金属材料及热处理第三版电子课件模块五低合金钢与合金钢

模块五低合金钢与合金钢模块五低合金钢与合金钢任务三特殊性能钢及其应用任务二合金工具钢及其应用任务一合金结构钢及其应用01合金结构钢及其应用1．成分及性能特点低合金高强度结构钢的含碳量一般较低（≤0.25%），低碳保证钢具有良好的塑性、韧性、焊接性和冷成形性。合金元素中锰和硅的主要作用是提高钢的强度；钒、钛、铌的主要作用是细化晶粒；铜、磷的主要作用是提高钢的耐腐蚀性；微量稀土元素可以脱硫、去气、净化钢材，改善韧性和工艺性能。低合金高强度结构钢具有较高的强度，足够的塑性和韧性，良好的焊接性和冷成形性，并具有较好的耐蚀性。任务一合金结构钢及其应用一、低合金结构钢2．热处理特点低合金高强度结构钢大多数在热轧空冷状态下使用，使用时一般要经过塑性变形，故不需要进行专门的热处理，有特殊需要时（如为了改善焊接接头性能）可进行一次正火。3．常用牌号及用途低合金高强度结构钢牌号的表示方法与碳素结构钢相同，如Q355表示屈服强度为355MPa的低合金高强度结构钢。任务一合金结构钢及其应用常用低合金高强度结构钢的牌号、力学性能及用途见表5-1。任务一合金结构钢及其应用合金渗碳钢主要用来制造表面既承受强烈磨损又承受冲击载荷作用的零件，如变速齿轮、齿轮轴、活塞销等。1．成分及性能特点合金渗碳钢的含碳量一般为0.10%～0.25%，低碳保证心部有足够的塑性和韧性。合金元素铬、镍、锰、硼的主要作用是提高钢的淬透性；钒、钛的主要作用是细化晶粒。合金渗碳钢经最终热处理后，表面具有高硬度（硬度可达58～64HRC）和高耐磨性，心部具有较高的强度、良好的塑性和韧性。任务一合金结构钢及其应用二、合金渗碳钢2．热处理特点合金渗碳钢为低碳成分，为改善切削加工性能，预备热处理应采用正火，为保证表面高硬度和高耐磨性，合金渗碳钢最终热处理应采用渗碳后淬火再低温回火。3．常用牌号及用途合金渗碳钢牌号的表示方法采用“两位数字+元素符号+数字”来表示。两位数字表示平均含碳量的万分数，元素符号表示钢中加入的主要合金元素，其后面的数字表示相应合金元素的含量。合金元素含量<1.5%时不标，平均含量为1.5%～2.49%、2.5%～3.49%、3.5%～4.49%时，则相应地标以2、3、4，以此类推。如20CrMnTi表示平均含碳量为0.20%，平均含铬、锰、钛量都<1.5%的合金渗碳钢；20Mn2B表示平均含碳量为0.20%，平均含锰量为2%，平均含硼量<1.5%的合金渗碳钢。任务一合金结构钢及其应用常用合金渗碳钢的牌号、力学性能及用途见表5-2。任务一合金结构钢及其应用合金调质钢主要用来制造受力复杂的重要零件，如连杆、螺栓、机器中传递动力的轴、齿轮等。1．成分及性能特点合金调质钢的含碳量一般为0.25%～0.50%，含碳量过低，强度及硬度不足；含碳量过高，则韧性不足。合金元素铬、镍、硅、锰、硼的主要作用是提高钢的淬透性和强度；钒、钛、钨、钼的主要作用是细化晶粒，钨、钼还可以提高钢的回火稳定性（淬火钢在回火时抵抗软化的能力）。合金调质钢经热处理后具有较高的强度、良好的塑性和韧性，即具有良好的综合力学性能。任务一合金结构钢及其应用三、合金调质钢2．热处理特点为改善锻造后的组织、消除锻造内应力和改善切削加工性能，合金调质钢的预备热处理应采用正火或退火。为获得良好的综合力学性能，合金调质钢最终热处理应采用调质。对于在某些部位还要求高硬度、高耐磨性的零件，调质后还需进行表面淬火或渗氮。