第06章 合金钢

1、第六章第六章 合金钢合金钢 3 3 一、合金元素对钢中基本相的影响一、合金元素对钢中基本相的影响 碳钢中的基本相在退火、正火及调质状态时相为碳钢中的基本相在退火、正火及调质状态时相为F和和 Fe3C 。当钢中加入少量合金元素时，有可能一部份溶于。当钢中加入少量合金元素时，有可能一部份溶于F形形 成合金铁素体，而另一部分溶于成合金铁素体，而另一部分溶于Fe3C形成合金形成合金Fe3C 。 形成铁素体的元素：形成铁素体的元素：Ni、Si、AL、CO 形成合金渗碳体的元素：形成合金渗碳体的元素：Cr、W、Mo、V、Nb 既溶于既溶于F又溶于又溶于Fe3C的元素：的元素：Mn 溶于溶于F中的合金元素中

2、的合金元素F对起强化作用表现在对起强化作用表现在HB、AK方面。方面。 而溶于而溶于Fe3C 中的合金元素提高了中的合金元素提高了Fe3C的稳定性。的稳定性。 为了说明合金元素对为了说明合金元素对Fe-Fe3C相图的影相图的影 响规律，先响规律，先 介绍一下合金元素与介绍一下合金元素与Fe的相互的作用。一些合金元素的相互的作用。一些合金元素Ni、 Mn、Co、C、N、Cu与与Fe相互作用，扩大了相互作用，扩大了A相区；而相区；而 Cr、V、Mo、W、Ti、Al、Si、B、Nb、Ta、Zr 与与Fe相互作用缩小相互作用缩小A区。区。 合金元素对合金元素对Fe-Fe3C相图的影响相图的影响 A3点

3、是点是-Fe= -Fe转变临界温度，转变临界温度，A4是是-Fe =-Fe转转 变的临界温度。变的临界温度。 1 凡是能扩大凡是能扩大A区的元素会使区的元素会使A4点上升，点上升，A3点下降，点下降，E 点向右，点向右，S点向下移动，从而使点向下移动，从而使 Fe-Fe3C 相图的相图的A区扩区扩 大；大； 2凡是能缩小凡是能缩小A区的元素会使区的元素会使A4点下降，点下降，A3点上升，点上升， E 点向左，点向左，S点向上移动，从而使点向上移动，从而使Fe- Fe3C 相图的相图的A区缩区缩 小。小。 由上面的由上面的 分析可以知道分析可以知道 1含含Mn或或Ni相当高的钢，因扩大了相当高的

4、钢，因扩大了A区，有可能在区，有可能在 室温下只有室温下只有A单项存在而成为一种单项存在而成为一种A钢。如含钢。如含13% Mn的的ZGMn13耐磨钢，含耐磨钢，含9%Ni的的 1Cr18Ni9不锈钢不锈钢 等均属于等均属于A类钢。类钢。 2含含Cr相当高的钢。因缩小了相当高的钢。因缩小了A区的结果有可能在区的结果有可能在 室温下只有室温下只有F单相存在而成为一种单相存在而成为一种F钢。如含钢。如含17 28%Cr的的Cr17、Cr25、Cr28等铬不锈钢均属于等铬不锈钢均属于F 类型的钢。类型的钢。 3由于合金元素使相图的由于合金元素使相图的S点、点、E点发生移动，因而点发生移动，因而 共析

5、点的含碳量就不在是共析点的含碳量就不在是0.77%（A中的最大溶解中的最大溶解 度也不在是度也不在是2.11%) 3.1合金元素对钢的加热时相和组织的转变的影响合金元素对钢的加热时相和组织的转变的影响 合金钢加热时合金钢加热时A的形成过程中其上和碳钢有相同的的形成过程中其上和碳钢有相同的 规律规律 即包括即包括A的形成和长大、碳化物的溶解以及的形成和长大、碳化物的溶解以及A的均匀化，全过的均匀化，全过 程都与合金元素有关。程都与合金元素有关。 1）合金钢中）合金钢中A的形成过程主要取决于的形成过程主要取决于C和合金元素的重新分和合金元素的重新分 布和均匀化。其中布和均匀化。其中C的扩散速度将是

6、主导因素，合金元素本的扩散速度将是主导因素，合金元素本 身的扩散也将影响整个过程。例如身的扩散也将影响整个过程。例如Co和和Li提高提高C在在A中的扩中的扩 散速度加快散速度加快A的形成速度；的形成速度；Si、Al、 Mn对对A中中C的扩散速度的扩散速度 影响较小所以对影响较小所以对A的形成速度影响较小的形成速度影响较小;碳化物形成元素碳化物形成元素Cr、 Mo、W、Ti、V等与等与C有较强的亲和力，显著减慢有较强的亲和力，显著减慢C在在A中的中的 扩散速度，故使扩散速度，故使A的形成速度大大减慢。的形成速度大大减慢。 2）对碳化物向）对碳化物向A溶解过程中的影响溶解过程中的影响 由于合金元素

7、造成的由于合金元素造成的 扩散困难，因此合金钢在加热时需要较高的温度和较长的扩散困难，因此合金钢在加热时需要较高的温度和较长的 时间。时间。 3）合金元素）合金元素A中的均匀化，也是由于这些元素的扩散速度中的均匀化，也是由于这些元素的扩散速度 决定的。合金元素的扩散速度远低于决定的。合金元素的扩散速度远低于C的扩散速度，所以合的扩散速度，所以合 金钢需要较长的保温时间。金钢需要较长的保温时间。 3.2 合金元素对过冷合金元素对过冷A转变的影响转变的影响 合金元素对过冷合金元素对过冷A分解的影响总的说来除了分解的影响总的说来除了Co以外，所有以外，所有 溶入溶入A中的合金元素都推迟过冷中的合金元

