中职 汽车机械基础（第2版）03-2 合金钢电子课件

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３.２合金钢

为了改善和提高碳钢的力学性能以及获得某些特殊性能，在冶炼过程中有目的加入碳钢中的元素称为合金元素，如硅、锰、铬、镍、钼、钨、钒、钴、铜、硼及稀土元素等。所谓合金钢是为了改善钢的性能，特意加入一种或数种合金元素的钢。合金钢具有优良的性能及热处理工艺性能，所以在现代工业和科学技术中得到越来越广泛的应用。３.２合金钢3．2．1合金钢的分类1、合金元素对钢组织和性能的影响合金元素在钢中的作用，是非常复杂的，它对钢的组织和性能产生很大的影响。下面仅简述其几个方面最基本的作用。１）溶于铁素体大多数合金元素（除铅外）都能溶于铁素体，形成合金铁素体。合金元素溶入铁素后使铁素体的强度、硬度提高，塑性、韧性降低。合金元素对铁素体韧性的影响和它们的溶解度有关，例如Si≤1.00%、Mn<1.50%时，其韧性没有下降，但当溶解度超过此值时才有下降的趋势。2）形成合金碳化合物形成碳化合物的元素有：锰、铬、镍、钨、钒、铌、锆、钛等，（按与碳形成的稳定性的程度由弱到强依次排列）。锰在钢中溶入渗碳体形成合金渗碳体，与渗碳体晶体结构相同，硬度略有提高。铬、镍、钨等元素含量不高时，一般也倾向形成合金渗碳体。而钒、铌、钛等则倾向形成特殊碳化物—VC、TiC。特殊碳化物比合金渗碳体具有更高的熔点，并且更稳定，不宜分解。合金碳化物的种类、性能和在钢中的分布状态会直接影响到钢的性能及热处理时的相变。例如,当钢中存在弥散分布的特殊碳化物时，将显著增加钢的强度、硬度与耐磨性，这对提高工具的使用性能极为有利。３.２合金钢3）阻碍奥氏体晶粒长大几乎所有的合金元素都抑制钢在加热时的奥氏体晶粒长大，细化晶粒，只是影响的程度不同。所以合金钢（除锰钢外）在淬火加热时不易过热，有利于获得细马氏体，提高加热温度，使奥氏体中溶入更多的合金元素，以改善钢的淬透性和力学性能。4）提高钢的淬透性除钴外，所有合金元素都不同程度地提高钢的淬透性。因此，合金钢在获得同样淬硬层深度的情况下，可以采取冷却能力较低的淬火介质，这样可以减少形状复杂零件在淬火时的变形和开裂。在淬火条件相同的条件下，合金钢可获得较深的淬硬层，从而获得较高的力学性能。5）提高钢的回火稳定性淬火钢在回火时，抵抗软化的能力称为钢的回火稳定性。和碳素钢相比，在相同的回火温度下，合金钢比同样含碳量的碳素钢具有更高的硬度和强度（对工具钢和耐热钢尤为重要）。既使在达到相同强度的条件下，合金钢可以在更高的温度下回火，以充分消除内应力，而使韧性更好（对结构钢尤为重要）。高的回火稳定性使钢在较高温度下，仍然保持高硬度和高耐磨性。３.２合金钢

