教学材料工程材料-第六章

第一节合金钢的优良性能合金钢（ａｌｌｏｙｓｔｅｅｌ）———钢里除铁、碳外，还加入了其他的合金元素。根据添加元素的不同，并采取适当的加工工艺，可获得高强度、高韧性、耐磨、耐腐蚀、耐低温、耐高温、无磁性等特殊性能。合金元素的加入，克服了钢淬透性差、强度和屈强比较低、回火稳定性差、不能满足特殊性能要求等缺点，满足了日益发展的科学技术和工业生产及应用的要求，因此在现代工业、农业、科研、国防等各行各业中得到广泛应用。目前，钢中主要加入的元素有锰、铬、镍、钨、钼、钒、钛、铜、铝、硅、硼、氮、铌、稀土元素等。合金元素对钢性能的影响（１）合金元素对钢力学性能的影响。下一页返回第一节合金钢的优良性能合金元素加入钢中可起到固溶强化、弥散强化等作用（图６－２），从而提高钢的强度及高温强度。与碳钢相比，合金钢在相同韧性条件下具有更高的强度或在相同强度条件下具有更好的韧性。（２）合金元素对钢热处理性能的影响。合金元素使钢的Ｃ曲线右移，提高钢的淬透性。合金钢的临界淬火直径较大，对截面较大的工件容易淬透，保证淬火质量。另外，钢淬火时可用冷速相对较小的油做冷却介质，有利于防止淬火应力过大造成的变形和开裂缺陷。（３）合金元素对钢理化性能的影响。在钢中加入较多的合金元素可使钢具有一些特殊的物理、化学性能，得到不锈钢、耐热钢、耐磨钢、无磁性钢等特殊性能钢。上一页下一页返回第一节合金钢的优良性能（４）合金元素对钢切削加工性能的影响。适当提高钢中硫、锰的含量，形成均匀分布的硫化锰夹杂物可改善切削性能。也可在钢中加入适量的铅，使它弥散、均匀分布在钢中，提高切削钢的切削性能。（５）合金元素对钢冷变形性能的影响。合金元素溶入钢基体中一般会使钢变硬变脆，导致冷形变加工困难。因此冷变形用钢要限制钢中碳、硅、硫、磷、镍、铬、钒、铜等元素的含量。（６）合金元素对焊接性能的影响。焊接性能的好坏，主要由钢材的淬透性决定。如果淬透性高，焊缝附近热影响区内可能出现马氏体组织，易脆裂，使焊接性能下降。但钒、钛、铌、锆等元素，可细化熔化区的晶粒，改善焊接性能。上一页下一页返回第一节合金钢的优良性能合金钢的性能特点及应用合金钢具有如下性能特点。（１）力学性能好。合金元素溶入铁后，形成合金铁素体，使铁素体的强度和硬度提高。此外合金元素能与碳形成较稳定的特殊碳化物，显著提高钢的强度、硬度和耐磨性，而对塑性和韧性影响不大。（２）红硬性高。合金元素在淬火时大部分能溶入马氏体，因而在回火过程中，合金元素对扩散过程起阻碍作用，使马氏体不易分解，碳化物不易析出，使钢在回火过程中硬度下降较慢。淬火钢在回火过程中抵抗硬度下降的能力称为耐回火性。高的耐回火性使钢在较高的温度条件下，仍能保持高硬度和耐磨性。上一页下一页返回第一节合金钢的优良性能（３）淬透性好。合金元素（除钴外）溶入奥氏体后，能增加过冷奥氏体的稳定性，从而使Ｃ曲线右移，减小钢的临界冷却速度，提高钢的淬透性。如４５钢在水中仅能淬透１８ｍｍ，而４０ＣｒＮｉＭｏＡ在油中能淬透１００ｍｍ。（４）具有特殊的物理、化学性能。一些合金元素加入钢后，能使钢具有一些特殊的物理、化学性能。加入铬、镍、钼等合金元素可使钢有很好的耐腐蚀性和耐热性；若加入１１％～１４％的锰元素，钢将具有特别高的耐磨性。钢的这些特殊的物理、化学性能，使钢具有特殊的作用。上一页下一页返回第一节合金钢的优良性能综上所述，合金元素的作用使合金钢具有较高的强度、较好的淬透性，有的合金钢具有耐热、耐蚀、耐磨等特殊性能，因此与碳钢相比，合金钢主要用于强度要求更高的工件、尺寸更大的工件或一些有特殊性能要求的工件。