8、素都推迟过冷A的分解，即使的分解，即使C曲线右移。曲线右移。 1. 其中非碳化物形成元素及弱碳化物形成元素，如其中非碳化物形成元素及弱碳化物形成元素，如Ni、Mn、 Si、Cu、Al等都增加过冷等都增加过冷A的稳定性，延长过冷的稳定性，延长过冷A的转变，的转变， 使曲线右移。使曲线右移。 2.碳化物形成元素如碳化物形成元素如Cr、Mo、W、V等当溶于等当溶于A后，对过后，对过 冷冷A等温转变曲线的影响是使等温转变曲线的影响是使C曲线右移，由于它们对推曲线右移，由于它们对推 迟迟P的转变和贝氏体转变的作用大小不同，使过冷的转变和贝氏体转变的作用大小不同，使过冷A等温等温 转变曲线发生分离，出现两

9、个过冷转变曲线发生分离，出现两个过冷A最不稳定区，其上部最不稳定区，其上部 为珠光体转变区下部为贝氏体变区。在两区之间（约为珠光体转变区下部为贝氏体变区。在两区之间（约 500600）过冷）过冷A具有较大的稳定性。具有较大的稳定性。 合金元素除合金元素除 Co 和和 Al 外大多数合金元素总是不同程外大多数合金元素总是不同程 度地降低度地降低 M 的转变温度，并增加的转变温度，并增加 A 残余残余 A 量。量。 四、合金元素对回火转变影响四、合金元素对回火转变影响 合金元素能使淬火钢在回火过程中的组织分解和转变速合金元素能使淬火钢在回火过程中的组织分解和转变速 度减慢，增加回火抗力，提高回火稳

10、定性，从而使钢的度减慢，增加回火抗力，提高回火稳定性，从而使钢的 硬度随回火温度的升高而下降的程度减弱，在其碳化物硬度随回火温度的升高而下降的程度减弱，在其碳化物 形成元素的作用下，甚至在回火时出现二次硬化现象。形成元素的作用下，甚至在回火时出现二次硬化现象。 6.1 合金钢的基础知识合金钢的基础知识 碳钢：价格低，但力学性能低，淬透性低，回火抗力差，不碳钢：价格低，但力学性能低，淬透性低，回火抗力差，不 能满足特殊性能要求（如耐热、耐低温、耐蚀等）。能满足特殊性能要求（如耐热、耐低温、耐蚀等）。 合金钢合金钢 ：在碳钢的基础上，加入某些合金元素而得到的钢。：在碳钢的基础上，加入某些合金元素而

11、得到的钢。 一一合金元素对钢中基本相的影响合金元素对钢中基本相的影响 二二合金元素对合金元素对Fe-Fe3C相图的影响。相图的影响。 三三 合金元素对钢的热处理的影响。合金元素对钢的热处理的影响。 一一 合金元素对钢中基本相的影响合金元素对钢中基本相的影响 1. 溶于基体中形成合金溶于基体中形成合金 F 或合金或合金 A 合金元素溶入铁素体后，产生固溶强化，使铁素体合金元素溶入铁素体后，产生固溶强化，使铁素体 的强度、硬度提高，但塑性、韧性都有下降趋势。的强度、硬度提高，但塑性、韧性都有下降趋势。 2. 与碳作用形成合金碳化物如与碳作用形成合金碳化物如 (Fe， Mn)3C 弱碳化物弱碳化物元

12、素元素: Fe、Mn。 中强碳化物中强碳化物元素元素: Cr、Mo、W。 强碳化物元素强碳化物元素: V、Ti、Nb、Zr。 3. 单独形成特殊碳化物，如单独形成特殊碳化物，如TiC、NbC、VC，具有，具有高熔点高熔点、 高硬度高硬度、高耐磨高耐磨的性能，且的性能，且稳定性极高稳定性极高。 二二合金元素对合金元素对Fe-Fe3C相图的影响相图的影响 1. 影响影响A和和F相区的范围相区的范围 Mn、Ni、Co等扩大等扩大A相区，扩大相区，扩大A存在的区域，如存在的区域，如 1Cr18Ni9和和ZGMn13，室温下单相，室温下单相A Cr、Mo、W、V、Ti、Si缩小缩小A相区均缩小相区均缩小

13、A存在区域，如存在区域，如 1Cr17高铬铁素体不锈钢高铬铁素体不锈钢 Mn对奥氏体区的影响 Cr对奥氏体区的影响 2. 使使S、E点左移点左移，并使，并使A1线线的温度变化。的温度变化。 合金元素对 S 点成分的影响合金元素对A1线的影响 三三合金元素对钢的热处理的影响合金元素对钢的热处理的影响 1. 加热时对奥氏体形成的影响加热时对奥氏体形成的影响 减缓减缓A化过程化过程（Ni、Co除外）除外） 合金碳化物熔点高、难分解，障碍合金碳化物熔点高、难分解，障碍C的扩散，热处理时要的扩散，热处理时要 提高加热温度或延长保温时间。提高加热温度或延长保温时间。 影响影响A晶粒长大晶粒长大 强烈阻止强

14、烈阻止A晶粒长大的元素：铝、钛、铌、锆晶粒长大的元素：铝、钛、铌、锆 中等阻止中等阻止A晶粒长大的元素：钨、钼、铬晶粒长大的元素：钨、钼、铬 促进促进A晶粒长大的元素：锰、磷、碳晶粒长大的元素：锰、磷、碳 2. 冷却时对过冷冷却时对过冷A转变的影响转变的影响 除除Co外，合金元素的加入使外，合金元素的加入使C曲线右移曲线右移。即增大过冷。即增大过冷A的稳的稳 定性，提高钢的淬透性。增强淬透性常用的元素有定性，提高钢的淬透性。增强淬透性常用的元素有: Cr、 Mn、Mo、Si、Ni、B等。等。 合金元素还可能使合金元素还可能使C曲线形状发生改变，甚至出现两组曲线形状发生改变，甚至出现两组C曲曲

