第七章合金钢课件

1、第七章 合金钢v合金钢：v 在碳钢的基础上加入某些合金元素获得的钢种。v优点（相对于碳钢）：v1.淬透性高v2.强度高v3.某些钢种耐高温，耐腐蚀，高耐磨第一节 合金元素在钢中的作用合金钢中常用的合金元素有锰(Mn)、硅(si)、铬(Cr)、钼(Mo)、钨(w)、钒(v)、钛(Ti)、铌(Nb)、锆(Zr)、镍(Ni)、稀土(RE)等元素。 非碳化物形成元素： Ni,Co,Cu,Si,Al,N,B 碳化物形成元素： Zr,Nb,Ti,V,W,Mo,Cr,Mn,Fe 对钢的相变、组织和性能的影响都取决于其对钢中铁和碳的相互作用。一、合金元素对基本相和性能的影响1.对基本相的影响 非碳化物形成元素

2、溶入铁素体，形成固溶强化； 碳化物形成元素置换渗碳体中的Fe原子，形成合金渗碳体（Fe，Me）C，提高其稳定性； 还有形成高稳定性的合金碳化物如Cr23C6，和间隙相如MoC，WC，VC，TiV。一、合金元素对基本相和性能的影响凡溶入铁素体中的元素都不同程度地使其硬度、韧性发生变化，vSi、Mn的强化作用十分强烈，Ni也有较好的强化作用。当含Si量小于1，含Mn量小于15时，对铁素体强化的同时对其韧性影响不大。vC r、Ni在适当的含量范围内(2Cr、5Ni)，对铁素体的强度和韧性都有所提高。 二、合金元素对Fe-C合金相图的影响v1.扩大A区元素：C，N,Co,Ni,Mn,Cu2.缩小A区元

3、素：Cr,Mo,W,V,Ti,Si,Al强化原因v溶入元素的原子直径与铁的原子直径有差别，使铁素体晶格发生畸变，从而使塑性变形抗力提高。v渗碳体是一种稳定性最低的碳化物，因为Fe与C的亲和力较弱。合金元素溶入渗碳体内，增强了Fe和C的亲和力，从而提高了它的稳定性。这种合金渗碳体较难溶入奥氏体，也难聚集长大。v在高碳高合金钢中，除渗碳体型碳化物外，还有稳定性较高的合金碳化物，如Cr7C3、Cr23C6等和稳定性更高的间隙相，如MoC、Wc、W 2C、Vc、TiC等。这种碳化物的熔点和硬度很很高，难溶于奥氏体中，也难聚集长大。随着这些碳化物含量的增多，将使钢的强度、硬度显著增加。v合金元素对共析成

4、分和共析温度产生影响三、对钢热处理的影响（一）对加热时A化的影响1.对A化速度的影响非碳化物形成元素如Co,Ni加速A化；碳化物形成元素如Mo,W,V减缓A化；2.对A成分均匀化的影响 强碳化物形成元素，使均匀化变得困难，需升高加热温度和保温时间。v3.对A晶粒度的影响vP，Mn等促进A晶粒长大；vTi,Nb,V等阻止A晶粒长大；（二）对冷却时A分解的影响1.对A稳定性的影响 除Co外，使C曲线右移，A稳定性增加，淬透性增加；2.对M转变的影响 除Co,Al外，使Ms点下降，增加了残余A量。（三）对回火转变的影响v1.提高钢的回火稳定性v回火稳定性：钢对回火时产生软化过程的抵 抗能力v2.产生

5、二次硬化（500-600回火）v部分残余A转变成M，增加硬度；vMo2C,VC,TiC等碳化物弥散析出。v3.产生回火脆性v第一类回火脆性：250 -400 范围回火产生，与冷却方式无关，无法消除；v第二类回火脆性：500 -650 范围回火产生，与杂质元素在A晶界上偏聚有关，可通过 500 -600 保温后快冷来消除，或者加入W，Mo等元素。第二节 合金钢的分类及编号v一、分类v1.按合金元素含量v 低合金钢：Me10%v2.按用途v 合金结构钢v 合金工具钢v 特殊性能钢二、编号 结构钢 工具钢数字 碳含量万分数 碳含量千分数 + 1.0%不标注合金元素 + 合金元素百分数， 数字 1.5

