机械工程材料-第7章

7.1概述7.1.1合金钢的分类1.按合金元素在钢中总的质量分数分类(1)低合金钢:合金元素总含量ω(Me)≤65%;(2)中合金钢:合金元素总含量ω(Me)=5%~10%;(3)高合金钢:合金元素总含量ω(Me)>10%。2.按供应状态的显微组织分类一般钢的供应状态有退火态和正火态两种。按正火态组织，合金钢可分为珠光体钢、马氏体钢、铁素体钢、奥氏体钢及莱氏体钢，也不排除出现过渡型混合组织的可能;按退火态组织，可分为亚共析钢、共析钢和过共析钢。下一页返回7.1概述

3.按冶金质量分类按冶金质量，即钢中S,P的含量来划分，可分为普通钢、优质钢、高级优质钢、特级优质钢。4.按主要用途分类①合金结构钢:用来制作重要的机器零件和工程结构，包括低合金高强度钢、渗碳钢、调质钢、弹簧钢、轴承钢和易切削钢等。②合金工具钢:用于制造各种工模具，包括刃具钢(低合金工具钢、高速钢)、模具钢(冷、热模具钢和塑料模具用钢)和量具钢等。③特殊性能钢:主要用于有特殊物理、化学性能要求的零件，包括不锈钢、耐热钢和耐磨钢等。上一页下一页返回7.1概述7.1.2合金钢的牌号我国合金钢的牌号，是以碳的质量分数及所含合金元素的种类和数量来表示的。从牌号上可以直接看出钢的化学成分、钢种及用途，选择和使用时比较方便。1.低合金高强度钢的牌号表示方法根据国标规定，低合金高强度钢的牌号是用Q+数字表示。Q为“屈”字的汉语拼音首字母，代表屈服强度;数字表示屈服强度值，分为六个强度等级;在强度等级系列中，又有A,B,C,D,E五个质量等级。对专业用低合金高强度结构钢，仍沿用旧钢号加后缀。上一页下一页返回7.1概述

2.合金结构钢的牌号表示方法合金结构钢的牌号用两位数字+化学元素符号+数字的方法表示。前面的两位数字表示碳的质量分数平均值，以万分之一为单位。合金元素用化学符号表示，其后的数字表示合金元素的质量分数平均值。当合金元素的质量分数小于1.5%时，牌号中只标明元素而不标明质量分数，如果平均质量分数大于1.5%,2.5%,3.5%，…，相应地以2,3,4，…表示。另外，对有些合金结构钢，在钢号前冠以代表该钢种用途的符号。3.合金工具钢的牌号表示方法上一页下一页返回7.1概述对合金工具钢的牌号规定ω(C)≥1.0%时，不标出数字ω(C)<1.0%时，以千分之一为单位，用一位数字表示碳的平均质量分数。但高速钢ω(C)<1.0%时也不标出。合金元素的表示方法与合金结构钢的相同。4.特殊性能钢的牌号表示方法特殊性能钢的牌号表示方法基本上与合金工具钢的相同。另外，不锈钢和耐热钢的含碳量的表示方法为:当平均含碳量,1.0%时，用两位数字表示，如11Cr17(平均含碳量为1.10%;当0.1%,平均含碳量<1.00%时，用一位数字表示，如2Cr13(平均含碳量为0.20%;上一页下一页返回7.1概述当含碳量上限小于0.1%时，以0表示，如0Cr18Ni9(平均含碳量上限为0.08%;当0.0%<含碳量上限毛0.03%时，以03表示(超低碳)，如03Cr19Ni10(平均含碳量上限为0.03%;当含碳量上限毛0.01%时，以01表示(极低碳)，如01Cr19Ni11(平均含碳量上限为0.01%)。上一页返回7.2合金元素在钢中的作用7.2.1合金元素对钢中基本相的影响在退火、正火或调质状态，碳钢中的基本相是铁素体和渗碳体。向钢中加入少量合金元素，将对这两个基本相的成分、结构和性能产生影响。1.形成合金铁素体通常，与碳的亲和力很弱或不形成碳化物的元素，如Ni,Si,Al,Co等，主要固溶于铁素体中。合金元素溶入铁素体后，由于与铁原子的半径及晶格类型有差异，必然引起晶格畸变，产生固溶强化，使钢的强度提高。合金元素的原子半径及晶格类型与铁原子相差越大，强化作用就越大。下一页返回7.2合金元素在钢中的作用图7-1所示为几种合金元素对铁素体硬度和韧性的影响。

2.形成碳化物(1)形成合金渗碳体Mn,Cr,Mo,W等元素和碳的亲和力比铁的强，它们可以部分固溶于渗碳体，置换铁原子而形成合金渗碳体，如(Fe,Mn)3C,(Fe,Cr)3C等，使渗碳体的硬度和稳定性提高。合金元素溶于渗碳体，增加了渗碳体的稳定性，且这种稳定性较高的合金渗碳体较难溶于奥氏体，较难聚集长大，可提高钢的强度、硬度和耐磨性。

(2)形成特殊碳化物Zr,Ti,Nb,V等属于强碳化物形成元素，它们会与碳形成特殊碳化物，如ZrC,TiC,NbC,VC等。上一页下一页返回7.2合金元素在钢中的作用因其稳定性很高，具有高的熔点和硬度，是各种工、模具钢的主要的强化相。7.2.2合金元素对Fe-Fe3C相图的影响1.对奥氏体相区的影响合金元素对Fe-Fe3C相图的影响如图7-2所示。按照对奥氏体相区的不同作用，合金元素可以分为两种。①扩大奥氏体相区的元素:如Ni,Co,Mn,N等，这些元素使A1、A3点下降，A4点上升。当钢中这些元素的含量足够高(如Mn含量大于13%或Ni含量大于9%)时，A3点降到零度以下，从而使钢在室温下具有单相奥氏体组织，称为奥氏体钢。上一页下一页返回7.2合金元素在钢中的作用②缩小奥氏体相区的元素:如Cr,Mo,Si,Ti,W,Al等，这些元素使A1、A3点上升，A4点下降。当钢中这些元素的含量足够高(如Cr含量大于13%)时，奥氏体相区消失，室温下钢具有单相铁素体组织，称为铁素体钢。2.对S点和E点位置的影响另外，从图7-2也可以看出，凡是扩大奥氏体区的合金元素，均使铁碳相图中的E点和S点向左下方移动;凡是缩小奥氏体区的合金元素，均使铁碳相图中的E点和S点向左上方移动，即降低共析点的含碳量及碳在奥氏体中的最大溶解度，故使相同含碳量的碳钢和合金钢具有不同的显微组织。上一页下一页返回7.2合金元素在钢中的作用7.2.3合金元素对钢的热处理的影响1.合金元素对钢加热时转变的影响合金元素的影响主要表现在两个方面。一是影响了奥氏体形成速度。大多数合金元素(除Co和Ni之外)阻碍碳的扩散，加上合金碳化物较稳定，不易溶入奥氏体，因此，在不同程度上减缓了奥氏体的形成速度。所以，要获得成分均匀的奥氏体，充分发挥合金元素的有益作用，应使合金钢的加热温度比碳钢的高，保温时间比碳钢的长。二是影响了奥氏体晶粒的大小。碳化物形成元素，如Ti,V,Nb,Zr等，容易与碳形成高熔点、高稳定性的化合物，这些碳化物都以弥散质点的形式分布在奥氏体晶界上，阻碍奥氏体晶粒的长大，在合金钢中起细化晶粒的作用。上一页下一页返回7.2合金元素在钢中的作用非碳化物形成元素，如Cu,Si,Ni,Co等，阻碍奥氏体晶粒长大的作用较弱;Mn溶入奥氏体后有促进晶粒长大的作用。所以，除锰钢外，合金钢在加热时不易过热。这样有利于淬火后获得细马氏体;有利于适当提高加热温度，使奥氏体成分更均匀，增加淬透性;同时，也可以减少淬火时的变形与开裂。