上一页返回第二节合金钢的分类和牌号合金钢的分类合金钢的分类方法很多。１.按合金元素的含量分类（参见表６－１）低合金钢，合金元素总含量小于等于５％；中合金钢，合金元素总含量为５％～１０％；高合金钢，合金元素总含量大于等于１０％。２.按合金元素的种类分类有铬钢、锰钢、铬锰钢、铬镍钢、铬镍钼钢、硅锰钼钒钢等。３.按钢中Ｓ、Ｐ杂质含量分类普通合金钢，Ｓ≤０.０５０％，Ｐ≤０.０４５％；优质合金钢，Ｓ≤０.０３５％，Ｐ≤０.０３５％；下一页返回第二节合金钢的分类和牌号高级优质合金钢，Ｓ≤０.０２５％，Ｐ≤０.０２５％；特级优质合金钢Ｓ≤０.０１５％，Ｐ≤０.０２０％。４.按主要用途分类（１）结构钢。其中结构钢又根据用途分为建筑及工程用结构钢和机械制造用结构钢。（２）工具钢。（３）特殊性能钢，如不锈钢、耐热钢、超强钢。合金钢牌号我国钢的牌号一般采用汉语拼音字母、化学元素符号和阿拉伯数字相结合的方法表示。上一页下一页返回第二节合金钢的分类和牌号按用途分的各类合金钢的牌号表示方法见表６－２（ＧＢ／Ｔ１５９１—１９８８）。合金结构钢中的低合金高强度钢牌号的新标准表示方法与普通碳素结构钢相同，见表６－３（ＧＢ／Ｔ１５９１—１９９４）。为便于现代化的数据处理设备进行存储和检索，我国国家标准（ＧＢ／Ｔ１７６１６—１９９８）对钢铁材料及合金产品牌号规定了统一数字代号，见表６－４。上一页下一页返回第二节合金钢的分类和牌号统一数字代号由６位符号组成，左边第１位用大写的拉丁字母做前缀，代表不同的钢铁及合金类型；后５位阿拉伯数字，第１位阿拉伯数字代表各类型钢铁及合金细分类；第２～５位阿拉伯数字代表不同分类内的编组和统一编组内不同牌号的区别顺序号，每一个统一数字代号只适用于一个产品牌号。上一页返回第三节合金结构钢合金结构钢是指常用于制造机器零件用的合金钢。常采用的合金元素为Ｍｎ、Ｃｒ、Ｓ、Ｎｉ、Ｗ、Ｖ、Ｔｉ、Ｂ等，这些元素可增加钢的淬透性，并使晶粒细化，这样可使大截面零件经调质处理后，在整个截面上获得强、韧结合的力学性能。同时，因淬透性的提“，可采用冷却烈度较小的油类来淬火，从而减少淬火时的裂纹和变形倾向。合金结构钢中的低合金高强度结构钢主要用于各种受力的工程结构，大多为普通质量钢，冶炼简便，成本低，使用时一般不进行热处理。低碳合金结构钢用于渗碳件，中碳合金结构钢用于调质件和渗氮件，高碳合金结构钢用于制造较大的弹簧。下一页返回第三节合金结构钢合金渗碳钢、合金调质钢、弹簧钢、滚动轴承钢等用于制造机器零件，对力学性能要求较高，属于优质钢或高级优质钢，一般都经过热处理后使用。低合金强度结构钢１.用途主要用于制造在大气和海洋中工作的大型焊接结构件，如建筑结构、桥梁、车辆、船舶、输油输气管道、压力容器等。２.性能特点强度高。良好的塑性、韧性、冷冲压性能及焊接性能，可抵抗大气腐蚀。上一页下一页返回第三节合金结构钢３.成分特点（１）低碳：含碳量＜０.１６％，以保证良好的塑性、韧性、冷冲压性能及焊接性能。（２）低合金：主要以Ｍｎ和Ｓｉ为主，强化铁素体基体，产生固溶强化；加入少量的Ｔｉ、Ｖ、Ｎｂ、ＲＥ等，细化晶粒，提高韧性。图６－４和图６－６为Ｑ３４５钢建造的南京长江大桥钢结构与东风号远洋轮船，其主跨跨度为１６０ｍ，与Ｑ２３５相比跨度增加，而且可节约钢材１５％以上。图６－５为Ｑ４２０钢建造的江西九江大桥。低合金高强度钢中的Ｑ４６０是我国新研制的钢种，在奥运场馆“鸟巢”（图６－７）上首次使用，钢板厚度达１１０ｍｍ，是撑起“鸟巢”的钢筋铁骨。