金属材料与热处理-单元5 合金钢

单元五合金钢概述01合金元素在钢中的作用02合金结构钢03合金工具钢04特殊性能钢05本章内容钢按其化学成分可分为碳素钢和合金钢两大类。碳钢具有较好的力学性能和工艺性能，且价格便宜，是机械行业中应用较为广泛的金属材料，在碳钢中有意添加Ni、Cr、W、Mo、V、Ti、B等元素或者Si、Mn含量超过碳钢中含量标准的钢称为合金钢。合金钢可以满足某些特殊的性能要求，如耐热性、耐低温性、耐腐蚀性、高磁性、无磁性、高耐磨性等，但也存在不足之处，例如，在钢中加入合金元素会使其冶炼、铸造、锻造、焊接及热处理等工艺趋于复杂，成本提高。因此当碳钢能满足使用要求时，应尽量选用碳钢，以降低生产成本。项目目标项目目标了解常见合金钢的组成及应用；03了解合金钢的分类，性能特点及应用；01了解合金元素对钢中的作用，重点掌握对钢的性能的影响；02一、合金钢的分类钢的种类很多，有多种分类方法，常用的分类方法如下。按用途分类按照钢的用途不同可分为合金结构钢、合金工具钢和特殊性能钢。合金结构钢：包括普通低合金钢、渗碳钢、调质钢、弹簧钢、滚动轴承钢等。多数为低、中碳钢。合金工具钢：包括刃具钢、模具钢、量具钢等。一般都是高碳钢，且都是优质钢或高级优质钢。特殊性能钢：包括不锈钢、耐热钢、耐磨钢等。按合金元素含量分类（1）低合金钢：合金元素的总含量在5%以下。（2）中合金钢：合金元素的总含量为5%～10%。（3）高合金钢：合金元素的总含量在10%以上。在合金钢中，经常添加的合金元素有锰（Mn）、硅（Si）、铬（Cr）、镍（Ni）、钼（Mo）、钨（W）、钒（V）、钛（Ti）、铌（Nb）、锆（Zr）、稀土元素（RE）等。合金元素在钢中的作用是非常复杂的，现在对它的认识还很不全面。下面着重分折合金元素对钢中基本相、Fe-Fe3C

相图以及钢的热处理的影响。一、合金元素在钢中的存在形式合金元素与碳的作用直接决定其在钢中的存在形式。按与碳的亲和力大小，可将合金元素分为两类。（1）非碳化物形成元素：与碳的亲和力很弱，一般不与碳化合。如镍、硅、铝、钴、铜等。（2）碳化物形成元素：与碳的亲和力依次由弱增强的元素有铁、锰、铬、钼、钨、钒、铌、锆、钛等，与碳的亲和力越强，所形成的碳化物愈稳定。合金元素在钢中以四种形式存在：①溶入铁素体、奥氏体和马氏体中，形成合金铁素体，以固溶体的溶质形式存在。②形成强化相，如溶入渗碳体形成合金渗碳体，形成金属碳化物或金属间化合物等。③形成非金属化合物，如合金元素与O、N、S作用形成氧化物、氮化物和硫化物。④以游离状态存在，如Pb、Cu等。二、合金元素对Fe-Fe3C相图的影响由于多元相图测试上存在困难，所以在很多情况下，往往借助于考察某一合金元素对铁-碳二元系的影响来近似考虑多元系的情况。根据合金元素对铁-碳相图的影响，可以把合金元素的影响分为两大类。图5-2为合金元素对相区影响的示意图。1.合金元素对相区的影响（1）扩大γ相区的合金元素。Ni、Mn等元素是扩大γ区的元素，它们使A4和NJ线升高，A3和GS线降低，使γ区增大，当扩大γ区的元素含量很高时，可把A3点温度降至室温以下，这时钢在室温下就得到奥氏体组织，称为奥氏体钢。如含13%Mn的Mn13耐磨钢，含9%Ni的Cr18Ni9不锈钢等，均属奥氏体钢。（2）缩小γ相区的元素。Cr、W、Mo、V、Ti、Al、Si等是缩小γγ区的元素，它们能使A4和NJ线下降，此时钢在冷却时便不发生组织转变，室温下组织铁素体组织，称为铁素体钢，如含17%～28%Cr的Cr17、Cr25、Cr28等铬不锈钢等，均属铁素体钢。奥氏体钢和铁素体钢具有特殊性能，如耐热、耐腐蚀、耐低温等。二、合金元素对Fe-Fe3C相图的影响2、合金元素对临界点的影响此外，无论是扩大γγ区的合金元素，还是缩小γγ区的合金均使E点和S点左移，即降低共析点的含碳量及碳在奥氏体中的最大溶解度，如图5-3所示。二、合金元素对Fe-Fe3C相图的影响S

点左移，意味着降低了共析转变点的含碳量，在含碳量相同的情况下，可得到更多的珠光体组织。例如，Wc=0.

