工程基础材料加工术 4

第5章金属材料5.1金属材料概论5.2碳钢5.3合金钢

5.4铸铁5.5有色金属5.1.1金属材料的分类5.1.1.1钢的分类⑴按用途分类⑵

按化学成分分类

5.1金属材料概论工具钢刃具钢模具钢量具钢特殊性能钢不锈钢耐热钢耐磨钢结构钢碳素结构钢低合金高强度结构钢优质碳素结构钢合金结构钢弹簧钢滚动轴承钢工程结构用钢机械结构用钢碳素钢低碳钢(C％wt.≤0.25％)中碳钢(C％wt.=0.3～0.55％)高碳钢(C％wt.≥0.60％)合金钢低合金钢(合金元素的重量百分比Me

％wt.＜5％)中合金钢(Me

％wt.=5～10％)高合金钢(Me

％wt.＞10％钢钢5.1金属材料概论

⑶

按冶金质量分类

普通质量钢（S、P含量分别低于0.05％、0.045％）优质钢（S、P含量均低于0.035％）高级优质钢（S、P含量均低于0.025％）⑷按显微组织分类奥氏体钢珠光体钢贝氏体钢马氏体钢莱氏体钢5.1.1.2铸铁的分类碳在铸铁中存在形式:渗碳体（Fe3C）、石墨（G）根据碳在铸铁中存在形态的不同，铸铁分为白口铸铁、灰口铸铁（灰铸铁、球墨铸铁、蠕墨铸铁、可锻铸铁）5.1.1.3有色金属的分类

轻金属及其合金（铝、镁、钛等金属及其合金）重金属及其合金（铜、镍、铅、锌、锡等及其合金）稀有金属及其合金高熔点金属(钨、钼、钽、铌、锆、铪、铼等)稀轻金属(铍、锂等)稀贵金属(金、银、锇、铱、铂、钌、铑、钯)稀土金属稀有金属放射性金属钢钢有色金属材料5.1金属材料概论

5.1.2常存元素和合金元素对钢性能的影响

5.1.2.1常存元素对钢性能的影响钢中的常存（杂质）元素有：Si、Mn、P、S⑴硫：有害杂质:＜0.05%

FeS—Fe形成低熔点共晶体(985℃左右)分布在晶界上对性能影响：导致热脆，降低焊接和锻造性能。

形成MnS（熔点1620℃），对断屑有利，可改善钢的切削性能。⑵磷：有害杂质:含量小于0.045%时固溶于铁素体对性能影响：使强度、硬度上升；导致冷脆，即室温及低温塑韧性下降。

军事应用：破片弹⑶锰：有益元素：0.25～0.8％，最高达1.2%，固溶于铁素体或形成ＭnＳ

对性能影响：强化铁素体；增加珠光体相对量；细化珠光体；降低硫的有害作用⑷硅：有益元素:0.1～0.4％，固溶于铁素体对性能影响：强化铁素体，使强度、硬度和弹性极限提高，但降低塑韧性

易切削钢：钢中加入一定数量S（0.1～0.30%）、P（≤0.15%）、Pb（0.1～0.35%）、Ca（0.001~0.005%）等易切削元素，以改善切削性能的合金钢。5.1金属材料概论

5.1.2.2合金元素对钢组织与性能的影响

特意向钢中加入的合金元素：Cr、Mn、Si、Ni、Mo、W、V、Ti、Nb、Co、A1、Cu、B及稀土元素等。⑴合金元素对钢基本相(F、A、Fe3C)的影响①强化铁素体、奥氏体大多数合金元素都能或多或少地溶于铁素体（奥氏体），导致晶格畸变，使铁素体（奥氏体）固溶强化（强度、硬度升高），但塑性和韧性有所下降。②形成合金碳化物