上一页下一页返回第三节合金结构钢４.常用低合金高强度钢常用低合金高强度材料钢的力学性能、用途及新旧牌号对照见表６－５（摘自ＧＢ／Ｔ１５９１—２００８）。其中Ｑ３４５钢是我国发展最早、使用最多、产量最大、各种性能匹配较好的钢种，其应用最为广泛。合金渗碳钢１.成分合金渗碳钢的含碳量一般为０.１５％～０.２５％，低的含碳量是保证渗碳零件的心部具有足够的韧性。主加的合金元素有锰、铬、镍等，可辅加少量的硼、钛、钒、钼等。上一页下一页返回第三节合金结构钢合金元素能提高钢的淬透性，改善心部性能，还可细化晶粒，防止渗碳过程中钢件产生过热。２.热处理方法及组织合金渗碳钢的热处理一般是在渗碳后进行淬火及低温回火处理。热处理后表层组织由回火马氏体及少量分布均匀的碳化物组成，有很高的硬度（５８～６２ＨＲＣ）和耐磨性。心部组织与钢的淬透性及零件尺寸有关，全部淬透时是低碳回火马氏体（４０～４８ＨＲＣ），未淬透时是托氏体、少量低碳回火马氏体（２５～４０ＨＲＣ，ａｋ≥６０Ｊ／ｃｍ２）上一页下一页返回第三节合金结构钢３.性能及应用合金渗碳钢零件在渗碳、淬火及低温回火后具有“表硬心韧”的性能，能在冲击载荷作用下及强烈磨损条件下工作，主要用于制造性能要求较高或截面尺寸较大的渗碳零件。如汽车、拖拉机上的变速齿轮，内燃机上的凸轮轴、活塞销，重载齿轮、凸轮等，如图６－８～图６－１１所示。４.合金渗碳钢零件制造工艺路线２０ＣｒＭｎＴｉ钢制造汽车变速箱齿轮的工艺路线如下：下料→锻造→正火→加工齿形→渗碳（９３０℃）→预冷淬火（８３０℃）→低温回火（２００℃）→磨削齿形。上一页下一页返回第三节合金结构钢５.常用合金渗碳钢常用合金渗碳钢的牌号、化学成分、热处理、性能及应用见表６－６（摘自ＧＢ／Ｔ６９９—１９９９和ＧＢ／Ｔ３０７７—１９９９）合金调质钢１.成分合金调质钢的含碳量为０.２５％～０.５％。主加合金元素为硅、锰、铬、镍等，辅加元素有硼（０.００１％～０.００３％）、钨、钛、钒、钼等。合金元素可提高淬透性，起固溶强化及弥散强化作用，微量的钨、钼等元素可减轻或防止回火脆性。上一页下一页返回第三节合金结构钢２.热处理方法及组织合金调质钢的预先热处理一般采用正火或退火，目的是细化晶粒、降低硬度以改善切削加工性能。对于合金元素含量较高的钢，正火后形成马氏体组织，硬度很高，需进行一次高温回火，以降低硬度。调质钢的最终热处理一般采用调质处理，得到回火索氏体组织。如果零件还要求表面有良好的耐磨性，则要在调质处理后进行表面淬火（或淬火）后低温回火，以使表面得到回火马氏体。３.性能及应用调质处理后，合金调质钢具有良好的综合力学性能，广泛用于制造高强度和高韧性要求的各种重要机器零件。上一页下一页返回第三节合金结构钢如机器中传递动力的机床主轴、大型电机主轴（图６－１２）、大型船用曲轴（图６－１３）、水轮发电机转轮（图６－１４）、汽车拖拉机后桥半轴、连杆、高强度螺栓等。又如，如图６－１５为４０Ｃｒ钢制汽车发动机连杆零件形状。对于一些大截面零件，为保证足够的淬透性，必须选用合金调质钢，如图６－１６为汽车半轴，即为调质钢制成。４.合金调质钢零件制造工艺路线４０Ｃｒ汽车或拖拉机连杆的工艺路线如下：下料→锻造→退火→粗切削加工→调质→精切削加工→装配５.常用合金调质钢上一页下一页返回第三节合金结构钢常用合金调质钢的牌号、热处理、力学性能及应用见表６－７。合金弹簧钢１.成分合金弹簧钢的含碳量一般为０.４５％～０.７％（碳素弹簧钢的含碳量为０.６％～０.９％），主加合金元素是硅和锰，辅加少量的铬、钒等。