2.合金元素对过冷奥氏体转变的影响除Co以外的大多数合金元素都增加过冷奥氏体的稳定性，使C曲线右移，临界冷却速度降低，提高了钢的淬透性，如图7-3所示。这样，可采用较小的冷却速度，甚至在空气中冷却就能得到马氏体，从而避免了由于冷却速度过大而引起的变形和开裂;上一页下一页返回7.2合金元素在钢中的作用另外，中强和强碳化物形成元素Mn,Cr,Mo,W等，不仅使C曲线右移，还改变其形状，将C曲线分为珠光体转变和贝氏体转变两个C曲线。这样可使某些钢，如28CrMoNiVB，空冷便可得到具有较好综合机械性能的贝氏体组织，而无须采用等温淬火工艺，从而降低了生产成本。特别注意的是，多种元素同时加入提高钢的淬透性的效果远远好于各元素单独加入时的效果，故目前淬透性好的钢，多采用“多元少量”的合金化原则，如Cr-Ni,Cr-Mn,Cr-Si等多组元合金钢。同时，除Co,Al外，所有溶于奥氏体的合金元素都使Ms、Mf点下降，使淬火后的残余奥氏体的数量增加，如图7-4所示。一些高合金钢在淬火后残余奥氏体量可高达30%-40%，这对钢的性能会产生不利的影响，可通过淬火后的冷处理和回火处理来减少残余奥氏体数量。上一页下一页返回7.2合金元素在钢中的作用

3.合金元素对淬火钢回火转变过程的影响淬火合金钢进行回火时，其组织转变与碳钢的相似，但合金元素的加入使其在回火转变时具有如下特点:(1)提高回火稳定性淬火钢回火时，抵抗强度、硬度下降的能力称为回火稳定性。(2)产生二次硬化现象由于合金元素阻碍碳的扩散，阻碍马氏体及残余奥氏体的分解以及碳化物的析出、聚集长大，故合金钢中的碳化物在较高的回火温度时，仍能保持为均匀弥散分布的细小碳化物颗粒。上一页下一页返回7.2合金元素在钢中的作用此外，当钢中Cr,W,Mo,V等元素超过一定含量时，在400℃以上还会形成弥散分布的特殊碳化物，如Mo2C,W2C,VC,TiC等，使钢的硬度重新升高，直到500℃~600℃，硬度达最高值，这种现象称为二次硬化。图7-5表明，含Mo量大于2%时，钢会产生二次硬化现象。高速钢在高速切削时保持硬度不下降，就是利用了这个原理。

(3)消除回火脆性含Cr,Mn或Cr-Ni,Cr-Si的合金钢出现的第二类回火脆性会使钢在室温下的冲击韧性降低，因此，必须设法防止或避免。可通过回火时快冷来消除，如果脆性已经发生，只要再加热到原来的回火温度重新回火并快冷，就可完全消除。上一页下一页返回7.2合金元素在钢中的作用另外，加入合金元素Mo和W可有效地防止第二类回火脆性的发生。7.2.4合金元素对钢使用性能的影响1.使钢得到强化合金元素加入钢后，或形成合金铁素体，引起晶格畸变;或形成合金渗碳体和特殊碳化物，以细小质点分布在钢中;或细化奥氏体晶粒及马氏体针条，这些都会阻碍位错运动，使塑性变形难以进行，从而使钢的强度、硬度增加。以上分别为固溶强化、第二相强化和细晶强化现象。2.使钢具有某些特殊性能上一页下一页返回7.2合金元素在钢中的作用合金元素使钢具有某些特殊的性能，如加入Cr、Si、Al等元素，高温下可在钢的表面形成致密的高熔点的氧化膜，防止钢件继续氧化;加入W,Mo,v等元素，可提高钢的高温强度，使钢具有耐热性。总之，不同合金元素在钢中的作用不同。一种合金元素，其含量不同，对钢的组织和性能影响也不同，因此就形成了不同类型的合金钢。上一页返回7.3合金结构钢7.3.1低合金高强度钢低合金高强度钢是在普通碳素结构钢(w(C)≤0.2%)的基础上加入少量合金元素(w(Me),3%)而得到的，是为了满足大型工程结构减轻结构重量、提高可靠性及节约材料的需要而发展起来的。它最初用于制造桥梁、车辆和船舶等，随着生产的发展，其使用范围已扩大到锅炉、压力容器、油管、大型钢结构以及汽车、拖拉机、挖土机械等。1.性能特点①强度高于碳素结构钢。屈服强度一般在300MPa以上，比相同含碳量的碳素钢高25%~150%，可降低结构自重，节约钢材。②具有足够的塑性、韧性及良好的焊接性能。焊接时不易在焊缝处出现淬火组织或裂纹;变形抗力小，压力加工后不易产生裂纹。下一页返回7.3合金结构钢③具有良好的耐蚀性及低的冷脆转变温度。

2.化学成分(1)低碳w(C)≤0.2%，保证钢材具有良好的塑性、韧性、焊接性能及冷加工性能。(2)合金元素①Mn。Mn是钢中主加合金元素，一般加入量为0.8%~1.7%。Mn资源丰富，固溶强化铁素体作用明显。Mn还能降低钢的冷脆转变温度，使组织中的珠光体相对量增加，从而进一步提高强度。但Mn含量过高，会显著降低钢的塑性和韧性，影响焊接性能。

上一页下一页返回7.3合金结构钢②V,Ti,Nb。向钢中加入少量的V,Ti,Nb等元素，在钢中形成微细碳化物VC,TiC,NbC，可阻止奥氏体晶粒长大，起到细化晶粒和弥散强化的作用，从而提高钢的屈服极限、强度极限以及低温冲击韧性。③Cu,PoCu和P加入后，可在钢表面形成致密的氧化物薄膜，从而提高钢对大气腐蚀的抗力。Cu和P同时加入效果更好。一般的加入量为Cu0.1%~0.55%，P0.06%~0.15%。④稀土元素Re。加入稀土元素Re，可消除部分有害杂质，提高韧性、疲劳极限，降低冷脆转变温度。

3.热处理特点这类钢通常是在热轧或正火状态下使用，室温组织是铁素体和索氏体。上一页下一页返回7.3合金结构钢考虑到零件的加工特点，有时也可在正火及正火加回火状态下使用。对于厚度超过20mm的钢板，为使组织和性能稳定，最好进行正火处理。此类钢在进行焊接工序后，不再进行热处理。

4.典型牌号和用途常用的低合金高强度钢按屈服强度的高低可分为6个级别，即300MPa,350MPa,400MPa、450MPa、500MPa、550~650Mpa。①350MPa级:典型牌号Q345(16Mn)，它是发展最早、使用最多、产量最大的一类低合金高强度结构钢。与300MPa级的Q295(12Mn)钢相比，由于C和Mn含量均稍有增加，故其强度指标得到了提高。在这类钢中，还有16Mn钢的派生钢种，如16MnRe,16MnCn等，多用于制造船舶、车辆、桥梁等大型钢结构。上一页下一页返回7.3合金结构钢②400MPa级:典型牌号有Q390(15MnV)、Q390(15MnTi)等，其含碳量与Q34s相当，但由于加入钒、铌,钛等元素，屈服强度提高。主要用于大型结构、中压容器等。③450MPa级:典型牌号有Q420(15MnVN),Q420(14MnVTiRe)等，由于钒、氮、钦等元素起细化晶粒和弥散强化作用，稀土又起净化晶界的作用，故塑、韧性提高，强化效果比Q39o(15MnV),Q39o(15MnTi)钢还好。

④500MPa级:典型牌号有Q460(18MnMoNb)、Q420(14MnMoVBRe)等，在正火后得到贝氏体组织，广泛用于石油化工、中温高压容器等。Q460(18MnMoNb)钢用于制造氨合成塔和尿素合成塔的承压壳体。上一页下一页返回7.3合金结构钢对于Q420(14CrMnMoVB)钢，正火后可得到贝氏体组织，然后再高温回火，以稳定组织，消除内应力，提高塑性和韧性。这种钢适于制造400℃~500℃的锅炉、高压容器等。外形奇特、结构新颖的“鸟巢”场馆就是用Q460钢建设的，这是首次在国内建筑上使用此种规格的钢材，且钢材的厚度达到110mm。在国家标准中，Q460钢的最大厚度也只有100mm，还是从国外进口的。经过科技攻关和自主创新，具有知识产权的国产Q460钢材，撑起了“鸟巢”的钢筋铁骨。常用低合金高强度结构钢的牌号、成分、性能及用途见表7-1.上一页下一页返回7.3合金结构钢7.3.2调质钢调质钢通常是指经过调质处理(淬火和高温回火)后使用的碳素结构钢和合金结构钢。调质钢主要用于制造受力复杂、要求综合力学性能好的各种重要零件，如机床主轴、汽车后轿半轴、发动机连杆螺栓、齿轮等。1.性能特点①具有良好的综合机械性能，即具有高的强度、硬度和良好的塑性、韧性。②具有良好的淬透性。上一页下一页返回7.3合金结构钢2.化学成分(1)中碳调质钢含碳量为0.25%~