碳化物形成元素：Mn、Cr、Mo、W、V、Ti、Nb和Zr等

强碳化物形成元素：Ti、Zr、Nb和V；

中强碳化物形成元素：W、Mo和Cr；

弱碳化物形成元素：Mn和Fe。

碳化物形式：合金渗碳体：(Fe，Mn)3C、(Fe，Cr)7C3、（Fe·Mo）3C

特殊碳化物：简单晶格间隙相碳化物：WC、MoC、VC、TiC

复杂晶格的碳化物：Cr3C2、Cr7C3、Cr23C6、Fe3W3C。

非碳化物形成元素：Si、Ni、Al、Co和B等。不形成碳化物，元素溶于铁素体和奥氏体

中，

形成合金铁素体或合金奥氏体5.1金属材料概论

⑵合金元素对Fe−Fe3C相图的影响

①对奥氏体相区的影响②对S、E点的影响：合金元素使S和E点向左移S点左移：奥氏体发生共析转变时的含碳量小于0.77%。E点左移：钢和白口铁分界点的含碳量小于2.11%。缩小奥氏体区：Cr、Mo、W、Ti、Si等，奥氏体区缩小；A1线、A3线升高扩大奥氏体区：Ni、Mn、Cu等奥氏体区扩大；A1线、A3线下降5.1金属材料概论

⑶合金元素对钢热处理的影响

①对钢加热转变的影响除Mn、Ni以外的合金元素均减慢奥氏体化过程。合金钢需要比碳钢更高的加热温度和更长的保温时间，才能获得均匀细小的奥氏体。

②对过冷奥氏体冷却转变的影响大多数溶入奥氏体的合金元素使钢的过冷奥氏体稳定性增加，使C曲线位置或形状发生变化。合金钢的C曲线右移，降低了马氏体转变的上临界冷却速度Vk，提高了淬透性：增加大截面零件的淬透层深度；用冷却能力较弱的淬火介质(如油等)淬火，也可获得所需的淬透层深，这有利于减小工件变形与开裂倾向。5.1金属材料概论

③合金元素对回火转变的影响

提高淬火钢的回火稳定性（回火稳定性：淬火钢在回火时保持强度和硬度不降低的能力）；二次硬化：550℃左右回火时硬度提高的现象含Cr、Mo、V、Ti、Nb钢在550℃左右回火时，析出细小弥散的特殊碳化物分布在马氏体基体上，使钢的硬度有所提高；

A残回火时转变成马氏体，使钢回火后硬度提高。回火后产生第二类回火脆性：

Co、Ni、Mn、Si淬火钢在455～650℃回火时出现第二类回火脆性。加入适量的Mo和W或回火后快速冷却，可降低这种回火脆性。⑷合金元素对钢机械性能的影响：①退火态钢性能影响（合金钢与碳钢）Me溶于F中导致固溶强化，提高硬度和强度；

Me降低共析点含碳量，使珠光体相对量增加，强度提高，而塑性有所降低；

Me细化晶粒，提高了韧性②对调质钢性能影响（合金钢与碳钢的比较）Me提高合金钢淬透性；Me提高淬火钢的回火稳定性，保持较高的强度和韧性；Me固溶强化F；Me与碳形成碳化物并弥散析出，产生沉淀强化；Me阻碍奥氏体晶粒长大，细化晶粒，提高塑韧性。5.2碳钢5.2.1碳钢的分类⑴碳含量：低碳钢：C≤0.25%；中碳钢；C:0.3～0.55%；高碳钢：≥0.60%⑵用途：碳素结构钢：工程构件及机器零件用钢，多为低、中碳钢。

碳素工具钢：刀具、量具及模具钢，多为高碳钢。⑶质量：普通质量非合金钢：S、P≥0.045%；

优质非合金钢：S、P≤0.040%

特殊质量非合金钢：Ｐ≤0.02%、S≤0.02%5.2.2碳钢的编号、性能及用途⑴普通碳素结构钢：Ｑ＋数字（屈服强度MPa）：一般不经热处理，供货态直接使用

如：Ｑ275

Q＋数字＋Ａ（Ｂ、Ｃ、D、E）－Ｆ（b、Ｚ）

Ａ：不做冲击；Ｂ：室温冲击；Ｃ：零度冲击；D：-20度冲击；E：-40度冲击Ｑ195、Ｑ215、Ｑ235：轧成薄板、钢筋、焊接钢管等，用于桥梁、建筑等钢结构，

及铆钉、镙母、垫圈、地脚镙栓、轴套等；

Ｑ255、Ｑ275：轧成型钢、条钢、钢板作结构件以及制造连杆、键、销、简单机械

上的齿轮、联轴节。Q345、Q420Q690~Q1100鸟巢：4.2万吨钢，其中：Q420D

⑵优质碳素结构钢：S、P≤0.040%：成份、性能均保证。按含锰量分：正常含锰量的优质碳素结构钢：两位数字（含碳量的万分之几）

如：08，45

C≤0.25%:Mn:0.35～0.65%；C＞0.25%:Mn0.50～0.80%较高含锰量的优质碳素结构钢：两位数字（含碳量的万分之几）＋Mn。C:0.15～0.60%:Mn:0.70～1.00%；C＞0.60%:Mn0.90～1.20%如：16Mn，45Mn，65Mn。