合金元素的作用是固溶强化、细化晶粒、弥散强化等，并提高淬透性。２.热处理方法及组织弹簧按加工工艺方法不同，可分为冷成型弹簧和热成型弹簧，它们的热处理方法及组织也不同。上一页下一页返回第三节合金结构钢（１）冷成型弹簧直径较小的弹簧，可采用冷拉钢丝冷卷成型。冷卷后的弹簧不必进行淬火处理，只需进行一次消除内应力和稳定尺寸的定型处理，即加热到２５０℃～３００℃，保温一段时间，从炉内取出空冷即可，组织为珠光体和少量铁素体，且晶粒有拉长变形。（２）热成型弹簧和截面尺寸较大的弹簧，通常是在热成型后进行淬火＋中温回火（３５０℃～５００℃）处理，得到回火托氏体组织。３.性能及应用合金弹簧钢具有高的屈服强度特别是高的弹性极限，并有一定的塑性和韧性，用来制造各种弹簧和弹性元件。图上一页下一页返回第三节合金结构钢６－１７～图６－１９为几种汽车用弹簧。弹簧的表面质量对使用寿命影响很大，常采用喷丸处理以强化表面，提高弹簧钢的屈服强度和疲劳强度。４.合金弹簧钢零件制造工艺路线６０Ｓｉ２Ｍｎ汽车板弹簧的工艺路线如下：扁钢下料→加热压弯成型→淬火＋中温回火→喷丸５.常用合金弹簧钢常用合金弹簧钢的牌号、热处理、力学性能及应用见表６－８（摘自ＧＢ／Ｔ１２２２—２００７）。滚动轴承钢１.用途上一页下一页返回第三节合金结构钢滚动轴承钢用于制作各类滚动轴承（图６－２０）的内外套圈、滚动体。从化学成分看，滚动轴承钢属于工具钢范畴，所以这类钢也经常用于制造各种精密量具、冷冲模具、机床丝杠等耐磨零件。２.热处理方法高碳铬轴承的热处理主要为球化退火、淬火和低温回火。３.成分特点（１）含碳量。高碳（含量在０.９５％～１.１５％），碳化物可以提高强度、硬度及耐磨性。（２）合金元素。主要加入Ｃｒ（含量在０.４％～１.６５％），提高淬透性和上一页下一页返回第三节合金结构钢接触疲劳抗力，细化晶粒，有时还加入Ｓｉ、Ｍｎ进一步提高淬透性，用于制造大型轴承。４.常用轴承钢滚动轴承钢最具有代表性的是ＧＣｒ１５。用于制造中、小型号轴承，也常常用来制造量具、丝锥、冷冲模等。常用滚动轴承钢牌号、化学成分、热处理、性能及应用见表６－９。易切钢１.成分易切钢是在碳钢基础上加入一定量的Ｓ、Ｐｂ、Ｐ、Ｃａ等合金元素形成的容易切削加工的钢。上一页下一页返回第三节合金结构钢其可以是从低碳到高碳各种含碳量的钢，钢中含硫量为０.１８％～０.３０％，含锰量为０.６％～１.５５％，钢中形成大量的ＭｎＳ夹杂物，故切削易断，且有一定的润滑作用，从而改善切削性能。适当提高含磷量可以使铁素体脆化，也能提高切削性能。含锰量较高的易切钢，应在牌号后附加Ｍｎ，如Ｙ４０Ｍｎ等。２.热处理方法及组织易切钢的热处理及组织主要由钢中含碳量决定。３.性能及应用易切钢适合在自动机床上进行高速切削，切削后零件表面质量较高，而且刀具的磨损较小，使用寿命较长。上一页下一页返回第三节合金结构钢主要用于制造受力较小、不太重要且大批生产的标准件，如螺钉、螺母、垫圈、垫片（图６－２１）、缝纫机（图６－２２）、计算机和仪表零件等。４.常用易切钢常用易切钢的牌号、化学成分、力学性能及应用见表６－１０（摘自ＧＢ８７３１—２００８）。上一页返回第四节合金工具钢合金工具钢主要用于制造刀具、量具、模具等，含碳量甚高。其合金元素的主要作用是提高钢的淬透性、耐磨性及热硬性。加入合金元素Ｓｉ、Ｃｒ、Ｍｎ等可提高钢的淬透性；加入Ｗ、Ｍｏ、Ｖ可形成特殊碳化物，提高钢的热硬性和耐磨性。与碳素钢相比，合金工具钢适合制造形状复杂、尺寸较大、切削速度较高或工作温度较高的工具和模具。