4%的碳钢为亚共析组织，当添加了14%Cr

后，由于S点的左移，使得该合金钢具有过共析钢的平衡组织。E

点左移时，出现莱氏体的含碳量降低。如高速钢中含碳量仅0.

8%，但已出现莱氏体组织，这种钢也称为莱氏体钢。二、合金元素对Fe-Fe3C相图的影响合金结构钢按用途分为机器零件用钢和工程构件用钢两大类，是应用很多的一类合金钢。机器零件用钢主要用来制造各类零件，如轴类、连杆类、齿轮等，一般需要经过热处理后使用。工程构件用钢用于各种工程结构，如桥梁、船体、建筑等，这类钢一般不需要热处理，而直接在供应状态下使用。合金结构钢主要包括低合金结构钢、调质钢、渗碳钢、弹簧钢、滚动轴承钢等。一、低合金结构钢低合金结构钢是一种低碳结构用钢，合金元素含量较少，一般在3%以下，主要起细化晶粒和提高强度的作用。钢中的硅和加入的锰固溶化铁素体；钒和钛等产生细晶强化和碳化物弥散强化；合金元素使相图共析成分S点左移，增加了珠光体的数量。低合金结构钢的强度比普通碳素钢高30%～50%，故又称之为低合金高强度钢。目前已大量用于桥梁、船舶、车辆、高压容器、管道、建筑物等方面，以减轻重量，节约钢材。表5-1列出了我国生产的几种普通低合金结构钢的成分、性能及用途。表5-1普通低合金结构钢的成分、性能及用途。二、滚动轴承钢用于制造滚动轴承的钢称为滚动轴承钢。根据滚动轴承的工作条件，要求滚动轴承钢具有高而均匀的硬度和耐磨性，高的弹性极限和接触疲劳强度，足够的韧性和淬透性，同时在大气或润滑剂中具有一定的抗蚀能力。此外，对钢的纯度（非金属夹杂物等），组织均匀性，碳化物的分布状况，以及脱碳程度等都有严格的要求，否则这些缺陷将会显著缩短轴承的寿命。滚动轴承钢的牌号以“G”为标志（G为“滚”字拼音字首），其后为铬元素符号，该符号后面的数字表示含铬量的千分数，其余与合金钢牌号规定相同。二、滚动轴承钢目前常用的是铬轴承钢，其含碳量为0.95%～1.15%，属于过共析钢，以此保证淬火后马氏体的高硬度和碳化物的数量，提高耐磨性。加入0.40%～1.66%的铬是为了提高钢的淬透性和低温回火时的回火稳定性。对于大型轴承（如直径>30～50mm的钢珠），在GCr15基础上，还可加入适量的Si（0.40%～0.65%）和Mn（0.90%～1.20%），以便进一步改善淬透性，提高钢的强度和弹性极限，而不降低韧性。此外，铬轴承钢对硫、磷含量限制极严（S<0.020%，P<0.007%），这是因为硫、磷形成非金属夹杂物，降低接触疲劳极限。合金工具钢按主要用途可分为三种：刃具钢、模具钢和量具钢，按合金含量也可分为低合金工具钢（合金总质量分数小于3%）、中合金工具钢（合金总质量分数为5%～10%）和高合金工具钢（合金总质量分数大于10%），它的性能比碳素工具钢的淬透性、韧性、耐磨性和热硬性都高。各类工具钢并无严格的适用界限，可以交叉使用。一、刃具钢刃具钢主要指制造车刀、铣刀、钻头等切削刀具的钢种。刀具的任务就是将钢材或坯料通过切割，加工成为工件。在切削时，刀具受到工件的压应力和弯曲应力，刃部与切屑之间发生相对摩擦，产生热量，使温度升高；切削速度越大，温度越高，有时可达500～600℃；一般冲击作用较小。因此，要求刃具材料有高的硬度和耐磨性，足够的强度、塑性和冲击韧性，高的红硬性等。合金刃具钢分为低合金刃具钢和高速钢。1.低合金刃具钢这类钢主要用来制造低速切削刃具（如车刀、铣刀、钻头等）、冷压模具及量具等。钢的含碳量一般为0.85%～1.5%，以使马氏体中溶有足够多的碳，并与合金元素形成足够多的碳化物。主要加入的合金元素有Cr、Si、W和Mn等，主要是提高淬透性和回火稳定性。一般低合金工具钢中，含铬量在1.6%以下。一、刃具钢这类钢供货状态均为球化退火，硬度不高，可机械加工成型，最后进行淬火并低温回火处理，得到高碳马氏体和粒状碳化物组织，从而保证性能要求。