《机械工程材料》-第７章

第７章特殊性能钢７.１不锈钢７.２耐热钢７.３耐磨钢返回７.１不锈钢能抵抗大气腐蚀的钢称为不锈钢；在一些化学介质中（如酸类等），能抵抗腐蚀的钢称为耐酸钢。通常情况下，把不锈钢和耐酸钢统称为不锈钢，即不锈钢是指在空气、水、盐水溶液、酸及其他腐蚀性介质中具有高度化学稳定性的钢。但是不锈钢不一定耐酸，而耐酸钢一般都具有良好的耐酸能力。腐蚀是金属制件经常发生的一种现象。金属表面受到外部介质作用而逐渐被破坏的现象称为腐蚀或锈蚀。一般来说，金属腐蚀是有害的，钢的生锈，高温下的氧化，石油管道、化工设备和船舶壳体的损坏都与腐蚀有关。因此，采取必要的措施来提高金属的耐蚀性或耐酸性具有重要意义。下一页返回７.１不锈钢不锈钢的种类有很多，性能也不同，可大致分为以下几类。（１）按钢中的组织结构分类，一般分为奥氏体不锈钢、铁素体不锈钢和马氏体不锈钢等。（２）按钢中的化学成分分类，一般分为铬不锈钢、铬镍不锈钢和铬锰不锈钢以及超低碳不锈钢等。（３）按钢的性能特点和用途分类，一般分为耐硝酸不锈钢、耐硫酸不锈钢、耐点蚀不锈钢、耐应力腐蚀不锈钢和高强度不锈钢等。（４）按钢的功能特点分类，一般分为低温不锈钢、无磁不锈钢、易切削不锈钢和超塑性不锈钢等。目前，常按照钢的组织结构特点或钢的化学成分特点来分类。上一页下一页返回７.１不锈钢不锈钢的应用如图７－１所示。１.奥氏体型不锈钢奥氏体型不锈钢的成分特点是含碳量很低（ｗＣ＜０.１％），含铬、镍等合金元素较多，典型的１８.８型不锈钢中铬的质量分数为１８％，镍的质量分数为９％，属于铬镍不锈钢的范畴。常用的奥氏体型不锈钢有１２Ｃｒ１８Ｎｉ９和０６Ｃｒ１９Ｎｉ１０Ｎ等。奥氏体型不锈钢可分为铬镍不锈钢和铬锰不锈钢两个系列。铬镍奥氏体型不锈钢在多种腐蚀介质中具有良好的耐蚀性，综合力学性能良好，焊接性能较好，因而在多种化学加工及食品机械领域获得了广泛应用，但铬镍奥氏体型不锈钢本身的强度、硬度不高，不能用于承受重载荷和对耐磨性要求高的场合。上一页下一页返回７.１不锈钢而铬锰奥氏体型不锈钢中由于氮的固溶强化作用，用于能承受较重的载荷且耐蚀性要求不太高的场合。由于合金元素镍的含量较高，采用固溶处理后（将钢加热到１０５０℃～１１５０℃，然后水冷），扩大了γ相区而获得单相奥氏体组织，具有良好的耐蚀性和耐热性，因此奥氏体型不锈钢的耐蚀性高于马氏体型不锈钢。奥氏体型不锈钢还具有高塑性，适合冷加工成形，同时它的焊接性能也较好，不具有磁性，这些都是铁素体型不锈钢和马氏体型不锈钢所没有的宝贵性能，因此广泛应用于在强腐蚀性介质中工作的化工设备和抗磁仪表中。上一页下一页返回７.１不锈钢２.马氏体型不锈钢马氏体型不锈钢中碳的质量分数为０.１％～１.２％，铬的质量分数为１２％～１８％，淬火后能得到马氏体组织，因此称为马氏体型不锈钢。马氏体型不锈钢锻造后需退火，以降低硬度，改善切削加工性。在冲压后也需要进行退火，以消除硬化，提高塑性，便于进一步加工。这类钢最后都要经过淬火、回火后才能使用。马氏体型不锈钢的耐蚀性、塑性、焊接性均比奥氏体型不锈钢和铁素体型不锈钢低，不过它具有较好的力学性能，所以应用广泛。典型的马氏体型不锈钢有１２Ｃｒ１３和９５Ｃｒ１８等。上一页下一页返回７.１不锈钢含碳量较低的１２Ｃｒ１３、２０Ｃｒ１３用于力学性能较高且有一定耐蚀性的零件，如汽轮机叶片、医疗器械等。含碳量较高的３０Ｃｒ１３、４０Ｃｒ１３等可用于制作医用手术器具、量具、弹簧及轴承等。３.铁素体型不锈钢铁素体型不锈钢中含碳量较低（ｗＣ＜０.１２％），含铬量为１２％～３０％，属于铬不锈钢。