2、合金钢的分类及编号合金钢的品种很多，为了便于生产、管理和使用，必须对它进行分类、命名和编号。1）合金钢的分类合金钢的分类方法很多，但最常用的有下面两种分类方法。（１）、按用途分类合金结构钢用于制造机械零件和工程结构件的钢；合金工具钢用于制造各种加工工具的钢；特殊性能钢具有某种特殊物理、化学性能的钢，如不锈钢、耐热钢、耐磨钢等。（２）、按所含合金元素含量分类低合金钢含金元素总含量<5%；中合金钢含金元素含量5～10%；高合金钢含金元素含量>10%；2）合金钢的编号我国合金钢的牌号是按含碳量、合金元素的种类及含量和质量级别来编号的。（１）合金结构钢的牌号采用两位数字（含碳量）十元素符号十数字来表示。前面两位数字表示钢中平均含碳量的万分之几，元素符号表明钢中含有的主要合金元素，其后的数字则标明该元素的含量。凡合金元素含量小于1.5%时不标数，如果平均含量为（1.5%～2.5%）、（2.5%～3.5%）……时，则相应地标2、3…….例如60Si2Mn为合金结构钢，平均含碳量为0.6%（60/10000），含Mn<1.5%，含Si为1.5%～2.5%。３.２合金钢（２）合金工具钢的牌号和合金结构钢的区别仅在于含碳量的表示方法，它用一位数字表示平均含碳量的千分数，当含碳量≥1%时，则不予标出。例如5CrMnMO为合金工具钢，平均含碳量为0.5%（5/1000），含铬、锰、钼均小于1.5%。Cr12MOV为合金工具钢，平均含碳量大于1.0%，含量铬为11.5%～12.5%，含钼、钒均小于1.5%。（３）特殊性能钢的牌号与合金工具钢的表示方法相同，如2Cr13为不锈钢，平均含碳量为0.20%，含铬量约为12.5%～13.5%。另外当含碳量≤0.03%和≤0.08%时，在钢号前面分别标00和0，例如00Cr18Ni10和0Cr18Ni9等。（４）特殊专用钢，为表示钢的用途，在钢的牌号前冠以汉语拼音字母字首，而不标含碳量，合金元素含量标注也特殊。例如GCr15SiMn为滚珠轴承钢，G为“滚”字的汉语拼音字母字首，这里应注意铬元素后面的数字是表示含铬量的千分之几为1.5%，其他元素仍按百分之几表示，含硅、锰均小于1.5%。（５）对于高级优质钢则在钢号最后加注A，例如38CrMOAlA。３.２合金钢

3．2．2合金钢的牌号、性能和用途

1、合金结构钢汽车中除使用大量的碳钢外，还使用大量的各类合金结构钢，以满足汽车对零件的要求，如体积小、重量轻、耐磨损、耐疲劳、耐腐蚀、耐热等。常用的合金结构钢主要有以下几种：１）低合金结构钢低合金结构钢虽然是一种低碳（C<0.20%）、低合金（一般合金元素总量<3%）的钢，由于合金元素的强化作用，这类钢比相同含碳量的碳素结构钢的强度（特别是屈服点）要高的多，并且有良好的塑性、韧性、耐蚀性和焊接性。因此，用低合金结构钢造船可以大幅度减轻船舶自重、提高船舶结构的安全可靠性及船舶使用寿命。低合金结构钢还具有良好的工艺性能，其冷变形加工后时效敏感性小，可在常温下顺利进行各种焊接工艺。此外，还具有生产工艺简单、生产成本低等优点。因此它占全部工程结构钢材产量的大部分。低合金结构钢一般在热扎状态下使用，通常不进行热处理。低合金结构钢主要用于船舶、桥梁、锅炉、高压容器、油管、大型钢结构及汽车等方面。低合金结构钢在汽车上的应用牌号应用举例09MnRe水箱固定架底板，风扇叶片，横梁16Mn纵梁前加强板，横梁，角撑，保险杠16MnRe车架纵横梁，蓄电池固定框后板，汽油箱托架10Ti车架前横梁，中横梁前保险杠，角撑等３.２合金钢３.２合金钢２）合金渗碳钢合金渗碳钢是专门用于渗碳处理的低碳合金钢。其含碳量约0.1%～0.25%。主要合金元素有Cr、Ni、B，另外还有少量辅助合金元素V、W、MO、Ti等。合金渗碳钢是利用低碳钢进行渗碳，然后进行淬火和低温回火，使零件表面具有高强度、高耐磨性和高的耐疲劳性能，而心部具有适当的强度和良好的韧性，以满足零件使用性能的要求。合金渗碳钢适用于工作在有强烈冲击、接触疲劳、严重摩擦磨损的条件下，表面要求具有坚硬的耐磨性而心部具有柔韧的抗冲击性的零件。例如发动机凸轮、活塞销、传动齿轮等。３.２合金钢常用合金渗碳钢在汽车上的应用

