广石化工程材料七工业用钢

第四节常见工业用钢的性能及用途,一、结构钢,二、工具钢,三、特殊性能钢,二、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。,1.刃具钢,（1）切削刃具的工作条件及对性能的要求,（2）碳素工具钢,（3）低合金工具钢,（4）高速钢,（5）硬质合金,要求：高的切断抗力，高的耐磨性，高的弯曲强度和足够的韧性，高的热稳定性。,用于刃具的材料：,用来制造各种切削刀具的钢种。,（2）碳素工具钢,a）碳素工具钢的成分与用途,高碳（0.651.35%C）随含碳量提高，碳化物量增加，耐磨性提高，但韧性下降。,T7T9：制造承受冲击的工具，如木工工具，冲子、凿子、锤子等。,共有七个牌号：T7T13。由于碳工钢热硬性、淬透性差，只用于制造小尺寸的手工工具和低速刃具。,丝锥,锉刀,手锯条,钻头,T10T11：制造低速切削工具，如钻头、丝锥、车刀等。T12T13：制造耐磨工具，如锉刀、锯条等。,b）碳素工具钢的热处理,热处理：正火+球化退火+淬火+低温回火球化退火目的：降低硬度，便于加工；为淬火作组织准备。使用状态下的组织：M回+颗粒状碳化物+A(少量),（3）低合金工具钢,在碳素工具钢基础上加入少量合金元素(35)形成。,高碳：0.751.5%C合金元素作用提高淬透性:Cr、Mn、Si提高耐磨性、细化晶粒:W、V,a.成分特点：,同碳素工具钢，只是淬火介质为油（碳工钢为水）。使用状态下的组织为：M回+颗粒状碳化物+A（少量）,b.热处理及组织,c.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。,（4）高速钢,制造高速切削刃具用钢。（俗称风钢）,a.高速钢的成分特点与常用钢种,高C：1左右，最高达1.6%，形成W2C、VC、高碳M体，硬度，耐磨性；W：10%，Fe4W2C部分溶入A，高温回火时析出W2C，产生二次硬化，这种碳化物在500600时非常稳定，热硬性提高；Cr：4%，Cr23C6全部溶入A体中(A稳定性)，淬透性；V：10)三镦三拔，打碎、揉匀鱼骨状碳化Ld；缓慢升温，两次预热，缓冷；渐变形：由小到大；,A25%,1518%,35%,12%,M回+K+A少,W18Cr4V钢的热处理过程示意图,1）球化退火：硬度，消除应力，改善切削性能，为淬火作好组织准备；,2)缓慢预热：该钢导热差、塑性低，温升快会开裂；,3)淬火温度高：K十分稳定,必须高温才使合金元素溶入到奥氏体中去，红硬性；,4)三次高温回火：A多（2025%）,一次回火难以全部消除，而且后一次回火可消除前一次回火中产生的内应力。,铸造锻造球化退火机加工淬火+三次570回火磨削加工,W18Cr4V钢淬火、回火后的组织,M回+颗粒状碳化物+A（少量）,未溶K,M回+A,（5）硬质合金,硬质合金是把一些高硬度、高熔点的粉末（WC、TiC等）和胶结物质（Co、Ni等）混合、加压、烧结成形的一种粉末冶金材料。特点：硬度极高（89-91HRA）、热硬性好（切削温度达1000）、耐磨性好。,硬质合金分两类：1）钨钴类：YG+数字表示，如YG8表示Co含量8，WC含量92的钨钴类硬质合金。2）钨钴钛类：YT+数字表示，如YT15表示Ti含量15，其余为WC、Co的钨钴钛类硬质合金。YW1和YW2称为通用或万能硬质合金,汽车冲压模具,（1）冷作模具钢制造金属冷成型模具的钢种a.性能要求1）高硬度和耐磨性。2）足够的强度和韧性。3）良好的工艺性。,2.模具钢,用以制造冷热模具的钢种。,Cr12钢,碳素工具钢和低合金工具钢：用于小尺寸、形状简单、受力不大的模具。Cr12型冷作模具钢成分特点：高碳(1.42.3%C)；高铬(11.513%Cr)合金元素作用：Cr提高淬透性和细化晶粒；Mo、V提高耐磨性，细化晶粒。碳含量高：保证与铬形成碳化物。,b.常用钢种,汽车外板冷冲模,加工及热处理：同高速钢相。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）,常用钢号为Cr12和Cr12MoV。用于制造冷冲模、挤压模等。