优质碳素结构钢：制造机器零件。其用途与钢的含碳量有关：08、08F、10、10F：塑韧性好，具有优良的冷成形和焊接性能，常轧成薄板，用于仪表外壳、汽车车身和拖拉机驾驶室的冷冲压件；15、20、25：制造容器、管道，以及尺寸较小、负荷较轻、表面耐磨、心部强韧性要求不高的渗碳件。如：活塞销、样板。30、35、40、45、50：调质钢，热处理后，具有较高强度和塑韧性，用于制造轴类零件如汽车与拖拉机的曲轴、连杆、普通机床主轴和齿轮。55、60、65、70、75、80、85:

弹性极限高，制造受力不大、尺寸较小的弹簧、钢丝绳、耐磨件。5.2碳钢⑶碳素工具钢：Ｔ＋数字（含碳量的千分之几）。如：Ｔ7、Ｔ8、Ｔ13Ｔ7、Ｔ8：用于承受冲击、振动的高韧性工具。如：冲头、锤头、锻模；Ｔ9、Ｔ10：用于需要较高耐磨性和一定韧性的工具。如：车刀、刨刀、手锯条、剪刀；Ｔ12、Ｔ13：要求高耐磨性的工具。如：丝锥、量具、锉刀、精车刀。⑷铸造碳钢：C：0.2-0.6%，低中碳量；铸造成形后热处理使用。ZG200-400（变速箱壳体）；ZG270-500（轧钢机机架）；ZG310-570（重载齿轮）5.2碳钢5.3合金钢

5.3.1合金钢分类、编号

⑴碳钢性能的不足：

①淬透性低：大尺寸零件整个截面性能不均匀②耐磨性与回火稳定性差：无法满足高温使用要求③耐热性、抗氧化性差：不能满足高温或腐蚀环境

⑵加入合金元素的目的：提高强度；提高淬透性；获得特殊性能

⑶分类与编号

合金元素：

Mn（＞0.8%）、Si（＞0.4%）、Cr、Ni、W、Mo、V、Co、Ti、Nb、Al、Cu、B和稀土

合金钢的分类

①按合金元素含量分：

②按用途分低合金钢：含量<5%

合金结构钢：结构件、轴、齿轮中合金钢：含量5～10%

合金工具钢：刃具、量具模具高合金钢：含量>10%

特殊性能钢：耐热、耐腐蚀场合

③合金钢编号：数字＋合金元素符号＋数字……合金结构钢：如：20CrMnTi；40Cr；60Si2Mn:C:0.6%,Si:2%,Mn<1.5%合金工具钢：如：9SiCr；CrWMn；W18Cr4V、GCr15特殊性能钢：如：0Cr13；C<0.08%，Cr:13%；1Cr18Ni9Ti；Mn135.3.2合金结构钢

低合金结构钢

工程构件用钢（压力容器、化工设备、锅炉、桥梁、车辆、船舶及大型钢结构）

表面热处理合金结构钢合金结构钢合金调质钢

合金弹簧钢

机器用钢

合金滚动轴承钢

易削钢⑴低合金结构钢

（Q295、Q345、Q390、Q420、Q460、Q690、Q1100等）①性能特点较高强度和良好塑性[Rm：430～1500MPa,At≥19%]具有良好的韧性，较低的脆性转化温度和较高耐蚀性良好的焊接性能：碳当量：Ceq=C+Mn/6+(Cr+V+Mo)/5+(Cu+Ni)/15≤0.4%低的应变时效敏感性②合金化特点含碳量<0.2%C：保证良好的塑韧性。低合金结构钢中的合金元素总量<3%；合金元素：Mn、Cr、Ni、V、Ti、Nb等，主加元素Mn：固溶强化铁素体；辅加元素V、