如高速工具钢含有大量的Ｗ、Ｍｏ、Ｖ、Ｃｒ等元素，用这种钢制成的钻头、铰刀或拉刀，在切削温度高达６００℃时仍能保持高硬度，故可采用较高的切削速度进行切削。图６－２３为高速钢制成的拉刀。下一页返回第四节合金工具钢合金工具钢分为合金刃具钢、合金模具钢、合金量具钢等。它的牌号与合金结构钢相似，不同的是以一位数字表示平均含碳量的千分数，若含碳量超过１％，则不标出。例外的是，高速钢的含碳量尽管未超过１％，牌号中也不标出。合金刃具钢合金刃具钢可制造各种车刀、铣刀等切削刀具。它必须具有高硬度（＞６０ＨＲＣ）、高耐磨性、高热硬性、足够的韧性和塑性。１.低合金刃具钢（１）成分。上一页下一页返回第四节合金工具钢含碳量高，为０.７５％～１.５０％，主加硅、铬、锰、钨等合金元素，保证高硬度、高耐磨性、高热硬性，提高淬透性。（２）热处理方法及组织。锻造后进行球化退火预先热处理，降低硬度，方便切削加工。最终热处理为淬火＋低温回火，组织为回火马氏体＋粒状碳化物。（３）性能及应用。低合金刃具钢与碳素工具钢相比，有较高的淬透性、较小的淬火变形、较高的红硬性（达３００℃）、较高的强度与耐磨性。但其红硬性、耐磨性、淬透性仍不能满足高速切削要求。主要用于制造变形要求小的、尺寸较小的或低速切削的刀具，如丝锥（图６－２４）、板牙（图６－２４）、铰刀、钻头（图６－２５）、低速车刀、刨刀（图６－２６）等。上一页下一页返回第四节合金工具钢（４）工艺路线。低合金刃具钢９ＳｉＣｒ圆板牙制造工艺路线如下：下料→锻造→球化退火→粗切削加工→淬火＋低温回火→精切削加工（５）常用钢种。常用低合金刃具钢的牌号、热处理及应用见表６－１１（摘自ＧＢ／Ｔ１２９９—２０１４）。２.高速钢（１）成分。含碳量高，为０.７５％～１.６５％，可保证形成较多的合金碳化物，获得高碳马氏体，从而保证高硬度及高耐磨性。还含有质量分数总和在１０％以上的钨、钼、钒、铬等碳化物形成元素。上一页下一页返回第四节合金工具钢钨和钼的主要作用是提高钢的热硬性，含有大量钨和钼的马氏体具有很高的抗回火性，在５６０℃左右回火时，会析出弥散的特殊碳化物Ｗ２Ｃ、Ｍｏ２Ｃ，造成二次硬化；铬能显著提高钢的淬透性；钒形成的碳化物ＶＣ很稳定，硬度极高，可显著提高钢的耐磨性，钒也会产生二次硬化，提高钢的热硬性。（２）热处理方法。高速钢的加工工艺路线如下：下料→锻造→球化退火→机加工→淬火＋回火→喷砂→磨削（３）性能及应用。高速钢与其他工具钢相比的突出特点是高的热硬性，它可使刀具在高速切削、刃部温度升高到６００℃时硬度仍能维持在５５～６０ＨＲＣ。上一页下一页返回第四节合金工具钢高速钢还具有高硬度和高耐磨性，使切削时刀刃保持锋利，因此高速钢也称为“锋钢”。高速钢的淬透性优良，甚至在空气中冷却也能得到马氏体，故又称“风钢”。高速钢广泛应用于制造尺寸大、形状复杂、负荷重、工作温度高的各种高速切削刀具，如图６－２７和图６－２８所示。（４）常用钢种。常用高速钢的牌号、热处理及应用见表６－１２。Ｗ１８Ｃｒ４Ｖ钢是我国发展最早、应用最广的一个钢种，它的特点是热硬性高、加工性好。目前应用较广的还有Ｗ６Ｍｏ５Ｃｒ４Ｖ２等钨钼系高速钢，这类钢的耐磨性、热塑性和韧性都优于Ｗ１８Ｃｒ４Ｖ钢，而且价格相对较低，但其脱碳倾向较大，热加工时应注意。上一页下一页返回第四节合金工具钢合金模具钢模具是用于压力加工的工具，模具的品种不同，性能要求也不同，用作模具的材料也不同，碳素工具钢、合金工具钢、高速钢、滚动轴承钢等都可用于制造模具。根据模具的工作条件不同，模具钢可分为冷作模具钢和热作模具钢。１.