3．常用牌号及用途合金调质钢牌号的表示方法与合金渗碳钢相同，如40Cr表示平均含碳量为0.40%，平均含铬量<1.5%的合金调质钢。任务一合金结构钢及其应用常用合金调质钢的牌号、力学性能及用途见表5-3。任务一合金结构钢及其应用1．成分及性能特点合金弹簧钢的含碳量一般为0.45%～0.70%，含碳量过高，则钢的塑性和韧性降低，疲劳强度也下降。合金元素硅、锰的主要作用是提高钢的淬透性和弹性极限，但硅易使钢表面产生脱碳，降低疲劳强度，锰易使钢加热时出现过热，因此，重要用途的弹簧还要加入铬、钨、钒等，使钢不仅具有更高的淬透性，不易脱碳和过热，而且具有更高的高温强度和更好的韧性。合金弹簧钢经热处理后具有高的弹性极限、高的疲劳极限、足够的塑性和韧性，以及较好的表面质量。任务一合金结构钢及其应用四、合金弹簧钢2．分类及热处理特点合金弹簧钢的热处理因用其所制成弹簧的尺寸、成形工艺的不同而不同。（1）对冷成形弹簧的热处理当弹簧直径或板簧厚度小于8～10mm时，常采用冷成形加工（冷缠、冷卷或冷绕成形）。冷成形弹簧通常在冷成形前对弹簧钢丝进行强化，冷成形后不进行淬火，只需在250～300℃进行去应力退火，以消除内应力并使弹簧定型。（2）对热成形弹簧的热处理当弹簧直径或板簧厚度大于10mm时，采用热成形加工。一般采用淬火加热成形，将弹簧钢丝加热至比平常淬火温度高出50～80℃，在此温度下热卷成形，然后利用余热立即淬火、中温回火。任务一合金结构钢及其应用3．常用牌号及用途合金弹簧钢牌号的表示方法与合金渗碳钢相同，如50CrV表示平均含碳量为0.50%，平均含铬、钒量都<1.5%的优质合金弹簧钢。常用合金弹簧钢的牌号、力学性能及用途见表5-4。任务一合金结构钢及其应用1．成分及性能特点滚动轴承钢的含碳量一般为0.95%～1.15%，高的含碳量保证钢具有高的硬度和耐磨性。加入0.40%～1.65%的铬，主要是为了提高钢的淬透性，提高硬度、耐磨性和接触疲劳极限。对于大型滚动轴承加入硅和锰，是为了提高弹性极限和强度，并进一步提高淬透性。因硫和磷形成的非金属夹杂物会降低钢的接触疲劳极限，因此滚动轴承钢中对硫和磷杂质含量控制很严格，滚动轴承钢都是高级优质钢。滚动轴承钢经热处理后具有高的硬度和耐磨性，高的弹性极限和接触疲劳极限，足够的韧性和一定的抗腐蚀能力。五、滚动轴承钢任务一合金结构钢及其应用2．热处理特点为改善锻造后的组织、消除锻造内应力和改善切削加工性能，滚动轴承钢的预备热处理采用球化退火。为了提高轴承的硬度和耐磨性，最终热处理采用淬火加低温回火。对于精密轴承，为稳定尺寸，保证长期存放和使用中不变形，淬火后应立即进行一次冷处理，并在回火及磨削后进行稳定化处理。3．常用牌号及用途滚动轴承钢的牌号中用“G”（“滚”字汉语拼音首字母）作首位，碳的含量不予标出，铬的含量以千分数标出，其他合金元素及含量表示方法同合金渗碳钢。例如，GCr15SiMn表示为平均含铬量为1.5%，平均含硅、锰量都<1.5%的滚动轴承钢。任务一合金结构钢及其应用常用滚动轴承钢的牌号、性能及用途见表5-5。任务一合金结构钢及其应用任务一合金结构钢及其应用1．什么是合金结构钢？合金结构钢常采用的分类方法有哪两种？2．解释下列牌号的含义，并各举一例说明其主要用途。Q345

20CrMnTi

40Cr

60Si2Mn