,曲轴模具,制造使加热金属或液态金属成型模具的钢种。如热锻模、热挤压模和压铸模等。a.性能要求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,(2)热作模具钢,b.常用钢种热锻模钢5CrNiMo、5CrMnMo前者用于大型热锻模，后者用于中小型热锻模。对于压铸模，常用3Cr2W8V。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。,型板压铸模,压铸模钢常用3Cr2W8V。为过共析钢。中碳（0.30.4%C），合金元素作用同高速钢。W、Cr有提高抗热疲劳作用。淬火+回火后组织：M回+颗粒状碳化物+A(少量),汽车四缸压铸模,1.性能要求:,高的硬度(HRC62)和高的耐磨性，以保证使用不失去原有的精度；高的尺寸稳定性，以保证其高精度;在使用时，偶尔受到碰撞和冲击不致发生崩落和破坏。,卡尺,量规,千分尺,3.量具钢,量块,2、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。,3、量具钢的热处理特点预备热处理组织为球化退火或调质处理组织。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。,三、特殊性能钢,1.不锈钢,2.耐热钢,3.耐磨钢,特殊性能钢是指具有特殊的物理、化学性能的钢.,1.不锈钢,不锈钢（又称不锈耐酸钢）是指能抵抗大气或酸等化学介质腐蚀的钢。不锈钢并非不生锈，只是在不同介质中的腐蚀行为不一样。,空气中的年腐蚀量为0.01mm以内的钢,称为在空气中使用的不锈钢。在强酸、强碱介质中的年腐蚀量为0.1mm以内的钢,称为在强酸、强碱介质中使用的不锈钢。,全世界年均因腐蚀而不能使用的金属占总量的10%吃金属的老虎,（1）金属腐蚀的一般概念,金属与介质(电解质溶液,即酸、碱、盐溶液)发生电化学反应而产生的腐蚀。,化学腐蚀:,电化学腐蚀:,金属腐蚀大多数是电化学腐蚀。,金属与介质(干燥气体和非电解质溶液)发生化学反应而产生的腐蚀。例如:高温氧化、脱碳等。,电化学腐蚀实际是电池作用。当两种互相接触的金属放入电解质溶液时，由于两种金属的电极电位不同，彼此之间就形成一个微电池，并有电流产生。电极电位低的金属为阳极，电极电位高的金属为阴极，阳极的金属将不断被熔解，而阴极金属就不被腐蚀。对于同一种合金，由于组成合金的相或组织不同，也会形成微电池，造成电化学腐蚀。例如钢组织中的P，是由F和Cm两相组成的，在电解质溶液中就会形成微电池，由于F的电极电位低，为阳极被腐蚀。而Cm的电极电位高，为阴极而不被腐蚀。,电化学腐蚀原理:,图7-5珠光体腐蚀示意图,阳极(电极电位低)：失去电子，FeFe3+3e(被腐蚀）阴极：发生析氢反应3H+3e3/2H2,在观察碳钢的显微组织时，要把抛光的试样磨面放在硝酸酒精溶液中浸蚀，使铁素体腐蚀后，才能在显微镜下观察到珠光体的组织，就是利用电化学腐蚀的原理实现的。,金属发生电化学腐蚀的条件是：不同金属间或同一金属的各个部分之间存在着电极电位差，且它们是相互接触并处于相互连通的电解质溶液中构成微电池。,1)尽量使合金在室温下为单相组织，避免形成微电池效应，如Cr17%F体；Ni9%A体；2)加入合金元素提高金属基体的电极电位，例如在钢中加入大于13%的Cr，则F的电极电位由-0.56V0.2V，从而使金属的抗腐蚀性能提高；3)钝化处理：加入Cr、Si等元素，使工件表面形成致密的氧化膜（Al2O3、Cr2O3），称为钝化处理；氧化膜把金属与介质分隔开，从而防止进一步的腐蚀。铬是不锈钢合金化的主要元素。,提高金属的抗电化学腐蚀能力措施：,化学成分特点:Wc=0.10.4%碳越高，硬度、强度越高，但耐蚀性下降，因为Cr与C形成Cr3C，使F体中Cr含量下降，电极电位下降，耐蚀性下降；WCr=13%主要是提高耐蚀性。,a.马氏体型不锈钢Cr13型钢,锻造空冷便可获得马氏体，硬度较高；,（2）常用不锈钢,热处理和用途：,牌号:1Cr134Cr13,医用镊子,1Cr13、2Cr13淬火+高回S回汽轮机叶片、水压机阀等；,3Cr13、4Cr13淬火+低回M回医疗器械。