15、线线 除除 Co、Al 元素外，元素外， 所有的合金元素都使所有的合金元素都使马氏体转变温度马氏体转变温度 下降下降。 3. 合金元素对回火转变的影响合金元素对回火转变的影响 提高钢的提高钢的回火稳定性回火稳定性：Cr Mo W V Nb Si 产生产生二次硬化二次硬化：Mo W V Ti等合金元素使钢在等合金元素使钢在500600 回火时硬度升高回火时硬度升高 回火脆性回火脆性: 第一类第一类： 250400 不可逆不可逆 防止方法：就是防止方法：就是避开这一温度范围回火避开这一温度范围回火。 第二类第二类： 500600可逆可逆 防止方法：防止方法：在在500600 快速冷却快速冷却。 加

16、入合金元素加入合金元素W、Mo。 W、Mo、V 等碳化物在550 时，使钢达到最高硬度， 产 生二次硬化。 Cr-Ni 钢的回火脆性示意图 6.2 合金钢的分类与牌号合金钢的分类与牌号 合金工具钢合金钢 不锈钢 耐磨钢 特殊性能钢 合金结构钢 普通低合金钢 滚动轴承钢 弹簧钢 合金渗碳钢 合金调质钢 模具钢 刃具钢 量具钢 耐热钢 合金钢 分类编号原则钢种举例 合金 结构钢 低合金高强钢 Q表示屈服点的字母，用最低屈服 强度数值表示 Q345C 渗碳钢 数字表示含碳量的万分数，化学元 素符号表示主加元素，后面的数字 表示所加元素的百分数 20CrMnTi 调质钢40Cr 弹簧钢60Si2Mn

17、滚动轴承钢 G表示滚动轴承钢，数字表示含铬量 的千分数 GCr15 合金 工具钢 刃具钢 数字表示含碳量的千分数，化学元素 符号表示主加元素，后面的数字表示 所加元素的百分数 W18Cr4V 模具钢Cr12 量具钢9SiCr 特殊 性能钢 不锈钢 数字表示含碳量的千分数，化学元素 符号表示主加元素，后面的数字表示 所加元素的百分数 1Cr17 耐热钢1Cr11MoV 耐磨钢ZGMn13 6.3 合金结构钢合金结构钢 一一低合金高强度结构钢低合金高强度结构钢 成分：成分：Wc0.2%，Me%3%，主加元素，主加元素Mn 用途：桥梁、船舶、车辆、锅炉、高压容器、输油输气管用途：桥梁、船舶、车辆、锅

18、炉、高压容器、输油输气管 道、大型钢结构等。道、大型钢结构等。 性能：较高的强度、屈强比、塑、韧性（性能：较高的强度、屈强比、塑、韧性（Me）；）； 良好的焊接性和冷塑性加工性（低碳）；良好的焊接性和冷塑性加工性（低碳）； 含有耐大气和海水腐蚀的元素（含有耐大气和海水腐蚀的元素（Cu、P）。）。 Q345钢钢(16Mn)综合性能好，用于综合性能好，用于 船舶、桥梁、车辆等大型钢结构。船舶、桥梁、车辆等大型钢结构。 Q390钢含钢含V、Ti、Nb，强度高，强度高， 用于中等压力的容器。用于中等压力的容器。 Q460钢含钢含Mo、B，正火组织为，正火组织为B， 强度最高，用于石化中温高压容强度最高

19、，用于石化中温高压容 器。器。 东风号远洋轮船Q345 南京长江大桥Q345 高压容器 二二渗碳钢渗碳钢 成分：成分： 低低 碳碳：0.1%0.25%，以保证零件心部足够的塑性和，以保证零件心部足够的塑性和 韧性，抵抗冲击载荷；韧性，抵抗冲击载荷； 合金元素：主加合金元素：主加Cr、Mn、Ni、B等，以提高渗碳钢的等，以提高渗碳钢的淬透淬透 性性，保证零件的心部为低碳马氏体，从而具有足够的心部，保证零件的心部为低碳马氏体，从而具有足够的心部 强度；辅加强度；辅加Mo、W、V、Ti等强碳化物形成元素，以形成等强碳化物形成元素，以形成 稳定的特殊合金碳化物，稳定的特殊合金碳化物，阻止阻止渗碳时奥氏

20、体渗碳时奥氏体晶粒长大晶粒长大。 用途：制造要求用途：制造要求高耐磨性高耐磨性、承受高接触应力和、承受高接触应力和冲击载荷冲击载荷的重的重 要零件。要零件。 性能：性能：表表层高层高硬硬度（度（58HRC）和高耐磨性；）和高耐磨性； 心心部良好强部良好强韧韧性；性； 高的淬透性高的淬透性以保证渗碳件的心部性能，以便于渗以保证渗碳件的心部性能，以便于渗 碳后直接淬火。碳后直接淬火。 热处理：热处理： 正火正火渗碳渗碳淬火淬火 + 低温回火（低温回火（180200） 低淬透性合金渗碳钢：合金元素低淬透性合金渗碳钢：合金元素 总量总量3 %。15Cr、20Cr、 20Mn2。用于受力小的耐磨件，。用

21、于受力小的耐磨件， 如柴油机的活塞销、凸轮轴等。如柴油机的活塞销、凸轮轴等。 中淬透性合金渗碳钢：合金元素中淬透性合金渗碳钢：合金元素 总量在总量在4 %左右。左右。20 CrMn、 20CrMnTi、20Mn2TiB。用于中。用于中 等载荷的耐磨件，如变速箱齿轮。等载荷的耐磨件，如变速箱齿轮。 高淬透性合金渗碳钢：合金元素高淬透性合金渗碳钢：合金元素 总量在总量在 4 % 6 %。18Cr2NiWA、 20Cr2Ni4A等。用于大载荷的耐等。用于大载荷的耐 磨件，如柴油机曲轴。磨件，如柴油机曲轴。 活塞销( 20Cr ) 柴油机曲轴 柴油机凸轮轴 20 CrMnTi齿轮制造工艺齿轮制造工艺