6、%不标注， 同结构钢 1.5%，2.5%标2，3v结构钢的牌号中，前边的数字表示钢的平均含碳量，以万分之几表示。例如常用的45钢，平均含碳量为0.45。 合金元素直接以化学符号表示，符号后的数字表示该合金元素的含量，以平均含量的百分之几表示。合金元素含量小于1.5时，在元素符号后边不标明含量，如果平均含量等于或大于1.525、35、时，则相应以2、3、4、等表示。例如40C r(或40铬)，就是含0.370.45C、0.81.1C r的铬钢；60Si2Mn表示0.57065C、l520Si、0.60.9Mn的硅锰钢。v滚动轴承钢在牌号前加G。如GCr9(滚铬9)，后边的数字表示平均合铬量的千分

7、之几。又如易切钢在牌号前加Y(易的汉语拼音字首)字，Yl 2、Y15等，后达的数字表示含碳量的万分之几。v工具钢的牌号中，一般情况下含碳量以平均含量的千分之几表示，当平均含量1.0时，不标出数字。 合金元素含量与合金结构钢表示方法相同。 例如9SiCr表示平均含碳量为0.90，Si、Cr的平均含量为15的合金工具钢。又如C rWMn表示含碳星1.0，Cr、W、Mn的平均含量15的合金工具钢。v含硫、磷量较低(S0.02、P0.0 3)的高级优质合金钢，在牌号后边加“A”(或“高”)字。例如12Mn2A(12锰2高)、20Cr2Ni4A (20铬2镍4高)第三节 合金结构钢v一、普通低合金结构钢

8、v1.用途v较高强度，塑性，韧性，焊接性和耐腐蚀性等的构件。多用于制造桥梁、车辆、船舶锅炉、高压容器、油罐、输油管等v2.化学成分与作用vC%0.2%，保证塑性；vMe%HRC60)；高耐磨性；高热硬性1高硬度v 硬度应大于HRC60。v硬度主要取决于钢的含碳量，故碳量较高，0.615C。 2高耐磨性v影响耐磨性的主要因素是碳化物的硬度、数量、大小及分布情况。v一定量的硬而细小的碳化物，均匀分布在强而韧的金属基体中，可获得较高的耐磨性 3高的热硬性v当刃部受热时，刀具仍能保持高硬度的能力称为热硬性。v热硬性的高低与钢的回火稳定性有关，一般在刃具钢中加入提高回火稳定性的合金元素可增加钢的热硬性。

9、v v此外，刃具钢还要有足够的强度，韧性，以免在受到冲击和振动裁荷时产生突然断裂。一、刃具钢 1. 碳素工具钢 2. 低合金工具钢 3. 高速钢 1.碳素工具钢 碳量很高，0.61.3。经淬火后有较高的硬度和耐磨性。 一般含碳最高的T10，T12等钢，硬度高、塑性差，主要用做钻头、挫刀等。 含碳量低的T7、T8、T9等钢，硬度较低些但韧性较高，主要做木工刀具、锤子、錾子、带锯等。v 碳素工具钢的淬透性低，易产生淬火变形及开裂v热硬性差，当刃部受热至200250时，其硬度和耐磨性明显降低v仅用于制造刃部受热程度较低的手用工具和低速、小走刀量的机用工具等。 2.低合金刃具钢v (1) 成分特点v在

10、碳素钢的基础上添加某些合金元素，获得。v含碳量：0.91.56C， 合金元素： Si,Cr,Mn,W,Vv加入Si、C r、Mn等元素可提高钢的淬透性和回火稳定性，使其在230260回火后硬度仍保持HRC60以上，从而保证一定的热硬性。加入强碳化物形成元索W、V等形成WC、 VC或V4C3等特殊碳化物，提高钢的热硬性及耐磨性 v（2）低合金刃具钢来制造形状复杂、截面尺寸较大、精度要求较高的刀具。v 常用的合金刃具钢有9SiC r、CrWMn等 （三）热处理v与碳素工具钢相同。v包括：改善切削性能的球化退火，最终热处理为淬火和低温回火。v淬火介质大多采用油。v最终处理后的组织为回火马氏体、合金碳

11、化物和少量残余奥氏体。热处理：球化退火+淬火+低温回火：最终组织：M回+残余A+合金渗碳体3.高速钢v可高速切削。当切削温度高达600时，硬度无明显下降，仍保持良好的切削性能因此而得名(俗称锋钢)。v 常用的高速钢：如W18Cr4V-钨系；部分W被Mo所代替的W6M05Cr4V2-钼系。v特点：含碳量较高并含大量强碳化物形成元素W、Mo、C r、V等。 3.高速钢 俗称锋钢，国内主要为W18Cr4V，国外为W6Mo5Cr4V2 1.化学成分C%：0.71.25%,保持高硬度； Cr，提高淬透性； V，细化晶粒W，Mo，提高回火稳定性，产生二次硬化,提高热硬性； 2.热处理锻造+退火+淬火(10