合金元素铬是缩小奥氏体相区的元素，可使钢获得单相铁素体组织，即使从室温加热到９６０℃～１１００℃的高温，其组织也不发生显著变化，所以铁素体型不锈钢无法用淬火的方法强化。上一页下一页返回７.１不锈钢铁素体型不锈钢的耐蚀性、塑性、焊接性均优于马氏体型不锈钢，它具有良好的高温抗氧化性（７００℃以下），特别是耐蚀性较好，但其强度较低，力学性能不如马氏体型不锈钢，塑性不及奥氏体型不锈钢，主要用于对力学性能要求不高，而对耐蚀性要求较高的零件及构件，如硝酸的吸收塔、酸槽管路等，也用于高温下抗氧化的器具，如不锈钢厨具、餐具等。常用的铁素体型不锈钢有三种类型，即Ｃｒ１３型、Ｃｒ１７型和Ｃｒ２７－３０型。常用不锈钢的牌号、化学成分、热处理和用途如表７－１所示。上一页返回７.２耐热钢耐热钢是在高温下具有良好的化学稳定性和较高强度，能较好地适应高温条件的特殊性能钢。钢的耐热性包括以下两个指标，一是高温抗氧化性，二是高温强度。在高温下能抵抗介质腐蚀并具有一定强度的钢称为抗氧化钢；在高温下仍然具有足够力学性能的钢称为热强钢。也就是说，耐热钢包括抗氧化钢和热强钢。金属的高温抗氧化性是保证零件在高温下能持续工作的重要条件，高温抗氧化能力的高低主要由材料成分决定。钢中加入足够的Ｃｒ、Ｓｉ、Ａｌ等元素，使钢在高温下与氧气接触，表面生成致密的高熔点、高硬度氧化膜，严密地覆盖在钢的表面，可以防护钢在高温下被气体继续腐蚀。下一页返回７.２耐热钢金属的高温强度也是保证零件在高温下能持续工作的重要条件，金属在高温下所表现的力学性能与室温下是不相同的，当温度高于再结晶温度时，除了受机械力的作用产生塑性变形和加工硬化外，同时还可发生再结晶和软化的过程。在再结晶温度以上，当金属的工作应力超过在该温度下的弹性极限时，随着时间的延长，金属发生极其缓慢的变形，称为蠕变。金属对蠕变的抵抗能力越强，则表示该金属的高温强度越高。通常加入能提升钢的再结晶温度的合金元素来提高钢的高温强度，如加入Ｔｉ、Ｗ、Ｖ、Ｎｂ、Ｃｒ、Ｍｏ等元素就能提高钢的高温强度。上一页下一页返回７.２耐热钢典型的抗氧化钢有４２Ｃｉ９Ｓｉ２、０６Ｃｒ１３Ａｌ等，典型的热强钢有４５Ｃｒ１４Ｎｉ１４Ｗ２Ｍｏ等。耐热钢的应用如图７－２所示。１.抗氧化钢抗氧化钢广泛用于工业炉中的构件、炉底板、料架、炉罐和辐射管等，其工作条件与热强钢不同，工作时所承受的负载不是很大，但是要抵抗各种介质的化学腐蚀。这种用途的抗氧化钢有两种类型，即铁素体抗氧化钢和奥氏体抗氧化钢。抗氧化性主要取决于表面氧化皮的稳定性、致密性及其与基体金属的黏附能力，其主要影响因素是化学成分。上一页下一页返回７.２耐热钢（１）铬。铬是一种钝化元素，能在钢的表面形成一层致密的Ｃｒ２Ｏ３氧化膜，有效阻止外界的氧原子继续向里扩散。在高温下经常使用的抗氧化钢，其铬的质量分数通常大于２０％，如果在２２％以上，则在１１００℃以下是稳定的。（２）硅。含硅钢在高温下能形成ＳｉＯ２氧化膜，也能提高钢的抗氧化性。但是含硅量不能太高，否则会降低钢的热加工工艺性能。（３）铝。铝和硅都是比较经济的提高抗氧化性的元素。在高温下铝能在钢的表面形成Ａｌ２Ｏ３氧化膜，起到很好的保护作用。铝的质量分数达到６％可使钢的抗氧化性达到９８０℃，铝的质量分数为５％的铁锰铝奥氏体钢可在８００℃长期使用。上一页下一页返回７.２耐热钢但是含铝量不能过高，否则会降低钢的冲压性能和焊接性能。实际应用的抗氧化钢大多数是在铬钢、铬镍钢、铬锰氯钢的基础上添加硅、铝配制而成的。单纯的硅钢或铝钢因其力学性能和工艺性能欠佳而很少使用。常用抗氧化钢的牌号、化学成分、热处理及用途如表７－２所示。２.热强钢热强钢在应力和高温下工作，不仅要有良好的抗氧化性，还应具有高温下抵抗塑性变形和断裂的能力，即热强性。