0.50%，以保证调质后具有良好的综合力学性能。含碳量过低，不易淬硬，达不到所需要的强度;含碳量过高，则韧性不够。通常使用的碳素调质钢的含碳量接近上述含碳量的上限，而因为合金元素的强化作用，合金调质钢的含碳量比较接近下限。

(2)合金元素提高淬透性的主加元素有Cr,Ni,Mn,Si,B，它们可以增加淬透性，并使淬火和高温回火后的回火索氏体组织得到强化。实际上，这些元素大多溶于铁素体，使铁素体得到强化。上一页下一页返回7.3合金结构钢调质钢中这类元素的含量都能保证使铁素体得到强化而又不明显降低其韧性，有的甚至还能同时提高其韧性。微量B能强烈地使等温转变C曲线右移，从而显著地提高合金调质钢的淬透性。细化晶粒和防止第二类回火脆性的辅加元素有Mo,V,Al。其中，Mo可以防止合金调质钢在回火时发生第二类回火脆性现象。V阻碍高温奥氏体晶粒长大，可细化晶粒。Al能加速合金调质钢的氮化过程。几乎所有合金元素都能提高调质钢的回火稳定性。3.热处理特点一般调质钢的工艺流程为:下料→锻造→正火(或退火)→粗加工→调质→精加工。上一页下一页返回7.3合金结构钢(1)预备热处理调质钢的预备热处理采用正火(或退火)。中碳低合金调质钢的预备热处理可以采用完全退火或正火工艺。但中、高合金调质钢不能用正火代替完全退火，这是因为，对于合金元素含量高的调质钢，如40CrNiMo钢，空冷后便可得到马氏体，硬度高，不利于切削加工，需在空冷后再进行高温回火，得到回火索氏体组织，使硬度下降。

(2)最终热处理调质钢的最终热处理为淬火加高温回火(调质)，得到回火索氏体组织。为防止第二类回火脆性，回火后采用快冷(水冷或油冷)的方法。上一页下一页返回7.3合金结构钢当调质钢还有高耐磨性和高耐疲劳性的要求时，可在调质后进行表面淬火和低温回火或氮化处理，在保证表面高硬度和高耐磨性的同时，心部仍保持着综合机械性能高的回火索氏体组织。4.典型牌号和用途合金调质钢的种类很多，常用钢种的牌号、化学成分、热处理、性能及用途见表7-2.按淬透性的高低，合金调质钢可分为三类。①低淬透性合金调质钢:典型牌号有40Cr,40MnB,35SiMn等。这类钢的油淬临界直径为30~40mm，主要用于制造在中等载荷、中等速度条件下工作的零件，如汽车的转向节，机床的齿轮、轴、螺栓等零件。应用最广泛的是40Cr。上一页下一页返回7.3合金结构钢②中淬透性合金调质钢:典型牌号有40CrMn,40CrNi,40CrMnTi,35CrMo等。这类钢的油淬临界直径为40~60mm，主要用于制造截面较大、承受重载荷的零件，如大型电动机轴、汽车发电机轴、大截面齿轮等。③高淬透性合金调质钢:典型牌号有40CrMnMo,30CrNi3,45CrNiMoV等。这类钢的油淬临界直径为60~100mm，主要用于制造大截面、承受冲击载荷的零件，如汽轮机主轴、叶轮、航空发动机轴、高强度连接螺栓等。5.调质钢的替代用钢(1)低碳马氏体钢上一页下一页返回7.3合金结构钢近年来，人们发展了利用低碳钢和低碳合金钢，经淬火和低温回火处理，得到强度和韧性配合较好的低碳马氏体钢来代替中碳调质钢的方法，在石油、矿山、汽车工业上得到广泛应用，收效很大。

(2)中碳微合金非调质钢它是在中碳碳素钢成分的基础上添加微量合金元素(如V,Ti,Nb等)，故称微合金非调质钢。显著特点是，通过控制轧制和锻造工艺而不需要进行调质处理，在空冷条件下，可使钢获得较高的综合机械性能。目前，我国已研制、开发和生产出较为成熟的非调质钢，由于其具有简化工艺、节省能源和降低成本的特点，已广泛应用于汽车、机床和农用机械。上一页下一页返回7.3合金结构钢例如，某车辆厂选用42CrMo钢制造汽缸螺栓，要求具有足够的强度、冲击韧性和抗疲劳能力。为满足上述综合力学性能的要求，其调质工艺如图7-6所示。汽缸螺栓的生产工艺流程为:下料→锻造→退火→粗加工→调质→精加工。7.3.3渗碳钢渗碳钢是经渗碳处理的钢种，包括低碳钢和低碳合金钢，主要用于制造要求具有高耐磨性、承受高接触应力和冲击载荷的重要零件，如汽车、拖拉机的变速齿轮，内燃机上凸轮轴、活塞销等。由于低碳钢的淬透性低，只适于制造尺寸较小或心部强度要求不高的零件，一些大截面或性能要求较高的零件均采用合金渗碳钢。上一页下一页返回7.3合金结构钢1.性能特点①表面具有高的硬度和耐磨性，心部具有足够的韧性和强度，即表硬里韧，保证零件具有高的接触疲劳强度，防止过早地磨损和失效。②具有良好的热处理工艺性能，如高的淬透性和渗碳能力，在高的渗碳温度下，奥氏体晶粒长大倾向小，便于渗碳后直接淬火。2.化学成分

(1)低碳含碳量一般为0.1%~0.25%，以保证心部有足够的塑性和韧性，含碳量过低，表面的渗碳层易剥落;含碳量高，则心部韧性下降。

(2)合金元素

上一页下一页返回7.3合金结构钢主加元素为Cr,Ni,Mn,B等，主要作用是提高钢的淬透性，改善渗碳零件心部的组织与性能，还能提高渗碳层的强度与韧性，尤其是Ni的效果最好;辅加元素为V,W,Mo,Ti等强碳化物形成元素，可以防止钢在高温(930℃~950℃)渗碳时晶粒长大，细化奥氏体晶粒，简化后续的热处理工序，同时还能提高渗碳层的耐磨性。

3.热处理特点普通渗碳钢的一般工艺流程为:下料→锻造→正火→机加工→渗碳→淬火→低温回火→磨削。高合金渗碳钢的一般工艺流程为:下料→锻造→正火→高温回火→机加工→渗碳→淬火→冷处理→低温回火→磨削。

(1)预备热处理上一页下一页返回7.3合金结构钢渗碳钢的预备热处理采用正火，由于渗碳钢的含碳量较低，采用正火处理可改善切削加工性能，处理后的硬度值在170~210HB范围内。对于合金元素含量较高的渗碳钢，如18Cr2NiA,20Cr2Ni4WA等钢种，空冷后便得到马氏体组织，需在空冷后再进行650℃~680℃的高温回火作为预备热处理，得到回火索氏体组织。