12、00 )+三次回火3.回火后的组织:M回+残余A+合金渗碳体v锻造：打碎鱼骨状合金渗碳体v退火：降低硬度及消除内应力，并为随后的 淬火做组织准备, 退火温度为860 880 v淬火：800 840 预热，1270 -1280 v回火：三次，产生“弥散硬化”和“二次硬化”化学成分v碳：热处理后，一部分溶入马氏体中增加其硬度及耐磨性，另一部分与合金元素形成特殊碳化物。vCr：提高钢的淬透性淬火加热时全部溶入奥氏体中以增大其稳定性，淬火后得到均匀的马氏体组织其含量为4。vW和Mo：提高回火稳定性。 W在淬火加热时一部分与碳形成Fe4W2C，阻止晶粒长大提高钢的耐磨性另一部分溶入马氏体中提高钢的回火稳

13、定性，在560左右回火时析出W2C，产生“二次硬化”提高钢的热硬性。Mo与W有同样效果，1Mo大约可代替2W的作用，Mo比W的碳化物细小，且退火时易于球化，因此Mo系具有较好的韧性。其含量w为6l 9、Mo为06左右。vV与C形成稳定的VC具有很高的硬度和耐磨性，VC在高温时部分固溶。未固溶的VC阻止奥氏体晶粒长大，在560回火时也产生“二次硬化”。但含V量不宜过高，否则会使钢的韧性降低。在W系中含V量为1、Mo系中含V量为23左右淬火v热硬性主要取决于马氏体中合金元素的含量。W、V在1000时溶入量显著增加，但温度愈高A粗大，淬火后残余A增加，降低性能。v大量的合金元素使钢的导热性变差所以加

14、热时必须进行预热，v复杂刀具采用两至三次预热，以防变形或开裂。v尺寸小形状简单的刀具，采用油淬得M 。形状复杂或者要求变形量小的刀具，采用分级淬火。v 淬火后的组织是马氏休、残余奥氏休和合金碳化物。回火v 高速钢淬火后，残余A可达2030，须多次回火使其转变。通常在550570进行三次回火。 回火时，一方面从马氏体中沉淀析出细小分散的W2C、MoC、VC，形成“弥散硬化”。另一方面从残余A中析出合金碳化物，降低残余A中合金的浓度，使Ms点上升，随后冷却时，残余奥氏体转变成马氏体，产生“二次硬化”。v回火后的组织为M回、合金碳化物及少量残余A二、模具钢v（一）冷作模具钢v1.用途v冷态变形模具v

15、2.化学成分vCr12MoV：C%=1.45-1.70%；Cr%=1113%v3.热处理v锻打+淬火+低温回火v 尺寸小的冷作模具钢，其性能基本与刃具钢相似，可采用T10、T10A、9SiCr、9Mn2V、CrWMn等。v 大型模具必须采用淬透性好，耐磨性高、热处理变形小的钢种，一般采用C rl 2型钢种，如Crl2、C r12MoV等。 Crl2MoV钢冲孔落料模生产工艺路线如下： 下料锻造退火机械加工淬火回火精密或电火花加工成品。v碳1.451.70，保证足够的合金碳化物和部分碳溶入奥氏体中，经相应的热处理后获得高硬度和高耐磨性。vCr主加，含量高，显著提高淬透性，截面400mm的模具在油

16、中可淬透，形成Cr7C3，具极高硬度和耐磨性。变形量很小，为低变形钢。 加V、Mo提高淬透性，改善碳化物偏析，细化晶粒，增加强度和韧性。v v锻造空冷产生淬火马氏体组织,故锻造后要缓冷以免裂纹。锻后退火工艺也类似高速钢(850870加热34h，然后在720750等温(68h)退火后硬度255HBS。经机械加工后再按图723的工艺进行淬火和回火。（二）热作模具钢v1.用途v热锻模和热压模v2.化学成分v5CrMnMo：C%=0.30.6%；合金元素有Cr，Ni，Mn，Mo；v3.热处理v淬火+高温回火v工作时，除承受较大的各种机械应力外，模膛受到炽热金属和冷却介质(水、油和空气)交替作用产生的热