汽轮机、燃气轮机的转子和叶片，锅炉过热器，高温工作时的螺栓和弹簧，内燃机进、排气阀用钢均属于此类钢。上一页下一页返回７.２耐热钢高温工作的零件不允许产生过大的蠕变变形，必须严格控制在使用期间的变形量，这对于涡轮盘和叶片等尺寸精度要求高的零件尤为重要。对于在使用过程中不考虑变形量大小而只要求具有一定使用寿命的零部件，则规定另外一个指标，即持久强度。持久强度为试样在一定温度下经过一定时间发生断裂的应力值。组织稳定性也是热强钢所要求的一种高温指标，零件在高温下长期使用中不应该发生组织变化，否则可能软化而使强度降低或脆化而导致脆性破坏。为了提高耐热钢的热强性，一般在钢中加入适量的合金元素，如Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｖ、Ｎｂ等。这些元素溶入固溶体中一方面产生固溶强化作用，另一方面又可提高再结晶温度。上一页下一页返回７.２耐热钢合金元素Ｍｏ、Ｗ、Ｖ还会形成特殊碳化物，如Ｍｏ２Ｃ和Ｖ４Ｃ３等，起到沉淀强化的作用。常用的热强钢有珠光体钢、马氏体钢、奥氏体钢。常用热强钢的牌号、化学成分、热处理及最高使用温度如表７－３所示。上一页返回７.３耐磨钢耐磨钢作为一种专用钢始于１９世纪后半叶，１８８３年英国人哈德菲尔德（ＲＯ.ＡＯ.Ｈａｄ.ｆｉｅｌｄ）首先取得了高锰钢的专利，至今已有１００多年的历史。高锰钢是一种含碳量和含锰量都较高的耐磨钢，由于它在大的冲击磨料磨损条件下使用时具有很强的加工硬化能力，同时兼有良好的韧性和塑性，以及生产工艺易于掌握等优点，因此，这个具有百余年历史的钢种目前仍然是耐磨钢中用量最大的一种，尤其是在矿山等部门中。高锰钢较高的含碳量是为了提高其耐磨性，较高的含锰量是为了保证热处理后得到单相奥氏体组织。这种钢的铸态组织中存在较多的碳化物，性质硬而脆，耐磨性也较差，故不能实际应用。下一页返回７.３耐磨钢实践证明，高锰钢只有全部获得奥氏体组织时才能呈现出较好的韧性和耐磨性。因此，把高锰钢加热到１１００℃，使碳化物全部溶入奥氏体中，水淬后获得单相奥氏体组织，这种热处理方法叫作水韧处理。高锰钢铸件经过水韧处理后一般不进行回火处理。由于水韧处理冷却速度非常快，碳化物来不及从奥氏体中析出，因而保持了均匀的奥氏体状态。经过水韧处理后，高锰钢组织全是单一的奥氏体，硬度不是很高，通常在１８０～２２０ＨＢＷ内，而塑性、韧性良好。上一页下一页返回７.３耐磨钢高锰钢在工作过程中受到强烈的冲击、压力和摩擦，表层的奥氏体组织因发生塑性变形而产生强烈的加工硬化，使表面硬度提高到５０ＨＲＣ以上，因而获得了很好的耐磨性，而心部仍保持原来奥氏体所具有的高塑性和高韧性。随着工作的不断进行，旧的表面磨损以后，新的表面又在冲击和摩擦的作用下进行强化，获得了新的耐磨层。这种钢具有较高的抗冲击性和耐磨性，但在一般受力条件下不一定耐磨，必须伴随着外来的压力和冲击作用才能产生耐磨性。因此，高锰钢主要应用于在巨大压力和强烈冲击载荷作用下工作的零件，如起重机和拖拉机的履带、挖掘机铲斗的斗齿、碎石机的颚板、铁路道岔、防弹钢板等。上一页下一页返回７.３耐磨钢高锰钢用于制作这些零件，不仅由于它具有良好的耐磨性，而且由于它材质坚韧，不容易突然折断，即使有裂纹产生，由于加工硬化的作用，裂纹扩展很缓慢。另外，高锰钢在寒冷气候条件下仍具有良好的力学性能，不会冷脆。高锰钢在受力变形时能吸收大量的能量，受到弹丸射击时也不容易穿透，其应用如图７－３所示。另外，由于高锰钢是奥氏体单相组织，因此属于非铁磁性材料且具有良好的耐蚀性，也常用于既需要耐磨又需要抗磁化的零件，如吸料器的电磁铁罩