(2)最终热处理渗碳钢的最终热处理是在渗碳后进行淬火加低温回火。渗碳温度为900℃~950℃，渗碳后的淬火有直接淬火、预冷直接淬火、一次淬火、二次淬火。采用的淬火方法视钢种的合金元素含量和性能要求而定，多数合金渗碳钢都采用渗碳后直接淬火再低温回火的方法。上一页下一页返回7.3合金结构钢对于性能要求较高和晶粒易长大的渗碳零件，在渗碳后应进行一次淬火或二次淬火再低温回火。淬火温度一般在式，以上30℃~50℃。使用状态下的组织为:表面是高碳回火马氏体和颗粒状碳化物以及少量残余奥氏体，硬度为58~62HRC。心部组织与淬透性有关，若完全淬透，则组织是低碳回火马氏体，硬度40~48HRC;若未完全淬透，则组织为屈氏体和少量马氏体及铁素体，硬度为25~40HRC。4.典型牌号和用途常用合金渗碳钢的牌号、化学成分、热处理、性能及用途见表7-3。根据淬透性的不同，合金渗碳钢可分为以下三类。上一页下一页返回7.3合金结构钢①低淬透性合金渗碳钢(σb=800~1000MPa):典型牌号有20Cr,20MnV,20CrMo等，其淬透性和心部强度均较低，水淬临界直径不超过20~35mm。只适合制造受冲击载荷较小的耐磨件，如小轴、小齿轮、活塞销等。②中淬透性合金渗碳钢(σ=1000~1200MPa):典型牌号有20CrMn,20CrMnTi等，淬透性较高，油淬临界直径为25~60mm。机械性能和工艺性能良好，广泛用于制造承受高速中载、抗冲击和耐磨损的零件，如汽车、拖拉机的变速齿轮、离合器轴等。应用最多的是20CrMnTi钢。③高淬透性合金渗碳钢(σ>1200Mpa):典型牌号有20Cr2Ni4,18Cr2Ni4WA,20Cr2Ni4A等，油淬临界直径大于100mml。上一页下一页返回7.3合金结构钢这类钢由于合金元素含量多，故在渗碳空冷后进行高温回火，得到回火索氏体组织，使钢具有良好的韧性，再进行淬火和低温回火，使表层组织为回火马氏体、碳化物和少量残余奥氏体。主要用于制造大截面、高载荷的重要耐磨件，如内燃机的主动牵引齿轮，精密机床上控制进刀的蜗轮，飞机、坦克的曲轴和齿轮等。例如，CA-10B载重汽车变速器中间轴的三挡齿轮，技术要求为:齿轮表面硬度为5860HRC，心部硬度为30~35HRC，渗碳层深度为1.2~1.6mm。齿轮材料为20CrMnTi，其加工工艺流程为:下料→锻造→正火→加工齿形→局部镀铜→渗碳→淬火和低温回火→喷丸→研磨→装配。其热处理工艺曲线如图7-7所示。上一页下一页返回7.3合金结构钢7.3.4氮化钢氮化钢是专门供氮化用的钢种，其中，常用的合金元素为Cr,Mo,Al等，它们与氮易形成稳定性高的细小合金氮化物(CrN,MoN,AlN等)，保证零件表面具有高硬度(1100~1200HC，相当于70HRC)，从而提高耐磨性。此外，Cr还可提高钢的淬透性，Mo可抑制第二类回火脆性。生产中广泛应用的氮化钢是38CrMoAIA。氮化前，先进行调质处理，然后进行氮化。氮化钢具有比渗碳钢更高的表面硬度和耐磨性。由于氮化温度较低(470℃~570℃),故热处理变形小，适合制造尺寸精度要求较高的零件，如压缩机的活塞杆、精密锁床主轴、高速柴油机汽缸套、机床丝杠等。上一页下一页返回7.3合金结构钢7.3.5弹簧钢这是一种专用结构钢，主要用于制造各种弹簧或类似性能结构件。弹簧是现代各种机械和仪表中不可缺少的重要零件。1.性能特点弹簧是利用弹性变形来储存能量或缓和振动和冲击的零件。例如用于汽车、拖拉机和机车上的板簧，它们除了承受车厢和载物的巨大重量外，还要承受由地面不平引起的冲击载荷和振动，使汽车、火车等平稳运转。此外，弹簧还可储存能量，使机件完成规定的动作，如仪表弹簧、钟表中的发条等。因此，要求弹簧具有以下性能:上一页下一页返回7.3合金结构钢①具有高的弹性极限σs，尤其是高的屈强比σs/σb，以保证可以承受大的弹性变形和较高的载荷。②具有高的疲劳强度，以承受交变载荷的作用。③具有足够的塑性和韧性，以满足成形的需要，可承受规定的冲击载荷。在高温和腐蚀条件下工作的弹簧，还应具有良好的耐热性和抗蚀性。2.化学成分(1)中高碳为了获得要求的性能，碳素弹簧钢的含碳量为0.6%~0.9%，合金弹簧钢的含碳量为0.45%~0.7%，以保证弹簧具有高的弹性极限和疲劳强度。上一页下一页返回7.3合金结构钢

(2)合金元素主加元素是Si,Mn，其主要作用是提高淬透性、强化铁素体、提高回火稳定性，Si还是提高屈强比的主要元素。辅加元素为Cr,V,W等，其主要作用是细化晶粒，防止由Mn引起的过热倾向及由5i引起的脱碳倾向。3.弹簧的成形和热处理特点弹簧根据其成形工艺可分为冷成形弹簧和热成形弹簧两类。

(1)冷成形弹簧及其热处理钢丝直径小于10mm的弹簧(如丝径为8~10mm的螺旋弹簧或钢带)通过冷拔(或冷拉)、冷卷成形。上一页下一页返回7.3合金结构钢冷卷后的弹簧不必进行淬火处理，只需进行一次内应力消除以稳定尺寸并提高弹性极限，即加热到250℃~300℃，保温一段时间，从炉内取出空冷即可使用，从而消除冷加工金属丝和冷卷弹簧时产生的内应力，可显著提高弹簧的疲劳寿命，稳定弹簧尺寸，强度极限可达到600MPa以上，而且表面质量很好。

(2)热成形弹簧及其热处理对于中大型弹簧，一般采用热卷成形。基本工艺过程为:下料→加热卷簧成形→最终热处理→喷丸强化→端面加工。热成形弹簧是把弹簧钢加热到950℃~980℃，然后再进行卷簧。卷簧后立即进行淬火和中温回火(350℃~500℃)处理，得到回火屈氏体组织，其硬度可达40~45HRC，从而在得到高的屈服强度的条件下又具有足够的韧性。上一页下一页返回7.3合金结构钢弹簧的表面质量对使用寿命影响很大，若弹簧表面有缺陷，就容易造成应力集中，降低疲劳强度，故常采用喷丸强化表面，使表面产生压应力，消除或减轻弹簧的表面缺陷，提高弹簧钢的屈服强度、疲劳强度。4.典型牌号和用途常用弹簧钢的牌号、化学成分、性能及用途见表7-4。①Si,Mn弹簧钢:典型钢种有65Mn,60Si2Mn。这类钢价格较低，性能高于碳素弹簧钢，是应用最广泛的弹簧钢。其油淬淬透直径为25~30mm，弹性极限高达1200MPa,屈强比为0.9,疲劳极限高，工作温度在230℃以下。主要用于制造较大截面的弹簧，如汽车、拖拉机的板簧、螺旋弹簧等，也可制造在250℃以下工作的耐热弹簧。上一页下一页返回7.3合金结构钢②Cr,V弹簧钢:典型钢种有50CrVA。这类钢淬透性高，油淬淬透直径为25~30mm,工作温度在300℃以下。此类钢有很高的弹性极限和强度，同时又有很高的韧性。因此，适用于制造大截面、大载荷、耐热的弹簧，如阀门弹簧、高速柴油机的气门弹簧等。③Si,Cr弹簧钢:典型钢种有60Si2CrA。它的淬透性与50CrVA钢相当，过热敏感性小，主要用于制造承受高应力的弹簧和耐热低于300℃~500℃的受冲击载荷弹簧。7.3.6滚动轴承钢滚动轴承钢是用于制造滚动轴承的滚动体(滚珠、滚柱、滚针)和内外套圈的专用钢种。上一页下一页返回7.3合金结构钢除了制作滚动轴承外，目前还广泛用于制造形状复杂的各类工、模具和要求耐磨的零件。1.性能要求轴承零件的工作条件非常复杂和苛刻，滚动体和轴承套之间为点或线接触，接触面积极小，接触应力高达3000~5000MPa。同时，轴承在高速运转时，不仅有滚动摩擦，还有滑动摩擦;在工作时，轴承还承受着周期性交变载荷引起的接触疲劳，频率达每分钟数万次，容易造成接触疲劳破坏，如产生麻点剥落等。因此，对其性能的要求也非常严格，主要有以下几个方面:①高强度、硬度与耐磨性，一般硬度应为61~65HRC。上一页下一页返回7.3合金结构钢②高的接触疲劳强度和弹性极限。③足够的韧性、淬透性和耐蚀性。④良好的尺寸稳定性。