GCr15任务一合金结构钢及其应用3．为下列构件选择合适的制造材料和热处理方法。02合金工具钢及其应用刃具是用来进行切削加工的工具，如钻头、丝锥、板牙、铰刀、车刀、铣刀、刨刀等。刃具钢是用来制造各种刃具的工具钢，常用的合金刃具钢有低合金刃具钢和高速钢两种。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形成的钢。任务二合金工具钢及其应用一、合金刃具钢（1）成分及性能特点低合金刃具钢的含碳量一般为0.75%～1.5%，保证淬火后具有高的硬度和耐磨性。加入的合金元素总量一般不超过5%，合金元素铬、硅、锰的主要作用是提高钢的淬透性和强度；钨、钒等除了提高钢的硬度和耐磨性外，还可通过细化晶粒来改善刃具的强韧性。低合金刃具钢经热处理后具有高的硬度和耐磨性，足够的强度和一定的韧性，但由于所加的合金元素主要是淬透性元素，因此仍然不具备高热硬性的特点，一般刃部的工作温度不得超过300℃。任务二合金工具钢及其应用（2）热处理特点为减少内应力、改善切削加工性能和为淬火做组织准备，低合金刃具钢的预备热处理采用球化退火，若钢锻造组织中网状碳化物较多，球化退火前应先正火消除网状碳化物。为获得所需要的力学性能，最终热处理采用淬火后低温回火。（3）常用牌号及用途低合金刃具钢牌号采用“一位数字+元素符号+数字”的表示方法，一位数字表示平均含碳量的千分数，当平均含碳量≥1.0%时则不予标出，元素符号和数字含义同合金渗碳钢。CrWMn

淬火变形小，有“微变形钢”之称，适用于制造精度高、形状复杂的刃具。任务二合金工具钢及其应用常用低合金刃具钢的牌号、硬度及用途见表5-6。任务二合金工具钢及其应用2．高速钢高速钢是指用于高速切削、加入的合金元素总量大于10%的高合金刃具钢。（1）成分及性能特点高速钢中含有较多的碳和大量的强碳化物形成元素铬、钨、钒、钼等。常用高速钢的含碳量为0.70%～1.25%，主要是为了保证钢的硬度、耐磨性和热硬性。合金元素铬的主要作用是提高淬透性，钨、钼的主要作用是提高热硬性，钒的主要作用是细化晶粒，同时也可以提高热硬性，进一步提高硬度和耐磨性。高速钢具有高硬度、高耐磨性和高热硬性、较高的强度和一定的韧性。高速钢制造的刃具在高速切削时，刃部温度升高到600℃时硬度仍然维持在55～60HRC，从而使切削时刀刃保持锋利，故也称“锋钢”。高速钢的淬透性好，甚至在空气中冷却也能得到马氏体，故又称为“风钢”。任务二合金工具钢及其应用（2）热处理特点为减少内应力、改善切削加工性能和为淬火作组织准备，高速钢的预备热处理采用球化退火（为了节省工艺时间可采用等温退火）。为获得最好的组织和性能，高速钢的最终热处理采用高温淬火后在550～570℃温度下进行多次回火。图5-4所示是高速钢W18Cr4V的热处理工艺曲线。任务二合金工具钢及其应用（3）高速钢的分类、牌号及用途我国高速钢按照化学成分可以分为钨系、钨钼系和超硬系三大类；按照使用性能可以分为低合金高速工具钢（HSS-L）、普通高速工具钢（HSS）和高性能高速工具钢（HSS-E）三种基本系列。高速钢的牌号一般不标注含碳量，元素符号和数字含义同合金渗碳钢。任务二合金工具钢及其应用常用高速钢的牌号、含碳量、硬度及用途见表5-7。任务二合金工具钢及其应用模具是在外力作用下使坯料成为有特定形状和尺寸制件的工具。模具钢是用来制造各种模具的工具钢，根据使用性质不同可分为冷作模具钢、热作模具钢和塑料模具钢等。1．冷作模具钢冷作模具钢是用来制造在冷态下使金属变形与分离的模具用钢，如拉丝模、冷冲模、冷镦模、冷挤压模等。