22、工艺路线：工艺路线： 下料下料锻造锻造正火正火齿形加工齿形加工渗碳渗碳预冷淬火预冷淬火 低温回火低温回火喷丸喷丸精磨精磨成品成品 热处理工艺曲线 预先热处理预先热处理：正火，改善锻：正火，改善锻 造组织，利于切削加工造组织，利于切削加工 最终热处理最终热处理：淬火低回：淬火低回 最终组织：最终组织： 表层：高碳表层：高碳M回 回+Cm+A残残 心部：低碳心部：低碳M回 回 +F 三三调质钢调质钢 成分成分 中碳中碳： 0.25%0.5%（一般为（一般为0.4%左右）。左右）。 合金元素合金元素 ： l主加元素主加元素Mn、Si、Cr、Ni、B等，主要作用等，主要作用提高淬透提高淬透 性性；次要

23、作用溶入铁素体起固溶强化作用。；次要作用溶入铁素体起固溶强化作用。 l辅加元素辅加元素Mo、W、V等强碳化物形成元素，其中等强碳化物形成元素，其中Mo、 W的主要作用是的主要作用是抑制抑制含含Cr、Ni、Mn、Si等合金调质钢的等合金调质钢的 高温回火脆性高温回火脆性，次要作用是改善淬透性；，次要作用是改善淬透性；V主要作用形成主要作用形成 碳化物阻碍奥氏体晶粒长大，起碳化物阻碍奥氏体晶粒长大，起细晶强化细晶强化和和弥散强化弥散强化作作 用。用。 用途：制造受力复杂（交变应力、冲击载荷等）的重要零件，用途：制造受力复杂（交变应力、冲击载荷等）的重要零件， 如发动机连杆、曲轴、机床主轴等。如发动

24、机连杆、曲轴、机床主轴等。 性能：具有性能：具有优良的综合力学性能优良的综合力学性能，即，即既强又韧既强又韧 热处理：热处理： 预先热处理：完全退火预先热处理：完全退火 最终热处理最终热处理 ：调质：调质，即淬火高温回火。，即淬火高温回火。 组织：组织：S回 回 连杆 40Cr钢制造连杆螺栓的热处理工艺曲线钢制造连杆螺栓的热处理工艺曲线 四四弹簧钢弹簧钢 成分：成分： 中高碳中高碳：碳素弹簧钢：碳素弹簧钢0.60.9%C，合金弹簧钢，合金弹簧钢0.45 0.70%C，经淬火加中温回火后得到回火屈氏体组织，能较，经淬火加中温回火后得到回火屈氏体组织，能较 好地保证弹簧的性能要求。好地保证弹簧的性

25、能要求。 合金元素合金元素 主加元素为主加元素为Si、Mn等，其主要作用是提高淬透等，其主要作用是提高淬透 性、回火稳定性、强化性、回火稳定性、强化F基体；辅加元素为基体；辅加元素为Mo、W、V等强等强 碳化物形成元素，主要作用有防止碳化物形成元素，主要作用有防止Si引起的脱碳缺陷，并引起的脱碳缺陷，并 细化晶粒及进一步提高弹性极限与屈强比。细化晶粒及进一步提高弹性极限与屈强比。 用途：制造各种弹簧和弹性元件或类似性能要求的结构零用途：制造各种弹簧和弹性元件或类似性能要求的结构零 件件 性能：高的性能：高的弹性极限弹性极限e和和屈强比屈强比s/b， ，高的 高的疲劳极限疲劳极限； 热处理热处理

26、 热轧弹簧：热成型热轧弹簧：热成型 淬火淬火 + 中温回火中温回火 喷丸喷丸 冷轧弹簧：淬火冷轧弹簧：淬火 + 中温回火中温回火 冷成型冷成型 去应力去应力 喷丸喷丸 热成形弹簧热成形弹簧 对截面尺寸对截面尺寸10mm各种大型和形状复杂的弹各种大型和形状复杂的弹 簧均采用热成形簧均采用热成形(如热轧、热卷如热轧、热卷)，如汽车、拖拉机、火车的，如汽车、拖拉机、火车的 板簧和螺旋弹簧。其板簧和螺旋弹簧。其加工路线加工路线：下料：下料加热压弯或卷绕加热压弯或卷绕淬淬 火火中温回火中温回火喷丸，使用状态组织为回火屈氏体。喷丸可喷丸，使用状态组织为回火屈氏体。喷丸可 强化表面并提高弹簧表面质量，显著改

27、善疲劳性能。（也可强化表面并提高弹簧表面质量，显著改善疲劳性能。（也可 采用等温淬火获得下贝氏体、或形变热处理，提高弹簧的性采用等温淬火获得下贝氏体、或形变热处理，提高弹簧的性 能和寿命）。能和寿命）。 汽车板簧 热卷大弹簧 冷成形弹簧冷成形弹簧 截面尺寸截面尺寸10mm的各种小型弹簧可采用冷成的各种小型弹簧可采用冷成 形形(如冷卷、冷轧如冷卷、冷轧)，如仪表中的螺旋弹簧、发条及弹簧片等。，如仪表中的螺旋弹簧、发条及弹簧片等。 这类弹簧在成形前先进行冷拉（冷轧）、淬火中温回火或铅这类弹簧在成形前先进行冷拉（冷轧）、淬火中温回火或铅 浴等温淬火后冷拉（轧）强化；然后再进行冷成形加工，此浴等温淬火