2.化学成分

(1)高碳含碳量一般为0.95%~1.10%，保证马氏体的高硬度并形成一部分高硬度的碳化物，提高硬度和耐磨性。

(2)合金元素主加元素是Cr，其含量为0.5%~1.65%，主要作用是提高淬透性，在钢中形成合金渗碳体，阻碍奥氏体晶粒长大，使钢在淬火后得到细针状马氏体，增加钢的韧性;上一页下一页返回7.3合金结构钢同时保留一部分合金渗碳体，有利于提高钢的接触疲劳强度及耐磨性。Cr还有提高回火稳定性和耐蚀性的作用。但当含铬量高于1.65%时，残余奥氏体量增加会使钢的硬度和稳定性下降。辅加元素Si,Mn,Mo会进一步提高淬透性和强度，便于制造大型轴承。其中Si还能提高回火稳定性。向钢中加入V形成VC，以保证耐磨性，细化钢基体晶粒。

(3)高的冶金质量要严格控制滚动轴承钢中的有害杂质元素硫、磷的含量，均要求小于0.025%。这是因为，硫、磷能形成非金属夹杂物，容易引起应力集中，产生裂纹，从而缩短接触疲劳寿命。上一页下一页返回7.3合金结构钢通过采用真空精炼等新技术降低夹杂物数量，控制夹杂物尺寸、形态和分布，减轻其对滚动轴承钢的危害。因此，滚动轴承钢是一种高级优质钢。3.热处理特点普通轴承的一般工艺流程为:轧制或锻造→预备热处理(正火、球化退火)→切削加工→淬火→低温回火→磨削→成品。精密轴承的一般工艺流程为:轧制或锻造→预备热处理(正火、球化退火)→切削加工→淬火→冷处理→低温回火→时效处理→磨削→时效处理→成品。

(1)预备热处理上一页下一页返回7.3合金结构钢滚动轴承钢的预备热处理一般采用球化退火，若锻后钢组织中出现网状碳化物，则在球化退火之前进行一次正火处理来消除网状碳化物。

(2)最终热处理滚动轴承钢的最终热处理是淬火和低温回火。淬火加热温度为Ac1，~Accm，以保证淬火组织为回火马氏体、颗粒状碳化物及少量残余奥氏体。淬火后应立即进行低温回火(150℃~160℃)，以消除应力，提高韧性，稳定组织及尺寸。回火后组织为回火马氏体、颗粒状碳化物及少量残余奥氏体，回火后硬度为61~65HRC。对于精密轴承，必须保证存放和使用过程中尺寸不发生变化，而尺寸变化的原因是存在未完全消除的内应力和残余奥氏体，在长期使用中发生应力松弛和组织转变。上一页下一页返回7.3合金结构钢4.典型牌号和用途各类轴承钢的牌号、化学成分、热处理、性能及用途见表7-5。①高碳铬轴承钢:典型牌号有GCr15,GCr4,GCr15SiMn,GCr15SiMo等。这类钢具有良好的使用性能和工艺性能，且价格低廉，是制造套圈和滚动体的首选钢种。②渗碳轴承钢:典型牌号有G20CrMo,G20CrNiMo,G20Cr2Mn2Mo等。经渗碳淬火和低温回火后，得到表硬里韧的性能，主要用于制造工作温度低于1000C、在极高的接触应力下工作、频繁经受冲击和磨损的大型轧机、发电机及矿山机械中的大型(外径大于450mm)轴承。上一页下一页返回7.3合金结构钢③不锈轴承钢:典型牌号有9CT1g,9CT1gM0等。它是为适应现代化学、石油、造船等工业发展而研制的，在各种腐蚀环境中工作的轴承用钢，具有高的耐蚀性能，工作温度可达250℃~350℃;还可制造某些仪器、仪表上的微型轴承。④高温轴承钢:典型牌号有Cr4Mo4V,Cr14Mo4V等。普通轴承钢的工作温度超过250℃时，其会因硬度急剧下降而失效。而高温轴承钢用来制造航空发动机、航天飞行器、燃气轮机等装置中的轴承，通常在高温(300℃以上)、高速和高负荷条件下工作，要求具有足够高的高温硬度、高温耐磨性、高温接触疲劳强度、高温抗氧化性、高温抗冲击性和高温尺寸稳定性等。上一页下一页返回7.3合金结构钢Cr4Mo4V钢主要用于制造航空发动机，可以在315℃条件下长期工作(此时高温硬度大于57HRC)，短时可达到4300C(高温硬度大于54HRC)。Cr14Mo4V钢属于高铬马氏体不锈钢，高温硬度较高、耐蚀性良好，适于制造承受中、低负荷，在300℃下长期工作的轴承。例如，用GCr15钢制造精密微型轴承，要求硬度≥62HRC，热处理工艺曲线如图7-8所示。7.3.7易切削钢随着现代化工业向自动化、高速化和精密化方向发展，要求钢材具有良好的切削加工性以满足大批量生产的要求。向钢中加入一种或几种合金元素，形成切削加工性能优良的钢，称为易切削钢。它也属于专用钢。上一页下一页返回7.3合金结构钢易切削钢中常加入的合金元素有S,Pb,P及微量的Ca等。①S在钢中与Mn形成MnS，以夹杂物微粒的形式分布在钢中，沿轧制方向形成纤维组织，中断基体的连续性，使钢易于断屑。此外，MnS的硬度及摩擦系数低，减少刀具磨损。但S含量过高易使钢产生热脆，因此，S的含量应控制在0.08%~0.30%。②Pb在常温下不溶于固溶体，呈细小颗粒状，均匀分布在钢中。当切削时产生的热量在Pb的熔点(327℃)以上时，Pb即呈熔化状态，产生润滑作用，使摩擦系数降低，提高刀具寿命。同时，Pb颗粒也可中断基体的连续性，有利于断屑。Pb的含量为0.10%~0.35%。上一页下一页返回7.3合金结构钢③Ca在钢中能形成高熔点的复合氧化物附在刀具上，形成具有减摩作用的薄保护膜，防止刀具磨损。Ca的加入量为0.001%~0.005%。④P在钢中能固溶于铁素体，起固溶强化作用，也使切屑易断，并能提高零件的表面粗糙度。但P能引起钢的冷脆，其含量应控制在0.05%~0.10%。易切削钢一般不进行锻造、淬火、回火等处理，以免损害其易切削加工性，而是通过冷徽、冷轧等压力加工和切削加工制成零件。易切削钢的成本高，只有大批量生产时才能获得较好的经济效益。主要用于制造受力较小、尺寸精度高、表面粗糙度低的仪器、仪表中的零件、标准件及普通机床丝杠等。常用的易切削钢有Y12,Y15,Y40Mn等。上一页下一页返回7.3合金结构钢7.3.8铸造合金钢由于铸造碳钢的淬透性低，某些物理化学性能满足不了工程的需要，且铸造碳钢的铸造性能差，形成缩孔、缩松和热裂的倾向较大。向碳素铸钢中加入某些合金元素，如Mn,Si,Cr,Ni,Mo,Cu等，以改善钢的性能，从而得到铸造合金钢。常见的有用于制造水压机缸、叶片、喷嘴体、阀、弯头等焊接及流动性良好的ZG20SiMn;用于制造承受冲击、受磨损的零件，如齿轮、滚轮等的ZG35CrMnSi;用于制造受压容器和泵壳等的ZG20MnMo;用于制造球磨机衬板等的ZG65Mn。上一页返回7.4合金工具钢7.4.1刃具钢刃具钢主要用于制造各种金属切削刀具，如车刀、铣刀、刨刀及钻头等。切削时，刀具承受很大的切削压力，同时刀具和切屑之间产生强烈的摩擦，使刀具产生很高的温升，可达500℃~600℃，而且刀具在工作时还承受一定的冲击载荷和震动等。因此，刀具在工作时常出现卷刃、崩刃和折断等失效形式。所以，对刃具钢提出如下性能要求:(1)高硬度刀具的硬度必须大于被切削材料的硬度，否则切削过程中会产生卷刃的现象，一般要求刃u部分硬度高于60HRC。(2)高耐磨性下一页返回7.4合金工具钢耐磨性可提高刀具的使用寿命和加工效率。耐磨性取决于硬度以及钢中碳化物的性质、数量、大小及分布。

(3)高热硬性(或红硬性)热硬性是指钢在高温下保持高硬度的能力。要求高的热硬性是为了防止刀具在高速切削时因摩擦升温而软化。

(4)足够的强度和韧性刀具在工作时可能受到弯曲、扭转、冲击和震动等载荷作用，要求刀具有足够的塑性和韧性，防止使用中发生崩刃。对于中、小截面的刀具，还要求有足够的抗压、抗弯强度，防止刀具折断。