任务二合金工具钢及其应用二、合金模具钢（1）成分及性能特点冷作模具钢的成分特点是高碳、高铬，高碳保证获得高硬度和高耐磨性，加入合金元素Cr、Mo、V等主要是为了提高耐磨性、淬透性和回火稳定性。冷作模具在工作中受到很大的压力、弯曲力和冲击力，模具表面和坯料之间还存在摩擦，因此，冷作模具钢要求有较高的硬度和耐磨性、高的强度和抗疲劳性、足够的韧性和良好的工艺性能，大尺寸的冷作模具还要求有较好的淬透性。任务二合金工具钢及其应用（2）热处理特点为减少内应力、改善切削加工性和为淬火作组织准备，冷作模具钢的预备热处理选用等温球化退火。为获得所需要的力学性能，最终热处理常选用一次硬化法或二次硬化法，一次硬化法采用较低的淬火温度和低温回火，二次硬化法采用高淬火温度，并在高温度下多次回火。（3）常用牌号及用途冷作模具钢的牌号表示方法同低合金刃具钢。一般尺寸较小的冷作模具可以用碳素工具钢、低合金刃具钢和滚动轴承钢制造。大型冷作模具必须采用淬透性好的冷作模具钢制造。任务二合金工具钢及其应用常用冷作模具钢的牌号、硬度及主要用途见表5-8。任务二合金工具钢及其应用2．热作模具钢热作模具钢是用来制造使热态金属（固态或液态）成形的模具用钢，如热锻模、热挤压模、压铸模等。（1）成分及性能特点热作模具钢含碳量一般为0.3%～0.6%，保证有良好的强度和韧性。加入合金元素Cr、Mn、Ni、Mo、W等主要是为了提高淬透性、回火稳定性和抗热疲劳性。热作模具在工作时受到较大的压力和冲击、反复的加热和冷却，因此要求热作模具钢在高温下具有较高的强度和韧性、足够的硬度和耐磨性、良好的耐热疲劳性、抗氧化性及导热性。任务二合金工具钢及其应用（2）热处理特点为了减少内应力、改善切削加工性和为淬火做组织准备，热作模具钢的预备热处理采用退火；为了获得所需要的力学性能，最终热处理采用淬火后中温或高温回火。（3）常用牌号及用途热作模具钢牌号的表示方法同低合金刃具钢，例如，5CrMnMo表示平均含碳量为0.5%，平均含铬、锰、钼量都<1.5%的热作模具钢。常用热作模具钢的牌号、硬度及主要用途见表5-8。任务二合金工具钢及其应用3．塑料模具钢塑料制品已广泛应用于工农业生产、交通、通讯、医疗卫生和日常生活中，这些塑料制品绝大多数需要用模具生产，用于制作塑料制品的模具称为塑料模具，用于制造塑料模具的钢称为塑料模具钢。（1）性能特点塑料制品的强度、硬度和熔点比钢件低，因而与冷、热模具钢相比，塑料模具钢的力学性能要求不高，但塑料制品形状复杂、尺寸精密、表面光洁，成形过程中还可能产生某些腐蚀性气体，其主要失效形式为模具表面质量下降，因而塑料模具钢应具有以下性能：良好的加工工艺性，便于进行切削加工或电火花加工，易于蚀刻各种图案、文字和符号；良好的抛光性，模具抛光后表面应达到高镜面度（一般Ra为0.1～0.012μm）；较高的硬度（热处理后大于45～55HRC），良好的耐磨性和足够的强度和韧性；良好的焊接性（便于进行模具焊补）；良好的耐蚀性等。任务二合金工具钢及其应用（2）常用牌号及用途随着塑料工业的迅速发展，对塑料模具材料的综合力学性能要求也越来越高，而且用量也越来越大。为满足生产需要，近几年我国先后研制了一些新型的塑料模具钢。常用塑料模具钢的牌号及用途见表5-9。任务二合金工具钢及其应用量具是度量工件尺寸和形状的工具，如卡尺、千分尺、样板、块规等。量具钢是指用来制作各种量具的钢。1．