Ti、Nb与C、N形成化合物，热轧空冷时弥散析出强化铁素体；

合金元素使共析点左移，增加了珠光体相对量，强度提高；

V、Ti、Nb形成的碳化物可细化晶粒。5.3合金钢③常用牌号及应用范围

Reh=300MPa：09MnV、09MnNb冲压件、拖拉机轮圈。08，08F汽车上的覆盖件:

拖拉机驾驶室。Reh=325～345MPa:16Mn

船舶、桥梁、汽车大梁及低压容器、石油储罐、厂房钢架

Reh≤390MPa：16MnNb、15MnTi、15MnV大型结构:起重及矿山机械、电站设备及中压容器。

Reh≤440MPa：15MnVN用于制造大型船舶、桥梁及高压容器等。

Reh≥440MPa：14CrMnMoVB（Reh≥640MPa），热轧空冷时的组织为下贝氏体：石油及化工容器和高压容器，中、高温高压容器

Reh≥1100MPa：工程机械用钢④使用状态及组织

低合金结构钢不经热处理，直接在热轧空冷状态下供货和使用组织：Reh≤440Mpa：F+P，如16Mn、16MnNb、15MnV、15MnVN

Reh>440Mpa：贝氏体，如14MnMoV、14CrMnMoVB。5.3合金钢⑵表面热处理用合金结构钢

三类：合金渗碳钢、合金渗氮钢及低淬透性钢。特点：表面：高硬度及耐磨性，心部：良好的韧性应用：动负荷零件，如齿轮。①合金渗碳钢合金化特点:含碳量：0.10～0.25%。主加元素：Cr<2%，Ni<4.5%，Mn<2%，B0.001～0.005%

作用：提高淬透性、渗碳层硬度与韧性辅加元素：V<0.5%，W<1.2%，Mo<0.6%，Ti<0.15%

作用：防止高温渗碳时晶粒长大；零件渗碳后直接预冷淬火，简化热处理工艺常用牌号及应用范围

低淬渗碳钢（Rm≤800MPa）：15、20、15Cr、20Cr、20MnV制造尺寸较小的零件：如小齿轮，小活塞销；心部强度要求高的

零件，如中小型机床变速箱齿轮。中淬渗碳钢（Rm:800～1000MPa）：20CrMnTi、20MnVB、20CrMnMo制造高中速、冲击下工作的零件，如汽车、拖拉机变速齿轮

高淬渗碳钢（Rm≥1000MPa）：20Cr2Ni4A，20Cr2Ni4WA，18Cr2Ni4WA制造大截面、高负荷及高耐磨性和良好韧性的重要零件，如飞机、坦克曲轴及重要齿轮。5.3合金钢

使用状态及组织

预冷淬火：渗碳＋预冷+淬火＋低温回火

一次淬火:（碳素钢和低合金渗碳钢）两次淬火:（中合金渗碳钢）热处理后组织：

心部：低碳回火M（淬透）；低碳回火M+F+T（未淬透）表层：高碳回火M+合金碳化物+A残工艺路线（20CrMnTi）:

下料→锻造→正火→机加工→渗C→淬火→低回→精加工→零件②合金氮化钢：38CrMoAlA

C：0.3～0.38；Cr：1.35～1.65；Mo:0.4～0.6%；Al：0.75～1.0%氮化零件的表面硬度：1100～1200HV（相当于70HRC）；

合金元素作用：Cr、Mo、Al与氮形成稳定细小合金氮化物

热处理制度：调质处理＋氮化；

应用：制造压缩机活塞杆，精密镗床主轴，高速柴油机汽缸套。③低淬透性钢：55DTi、60DTi、70DTi

表面中、高频淬火钢：830℃油淬+550℃回火得到回火索氏体+高频淬火加低温回火。

主要用于中、大模数齿轮。5.3合金钢⑵合金调质钢

①性能要求：使用性能：较高强度、硬度，良好塑韧性(良好综合机械性能)工艺性能：较高淬透性，保证零件整个截面性能均匀一致。②合金化特点：C：0.3～0.5%合金元素：Mn、Cr、Si、Ni及B：提高钢淬透性并强化F，提高强度；