1.低合金刃具钢上一页下一页返回7.4合金工具钢低合金刃具钢是在碳素工具钢的基础上加入少量的合金元素(w(Me)≤3%~5%)而形成的。高的含碳量(w(C)=0.75%~1.50%)可以保证高的硬度和耐磨性。主加合金元素是Cr,Mn,Si等，主要作用是提高淬透性，5i还有提高回火稳定性的作用;W、V的加入，可在钢中形成高硬度、高熔点、弥散分布的合金碳化物，提高钢的硬度和耐磨性，并细化晶粒。低合金刃具钢的热处理与碳素工具钢的基本相同，主要是球化退火、淬火和低温回火。球化退火作为预备热处理，目的是降低硬度，便于切削加工，并为淬火做组织准备。若锻造组织中出现网状碳化物，则应在球化退火之前进行正火处理，以消除网状碳化物。上一页下一页返回7.4合金工具钢最终热处理为淬火加低温回火，使用状态下的组织为回火马氏体、颗粒状碳化物及少量残余奥氏体。与碳素工具钢不同的是，由于加入了合金元素，钢的淬透性提高了，因此，可用油进行淬火，淬火后的硬度与碳素工具钢处于同一水平，但淬火变形、开裂倾向小。由于钢中所加的合金元素主要作用是提高淬透性，而强碳化物形成元素(W、Mo,V等)少，故不具备热硬性特点，刀具刃部切削温度一般不超过250℃，仍属于低速切削刃具钢。低合金刃具钢的牌号、成分、热处理、性能和用途见表7-6。典型牌号有9SiCr,CrWMn，其油淬临界直径可达40~50mm,广泛用于形状复杂、要求变形小的低速切削刃具的制造，如丝锥、板牙等，也常用于制造冷冲模。9SiCr的热处理工艺过程如图7-9所示。上一页下一页返回7.4合金工具钢2.高速钢高速钢属于高合金工具钢，钢中含有较多的W,Mo,Cr,V等元素，是为适应高速切削而发展起来的一类刃具钢。经过适当的热处理后，可获得良好的切削性能。高速钢最主要的特点是具有良好的热硬性，即当切削温度高达600℃左右时，硬度仍无明显下降，保持在60HRC以上，还可以进行正常的高速切削。同时，由于高速钢有足够的强度，并兼有适当的塑性和韧性，所以，刃磨性能较好，在切削时比一般的低合金工具钢刀具更加锋利，俗称“锋钢”。高速钢的另外一个重要的性能特点是具有很高的淬透性，中、小型刃具在空气中冷却也能淬透，又有“风钢”之称。上一页下一页返回7.4合金工具钢高速钢广泛应用于尺寸大、切削速度高、负荷重、工作温度高的各种机加工刃具的制造，也可用来制造要求具有耐磨性的冷、热模具。

(1)化学成分①高碳。含碳量为0.70%~1.6%，保证淬火后马氏体有足够的硬度，同时还能与W、Cr,V形成足够数量的碳化物来提高钢的硬度、耐磨性和热硬性。②合金元素。C：Cr的加入可提高钢的淬透性，并能形成碳化物强化相，Cr在高温下可形成Cr2O3,起到保护作用，提高钢的抗氧化性。一般认为Cr的含量在4%左右为宜，高于4%时，马氏体的转变温度Ms下降，造成淬火后残留奥氏体量增多，钢的硬度降低。上一页下一页返回7.4合金工具钢

V:V与C的亲和力很强，在高速钢中形成碳化物VC或V4C3，具有很高的硬度和稳定性，即使淬火温度在1260℃~1280℃时，也不会全部溶于奥氏体，故在加热时显著阻碍奥氏体晶粒的长大，起到细化晶粒的作用。VC的最高硬度可达83~85HRC，在多次高温回火过程中，VC呈弥散状析出，产生二次硬化效应，进一步提高钢的热硬性、硬度和耐磨性但由于质量分数不高，提高热硬性的效果不如w、Mo显著。W:W在钢中以Fe4W2C形式存在，加热时一部分溶于奥氏体，起到稳定奥氏体的作用，淬火后存在于马氏体中，除可使马氏体强化以外，更重要的是使马氏体难以分解，提高钢的回火稳定性，从而使钢具有突出的热硬性，同时，当钢回火至560℃左右时，上一页下一页返回7.4合金工具钢有部分W,C呈弥散析出，使钢产生二次硬化，从而使钢具有很高的热硬性。未溶的碳化物能起到阻碍奥氏体晶粒长大及提高耐磨性的作用。由于在世界范围内钨资源短缺，人们找到了以Mo,Co元素代替W元素而保持高的热硬性的方法。大约1%的Mo能代替2%的W.向有些高速钢中加入Co可显著提高钢的热硬性。Co虽不能形成碳化物，但能提高高速钢的熔点，从而提高淬火温度，使奥氏体溶解更多的W、Mo,V等元素，促进回火时合金碳化物的析出。同时，Co本身可形成金属间化合物，产生弥散强化效果，并能阻止其他碳化物的聚集长大。

(2)加工与热处理上一页下一页返回7.4合金工具钢高速钢的加工工艺流程一般为:下料→锻造→球化退火→机加工→淬火和三次回火→喷砂→磨削加工。①锻造。由于高速钢中含有大量的合金元素，故铸态组织中含有大量莱氏体碳化物，属于莱氏体钢。高速钢的铸态组织如图7-10(a)所示。莱氏体中的碳化物呈粗大鱼骨状分布于晶界处，这种鱼骨状的共晶莱氏体碳化物硬度很高，脆性大且分布很不均匀，会显著降低高速钢的强度和韧性，出现机械性能的各向异性，并影响钢的耐磨性和热硬性。如刃口处出现粗大碳化物，则使用时易发生崩刃现象。高速钢的这种现象很难用热处理方法消除，只能采用锻造的方式将鱼骨状碳化物击碎。锻造加工时，采用大锻造比(大于10)，用轻锤快锻、反复多向锻造的方法使碳化物细化并分布均匀。上一页下一页返回7.4合金工具钢因此，高速钢锻造的目的不仅在于成形，更重要的是改善组织，从而改善性能。高速钢导热性较差，锻造后要缓慢冷却，以免开裂。②预备热处理。高速钢的预备热处理是球化退火。生产上为了缩短时间，提高生产率，一般采用等温球化退火工艺。退火后的组织为索氏体和细颗粒状碳化物，如图7-10(b)所示。③最终热处理。高速钢的导热性较差，故淬火加热时应在600℃~650℃和800℃~850℃预热两次，以防止变形与开裂。高速钢的淬火温度高达1280℃，使更多的合金元素溶入奥氏体，淬火后便可获得高合金元素含量的马氏体。淬火温度不宜过高，否则易使晶粒粗大。上一页下一页返回7.4合金工具钢淬火冷却多采用盐浴分级淬火或油淬，以减小变形和开裂的倾向。对于尺寸小、形状简单的刀具，采用直接油淬的方法;而形状复杂、精度要求高的刀具，采用580℃~600℃盐浴分级淬火的方法。淬火后的组织为隐晶马氏体、颗粒状碳化物及较多的残余奥氏体(约30%),硬度为61~63HRC。为了减少残余奥氏体量，降低钢的脆性，减少内应力，稳定组织，并产生二次硬化，在高速钢淬火后，通常在550℃~570℃进行三次回火，高速钢的硬度与回火温度的关系如图7-11所示。可以看出，在回火过程中，随着温度的升高，硬度逐渐降低，当回火温度增加到500℃~600℃时，硬度再次升高。上一页下一页返回7.4合金工具钢其原因一方面是，在500℃~600℃回火时，从马氏体和残余奥氏体中析出大量细小弥散的钨、钼、钒碳化物，使钢产生二次硬化。另一方面是，由于从残余奥氏体中析出碳化物，碳和合金元素的含量下降，Ms点上升，故在回火冷却时又转变为马氏体，产生二次淬火。但这种二次淬火并不能一次就把残余奥氏体全部消除，需要经过多次回火使残余奥氏体全部转变成马氏体。第一次回火后，残余奥氏体量为15%~18%;第二次回火后，残余奥氏体量为3%~5%;第三次回火后，残余奥氏体量为1%~2%。经淬火和三次回火后(每次回火时间为1h)，高速钢的组织为回火马氏体、细颗粒状碳化物及少量残余奥氏体(≤3%)，如图7-10(c)所示。W18Cr4V钢热处理工艺过程如图7-12所示。上一页下一页返回7.4合金工具钢为了提高刀具的切削寿命，也可对高速钢进行表面强化处理，如蒸汽处理、氮化处理、离子镀TiN和激光处理等。通过表面强化处理，高速钢刀具寿命少则提高百分之几十，多则提高几倍甚至十多倍。