,化学成分特点:Wc=0.1%左右高铬，WCr=1730%,热处理特点:无同素异构转变，不能用热处理强化。,牌号:1Cr17、1Cr17Ti、1Cr28等。,用途:主要用于耐蚀性要求高而强度要求不高的构件、如化工设备、容器和管道、食品设备等。,b.铁素体型不锈钢,铁素体型不锈钢的用途,硝酸生产装置,合成氨生产装置,在硝酸工业用途较广，几乎制N的构件均用这类钢,化学成分特点:Wc=0.080.14%WCr=1719%WNi=811%Cu、Ti、Mo等。Cr：产生钝化，提高耐蚀性；Ni：使钢在室温下呈单相A，进一步提高耐蚀性；Ti：防止晶间腐蚀。,加工特点:不能进行热处理强化,只能冷塑性变形强化。,3.奥氏体型不锈钢Cr18Ni9型（188型钢）,热处理特点:固溶处理；稳定化处理；消除应力退火。,牌号:0Cr18Ni9、1Cr18Ni9、0Cr18Ni9Ti、1Cr18Ni9Ti,1)固溶处理：加热（使Cr23C6溶入A体）快冷（不使Cr23C6析出）得到单相A体，提高钢的耐蚀性；2)稳定化处理：加热温度高于Cr23C6的溶解点，使其溶解到A体中，低于TiC、NbC的溶解点，保留住非Cr碳化物，缓冷后TiC、NbC析出，这样，C几乎全部稳定于TiC中，不再可能形成碳化铬，有效防止晶间腐蚀；3)去应力退火：消除冷加工应力（加热温度300350）；消除焊接残余应力（加热温度850）。,用途:化工容器、管道等。,大型化工储罐,管板换热器,2.耐热钢,珠光体型16Mo，工作温度600，如锅炉管道、气阀等；,马氏体型1Cr13，工作温度600，受力较大的，如汽轮机叶片等；,奥氏体型18-8型，工作温度850，较重要的零件，如燃气轮机轮盘等。,汽轮机叶片,过热器集箱,常用的耐热钢,3.耐磨钢,在强烈冲击和严重磨损条件下发生冲击硬化，因而具有很高耐磨能力的钢。,1.定义:,高锰钢是目前最主要的耐磨钢。,高锰钢由于机械加工困难，故基本上是铸态下使用，其牌号为ZGMn13。,3.化学成分特点:,高碳Wc=11.3%高锰WMn=1114%,4.热处理特点:,水韧处理。,过饱和单相奥氏体。,2.典型钢种:,5.室温组织:,水韧处理的工艺特征,铸态组织高锰钢,10501100,水淬,单相A,受到剧烈冲击或较大压力,表层MHB500,心部AHB220,A+Cm,碳化物完全溶入A,防止碳化物沿晶界析出,软相HB220,当旧的表面磨损后，新露出的表面又可在冲击与摩擦条件下获得新的耐磨层。,6.常用钢号,ZGMn13,高锰钢,铁路道岔,履带,球磨机衬板,挖掘机铲齿,高锰钢广泛用于既要求耐磨又要求耐冲击的零件。如拖拉机的履带板、球磨机的衬板、破碎机的牙板、挖掘机的铲齿和铁路的道岔等。,1.要制造齿轮、连杆、热锻模具、弹簧、冷冲压模具、滚动轴承、车刀、锉刀等零件，试从下列牌号中分别选出合适的材料并叙述所选材料的名称、成分、热处理工艺和零件制成后的最终组织。T1065MnW6Mo5Cr4V2GCr15Mo40Cr20CrMnTiCr12MoV5CrMnMo,课堂作业：,C%1%,Cr=12%,Mo,V1.5%；淬火低温回火；组织为回火马氏体。（2分）,答：,1.齿轮：,20CrMnTi渗碳钢；,C%=0.2%,Cr,Mn,Ti1.5%；渗碳淬火低温回火；组织为回火马氏体。（3分）,2.连杆：,40Cr调质钢；,C%=0.4%,Cr1.5%；调质处理（淬火高温回火）；组织为回火索氏体。（2分）,3.弹簧：,65Mn弹簧钢；,C%=0.65%,Mn1.5%；淬火中温回火；组织为回火托氏体。（2分）,4.冷冲压模具：,Cr12MoV冷变形模具钢；,T10、65Mn、W6Mo5Cr4V2、GCr15Mo、40Cr、20CrMnTi、Cr12MoV、5CrMnMo齿轮、连杆、热锻模具、弹簧、冷冲压模具、滚动轴承、车刀、锉刀,名称、成分、热处理工艺和零件制成后的最终组织。,5.滚动轴承：,GCr15Mo轴承钢；,C%1%,Cr=1.5%,Mo1.5%；球化退火淬火低温回火；组织为回火马氏体。（2分）,6.车刀：,W6Mo5Cr4V2高速钢；,W