28、后冷拉（轧）强化；然后再进行冷成形加工，此 过程中将进一步强化金属，但也产生了较大的内应力和脆性，过程中将进一步强化金属，但也产生了较大的内应力和脆性， 故在其后应进行故在其后应进行低温去应力退火低温去应力退火（一般（一般200400）。）。 弹簧丝发条 五五滚动轴承钢滚动轴承钢 成分成分 高碳高碳：0.95%1.15%C，保证轴承钢高硬，保证轴承钢高硬 度和高耐磨性；度和高耐磨性； 低铬低铬：0.40%1.65%Cr，增加钢的淬透性，增加钢的淬透性， 并形成合金渗碳体并形成合金渗碳体(Fe、Cr)3C，提高接触，提高接触 疲劳极限和耐磨性。疲劳极限和耐磨性。 大型轴承加入大型轴承加入Si、M

29、n、Mo、 V等元素以等元素以 进一步提高淬透性和强度。进一步提高淬透性和强度。 用途：制造各种滚动轴承的用途：制造各种滚动轴承的滚动体滚动体（滚珠、滚柱）和内外（滚珠、滚柱）和内外 套圈的专用钢种，也可用于制作套圈的专用钢种，也可用于制作精密量具精密量具、冷冲模冷冲模、机床机床 丝杆丝杆及油泵油嘴的精密偶件如及油泵油嘴的精密偶件如针阀体针阀体、柱塞柱塞等耐磨件。等耐磨件。 性能：高的硬度、强度和耐磨性；高的接触疲劳强度；足性能：高的硬度、强度和耐磨性；高的接触疲劳强度；足 够的韧性和耐蚀性；高的纯净度够的韧性和耐蚀性；高的纯净度; 热处理热处理 预先热处理：球化退火，以改善切削加工性并为淬火

30、作 组织准备； 最终热处理：淬火低温回火，决定轴承钢的性能，得 到高硬度（6266HRC）和高耐磨性。 冷处理：消除A残与内应力、稳定组织、提高轴承的尺 寸精度。 组织组织 ： M回 回细碳化物少量 细碳化物少量A残 残 6.4 合金工具钢合金工具钢 一、刃具钢一、刃具钢 性能要求性能要求 高的硬度（高的硬度（6066HRC）和耐磨性。）和耐磨性。 高的热硬性，即钢在高温下（高的热硬性，即钢在高温下（500600）保持高硬度）保持高硬度 （60HRC左右）的能力，这是高速切削加工刀具必备的性左右）的能力，这是高速切削加工刀具必备的性 能。能。 适当的韧性。适当的韧性。 （一）碳素工具钢（一）碳

31、素工具钢 成份成份 含碳量约含碳量约 0.61.3 % 性能性能 常温硬度（常温硬度（HRC6062）及耐磨性较好。）及耐磨性较好。 但淬但淬 透性差、热硬性差。透性差、热硬性差。 热处理：热处理： 预先热处理：球化退火，降低硬度便于切削加工，并为 淬火作组织准备 最终热处理：淬火低温回火 组织：回火马氏体细粒状渗碳体少量残余奥氏体。组织：回火马氏体细粒状渗碳体少量残余奥氏体。 （二）低合金刃具钢（二）低合金刃具钢 成分：成分： 高碳高碳，含，含 0.91.5 % C ，添加，添加Si、Mn、Cr等合金等合金 元素，提高钢的元素，提高钢的淬透性淬透性和回火稳定性，进一步改善刀具的硬和回火稳定性

32、，进一步改善刀具的硬 度和耐磨性；强碳化物形成元素度和耐磨性；强碳化物形成元素(如如W、V等等)所形成的碳化所形成的碳化 物除对耐磨性有提高作用外，还可提高钢的热硬性。物除对耐磨性有提高作用外，还可提高钢的热硬性。 性能：低合金工具钢的淬透性和综合力学性能好，但由于其性能：低合金工具钢的淬透性和综合力学性能好，但由于其 内的合金元素主要是淬透性元素，而不是含量较多的强碳化内的合金元素主要是淬透性元素，而不是含量较多的强碳化 物形成元素物形成元素(W、Mo、V等等)，故仍不具备热硬性特点，刀具，故仍不具备热硬性特点，刀具 刃部的工作温度一般刃部的工作温度一般不超过不超过250，否则硬度和耐磨性迅

33、速，否则硬度和耐磨性迅速 下降，甚至丧失切削能力，因此这类钢属于下降，甚至丧失切削能力，因此这类钢属于低速切削刃具钢。低速切削刃具钢。 9SiCr 钢板牙热处理工艺曲线钢板牙热处理工艺曲线 板牙 （三）高速钢（三）高速钢 成分（成分（W18Cr4V） 高碳高碳 0.70.8%：保证高硬度保证高硬度 钨钨 18%：形成碳化物；：形成碳化物；在在560左右回火时，左右回火时， 弥散析出弥散析出 W2C， 造成二次硬化，提高钢的红硬性造成二次硬化，提高钢的红硬性。 钼钼 5%：1%Mo的作用等同于的作用等同于2%W。 铬铬 4%：形成碳化物；：形成碳化物；提高钢的淬透性提高钢的淬透性。 钒钒1.5%

34、：形成形成VC，硬度极高，硬度极高，提高钢的硬度和耐磨性提高钢的硬度和耐磨性，产产 生二次硬化生二次硬化。 性能：性能：高硬度、高耐磨性、高的红硬性高硬度、高耐磨性、高的红硬性（600 时，时，HRC63以上）、有一定的强度和韧性。以上）、有一定的强度和韧性。 盘形铣刀 W18Cr4V钢的生产工艺及热处理特点钢的生产工艺及热处理特点 工艺路线：下料工艺路线：下料 锻造锻造 球化退火球化退火 机加工机加工 淬火淬火 三次回火三次回火 喷砂喷砂 磨削磨削 锻造：高速钢属于锻造：高速钢属于莱氏体钢莱氏体钢，铸态组织中含有大量呈，铸态组织中含有大量呈鱼骨状鱼骨状 的粗大共晶碳化物的粗大共晶碳化物，钢的