(3)典型牌号和用途常用高速钢的牌号、化学成分、热处理、性能和用途见表7-7。①通用型高速钢:这类钢以钨系W18Cr4V(常用18-4-1表示)和钨钼系W6Mo5ar4V2(6-5-4-2)为代表，还包括成分稍有调整的高钒型W6Mo5ar4V3(6-5-4-3)和W9Mo3ar4V(9-3-4-1)等。钨系高速钢发展最早，热硬性高，加工性好，但脆性较大，将逐步被淘汰;钨钥系高速钢韧性较好，应用最广泛，但磨削加工性稍次于W18Cr4V，且过热和脱碳倾向较大，主要用于制造高速切削刃具，。上一页下一页返回7.4合金工具钢②高性能高速钢:这类钢包括高碳高钒型CW6Mo5Cr4V3和超硬型(如含Co的W6Mo5Cr4V2Co5、含Al的W6Mo5Cr4V2Al)高速钢。超硬型高速钢的硬度、耐磨性、热硬性最好，适合加工成难切削材料，但脆性最大，不宜用来制造薄刃刀具。③低合金高速钢:是近年来为节约合金资源而设计的经济型高速钢，如W3Mo2Cr4VSi,W4Mo3Cr4VSi等，其综合性能与通用型高速钢相当，多用于制造轧制钻头、机用锯条、木工刨刀等，部分用于制造立铣刀、丝锥等刀具。3.硬质合金上一页下一页返回7.4合金工具钢近年来，由于先进加工制造技术对切削速度要求的不断提高和大量高硬度或高韧性难加工材料的出现，一般的高速钢已经很难满足要求，因此，作为常用刃具材料的硬质合金得到了更加广泛的应用。硬质合金是把一些高硬度、高熔点的粉末(WC,TiC等)和胶结物质(Co,Ni等)混合，高温烧结、高压成型的一种粉末冶金材料。其特点是:硬度极高(69~81HRA)、热硬性好、切削温度可达1000℃、耐磨性好。用硬质合金制造的刀具，切削速度比高速钢提高4~5倍。由于硬质合金的硬度很高，加工困难，因此，形状复杂的刀具，如拉刀、滚刀等不能用硬质合金来制造。硬质合金一般做成刀片，镶在刀体上使用，如车刀、刨刀和锁刀。上一页下一页返回7.4合金工具钢可用来切削普通钢材、铸铁、有色金属、石墨、玻璃、石材等，也可用来切削耐热钢、不锈钢、高锰钢、工具钢等难加工的材料。另外，还可以制成冷作模具、钻探工具、测量量具、耐磨零件、精密轴承等。应用最广泛的是钨钻和钨钦钻两类硬质合金。目前，数控加工中广泛使用的是涂层硬质合金刀具，即以这两类硬质合金为基体，表面是用离子沉积方法获得的钦化物涂层。尽管涂层的厚度不过几微米，但表面硬度为2500~4000HV，具有很高的耐磨性、抗咬合性和良好的抗氧化性，与同牌号的硬质合金刀具相比，使用寿命延长了3倍，切削速度提高25%~50%。为降低成本而发展起来的另一新型刃具材料是钢结硬质合金。上一页下一页返回7.4合金工具钢它是以合金钢(如高速钢、铬锢钢等)粉末为钻结剂，以一种或几种碳化物(如TiC,WC等)为硬化相，经配料、混料、压制和烧结而成的粉末冶金材料，性能介于高速钢和硬质合金之间。如高速钢结硬质合金，其成分为35%的TiC和65%的高速钢，退火后硬度为40~45HRC，淬火和回火工艺与高速钢的相似，硬度达到69~73HRC。它适合制造各种形状复杂的刀具和麻花钻头、铣刀等，也可制造在较高温度下工作的模具和耐磨零件。7.4.2模具钢用于制造冲压、模锻、挤压、压铸、注塑工艺等模具的钢种统称为模具钢。上一页下一页返回7.4合金工具钢1.冷作模具钢在冷态下金属成形所用的模具钢称为冷作模具钢。主要用于制造冷冲模、冷挤压模、冷镦模和拉丝模等冷成形模具，工作温度一般不超过300℃。

(1)性能要求材料在冷态下变形抗力较大，故冷作模具在工作时承受很大的载荷及冲击、摩擦作用，磨损、变形和断裂是其失效的主要形式。因此，要求冷作模具钢具有以下性能:①高硬度(58~62HRC)和高耐磨性，工作时保持锋利的刃口。②足够的强度和韧性，工作时刃部不易崩裂或塌陷。上一页下一页返回7.4合金工具钢③良好的工艺性能，如淬透性、切削加工性等。④热处理变形小。(2)化学成分①高碳:含碳量一般在1.0%以上，以保证高硬度和高耐磨性。②合金元素:向冷模具钢中加入Cr,Mn,W,Mo,V等元素。Cr,Mn的主要作用是提高钢的淬透性和强度。W,Mo,V的作用是细化晶粒，产生二次硬化效应，提高钢的耐磨性及强韧性。

(3)典型牌号及热处理①低合金工具钢:典型牌号有9SiCr,CrWMn,GCr15等。适于制造尺寸较大、形状复杂、淬透性要求较高的冷作模具。上一页下一页返回7.4合金工具钢此类钢由于可用油进行淬火，并含有少量的合金元素，淬透性得到了提高，晶粒细化且变形减小，如9SiCr,CrWMn钢可用来制造滚丝模等。②耐冲击工具用钢:典型牌号有4CrW2Si,SCrW2Si等。用于制造冶金、机械工业中剪切钢板或型材用的冷剪刀片和热剪刀片。③Cr12型冷作模具钢:典型牌号有Cr12,Cr12MoV,Cr12Mo1Vl等。Cr12型冷作模具钢具有高淬透性、耐磨性、热硬性和抗压强度。用于制造尺寸大、形状复杂、负荷重、变形要求严格的冷作模具。在Cr12型钢中，Cr12MoV钢的韧性高于Cr12钢，可用于韧性不足而易于开裂、崩刃的模具上，已取代Cr12钢。上一页下一页返回7.4合金工具钢目前，Cr12MoV钢是工厂中应用最多的钢种。Cr12Mo1V1钢主要用于制造某些热固性塑料的成形模具。为了提高Cr12型冷作模具钢的韧性，研制出Cr61WV和Cr41V2MoV等钢，减少钢中的碳化物数量，提高韧性。Cr12型钢也是一种莱氏体钢，其锻造及预备热处理方式与高速钢相似，退火后的硬度低于255HB。其最终的热处理方式通常有两种:低温淬火+低温回火。淬火加热温度为950℃~1000℃，油冷，然后在160℃~180℃低温回火，也称一次硬化法。硬度可达61~64HRC。这种处理法变形小，耐磨性和韧性好。一般承受较大载荷和形状复杂的模具选用此法。上一页下一页返回7.4合金工具钢高温淬火+高温回火。淬火加热温度为1100℃~1200℃，由于淬火后有大量残余奥氏体存在，需经2~3次回火，使硬度提高到60~62HRC，也称二次硬化法。这种处理法使模具具有良好的热硬性和耐磨性。因淬火温度高、晶粒粗大、韧性低、变形较大，所以经过这种处理的模具可承受强烈摩擦，在400℃~500℃的条件下工作。常用的Cr12型模具钢的牌号、化学成分、热处理及用途见表7-8。④低碳高速钢类冷作模具钢:典型牌号有6W8Cr4VTi,6Cr5Mo3W2VSiTi,6Cr4W3Mo2CNb和6W6Mo5Cr4V等。它是近年来我国研制的以W18Cr4V和W6Mo5Cr4V2钢的基体成分为基础的新钢种。上一页下一页返回7.4合金工具钢6W8Cr4VTi钢有较高的硬度、强度、高温性能以及回火稳定性，多用于冷冲切边模具等的制造，也可用于制造要求不高的刀具和某些热挤压模具。6CryMo3W2VSiTi有较好的强韧性，多用于制造承受冲击载荷较大的冷挤冷冲模具，但钦的加入给钢的浇注带来麻烦，因此应用受到限制。6Cr4W3Mo2CNh钢和6W6Mo5Cr4V钢有较好的加工工艺性、高强度和较好的韧性、耐磨性。一般多用于制造要求高韧性的冷挤压模和冷冲模。2.热作模具钢热作模具钢主要用于制造使加热的金属或液态金属成形的模具，如热锻模、热压模、热挤压模和压铸模等，工作时型腔表面温度可达600℃以上。上一页下一页返回7.4合金工具钢