W、Mo、V和Ti：细化晶粒；W、Mo是减缓和防止第二类回火脆性③常用调质钢牌号及其选用：

碳素调质钢：40、45，淬透性低（≤20mm）、承载能力小：如机床主轴。

油淬直径为20～40mm：40Cr，45Mn2适用于截面不大的零件，可获得良好的综合性能。

油淬直径为40～60mm：35CrMo、30CrMnSi制造截面尺寸较大的零件，汽车发动机曲轴、齿轮及连杆

油淬直径为60～100mm：40CrNiMoA，40CrMnMo，用于大截面、重负荷零件如汽轮机转子轴、叶轮等。航空发动机的曲轴、连杆、连杆螺栓。

油淬直径为100mm以上：37CrNi3A用于大截面、高负荷、受冲击的重要调质件，如汽轮机转子轴、发电机主轴5.3合金钢④工艺路线：下料→锻造→预备热处理→机加工→调质处理→精加工→零件钢力学性能Rm/MPaAt/%ak/J/cm2HBS组织45:850℃正火62426.489.1175F+P45:840℃淬火+560℃回火80221129250S回40Cr:850℃淬火+560℃回火94020150263S回⑶弹簧钢、滚动轴承钢及易削钢①弹簧钢：弹簧钢是用于制造弹性元件的钢种。使用性能：高弹性极限、抗拉强度和屈强比及疲劳强度，足够塑韧性工艺性能：足够的淬透性和低的脱碳敏感性弹簧钢成分：碳：0.45～0.70%；加入Si、Mn、Cr、V提高钢淬透性和

回火稳定性，

并提高Rp和Reh/Rm。弹簧钢种类：碳素弹簧钢：65、75、75A（小截面弹簧）；SiMn弹簧钢：55Si2Mn,60Si2Mn；CrMn弹簧钢：55CrMnA,60CrMn:

机车、汽车弹簧、板簧

（880℃淬火+400℃回火；T回）

CrV弹簧钢：50CrVA，60Si2CrVA：用于大截面重载弹簧或工作温度较高弹簧，

如发动机气门弹簧（300℃以下；850℃淬火+400℃回火；T回）30W4Cr2VA：锅炉安全阀用板簧（500℃以下；1070℃淬火+600℃回火；S回）

弹簧成形方式：冷卷及热卷。

直径或厚度>10～15mm时：热成型法：成型后经淬火和中温回火得到回火屈氏体，40～45HRC。直径或厚度<8～10mm时：冷成型法：成型前经冷拉（或冷轧）或淬火加中温回火后直接冷卷成形；最后再进行去应力退火（300℃以下）。5.3合金钢②滚动轴承钢：

制造滚动轴承的滚动体（滚珠、滚柱、滚针）、内外套圈等，属于专用结构钢。成分属工具钢范围，也用于制造精密量具、冷冲模、机床丝杠等耐磨件

性能要求：高的硬度（61～65HRC）和耐磨性，高的弹性极限和接触疲劳强度，足够的韧性和抗蚀性。三类：高碳铬轴承钢：GCr15、GCr15SiMn渗碳轴承钢：G20CrMo、G20Cr2Ni4高碳铬不锈轴承钢：9Cr185.3合金钢GCr15SiMn：制造大型轴承C:0.95～1.05%；Cr:1.30～1.65%；Si:0.4～0.6；Mn:0.9～1.20

常用牌号：GCr15：制造中、小轴承。C：0.95～1.05%，Cr：1.30～1.65%，S<0.02%，P<0.027%加工工艺路线：下料→锻造→预备热处理（正火+球化退火）→切削加工→淬火→(深冷处理)→低温回火→磨削加工→零件。③易削钢：加入S、Pb、Ca、P的钢种。S:形成MnS，提高切屑破断能力和降低刀具与切屑的磨擦，延长刀具寿命。硫的加入量为0.08～0.33%。如Y12（S：0.10～0.20%）。Pb:熔点低Pb呈微小质点分布，切削时呈熔化状态，在刀具与切屑及零件之间起润滑作用，降低刀具磨擦，Pb加入量为0.15～0.35%,如Y12PbCa：形成CaO—MnO—SiO2—Al2O3氧化物，Ca的加入量为0.002～0.006%，如Y45Ca。易削钢用于自动机床加工的零件，如钢钉、镙栓标准件。易削钢不需要预备热处理，但可进行最终热处理。5.3合金钢5.3.3合金工具钢:

刃具钢、模具钢、量具钢⑴工具钢主要特点

碳量：0.3～1.3%C；S、P:0.02～0.03%

合金元素：

Cr、W、Mo、V：保证淬透性和回火稳定性，并与C形成高

硬度的碳化物，提高耐磨性；

Mn、Ni、Si：减少热处理变形，提高淬透性和回火稳定性。

工艺要求：锻造：控制锻造比，获得均匀分布的碳化物；球化退火：保证获得均匀细小颗粒状碳化物淬火（低合金含量：Ac1+30～50℃；高合金含量：Accm+30～50℃）：

获得细针状M，细小均匀颗粒碳化物及少量A；

低温回火：消除内应力。

性能：高硬度，高耐磨性，一定强韧性

5.3合金钢⑵刃具钢

工作条件：压应力大、磨擦强烈、工作温度达500～600℃，承受一定冲击。性能要求：高硬度、高耐磨性>60HRC；红硬性：500～600℃硬度不降低的能力；

一定的强韧性；良好的淬透性、淬硬性、抗回火稳定性。碳素工具钢：C：>0.7%，保证淬硬性（Fe3C）和耐磨性能。T7、T8、T10、T12

工艺：下料→锻造→正火+球化退火→机加工→淬火+低回→刃具

正火：消除原材料中或锻造时的网状Fe3C；球化退火：球状珠光体；

淬火：水淬Ac1+30～50℃，获得Ｍ＋Fe3C+A残；

低回：160～180℃，减小淬火应力，Ｍ回＋Fe3C+A残低合金刃具钢：合金元素总量<5%

成份：C：0.7～1.7足够淬硬性合金化：Si、Cr、Mn：提高淬透性及强度。W、V：形成碳化物，提高硬度和耐磨性，细化晶粒、改善韧性常用牌号：

9SiCr（870℃）,

CrWMn（830℃）:板牙;

9Mn2V（780～810℃）：剪刀

板牙加工工艺：下料→球化退火→机加工（螺纹等）→淬火+低回→磨削→开槽→开口→板牙

CrWMn:C：0.9～1.05%；Cr、W、Mn含量为1.5%以下

其中：C：保证足够淬硬性，

Cr、Mn：保证淬透性及强度;

Cr、W：形成碳化物，提高钢的硬度和耐磨性，细化晶粒，改善韧性5.3合金钢高速钢:W18Cr4V、9W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2、W6Mo5Cr4V3

加工工艺:下料→锻造→退火→机加工→淬火+回火→精加工→刀具

锻造：W18Cr4V，始：1130～1200℃，终：890～950℃退火：球化退火：细化碳化物颗粒，HB下降，利于切削。①

870～880℃A化保温后炉冷，组织：S+K②

870～880℃A化，740～750℃等温后炉冷，S+K粒淬火：800～840℃预热，1270～1280℃淬火，W、Cr、V溶入A中。

淬火冷却方式：空淬（易氧化）或油淬：M+K+A残（30%）回火：560℃回火三次（每次1小时），产生二次硬化第一次回火：M回+K粒+M+A残（15%）第二次回火：M回+K粒+M+A残（3%）第三次回火：M回+K粒+A残（1%）5.3合金钢⑶合金量具钢性能要求：高的尺寸稳定性；高硬度和高耐磨性；足够韧性，抗蚀性常用量具钢：

碳素工具钢：量具、塞规、样板渗碳钢：（10、20、15Cr）:耐冲击的卡板、样板低合金工具钢：CrWMn：螺纹塞规滚动轴承钢：GCr15：块规、样规、样柱Cr06