35、韧性大幅下降。不能用热处理来消，钢的韧性大幅下降。不能用热处理来消 除，只能依靠除，只能依靠反复多次锻打反复多次锻打来击碎。来击碎。 退火：消除应力，调整组织，便于机加工，为淬火作好组织退火：消除应力，调整组织，便于机加工，为淬火作好组织 准备。退火后的组织准备。退火后的组织 : S + 粒状碳化物粒状碳化物 淬火淬火 : 1280；淬火后的组织：；淬火后的组织：M+Cm+A残 残(20 25%) 三次回火三次回火 ：消除消除A残 残；并 ；并产生二次硬化产生二次硬化 u弥散硬化：W2C、VC 弥散析出； u二次淬火： A残中析出合金碳化物，使A残中合金的浓度 下降，MS 上升，在随后的冷却过

36、程中转变为M。 W18Cr4V铸态组织 420 W18Cr4V锻造组织 210 W18Cr4V淬火+ 三次回火组织 420 退火的目的：降低硬度退火的目的：降低硬度(HB207255)，消除应力，为了，消除应力，为了 缩补时间、一般用等温球化退火。缩补时间、一般用等温球化退火。 退火后可直接进行机械加工。但如果齿轮铣刀退火后可直接进行机械加工。但如果齿轮铣刀 表面粗糙度、精度要求较高时，应在加工中增表面粗糙度、精度要求较高时，应在加工中增 加一道调质处理。如下图：加一道调质处理。如下图： W18Cr4V钢机加后进行淬火、回火工艺钢机加后进行淬火、回火工艺 问题问题1. W18Cr4V在淬火之前

37、先要进行一次预热在淬火之前先要进行一次预热 (800 840），）， 为什么？为什么？ 答答：由于高速钢导热性差、塑性低而淬火温度：由于高速钢导热性差、塑性低而淬火温度 又很高，直接淬火易产生变形与裂纹。又很高，直接淬火易产生变形与裂纹。 问题问题2. 淬火温度为什么定为淬火温度为什么定为12701280？ 答答：对于高速钢热硬性影响最大的两个元素：对于高速钢热硬性影响最大的两个元素W、 V 在在A中的溶解度只有在中的溶解度只有在1000以上才有明显的以上才有明显的 增加，在增加，在12701280时，时，A中约含中约含78%的的W、 4%的的Cr、1%V，温度再高，温度再高A晶粒就会迅速长大

38、变晶粒就会迅速长大变 粗，淬火后粗，淬火后A增多从而降低高速钢的性能。增多从而降低高速钢的性能。 问题问题3. 回火温度为什么选为回火温度为什么选为560？ 答答：因：因W18Cr4V在在550570 回火时硬度高，回火时硬度高， 在此温度范围内在此温度范围内W、V 的碳化物呈细小分散壮从的碳化物呈细小分散壮从 M中沉淀析出，这些碳化物很稳定难以聚集长大，中沉淀析出，这些碳化物很稳定难以聚集长大， 从而提高钢的硬度，就是所谓的弥散硬化。在此从而提高钢的硬度，就是所谓的弥散硬化。在此 温度范围内，一部分温度范围内，一部分C 及合金元素也从残余及合金元素也从残余A中中 析出，从而降低了析出，从而降

39、低了 A 中中 C及合金元素的含量，提及合金元素的含量，提 高了高了M的转变温度。当随后冷却时就会有部分残的转变温度。当随后冷却时就会有部分残 余余A转变为转变为M，使钢的，使钢的HB得到提高得到提高 ，即所谓的回，即所谓的回 火二次硬化。火二次硬化。 问题问题4. 为什么要进行三次回火？为什么要进行三次回火？ 答答：因为：因为W18Cr4V钢在淬火状态后约有钢在淬火状态后约有20 % 25%的残余的残余A ，一次回火难以全部消除，经三，一次回火难以全部消除，经三 次回火后即可使残余次回火后即可使残余A减到最低量减到最低量1 % 2%。同。同 时后一次回火还可以消除前一次回火由于时后一次回火还

40、可以消除前一次回火由于A 转变转变 为为M所产生的内应力。所产生的内应力。 总之回火后的组织为：总之回火后的组织为：M回回+少量少量A残残+碳化物碳化物k。 二二模具钢模具钢 （一）冷作模具钢（一）冷作模具钢 工作条件与性能要求：在常温下使金属材工作条件与性能要求：在常温下使金属材 料变形成型的模具用钢，料变形成型的模具用钢，工作温度工作温度200 300；模具承受很大的载荷及摩擦、冲；模具承受很大的载荷及摩擦、冲 击作用；冷作模具钢应具有击作用；冷作模具钢应具有高硬度、高耐高硬度、高耐 汽车车门模具 成分：成分： 高碳高碳 合金元素：合金元素：Cr， Mo、W、V 磨性、高强度和足够的韧性磨

41、性、高强度和足够的韧性；冷作模具对淬透性、耐磨性尤；冷作模具对淬透性、耐磨性尤 其是韧性方面的要求更高一些，冷作模具钢应是高碳成分并其是韧性方面的要求更高一些，冷作模具钢应是高碳成分并 多在回火马氏体状态下使用。多在回火马氏体状态下使用。 材料选用：材料选用： 对于形变简单、尺寸较小轻载的模具可以用对于形变简单、尺寸较小轻载的模具可以用 碳素工具钢碳素工具钢T10、T12来制造。来制造。 对于截面较大要求淬透性较高的模具选用低对于截面较大要求淬透性较高的模具选用低 合金工具钢制造。如合金工具钢制造。如9SiCr、9Mn2V、CrWMn、 GCr15 对于截面较大形状复杂受较大冲击载荷和要对于截