17、应力，易使模膛龟裂，即热疲劳现象因此，这种钢必须具有如下性能：v 1具有较高的强度和韧性并有足够的耐磨性和硬度(HRC4050)v 2有良好的抗热疲劳性。v 3有良好的导热性及回火稳定性，以利于始终保持模具的良好的强度和韧性v 4热作模具一般体积大，为保证模具的整体性能均匀一致，还要求有足够的淬透性v热作模具钢一般采用中碳合金钢。v常用的热锻模具纲有5CrMnMo、5CrNiMo等(后者比前者性能好，常用作大型热锻模)；v热挤压模由于承受冲击较小，但热强度要求高，通常采用3C r2W8V、4Cr5MoSiV等钢制作。v v含碳量0.5，保证良好的强度和韧性的配合v加入Cr、Ni、Mn、Si等，

18、提高钢的淬透性v加入Mo、W及V等，可提高钢的回火稳定性及减少回火脆性(这种钢要高温回火)。v含有较多的Cr、w元素等，缩小奥氏体区，稳定组织，提高抗疲劳的能力。v热锻模的生产工艺路线如下：v 下料锻造退火机械加工淬火回火精加工(修型、抛光)v 锻造时必须消除轧制时形成的纤维组织，消除各向异性，锻后缓冷以防产生裂纹。退火是为消除锻造应力，改善切削性能并细化晶粒等。退火加热温度780800，保温45h，然后炉冷。v5C rMnMo钢热锻模的淬火回火工艺。为防开裂，加热时要预热，使其内外温度均匀，冷却时要预冷后油淬，冷至Ms点时(不能冷至室温)，取出立刻回火回火后的组织为回火屈氏体或回火索氏体 。

19、三、量具钢 量具钢是用作制造各种测量工具的钢种，如制作量规、块规、千分尺等v1.性能要求v较好尺寸稳定性，较高硬度和耐磨性；v2.化学成分vCr，Mn，Wv3.热处理v淬火+低温回火v 量具钢没有专用钢，前面介绍的工具钢都可以选用。v通常简单量具可选用碳素工具钢(T10A、Tl 2A等)制造。 v高精度量具可采用低合金工具钢（GCrl5、9SiC r、CrMn、CrWMn等）制造。v特别是CrWMn钢，由于含C r、W、Mn元素，不仅提高了钢的淬透性，而且还由于淬火后组织中存在有较多的残余奥氏休，减小钢的淬火变形，故称为“微变形钢”。v 量具经淬火和低温回火后，组织为马氏休和残余奥氏体。v为确

20、保精度，提高尺寸和形状的稳定性，通常在淬火后立即进行一80左右的冷处理，使残余A转变；然后取出进行低温回火最后经磨削加工后，还要进行去应力回火，使量具的残余应力保持在最小程度。 第五节 不锈钢v（一）概念v不锈钢：在空气、碱和盐的水溶液等腐蚀性介质中有高度化学稳定性的钢。v（二）腐蚀分类v化学腐蚀：金属与外界介质发生纯化学反应。如钢在加热时的氧化现象。v电化学腐蚀：腐蚀过程中有电流产生。如钢在室温下氧化（生锈）。v（三）防腐蚀v1.形成单相组织；v2.双相组织加入Cr11.7%时，可使两电极电位接近，也可加入Ni27%；v3.在表面形成致密氧化膜；v（四）不锈钢v1.铁素体不锈钢v1Cr17

21、型v不能热处理v 1铁素体不锈钢v 典型1Crl 7，C量0.12，含Cr量为1618，没有a的转变，为单相铁素体组织，耐腐蚀性能好，塑性好，强度低，不能热处理强化。v主要制作化工设备的容器、管道等。v2.马氏体不锈钢vCr13型v 典型1Cr13、2Cr13等。 c量为0.10.45之间，随含碳量的增加,其强度也增加，但耐蚀性下降。平均含Cr量为13：提高耐蚀性，因为含Cr量12时，能在阳极区的基休表面形成富Cr的氧化膜，阻止阳极区域反应(称为钝化现象)，并增加基体的电极电位，减慢其电化学腐蚀过程，从而提高耐蚀性。仅在氧化介质中(如大气、水蒸汽、海水、氧化性酸等)有较好的耐蚀性。3.奥氏体不

