹簧是利用弹性变形储存能量或缓和冲击的零件。（1）高的e，s/b；（2）高的-1；足够的塑性和韧性（3）高的淬透性。,中高碳：碳素弹簧钢为0.60.9%C合金弹簧钢为0.50.7%C,2、成分特点,合金元素作用：提高淬透性、强化铁素体：Mn、Si、Cr提高s/b：Mn，Si细化晶粒：V,四、合金弹簧钢,冷成型弹簧：冷拔冷成型定型处理(250300)。用于10mm),弹簧的表面质量对其寿命影响很大。提高表面质量的方法:防止表面脱碳；,避免表面缺陷；进行喷丸处理，使表面产生压应力。,板簧喷丸处理示意图,4、弹簧的表面质量,四、合金弹簧钢,喷丸处理也称喷丸强化，是提高零件疲劳寿命的有效方法之一，喷丸处理就是将高速弹丸流喷射到弹簧表面，使弹簧表层发生塑性变形，而形成一定厚度的强化层，强化层内形成较高的残余应力，由于弹簧表面压应力的存在，当弹簧承受载荷时可以抵消一部分抗应力，从而提高弹簧的疲劳强度。,喷丸强化是一个冷处理过程，它被广泛用于提高长期服役于高应力工况下金属零件，如飞机引擎压缩机叶片、机身结构件、汽车传动系统零件等的抗疲劳属性。,四、合金弹簧钢,4、弹簧的表面质量,（1）Cr、V、W弹簧钢，如50CrV，用于大截面、大载荷、耐热的弹簧。（2）Si、Mn弹簧钢，如65Mn、60Si2Mn，用于制造较大截面弹簧。,5、常用钢号及用途,四、合金弹簧钢,五、滚珠轴承钢,1、性能特点,轴承工作时,承受接触应力(达30003500MPa)、周期性交变载荷(频率达数万次/分)和摩擦。,用于制造轴承套和滚动体的专用钢种。,高而均匀的硬度和耐磨性。高的b和接触疲劳强度。足够的韧性、淬透性和耐蚀性。,高碳：0.951.10%C合金元素：以Cr为主,加入Mn、Si。Cr、Mn、Si的主要作用是提高淬透性；,2、成分特点,Cr还提高耐磨性（形成合金渗碳体）和耐蚀性。当1.65%Cr时,会因A增加而使硬度和稳定性下降。,五、滚珠轴承钢,滚动轴承钢是过共析钢。热处理：球化退火+淬火+低温回火,3、热处理和组织特点,组织：M回+颗粒状碳化物+A(少量)淬火后进行冷处理(-60-80),可以减少A、稳定尺寸。,轴承生产车间,五、滚珠轴承钢,应用最广的是GCr15，大量用于大中型轴承；大型轴承用GCr15SiMn。这类钢还可用于制造模具、量具等。,4、钢种和牌号,向心球轴承,五、滚珠轴承钢,第三节合金工具钢（P98）,一、合金刃具钢二、合金模具钢三、量具用钢,一、合金刃具钢,（1）高硬度：（60HRC以上），主要取决于含碳量。（2）高的耐磨性：靠高硬度和析出细小均匀硬碳化物来达到。（3）高的热硬性（红硬性）：即高温下保持高硬度的能力。（4）具有一定的强度、韧性和塑性，以防止脆断和崩刃。,用来制造各种切削刀具的钢种。,切削加工,1、性能要求,高碳：0.91.1%C，保证高硬度和耐磨性。合金元素作用提高淬透性:Cr、Mn、Si提高耐回火性：Si提高硬度和耐磨性、防止加热时过热、细化晶粒:W、V,2、成分特点：,一、合金刃具钢,合金刃具钢,预处理为球化退火，最终热处理为淬火+低温回火，只是淬火介质为油(碳素工具钢为水)。使用状态下的组织为：M回+颗粒状碳化物+A(少量),3、热处理及组织,4、常用钢号及用途,应用最多的是9SiCr。用于制造形状复杂、要求变形小的低速刃具，如丝锥、板牙等。,一、合金刃具钢,9SiCr钢圆板牙淬火回火工艺,温度,时间,850870（Ac1Accm),160200,190200,分级淬火,600650,低温回火,6090min,3045min,高速钢（俗称风钢）,1、成分特点,高碳:0.701.5%C合金元素作用提高淬透性：Cr提高热硬性、W、Mo、提高耐磨性，细化晶粒:V,一、合金刃具钢,加工工艺路线：下料锻造退火机加工淬火回火磨削,2、加工与热处理,高速钢是莱氏体钢，其铸态组织为亚共晶组织，由鱼骨状莱氏体与树枝状M+T组成，脆性大且无法热处理改善。