42、面较大形状复杂受较大冲击载荷和要 求较高耐磨性的模具冷冲模则用高碳素铬钢求较高耐磨性的模具冷冲模则用高碳素铬钢 Cr12MoV。 现以现以Cr12MoV钢为例说明合金元素的作用及热处钢为例说明合金元素的作用及热处 理：理： Cr12MoV钢的化学成分为：钢的化学成分为： C1.451.70% 、 Cr 10.012.50% 、 Mo0.400.60%、 V 0.150.30% 各元素的作用如下：各元素的作用如下： C：形成碳化物保证高硬度、高耐磨性。：形成碳化物保证高硬度、高耐磨性。 Cr: 形成碳化物具有极高的硬度，增加钢的耐形成碳化物具有极高的硬度，增加钢的耐 磨性改善钢的淬透性提高回火稳

43、定性以及二次硬磨性改善钢的淬透性提高回火稳定性以及二次硬 化现象。化现象。 Mo、V：改善钢的淬透性和回火稳定性还可以：改善钢的淬透性和回火稳定性还可以 细化晶粒改善碳化物的不均匀从而提高钢的强度细化晶粒改善碳化物的不均匀从而提高钢的强度 和韧性。和韧性。 Cr12MoV钢制冲孔落料模生产过程的工艺路线钢制冲孔落料模生产过程的工艺路线 如下：如下： 下料下料锻造锻造球化退火球化退火机械加工机械加工淬火淬火+低低 温回火温回火 精加工精加工成品成品检验检验 Cr: 形成碳化物具有极高的硬度，增加钢的耐形成碳化物具有极高的硬度，增加钢的耐 磨性改善钢的淬透性提高回火稳定性以及二次硬磨性改善钢的淬透

44、性提高回火稳定性以及二次硬 化现象。化现象。 Mo、V：改善钢的淬透性和回火稳定性还可以：改善钢的淬透性和回火稳定性还可以 细化晶粒改善碳化物的不均匀从而提高钢的强度细化晶粒改善碳化物的不均匀从而提高钢的强度 和韧性。和韧性。 Cr12MoV钢制冲孔落料模生产过程的工艺路线钢制冲孔落料模生产过程的工艺路线 如下：如下： 下料下料锻造锻造球化退火球化退火机械加工机械加工淬火淬火+低低 温回火温回火 精加工精加工成品成品检验检验 淬火、回火工艺：要求淬火、回火工艺：要求Cr12MoV钢具有高的耐磨钢具有高的耐磨 性。性。 组织：组织：M回 回+K+A少量少量。 。 （二）热作模钢（二）热作模钢 工

45、作条件与性能要求：使热态金工作条件与性能要求：使热态金 属成形的模具用钢。热锻模工作属成形的模具用钢。热锻模工作 部分的温度会升高到部分的温度会升高到300400、 热挤压模可达热挤压模可达500800、甚至、甚至 近近1000，因交替加热冷却的温，因交替加热冷却的温 度循环产生交变度循环产生交变汽车曲轴模具 热应力；热应力； 热作模具常见的失效形式有变形、磨损、开热作模具常见的失效形式有变形、磨损、开 裂和热疲劳等，要求模具钢应具有良好的裂和热疲劳等，要求模具钢应具有良好的高温强韧性高温强韧性、 高的热疲劳高的热疲劳和和热磨损抗力热磨损抗力、一定的、一定的抗氧化性抗氧化性和和耐蚀性耐蚀性 等

46、。如等。如5CrMnMo，5CrNiMo 成分：成分：中碳中碳 0.30.6 %； 合金元素合金元素:Cr、Ni、Mn、Si、Mo、W、V。 热作模具的性能要求：热作模具的性能要求： 高强度和韧性，足够的硬度和耐磨性。高强度和韧性，足够的硬度和耐磨性。 高的回火稳定性。高的回火稳定性。 抗疲劳能力。抗疲劳能力。 高的淬透性和导热性。高的淬透性和导热性。 常用的材料：常用的材料：5CrMnMo、5CrNiMo、3Cr2W8V 钢中元素的作用：钢中元素的作用： C:0.500.60% C太高导热性降低、太高导热性降低、C太低太低b、 、 HB Cr: 提高钢的淬透性和回火稳定性。提高钢的淬透性和回

47、火稳定性。 Ni: 提高淬透性强化基体作用增加韧性。提高淬透性强化基体作用增加韧性。 Mn:提高淬透性、强化提高淬透性、强化F基体韧性降低。基体韧性降低。 Mo:0.150.30%Mo防止第二类回火脆性，防止第二类回火脆性， 细化晶粒，增加淬透性，提高回火稳定性。细化晶粒，增加淬透性，提高回火稳定性。 热锻模生产过程的工艺路线如下：热锻模生产过程的工艺路线如下： 下料下料锻造锻造完全退火完全退火粗加工粗加工成型加工成型加工淬淬 火火+高温回火高温回火 精加工精加工(修型、抛光修型、抛光) 检验。检验。 淬火、回火工艺：淬火、回火工艺： 压铸模压铸模3Cr2W8V: 生产过程：下料生产过程：下料

48、锻造锻造 完全退火完全退火粗加工粗加工 淬火淬火+高温回火高温回火 精加工精加工成型成型 检验。检验。 经过经过3-4次回火、残余次回火、残余A得以转变完成。得以转变完成。 组织：回火索氏体组织：回火索氏体+K+A残残 三三量具钢量具钢 性能要求：高的硬度和耐磨性、良好的尺寸稳定性。性能要求：高的硬度和耐磨性、良好的尺寸稳定性。 成分：成分：高碳高碳 ；合金元素：；合金元素：Cr， Mn、W。 应用应用 简单量具 T10A、T12A 等。 高精度量具 GCr15、9SiCr、CrWMn 热处理：球化退火热处理：球化退火+淬火淬火 + 冷处理冷处理 + 低温回火低温回火 + 时效处理时效处理 最