22、锈钢v18-8型CrNi钢vCr：18%，提高耐蚀性；vNi： 9%， 扩大A区，进一步提高耐蚀性；vTi,Nb：抑制Cr23C6在晶界析出造成的晶界腐蚀；v热处理：固溶处理，稳定化处理，消除内应力(1)固溶处理v固溶处理获得单相奥氏体组织。即加热至10501150，使所有碳化物全部溶于奥氏体，然后水淬快冷，使单相奥氏体组织保留至室温。经固溶处理后其耐蚀性高，塑性、韧性好，强度低。v (2)稳定化处理v含Ti或Nb的l 88型不锈钢， 固溶处理后再进行一次稳定化处理，目的:消除晶间腐蚀倾向。即加热850880，保温6h左右，使(C r、Fe)23C6完全溶解，Ti或Nb的碳化物部分溶解，随后缓

23、慢冷却，使Ti或Nb的碳化物充分析出。经此处理后，碳几乎全部稳定于碳化钛或碳化铌中(稳定处理即由此得名)，不析出(C r、Fe)23C 6，提高固溶体中的含C r量。v (3)消除内应力v经冷加工或焊接的奥氏体钢，存在有残余内应力。为避免发生应力腐蚀，必须对其进行去应力退火。消除冷加工应力的加热温度为300350，消除焊接残余应力的加热温度在850以上。第八章 铸铁v铸铸铁含有更高的碳和硅，同时硫、磷含量也较高。成分范围： wC=2.5%4.0%，wSi=1.0%2.5%，wMn=0.5%1.4%， wP0.3%，wS0.15%。 钢基体 + 石墨组织v具有优良的铸造性能，生产工艺简便，成本低

24、v机器的50%以上是铸铁件，如,形状特殊的机器底座、床身、箱体、端盖、支架等机件采用灰铸铁件，形状复杂的曲轴、凸轮轴、大型减速齿轮也可用球墨铸铁件。2、铸铁的分类根据碳存在的形式可分为三种：1* 灰口铸铁 铸铁中的碳以G（石墨）形式存在2*白口铸铁 铸铁中的碳以Cm（碳化物）形式存在3* 麻口铸铁 介于白口和灰口之间，Cm, G 都有灰口铸铁（简称灰口铁）灰口铸铁（简称灰口铁）v碳主要以片状石墨的形式存在，断口呈灰色；v具有良好的铸造性能和切削加工性能，且价格低廉，制造方便，应用比较广泛。v 白口铸铁（简称白口铁）白口铸铁（简称白口铁）v 碳主要以渗碳体（Cm）形式存在，断口呈白亮色；v性能硬

25、而脆，切削加工困难；v少数用来制造硬度高，耐磨，不需要加工的零件或表面要求硬度高，耐磨的冷硬铸件（如破碎机的压板，轧辊，火车轮等）；v作为炼钢原料和可铸造的毛坯。麻口铸铁（简称麻口铁）麻口铸铁（简称麻口铁）v麻口铸铁中的碳既以渗碳体形式存在，又以石墨状态存在。断口夹杂着白亮的游离渗碳体和暗灰色的石墨，故称为麻口铁。生产中很少用麻口铁。v根据石墨形状的不同，将灰口铸铁分为以下四种：v灰口铸铁-铸铁中的石墨形状成片状。v蠕墨铸铁-铸铁中的石墨大部分为短小蠕虫状。v可锻铸造铁（又称玛铁，玛钢）铸铁中的石墨呈不规则团絮状。v球墨铸铁（简称球铁）铸铁中的石墨成球状1*灰铸铁的组织和性能灰铸铁的组织和性能 v组织组织：可看成是碳钢的基体加片状石墨。按基体组织的不同灰铸铁分为三类：铁素体基体灰铸铁；铁素体一珠光体基体灰铸铁；珠光体基体灰铸铁。v 片状石墨尖角处易造成应力集中，使灰铸铁的抗拉强度、塑性和韧性远低于钢，但抗压强度与钢相当 铁素体基体灰铸铁的石墨片粗大，强度和硬度最低，应用较少； 铁素体+珠光体基体灰铸铁的石墨片较珠光体灰铸铁稍粗大，性能不如珠光体灰铸铁； 珠光体基体灰铸铁的石墨片细小，有较高的强度和硬度，主要用来制造较重要铸件,故工业上较多使用的是珠光体基体的灰铸铁。 (1)灰铸铁的孕育处理灰铸铁的孕育处理v孕育铸铁孕育铸铁：若在浇注前向铁液中加入少量