(1)性能要求热作模具在工作时承受很大的冲击载荷、强烈的摩擦和由剧烈的冷热循环引起的热疲劳，因此，要求热作模具钢具有以下性能:①高温下良好的综合机械性能。模具在工作时承受压应力、张应力、弯曲应力及冲击应力等，还经受强烈的摩擦，因此，必须具有高的强度和韧性，同时还应有足够的硬度和耐磨性。②高的抗热疲劳性能和抗氧化性。热作模具在每次热金属成形之后需用水、油或空气冷却，模腔表面金属由于反复急冷急热产生交变热应力作用而引起的龟裂现象称为热疲劳。因此，热作模具钢应具有良好的抗热疲劳性能和抗氧化能力。③高的淬透性和良好的导热性。上一页下一页返回7.4合金工具钢对尺寸大的模具，为保证其整体的物理机械性能，要求材料的淬透性高。同时，为防止热处理变形，材料应具有良好的导热性。④高的回火稳定性。工作时，模具型腔表面温度可高达400℃~600℃，因此必须具有较高的回火稳定性。

(2)化学成分①中碳。热作模具钢的含碳量ω(C)=0.5%~0.6%，对于压铸模，ω(C)=0.30%。这一含碳量可保证淬火后的硬度，同时还有较好的韧性。②合金元素。合金元素Cr,Ni,Mn,Mo的作用是提高淬透性，使模具表里的硬度趋于一致。上一页下一页返回7.4合金工具钢Cr,Mo还有提高回火稳定性、提高耐磨性的作用;Cr,W,Mo还通过提高共析温度，使模具在反复加热和冷却的过程中不发生相变，来提高抗热疲劳的能力。(3)典型牌号常用热作模具钢的牌号、化学成分、热处理、性能及用途见表7-9。①钨锢系热作模具钢:典型牌号有3Cr2W8V,SCr4W5Mo2V,SCr4W2Mo2SiV,SCr4Mo3SiMnVAI,4Cr3Mo3SiV等。这类钢具有高强度、硬度，耐磨性及回火稳定性，所以适用于型腔温度超过6000C，承受静载荷较高而冲击载荷较低的热作模具，如机械锻压机模具和热挤压模具。上一页下一页返回7.4合金工具钢4Cr3Mo3SiV钢具有较高的韧性和抗热疲劳性能，适于制造工作温度较高的，受冲击载荷的模具和在工作过程中需要不断采用水冷降温的模具，如高速精锻机模具、热徽锻模具、热挤压机的芯棒、辊锻机的模具等。②低合金热作模具钢:典型牌号有5CrNiMo,5CrMnMo。5CrMnMo适用于制作形状简单、载荷较轻的中小型锻模;而5CrNiMo钢则用于制作形状复杂、重载的大型或特大型锻模。③中合金铬系热作模具用钢:典型牌号有4Cr5MoSiV1、4Cr5MoSiV14,4Cr5MoWSiV等。这类钢是目前应用最广泛的热作模具钢，用于制造各种热加工用的模具。上一页下一页返回7.4合金工具钢(4)热处理热作模具钢的预备热处理为完全退火或等温退火;最终热处理为淬火+中(高)温回火，具体淬火和回火温度随钢种不同而不同。使用状态的组织是回火屈氏体或回火索氏体，硬度为35~45HRC。3.塑料模具用钢塑料模具，是指用于制造塑料制品的模具。目前，塑料制品在日常生活用品、电子仪表、电器等行业中应用十分广泛，在航空、航天、航海及机械工业中的应用也越来越多，塑料制品大多采用注塑成形，因而需要大量模具。模具的结构形式和质量对塑料制品的质量和生产效率有直接影响。上一页下一页返回7.4合金工具钢注塑模的工作温度为120℃~260℃，工作时需通水冷却型腔，故受热、受力及受磨损程度较轻，但值得注意的是，含有氯、氟的塑料，在压制时常析出有害的气体，对模腔有较大的腐蚀作用。(1)性能及工艺要求①钢料纯净，夹杂物少，偏析小;②表面耐磨抗蚀，并要求有一定的表面硬化层，表面硬度一般在45HRC以上;③表面光洁，脱模性好，常需要进行表面处理才能达到这一要求;④模具有足够的强度和韧性;⑤热处理变形小，以保证互换性和配合精度。上一页下一页返回7.4合金工具钢塑料模具一般较复杂，制造成本高，而原材料费用只是模具成本的极小部分，因此般优先选用工艺性能好、性能稳定的钢种。

(2)常用钢种①适于冷挤压成形的塑料模具用钢主要是低碳钢，如10Cr,15Cr,20Cr,20Cr钢。其加工工艺流程为:锻造→正火→粗加工成形→渗碳→淬火→低温回火→抛光→镀铬→抛光→装配。②中小尺寸且不很复杂的塑料模具，可选用T7A,T10A,9Mn2V,CrWMn,Cr2钢等;对于大尺寸且形状复杂的塑料模具，可选用4Cr5MoSiV钢;要求具有高耐磨性时，也可采用Cr12MoV钢。其加工工艺流程为:锻造→球化退火→粗加工→调质或高温回火→精加工→淬火→低温回火→钳工抛光→镀铬→抛光→装配。上一页下一页返回7.4合金工具钢③复杂精密塑料模具一般选用18CrMnTi,12CrNi3A和12Cr2Ni4A等优质渗碳钢，其加工工艺流程与低碳钢相同。④当塑料成形模压时，析出的有害气体与钢强烈反应，其模具应选用马氏体不锈钢2Cr13或3Cr13钢。模具在950℃~1000℃加热并在油中淬火，然后在200℃~220℃回火，热处理后其硬度为45~50HRC，可直接抛光并装配使用。这类模具不需要进行镀铬表面处理。塑料模具在热处理时(尤其是在淬火加热时)应注意保护，防止表面氧化脱碳。热处理后，最好先镀铬或进行表面涂镀层处理，使其表面具有优异耐磨耐蚀性且脱模性好，以防止使用时出现腐蚀和钻附，这样既易于脱模，又可提高模具的耐磨性和使用寿命。上一页下一页返回7.4合金工具钢7.4.3量具钢量具钢用于制造各种测量工具，如卡尺、千分尺、块规、塞规及螺旋测微仪等。量具在长期存放和使用的过程中保证尺寸精度是最基本的要求。引起量具在使用或存放过程中发生尺寸精度降低的原因主要有两个。一是量具在使用过程中与被测零件接触，承受摩擦与冲击，易于发生磨损，导致尺寸精度降低。二是由于:热处理后残余奥氏体转变成马氏体，引起体积膨胀;马氏体分解，正方度下降，体积收缩;残余应力重新分布，使弹性变形部分地转变为塑性变形而引起尺寸的变化。因此，对量具钢的性能要求主要为:①高的硬度(≥62HRC)和耐磨性。上一页下一页返回7.4合金工具钢②高的尺寸稳定性，热处理变形小。③一定的韧性和特殊环境下的耐蚀性。1.常用量具钢量具并无专用钢种，根据量具种类和精度要求可选用不同类别的钢制造。①低合金工具钢和轴承钢:典型牌号有CrWMn,GCr15等，用于制造精度要求高、形状较复杂的量具，如块规、塞规等。这类钢是制造量具最常用的钢种。②表面热处理钢:典型牌号有渗碳钢15,20,20Cr,15CrMn等，用于制造形状简单、精度要求不高、使用时易受冲击的量具，如简单样板、卡规、直尺及大型量具。上一页下一页返回7.4合金工具钢中碳钢表面淬火或氮化，如用50,60,65钢等制作量具，经调质处理后再经高频表面淬火和低温回火，可保证量具