牌号应用举例车型零件名称15CrEQ1092活塞销、气门弹簧座CA1093活塞销、气门挺杆及调整螺栓20CrMnTiEQ1092二、三档滑动齿套，四、五档滑动齿套，一档及倒档齿轮，变速器中间轴CA1093变速器齿轮及第一轴和中间轴，半轴齿轮、万向节和差速器十字轴20MnVBEQ1092传动轴十字轴，转向万向节十字轴，后桥减速器齿轮、差速器十字轴15MnVBCA1093钢板弹簧中心螺栓EQ1092变速器一轴、二轴、中间轴，中间轴常啮合齿轮，二、三档滑动齿套３.２合金钢3）合金调质钢调质钢是指需要经调质处理（淬火十高温回火处理）的碳素结构钢与合金结构钢。调质钢大多是含碳量为0.3%～0.6%的中碳钢。通常碳素调质钢的含碳量接近上限，而合金调质钢的含碳量接近下限。合金调质钢中的主要合金元素有Cr、Ni、Mn、Si等。调质钢的最后热处理有两种：（１）淬火十高温回火(500～600℃)，经调质处理后的钢，具有高韧性、高塑性及相当高的强度。（２）淬火十低温回火(200～250℃)，淬火十低温回火处理后的合金调质钢，具有很高的强度和硬度及适当的韧性、塑性。

调质钢在机械制造中应用很广。例如40Cr与碳素调质钢40、45相比具有较高的淬透性和综合机械性能，常用于制造较重要的调质件和表面淬火件。如曲轴、连杆、摇臂轴、进气阀、凸轮及泵齿轮等；又如40CrNi、37CrNi3钢具有很高的淬透性和高的强度、韧性、塑性，常用于制造曲轴、中间轴、汽轮机转子轴等。３.２合金钢常见合金调质钢在汽车上的应用

牌号应用举例车型零件名称40CrEQ1092发动机支架固定螺栓、差速器壳螺栓、减震器销CA1093水泵轴、连杆、连杆盖螺栓40MnBEQ1092半轴、水泵轴、传动轴花键、万向节叉、转向节、气缸盖螺栓、连杆盖螺栓CA1093变速器二轴、转向节、转向臂、半轴45Mn2EQ1092进气门、半轴套、钢板弹簧U形螺栓CA1093半轴套管、板弹簧U形螺栓50Mn2EQ1090离合器从动盘、减振盘３.２合金钢４）合金弹簧钢弹簧钢是专门用来制造弹簧或有类似性能要求的零件。弹簧钢有碳素弹簧钢和合金弹簧钢。碳素弹簧钢的含碳量在0.6%～0.9%之间；合金弹簧钢的含碳量在0.45%～0.70%之间。合金弹簧钢中加入的合金元素有Si、Mn、Cr、V等。合金弹簧钢具有持久的高弹性极限、高的疲劳强度、足够的塑性和冲击韧性及高的屈强比(σs/σb≥0.8)。３.２合金钢常用弹簧钢在汽车上的应用

牌号应用举例车型零件名称55SiMnVBEQ1092钢板弹簧55Si2MnCA1093钢板弹簧65MnEQ1092气门弹簧、制动室复位弹簧CA1093气门弹簧、摇臂轴定位弹簧、离合器压紧弹簧60Si2MnEQ1092牵引钩弹簧CA1093钢板弹簧３.２合金钢５）滚动轴承钢滚动轴承钢是用来制造各种滚动轴承的专用钢，是一种含碳量为0.95%～1.10%，含铬量为0.40%～1.65%的高碳低铬钢。尺寸较大的轴承还可以采用加锰、硅的高淬透性轴承钢。滚动轴承钢一般具有足够高的抗压强度、很高的疲劳强度、高的硬度和耐磨性、一定的韧性、耐蚀性及尺寸稳定性。滚动轴承钢的常用热处理为球化退火十淬火十低温回火。球化退火的目的是获得粒状珠光体组织，使钢的硬度降低，以便切削加工并为淬火作组织准备。淬火十低温回火，是为了提高滚动轴承钢的硬度、强度、疲劳强度。滚动轴承钢主要用于制造高速运转机械中的滚动轴承零件，如滚珠、滚柱、套圈等，而且还用来制造精密量具和发动机的精密偶件。常用滚动轴承钢的牌号有GCr15、GCr9等。３.２合金钢