,W18Cr4V钢的铸态组织,高速钢（俗称风钢）,锻造目的：打碎粗大的鱼骨状碳化物，使其均匀分布于基体中。,降低硬度，便于切加工；为淬火作组织准备；退火后组织：S+颗粒状碳化物,W18Cr4V钢的退火组织,退火目的：,加工工艺路线：下料锻造退火机加工淬火回火磨削,淬火目的:获得高合金元素含量的马氏体。因此淬火温度高(1200)。,淬火后组织：M+未溶碳化物(10%)+A(20%),回火目的：主要为减少A。消除内应力、稳定组织。,碳及合金元素含量下降，Ms点上升，回火冷却时，A转变为M。每次回火加热都使前一次的淬火马氏体回火。,高速钢硬度与回火温度关系,常用560三次回火。,析出W、Mo、V的碳化物，产生二次硬化。,回火时的组织变化：,高速钢（俗称风钢）,高速钢W18Cr4V钢盘形铣刀淬火回火工艺曲线,时间,温度,560三次回火,580620,分级淬火,12701280,800840,空冷,空冷,空冷,空冷,W18Cr4V钢热处理工艺曲线,4、使用状态下组织M回+颗粒状碳化物+A（少量）,W18Cr4V钢淬火、回火后的组织,高速钢（俗称风钢）,不同状态下W18Cr4V的组织,常用钢号为W18Cr4V(18-4-1)和W6Mo5Cr4V2(6-5-4-2)。用于高速切削刃具，如车刀、刨刀、铣刀、钻头等。,车刀,铣刀,高速钢铣刀,5、常用钢号及用途,高速钢（俗称风钢）,W18Cr4V钢的铸态组织,W18Cr4V钢的铸态组织,锻造:鱼骨状碳化物不能用热处理来消除,只能依靠反复多次锻打来击碎。,W18Cr4V锻造组织210,球化退火:消除应力,调整组织,便于机加工,为淬火作好组织准备。,球化退火后的组织:S+粒状Cm,W18Cr4V球化退火组织420,W18Cr4V钢淬火组织,W18Cr4V淬火组织300,W18Cr4V淬火+一次回火组织,W18Cr4V淬火+三次回火组织,W18Cr4V淬火+三次回火组织420,二、合金模具钢,（一）冷模具钢,用以制造冷热模具的钢种。,用来制造在室温下使金属塑性变形的模具，如落料模、冷镦模、剪切模等。（属高碳钢0.9%）,(1)高硬度和耐磨性。(2)足够的强度、韧性和疲劳抗力。(3)良好的工艺性能（淬透性、切削加工性等）(4)热处理变形小,1、性能要求,汽车冲压模具,（1）小尺寸、形状简单、受力不大的模具,可用碳素工具钢和低合金工具钢制造。（2）截面、受力大的冷模具用Cr12型冷作模具钢制造。,Cr12钢,2、常用钢种,（3）常用钢号为Cr12和Cr12MoV。用于制造冷冲模、挤压模等。,汽车外板冷冲模,冷冲压件,4加工及热处理：Cr12型模具钢也是莱氏体钢，需进行锻造、退火,目的同高速钢。,最终热处理为:淬火+低温回火,使用状态下的组织:M回+颗粒状碳化物+A(少量),（1）一次硬化法；（2）二次硬化法,3成分特点：高碳(1.42.3%C)；高铬(11.513%Cr)合金元素作用：Cr提高淬透性；Mo、V提高耐磨性，细化晶粒。,（一）冷模具钢,用来制造对金属进行热变形加工的模具，如热锻模、压铸模等。（含碳量0.3%0.6%,含C量太高，导热性下降),（二）热模具钢,高温下良好的综合力学性能。抗热疲劳性能。高的淬透性和良好的导热性。,1、性能要求,二、合金模具钢,5CrNiMo、5CrMnMo前者用于大型热锻模，后者用于中小型热锻模。成分特点：合金元素作用及热处理同调质钢。使用状态下的组织:S回,2、常用钢种,热锻模钢,（二）热模具钢,型板压铸模,典型钢号是3Cr2W8V,为过共析钢。中碳(0.30.4%C),合金元素作用同高速钢。W、Cr提高抗热疲劳性能。淬火+回火后组织：M回+颗粒状碳化物+A(少量),压铸工艺,2、常用钢种,热压模钢,（二）热模具钢,汽车四缸压铸模,三、量具用钢（P103）,制造各种量具用钢。如千分尺、卡尺、块规、塞规等。,量具在使用过程中与被测零件接触，承受摩擦和冲击。高硬度和耐磨性。高的尺寸稳定性。足够的韧性。,1、性能要求,三、量具用钢,低碳钢渗碳、中碳钢表面淬火。