、Cr2

（830~860℃）：样板、卡板、样套、量规（块规、螺纹塞规和样柱等

工艺过程：下料→锻造→正火+球化退火→机加工→淬火+回火→精加工→深冷+时效

→量具

正火：消除网状碳化物；

球化退火：使碳化物球化，为淬火做组织准备，

减小淬火变形；

淬火：获得马氏体基体组织（低的淬火温度，油冷）；

回火：减小内应力，恢复一定韧性；

冷处理：（－70～－80℃）减少或消除奥氏体量，

保持组织稳定；时效处理：120～150℃×36h（消除内应力）⑷合金模具钢：分类：按发展现状、加工对象和加工过程特点，模具分为：

冷塑性加工模具冷冲模金属塑性加工模具（冷作模具）冷挤模冷镦模热塑性加工模具热锻模

压铸模具（热作模具）热挤模有机高分子材料成型模具粉体成型模具玻璃模具①冷作模具钢

尺寸较小、形状简单、工作负荷不大的模具：T8～T12。

尺寸较大、形状复杂、工作负荷较大、精度要求较高的模具：

9Mn2V，CrWMn,9SiCr

承受重负荷、形状复杂、要求变形小、耐磨性高的大型模具：

高铬钢：Cr12MoV（1030℃油淬＋200℃回火；1120℃油淬＋510℃三次回火）高速钢：W18Cr4V，W6Mo5Cr4V2基体钢：65Cr4W3Mo2VNb(65Nb)硬质合金:YG3、YG6、YG8(钨钴类)；YT5、YT15、YT30(钨钛类)（86～93HRA）

900～1000℃时，保持60HRC，比高速钢切削速度高4～7倍）②

热作模具钢

锤锻模具钢：5CrNiMo（820℃油淬＋560℃回火）热挤压、压铸模：3Cr2W8V，4Cr5MoVSi（H13）（1150℃油淬＋560℃三次回火）5.3合金钢5.3.4特殊性能钢

特殊性能钢：具有特殊的物理或化学性能的高合金钢，应用较多的是不锈钢、耐热钢、耐磨钢、耐蚀钢和磁钢，重点介绍不锈钢。⑴金属腐蚀原理

①化学腐蚀：4Fe+3O2→Fe2O3②电化学腐蚀：F、Fe3C存在电极电位差防止腐蚀途径：

单一组织，避免电化学腐蚀；提高基体电极电位，牺牲阳极；形成保护膜。⑵不锈钢①化学成份：C：低，避免形成第二相；Cr：提高电极电位，形成单一组织和形成Cr2O3保护膜；Ni：获得A组织；

Ti：防止晶间腐蚀。②常用不锈钢

马氏体型:1Cr13、2Cr13：调质作为结构件，汽轮机叶片（1050℃油淬＋720℃回火，S回）3Cr13、4Cr13：淬火＋低回火得到马氏体:工具及医疗器械奥氏体型：0Cr18Ni9Ti，1Cr18Ni9Ti均需1100℃水淬（固溶处理，保证组织为单相组织）铁素体型：0Cr13，1Cr17，1Cr28耐腐蚀、耐热、抗氧化5.3合金钢5.4铸铁

5.4.1概述⑴铸铁的石墨化过程（石墨的形成）第一阶段：液态中析出石墨：

①过共晶铁水中直接析出GⅠ；②1154℃通过共晶反应形成石墨：LC——AE+GⅠ

第二阶段：从AE中析出G，1154～738℃，GⅡ：AE——As+GⅡ第三阶段：738℃，共析反应析出

石墨：As——F+G三阶段全部石墨化：F+G第一、二阶段石墨化，第三阶段部分石墨化：F+P+G第一、二阶段石墨化，第三阶段未石墨化：P+G

⑵铸铁的分类按石墨化程度分：石墨化程度铸态组织第一阶段第二阶段第三阶段√√√F+G

√√√×F+P+G灰口铸铁√√×P+G部分×

×Ld’+P+G麻口铸铁×××Ld’+Fe3CLd’+P+Fe3CⅡ白口铸铁5.4铸铁

按石墨形态分片状石墨：灰铸铁球状石墨：球墨铸铁团絮状石墨：可锻铸铁蠕虫状石墨：蠕墨铸铁⑶影响铸铁石墨化的因素

化学成分：

非碳化物形成元素：Al、Si、Ni、Cu、Co促进石墨化；碳化物形成元素及S：Mn、Cr、W、Mo、V阻碍石墨化。

铸件冷却速度：冷却愈慢，愈有利于石墨化。

5.4.1灰铸铁：石墨呈片状的灰口铸铁(1)灰铸铁的组织、性能及牌号

组织：F+G、P+G、F+P+G

性能：F+G：Rm：300～400MPa强度低：钢的基体+裂纹（石墨）抗疲劳性能较高（缺口敏感性较低）优良有减磨性、消震性良好的铸造性能，流动性好，不易形成集中缩孔⑵影响灰铸铁的组织因素