49、终组织最终组织 ： M回 回+ 合金碳化物 合金碳化物 千分尺 温度 650 820-840 油冷 冷处理 140-160 110-120110-120 时效处理 精磨研磨 CrWMn钢制块规退火后的热处理工艺 3h3h 30h -75-78 四四特殊性能钢特殊性能钢 （一）不锈钢（一）不锈钢 金属腐蚀的种类金属腐蚀的种类: 化学腐蚀化学腐蚀 金属表面与周围介质直接发生化学反应而金属表面与周围介质直接发生化学反应而 引起的腐蚀。如金属高温时的氧化，钢的脱碳引起的腐蚀。如金属高温时的氧化，钢的脱碳 。 电化学腐蚀电化学腐蚀金属材料（合金或不纯的金属）与电解质金属材料（合金或不纯的金属）与电解质

50、溶液接触溶液接触 ， 通过电极反应产生的腐蚀。如钢的生锈。通过电极反应产生的腐蚀。如钢的生锈。 金属的防腐金属的防腐 1. “多相多相”易腐蚀，易腐蚀，“单相单相”不易腐蚀不易腐蚀 2. 两相若两相若电极电位接近电极电位接近耐腐蚀耐腐蚀(Cr、Ni提高基体电极电位提高基体电极电位) 3. 表面表面致密的氧化膜致密的氧化膜也耐腐蚀也耐腐蚀(Al2O3、Cr2O3) 化学成分特点化学成分特点: 1. 低碳低碳：耐蚀性要求愈高，碳含量愈低。：耐蚀性要求愈高，碳含量愈低。 2. 合金元素：合金元素：主加主加Cr。辅加。辅加Ni、Mo、Cu、Ti、Nb、Mn 等。等。 铁素体不锈钢铁素体不锈钢 碳含量碳

51、含量12%时能起到时能起到钝化钝化作用。此类钢在氧化性介质中（如作用。此类钢在氧化性介质中（如 大气、海水、氧化性酸）耐蚀。大气、海水、氧化性酸）耐蚀。 常见的马氏体不锈钢有：常见的马氏体不锈钢有：Cr13型如型如1Cr13、2Cr13、3Cr13。 奥氏体不锈钢奥氏体不锈钢 奥氏体不锈钢：是在奥氏体不锈钢：是在Cr18Ni8（18-8）基础上发展起来的，）基础上发展起来的， 低碳（低碳（0.12）、高铬（）、高铬（18）和较高镍（）和较高镍（9）；）；Cr主主 要起钝化作用，要起钝化作用，Ni主要起扩大主要起扩大A相区的作用。此类钢具有最相区的作用。此类钢具有最 佳的耐蚀性，但相应地价格也较

52、高；优良的低温韧性、高的佳的耐蚀性，但相应地价格也较高；优良的低温韧性、高的 加工硬化能力、耐热性，其冷塑性加工性和焊接性能较好。加工硬化能力、耐热性，其冷塑性加工性和焊接性能较好。 以以Cr18Ni8普通型奥氏体不锈钢用量最大，牌号有普通型奥氏体不锈钢用量最大，牌号有 1Cr18Ni9，1Cr18Ni9Ti及及0Cr18Ni9等。等。 （二）耐热钢（二）耐热钢 定义定义:在高温下具有在高温下具有抗氧化性抗氧化性和和高温强度高温强度的特殊钢。的特殊钢。 高温强度（热强性）指标有：高温强度（热强性）指标有： 蠕变极限：材料在高温长期载荷下对缓慢塑性变形（即蠕蠕变极限：材料在高温长期载荷下对缓慢塑

53、性变形（即蠕 变）的抗力；以变）的抗力；以 表示表示700下经下经1000h产生产生0.2%残残 余变形量的最大应力。余变形量的最大应力。 持久强度：材料在高温长期载荷下对断裂的抗力；以持久强度：材料在高温长期载荷下对断裂的抗力；以 表表 示在示在500下经下经10000h发生断裂的应力值。发生断裂的应力值。 700 1000/2 . 0 500 10000 提高钢抗氧化性的途径提高钢抗氧化性的途径：加入：加入Cr、Al、Si在钢表面生成致在钢表面生成致 密稳定连续而牢固的密稳定连续而牢固的Cr2O3、Al2O3、SiO2氧化膜。氧化膜。 提高钢热强性的途径提高钢热强性的途径： 基体固溶强化基

54、体固溶强化：加入元素：加入元素Cr、Ni、W、Mo等，形成单相组等，形成单相组 织并提高再结晶温度。织并提高再结晶温度。 第二相弥散强化第二相弥散强化：加入元素：加入元素V、Ti、Nb、Al等，形成细小等，形成细小 弥散分布的稳定碳化物弥散分布的稳定碳化物(VC、TiC、NbC)或稳定性更高的或稳定性更高的 金属间化合物金属间化合物(Ni3Ti、Ni3Nb、Ni3Al)，获得第二相弥散强，获得第二相弥散强 化效果并提高组织稳定性。化效果并提高组织稳定性。 晶界强化：晶界强化：微量元素硼微量元素硼(B)与稀土与稀土(RE)元素，起净化晶界或元素，起净化晶界或 填充晶界空位的作用。填充晶界空位的作

55、用。 抗氧化钢抗氧化钢 ：如：如3Cr18Ni25Si2等。等。 热强钢热强钢 珠光体：珠光体：500以下，如以下，如12CrMo、15CrMoV 马氏体：马氏体：600-650 ，如，如Cr13型马氏体不锈钢型马氏体不锈钢 奥氏体：奥氏体：650 以上：如以上：如18-8型奥氏体不锈钢型奥氏体不锈钢 （三）耐磨钢（三）耐磨钢 航空发动机汽轮机叶片 定义：在强烈冲击载荷作用下发生冲击形变硬化的高锰钢。定义：在强烈冲击载荷作用下发生冲击形变硬化的高锰钢。 化学成分：高碳化学成分：高碳(0.9%1.5%)、高锰、高锰(1114)。如。如 ZGMn13 铸态组织：粗大铸态组织：粗大AFe3C网 网，脆性大，不直接使用