如果机械加工前进行锻造，则锻后应进行退火处理，使组织均匀的同时也使碳化物球化，为淬火前的组织准备。常见低合金钢刃具的化学成分、热处理及用途见表5.6。表5-6常用低合金刃具钢的化学成分、热处理及用途牌号化学成分（%）淬火回火用途举例CMnSiCr其他温度/℃介（质HRC不低于）温度/℃HRC9SiCr0.85~0.950.3~0.61.2~1.60.95~1.25850~870油62190~20060~63板牙，丝锥，绞刀，搓丝板，冷冲模等CrWMn0.9~1.050.8~1.10.15~0.350.9~1.21.2~1.6W820~840油62140~16062~65长丝锥，长绞刀，板牙，拉刀，量具，冷冲模等CrMn1.3~1.50.45~0.75≤0.401.3~1.6840~860油62130~14062~65长丝锥，拉刀，量具等9Mn2V0.85~0.951.7~2.0≤0.400.01~0.25V780~820油62150~20058~63丝锥，板牙，样板，量规，中小型模具，磨床主轴，精密丝杠等二、模具钢模具钢是用来制造冷冲模、热锻模、压铸模等模具的钢种，其种类繁多，在我国国标中多达数十种。但是，根据模具的使用性质通常分为两大类：冷作模具钢和热作模具钢。冷作模具钢冷作模具包括拉延模、拔丝模或压弯模、冲裁模、冷镦模和冷挤压模等，均属于在室温冷下对金属进行变形加工的模具，也称为冷变形模具。由其工作条件可知，冷作模具钢所要求的性能主要是高的硬度、良好的耐磨性以及足够的强度和韧性。常用的冷模具钢的材料有碳素工具钢、低合金工具钢和高碳高铬钢等。其中高碳高铬钢含有较高的C（1.4%～2.3%）和大量的Cr（11%～13%），有时还加入少量的Mo和V，典型牌号是Cr12和Cr12MoV，统称为Cr12型钢。主要用来制造尺寸大、精度和硬度高、耐磨性好的冷变形模具。T8、T10、T12等常用作简单小型模具的材料；9SiCr、9Mn2V、CrWMn等常用作制造复杂中型模具的材料；Cr12、Cr12MoV等常用作精密大型模具的材料。冷作模具钢的热处理主要包括锻造后退火、淬火及回火。热处理后的硬度为64HRC。各种常用冷作模具钢选用举例如表5-8所示。二、模具钢表5-8冷作模具钢选用举例冲模种类钢号备注简单（轻载）复杂（轻载）重载硅钢片冲模Cr12，Cr12MoV，Cr6WV同左—因加工批量大，要求寿命较长，故均采用高合金钢冲孔落料模T10A，9Mn2V9Mn2V，Cr6WV，Cr12MoVCr12MoV压弯模T10A，9Mn2V—Cr12，Cr12MoVCr6WV，拔丝拉伸模T10A，9Mn2V—Cr12，Cr12MoV冷挤压模T10A，9Mn2V9Mn2V，Cr12MoV，Cr6WVCr12MoV，Cr6WV要求热硬性时还可选用W18Cr4V，W6Mo5Cr4V2小冲头T10A，9Mn2VCr12MoVW18Cr4V，W6Mo5Cr4V2冷挤压钢件，硬铝冲头还可选用超硬高速钢冷镦模T10A，9Mn2V—Cr12MoV，8Cr8Mo2SiV，Cr12MoV，W18Cr4V，Cr4W2MoV，8Cr8Mo2SiV2基体钢*二、模具钢2.热作模具钢热作模具钢是用来制作各种在一定压力下将液态金属或热固态金属加工成形所需要的模具，依次分为两类：压铸模具钢和热挤压模具钢，热挤压模具钢也称为热锻模具用钢。热作模具钢在工作过程中一方面承接巨大的机械应力，另一方面又要与高温的金属和冷却介质（水、油和空气）周期作用而引起很大的热应力。因此，热作模具钢不仅在常温下应有足够的强度和韧性，而且在较高的温度下也能保持这些性能。热作模具一般体积较大，必须要有足够的淬透性。另外，模具将多次反复受热和冷却易发生“热疲劳”而龟裂。所以热作模具钢还要具有良好的耐热疲劳性。二、模具钢热作模具钢中的铬是提高淬透性的重要元素，同时还能提高钢的回火稳定性。镍与铬能显著提高钢的淬透性；镍固溶于铁索体中，在强化铁素体的同时，还可以增加钢的韧性。