化学成分：C：2.5～4，Si：1.2～2.5，Mn：0.6～1.1,P、S<0.15

冷却速度：铸型条件确定后，主要取决于壁厚。⑶牌号（6种牌号）

HT150～HT400,HT300HT350HT400需孕育处理孕育处理目的：改善石墨片的数量和大小。孕育处理方法：浇注之前向铁水中加入少量的孕育剂（硅铁、硅钙合金）。⑷灰铸铁的热处理

退火：850～900℃×2～5h，缓冷至400～500℃，出炉空冷。去应力退火（时效处理）：500～600℃×4～8h，用于制造机床床身（HT200），汽缸、汽缸套、汽缸盖5.4铸铁

5.4.2可锻铸铁（韧性铸铁）

由白口铸铁在固态下经长时间石墨化退火后得到的具有团絮状石墨的一种铸铁。⑴组织、性能、牌号组织；F+团絮状G;P+团絮状G成份：C2.4～2.8%，Si0.8～1.4%，Mn0.7～0.6%性能：石墨对基体的割裂作用比灰铸铁小，性能比灰铸铁高牌号：KT300-6KTZ450-5

珠光体⑵可锻铁的生产过程①浇注得到白口铸件

②石墨化退火：900～980℃×15h，Fe3C→G

用于承受动负荷的壳类零件：汽车前后轮桥壳、减速器壳体等以及各种管接头5.4铸铁

5.4铸铁

5.4.3球墨铸铁：石墨呈球状的铸铁。⑴组织、性能、牌号组织：F+G球；P+G球；F+P+G球；A+B+G球性能：G对基体分割作用最小，Rm≥1300MPa牌号：QT800-2⑵成分：C：3.6～3.9；Si2～2.5；S<0.03；P<0.08；Mn：F:0.2～0.4；P:0.4～0.6⑶生产工艺：孕育处理＋球化处理（稀土镁球化剂）⑷热处理

退火:获得F+G，改善切削加工性能低温退火：700～760℃×2～8h；高温退火：850～900℃×2～4h

正火：880～920℃，目的：提高基体P量，提高强度和耐磨性。

调质处理：目的：获得回火索氏体基体，以提高综合力学性能

淬火：860～900℃，油冷；

回火：550～600℃×1～３h，Ｓ回＋Ｇ球：Rm≥800MPa；At≥2%

等温淬火

淬火：850～900℃，250～350℃×0.5～1.5h空冷

组织：B下+M+G球+A残（少量）制造轴类零件：曲轴、凸轮轴、轧钢机轧辊。圆盘类零件：汽车齿轮、油缸。5.4.4蠕墨铸铁

石墨呈蠕虫状，介于球与片之间。用蠕化剂（稀土硅钙合金）蠕化处理；性能介于灰、球铁之间。5.4.5合金铸铁耐磨铸铁:灰口铸铁;白口铸铁活塞环（铬钼铜灰铸铁）、磨球（高铬铸铁）耐热铸铁:用于加热炉炉底板等。高硅铸铁、铝硅铸铁。耐蚀铸铁：高硅、高铝、高铬耐蚀铸铁。5.4铸铁

5.5.1铝及铝合金1、工业纯铝⑴工业纯铝的性能特点①密度小，熔点低，导电性、导热性好，磁化率低②抗大气腐蚀性能好③变形能力好，易于压力加工成型用途：代替Cu制作导线、配制合金等。⑵牌号①高纯铝，纯度>99.85%。②工业纯铝：L1、L2、L3、L4纯度99.3～99.7%③工业高纯铝：铝箔等，配制合金5.5有色金属2、铝合金⑴分类：根据铝合金的化学成分及生产工艺特点分类：可热处理强化铝合金变形铝合金不可热处理强化铝合金铸造铝合金按加入合金元素的不同分：Al-Si、Al-Cu、

Al-Cu-Mg、Al-Mg-Si、Al-Cu-Zn5.5有色金属⑵铝合金的强化方式

1．组织强化（1）冷变形强化（加工硬化）：单相铝合金（不可热处理强化铝合金）（2）变质处理（细化晶粒强化）：铸造铝合金

2．固溶时效强化

Al-Si、Al-Mg、Al-Mn、Al-Cu等。未变质变质后5.5有色金属⑶铝合金的热处理强化工艺——固溶时效强化

二步：固溶处理→时效处理（自然时效、人工时效）