性能特点量具在工作时承受的外力很小，主要承受摩擦力，但量具本身应具备极高的尺寸精度和稳定性，因而要求量具钢应具有高的硬度和耐磨性，高的尺寸稳定性和特殊环境下的耐蚀性。任务二合金工具钢及其应用三、合金量具钢2．热处理特点量具钢的热处理基本上依照其相应钢种的热处理方法，但由于量具对尺寸精度和尺寸的稳定性要求很高，因此在热处理过程中应尽量减少变形，在使用过程中保证组织稳定，故要采取一些附加措施：淬火之前的调质能使淬火应力和变形减小；淬火后要立即进行-80～-70℃的冷处理，使残余奥氏体转变为马氏体，减少残余奥氏体，增加量具的尺寸稳定性；回火或磨削后进行长时间的低温时效处理，消除残余内应力，稳定组织。任务二合金工具钢及其应用3．常用牌号及用途量具钢没有单独的专用钢种。碳素工具钢、合金工具钢、滚动轴承钢都可以用来制作量具。常用量具钢的牌号及用途见表5-10。任务二合金工具钢及其应用任务二合金工具钢及其应用1．合金工具钢按主要用途可分为哪几类？2．简述高速钢的成分特点、性能特点和热处理特点。3．解释下列牌号的含义，并各举一例说明其用途。W18Cr4V

Cr12

3Cr2W8V03特殊性能钢及其应用不锈钢是能够抵抗空气、蒸汽、酸、碱、盐等腐蚀性介质腐蚀的钢。常用的不锈钢有铬不锈钢和铬镍不锈钢。1．成分特点不锈钢的耐蚀性会随着含碳量的增加而降低，因此大多数不锈钢的含碳量都比较低。不锈钢中加入的主要合金元素是铬和镍，只有钢中铬的含量达到一定程度（一般含铬量>13%）才有良好的耐蚀性，镍的加入主要是与铬配合调整组织。任务三特殊性能钢及其应用一、不锈钢2．常用牌号及用途不锈钢牌号中含碳量的表示方法：只规定含碳量上限者，当钢中含碳量上限不大于0.10%时，以其上限的3/4表示含碳量；当含碳量上限大于0.10%时，以其上限的4/5表示含碳量。用两位阿拉伯数字表示含碳量的万分数。例如，含碳量上限为0.08%，含碳量以06表示；含碳量上限为0.20%，含碳量以16表示；含碳量上限为0.15%，含碳量以12表示。对超低碳不锈钢（即含碳量≤0.030%），仍以其上限的3/4表示含碳量，用三位阿拉伯数字表示含碳量的十万分数。例如，含碳量上限为0.030%时，其牌号中的含碳量以022表示；含碳量上限为0.020%时，其牌号中的含碳量以015表示。任务三特殊性能钢及其应用规定上、下限者，以平均含碳量×100表示，如含碳量为0.16%～0.25%时，其牌号中的含碳量以20表示。合金元素的表示方法与合金渗碳钢相同，如06Cr19Ni10表示含碳量不大于0.08%，含铬量为19%，含镍量为10%的不锈钢；022Cr18Ti表示含碳量不大于0.030%，含铬量为18%，含钛量<1.5%的不锈钢；20Cr15Mn15Ni2N表示平均含碳量为0.2%，含铬量为15%，含锰量为15%，含镍量为2%，含氮量<1.5%的不锈钢。任务三特殊性能钢及其应用常用不锈钢的牌号及用途见表5-11。任务三特殊性能钢及其应用在高温下具有高的抗氧化性能和较高强度的钢称为耐热钢。1．成分特点为了提高钢的抗氧化能力，耐热钢中加入的主要合金元素有Cr、Al、Si，它们在高温下与氧接触时，能在钢的表面形成致密、稳定、连续而牢固的Cr2O3、Al2O3、SiO2氧化膜，使钢在高温下的氧化过程难以继续进行。为了提高钢的高温强度，可以在钢中加入难熔合金元素钨和钼，通过提高钢的再结晶温度来提高热强性，也可以在钢中加入铌、钒、钛等，形成NbC、TiC、VC等，提高塑变抗力，提高高温强度。任务三特殊性能钢及其应用二、耐热钢