锰能显著提高钢的淬透性，但锰固溶于铁索体中，在强化铁素体的同时使韧性有所降低。钼的主要作用在于防止产生第二类回火脆性。同时，钼可以细化晶粒、提高淬透性、提高回火稳定性。目前，一般中小型热锻模具都采用5CrMnMo钢制造。大型热锻模具采用5CrNiMo钢制造。各种常用热作模具的应用如表5-9所示。热作模具钢的热处理工艺主要包括锻造后退火，淬火及回火。5CrMnMo钢制热锻模淬火、回火工艺如图5-7所示。二、模具钢名称类型选材举例硬度HRC锻模高度<250mm小型热锻模5CrMnMo，5Cr2MnMo39~47高度为250~400mm中型热锻模高度>400mm大型热锻模5CrNiMo，5Cr2MnMo35~39寿命要求高的热锻模3Cr2W8V，4Cr5MoSiV，4Cr5W2SiV40~54热镦模4Cr3W4Mo2VtiNb，4Cr5MnSiV，4Cr5W-2SiV，3Cr3Mo3V，基体钢39~54精密锻造或高速锻模3Cr2W8V或4Cr5MoSiV，4Cr5W2SiV，4Cr3W4Mo2VtiNb45~54二、模具钢名称类型选材举例硬度HRC压铸模压铸锌、铝、镁合金4Cr5MoSiV，4Cr5W2SiV，3Cr2W8V43~50压铸铜和黄铜4Cr5MoSiV，4Cr5W2SiV，3Cr2W8V，钨基粉末冶金材料，钼、钛、锆难熔金属压铸钢铁钨基粉末冶金材料，钼、钛、锆难熔金属挤压模温挤压和温锻镦（300~800℃）8Cr8Mo2SiV，基体钢热挤压挤压钢、钛或镍合金用4Cr5MoSiV，3Cr2W8V（>1000℃）43~47挤压铜或铜合金用3Cr2W8V（<1000℃）36~45挤压铝，镁合金用4Cr5MoSiV，4Cr5W-2SiV（<500℃）46~50挤压铝用45号钢（<100℃）16~20续表二、模具钢三、量具钢在机械制造行业大量使用的卡尺、千分尺、块规、塞规、样板等，都称为量具。量具的用途是测量工件的尺寸，所以量具最重要的要求是具有稳定而精确的尺寸。除此之外，还要求有高的硬度、耐磨性、尺寸稳定性和一定的韧性、抗蚀性。量具钢没有专用的钢号，都是选自各类结构钢和工具钢等常用的钢种来制造。为满足性能要求，高精度的精密量具如塞规、块规等，常采用热处理变形较小的钢制造，如CrMn、CrWMn、GCr15钢等；精度较低、形状简单的量具，如量规、样套等可采用T10A、T12A、9SiCr等钢制造，也可选用10、15钢经渗碳热处理或50、55、60、60Mn、65Mn钢经高频感应加热处理后制造精度要求不高，但使用频繁，碰撞后不致折断卡板、样板、直尺等量具。精密量具的热处理工艺比较复杂，关键在于如何使量具经热处理之后，在长期的使用中不发生变形。一般量具都采用淬火及低温回火的热处理工艺，为使量具尺寸和形状稳定，确保其精度，对要求较高的精密量具，淬火温度应低一些，同时在淬火后立即将其冷至-80℃左右，甚至在液氮中进行处理，然后取出再进行正常回火。为了保证量具尺寸稳定，在精度或研磨前，必须进行时效处理，进一步消除内应力。必要时，这种处理要重复多次。CrWMn钢制块规的最终热处理工艺如图5-8所示。三、量具钢所谓特殊性能钢是指不锈钢、耐热钢、耐磨钢等一些具有特殊化学和物理性能的钢。Cr13型不锈钢淬火后得马氏体组织，是典型的马氏体不锈钢。因含铬量较低（13%左右），抗腐蚀性比1Cr17差。为提高强度，通常有一定的含碳量，但随含碳量的增加，抗蚀性降低。这类钢空冷即可淬透，但为了避免碳化物析出，一般采用高温加热后油淬，以获得单相马氏体。Cr13型不锈钢经锻造后出现了马氏体，硬度较高，而且残余应力存在，不利于切削加工，因此，锻后必须进行退火处理。Cr17型不锈钢组织为单相铁素体，属于铁素体不锈钢。其用于要求较好的耐蚀性，但对强度要求不高的部件，如制造生产硝酸、氮肥、磷酸等设备和化工使用的容器、管道等。一、不锈钢二、耐磨钢耐磨钢主要指在冲击