碳素工具钢、低合金工具钢,两者用于尺寸小、形状简单、精度要求不高的量具。,滚动轴承钢、冷作模具钢。用于制造精密量具。不锈钢用于制造接触腐蚀介质的量具。,2、量具用钢,淬火前预备热处理采用球化退火或调质处理。,下限温度淬火及冷处理，目的是减少A。长时间低温时效，以消除内应力，降低马氏体的正方度。,量规,2、量具钢的热处理特点,量具在使用的过程中要经受磨损，要求具有较高的硬度和耐磨性，同时要有较高的尺寸稳定性。为提高尺寸的稳定性，淬火后要进行冷处理。（5078）,第四节特殊性能钢及合金（P105）,一、不锈钢二、耐热钢三、耐磨钢,特殊性能钢是指具有特殊物理、化学性能的钢。本节只介绍不锈钢和耐热钢。,一、不锈钢（P105）,1）电化学腐蚀金属在电解质中微电池腐蚀称为电化学腐蚀。2）化学腐蚀金属在非电解质中的化学反应腐蚀称为化学腐蚀。,在腐蚀介质中具有耐蚀性能的钢。(一）金属的腐蚀金属的腐蚀分化学腐蚀和电化学腐蚀。,不锈钢电化学腐蚀基本原理图,i,Fe,Cu,Fe+,NaCl水溶液,Fe2eFe+Fe+2Cl-FeCl2,铁的电极电位低为负极铜的电极电位高为正极,不同组织、成分、应力区域之间都可构成微电池,提高金属抗腐蚀能力的主要措施,1）尽量使金属获得单相组织；2）加入合金元素使各相间的电极电位差减小；3）加入合金元素，使金属表面腐蚀后形成一层致密的氧化膜。,工业发达国家每年金属腐蚀造成的直接经济损失占GNP的4%左右。中国每年腐蚀的损失至少到400亿元以上。,1、低碳：碳高，则降低耐蚀性。2、Cr：是提高耐蚀性的主要元素形成稳定致密的Cr2O3氧化膜。Cr含量大于13%时，形成单相铁素体组织。提高基体电极电位(n/8规律)3、Ni：获得单相奥氏体组织。4、Mo：耐有机酸腐蚀。5、Ti,Nb:防止奥氏体钢晶间腐蚀。,（二）不锈钢中合金元素的作用,晶间腐蚀是沿晶粒周界发生腐蚀的现象，危害很大。它是由于Cr23C6析出于晶界，使晶界附近Cr含量降到12%以下，在介质作用下发生强烈腐蚀。加Ti、Nb则先于Cr与C形成不易溶于奥氏体的碳化物,避免晶界贫Cr。,（二）不锈钢中合金元素的作用,晶间腐蚀破坏,1、马氏体不锈钢含碳量：0.080.45%;Cr含量：13%；主要是Cr13型不锈钢钢号为1Cr134Cr13随含碳量提高，强度、硬度提高，耐蚀性下降。1Cr13、2Cr13热处理:淬火+高温回火使用状态下的组织:S回,不锈钢棒,（三）常用不锈钢,1Cr13、2Cr13具有耐大气、蒸汽腐蚀能力及良好的综合力学性能。,用于要求塑韧性较高的耐蚀件，如汽轮机叶片等。,1Cr13金相组织图,1Cr13供货状态组织(化染)580,3Cr13、4Cr13热处理：淬火+低温回火。使用状态下的组织：M回。具有较高强度、硬度。用于要求耐蚀、耐磨件，医疗器械、量具等。,医疗器械,不锈钢刀,含C量：0.1%；含Cr量：1232%；典型钢号如0Cr13、1Cr17等。成分：高铬低碳,无相变，不能进行热处理强化。组织：单相铁素体,2、铁素体不锈钢,钢中相,耐酸蚀，抗氧化能力强，塑性好，但有脆化倾向：475脆化：加热到450550停留，产生脆化。,相脆化：在600800长期加热时，析出硬而脆的相。,再加热到600快冷可消除。,（4）性能特点,广泛用于硝酸和氮肥工业的耐蚀件。,合成氨厂,用途,主要是18-8（18Cr-8Ni）型不锈钢。性能特点：具有良好的耐蚀性，冷热加工性及可焊性，高的塑韧性,无磁性。,热处理：采用固溶处理。即加热到1100使碳化物溶解后水冷。组织为单相奥氏体。,不锈钢带,3、奥氏体不锈钢,含C量：0.15%；含Cr量18%；含Ni量：811%；,为1Cr18Ni9、1Cr18Ni9Ti广泛用于化工设备及管道。,常用钢种,1Cr18Ni9Ti固溶处理组织金相图,1Cr18Ni9Ti固溶处理组织580,奥氏体不锈钢易发生应力腐蚀。即在特定合金-环境体系中，应力与腐蚀共同作用引起的破