2、合金工具钢工具钢可分为碳素工具钢和合金工具钢两种。碳素工具钢容易加工、价格便宜。但淬透性差，而且当切削过程中温度高时容易软化（红硬性差）。因此，尺寸大、精度高和形状复杂的模具、量具以及切削速度较高的刀具，都要采用合金工具钢来制造。合金工具钢按用途分为刃具钢、模具钢和量具钢。１）合金刃具钢合金刃具钢主要用来制造车刀、铣刀、钻头等各种切削刀具，合金刃具钢分为低合金刃具钢和高速钢。（１）低合金刃具钢低合金刃具钢是在碳素工具钢的基础上加入少量合金元素的钢。主要加入的合金元素有Cr、Mn、Si、W、V等。低合金刃具钢与碳素工具钢相比提高了淬透性，能制造尺寸较大的刀具，可在较缓慢的冷却介质中（如油）淬火，使变形倾向减少。这类钢的强度和耐磨性也比碳素工具钢高，但由于合金元素的加入量不大，一般工作温度不得超过300℃。9CrSi和CrWMn是最常用的低合金刃具钢，低合金刃具钢的预备热处理是球化退火、最终热处理为淬火后低温回火。３.２合金钢（２）高速钢制造高速度切削工具的钢称为高速钢。其含碳量在0.70%～1.65％之间，含合金元素总量>10％，主要合金元素有W、Mo、Cr、V等，合金元素与碳形成碳化物，以提高钢的硬度、耐磨性和红硬性。因此，高速钢具有很高的红硬性，当其切削温度高达600℃时，仍然保持其高硬度和耐磨性。一般用来制造切削速度较高的刀具（如车刀、铣刀、拉刀等）。高速钢的热处理包括锻造后的球化退火及加工形成后的淬火与低温回火。

３.２合金钢２）合金量具钢量具是测量工件的工具，如游标卡尺、千分尺、塞规、量块、样板等。它们的工作部分要求高硬度、高耐磨性、高的尺寸稳定性和足够的韧性。量具没有单独的专用钢种。碳素工具钢、合金工具钢和滚动轴承钢都可以用来制造量具，但精度要求较高的量具，一般都采用微变形合金工具钢制造，如CrWMn、CrMn、GCr15等。量具钢经淬火后要在150～170℃长时间保温回火和冷处理，以稳定尺寸。牌号热处理用途举例15，20，20Cr渗碳，淬火，低温回火简单平样板、卡规及大型量具50，55，60，65高表面淬火，低温回火T10，T12淬火，低温回火底精度卡规，块规及卡尺CrWMn淬火，低温回火高精度量规，块规及形状复杂的样板Cr2，GCr15淬火，低温回火常用合金量具钢的牌号、热处理和用途

３.２合金钢

3、特殊性能合金钢特殊性能合金钢是指不锈钢、耐热钢、耐磨钢等一些具有特殊物理、化学性能的钢。汽车上常用的是不锈钢和耐热钢。１）不锈钢通常将能抵抗大气腐蚀的不锈钢和能抵抗化学介质腐蚀的耐酸钢统称为不锈钢。常用的不锈钢主要有两种类型，即铬不锈钢和铬镍不锈钢。(1)铬不锈钢，常用的铬不锈钢牌号有1Cr13、2Cr13、3Cr13、4Cr13等。通称Cr13型不锈钢。钢中的铬使钢有良好的耐蚀性，而碳则保证钢有适当的强度，但随着钢中含碳量的增加，钢的强度和硬度提高，韧性下降，