冷作模具钢冷作模具钢的典型钢号为碳素工具钢、低合金工具钢、高碳高铬的Ｃｒ１２型模具钢。主要应用于冲孔模具（图６－２９）、冷冲模（图６－３０）、冷挤压模、拉丝模（图６－３１）等。上一页下一页返回第四节合金工具钢（１）成分。含碳量较高，为０.８５％～２.３％，以保证高硬度；常加入铬、钨、锰、钼等合金元素提高淬透性、耐磨性等。（２）热处理方法及组织。预先热处理为球化退火以软化材料，方便切削加工；最终热处理为淬火和较低温度回火，以提高硬度及耐磨性。（３）性能及应用。冷作模具钢具有高的硬度和良好的耐磨性以及足够的强度和韧性，还具有较高的淬透性。用于制造使金属在较低温度下变形的模具，如冷冲模、冷镦模、拉丝模等。（４）冷作模具加工工艺路线。Ｃｒ１２ＭｏＶ钢制冲孔模具的工艺路线如下：上一页下一页返回第四节合金工具钢下料→锻造→球化退火→切削加工→淬火＋回火→磨削加工或电火花加工（５）常用钢种。尺寸较小的轻载模具，可采用Ｔ１０Ａ、９ＳｉＣｒ、９Ｍｎ２Ｖ等一般刃具钢来制造。尺寸较大的重载模具或要求精度较高、热处理变形小的模具，一般采用Ｃｒ１２型钢如Ｃｒ１２、Ｃｒ１２ＭｏＶ等。Ｃｒ１２型钢的化学成分、热处理及应用见表６－１３，这类钢含有高碳和高铬，其组织中有较多铬的碳化物，耐磨性好。Ｃｒ１２ＭｏＶ钢的含碳量低于Ｃｒ１２钢，故其碳化物不均匀性较Ｃｒ１２钢有所减轻，因此强度和韧性较高。钼能减轻碳化物偏析，并能提高淬透性。钒可细化钢的晶粒，增加韧性。上一页下一页返回第四节合金工具钢２.热作模具钢热作模具钢用于制造使金属热成型的模具，如热锻模（图６－３２）、热挤压模、压铸模（图６－３３）等，其工作部分的温度会升高到３００℃～４００℃（热锻模）、５００℃～８００℃（热挤压模），甚至达到１０００℃（钢铁压铸模），工作时承受较大冲击、摩擦、反复的热循环、热应力。（１）成分。含碳量为０.３％～０.６％，在中碳范围，保证较高的韧性、强度、硬度、导热性；常加入Ｃｒ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｓｉ等合金元素以提高淬透性、高温强度、抗热疲劳能力等。（２）热处理特点及组织。上一页下一页返回第四节合金工具钢热处理与调质钢相似，锻造后预先热处理采用退火，最终热处理为淬火＋高温回火，组织为回火索氏体。（３）性能及应用。具有良好的综合力学性能，如高的热强性和足够高的韧性，高的热硬性和高温耐磨性，高的热疲劳抗力和抗氧化能力，高的淬透性和良好的导热性。用于各种热变形模具。（４）热作模具制造工艺路线。５ＣｒＭｎＭｏ钢制热锻模具的工艺路线如下：下料→锻造→退火→粗切削加工→淬火＋回火→精切削加工（修形或抛光）（５）常用钢种。上一页下一页返回第四节合金工具钢典型牌号：热锻模：５ＣｒＭｎＭｏ，热挤压模或压铸模：３Ｃｒ２Ｗ８Ｖ。常用热作模具钢的牌号、化学成分及应用见表６－１４。合金量具钢合金量具钢是制造计量工件尺寸的工具的金属材料。保持尺寸精度（或尺寸稳定性）是量具最基本的性能要求。１.成分、性能及应用量具钢为高碳钢，以保证其工作部分具有高的硬度和耐磨性，在长期使用过程中不因磨损而失去原有的精度。量具钢可用于制造各种测量工具，如卡尺、千分尺、块规、塞规等，如图６－３４～图６－３６所示。上一页下一页返回第四节合金工具钢２.热处理及组织量具钢预先热处理为球化退火，最终热处理为淬火＋低温回火。为保证其硬度及尺寸稳定性，量具淬火后应进行－７０℃～－８０℃的冷处理，使残余奥氏体尽可能地转变为马氏体，然后进行低温回火。精度要求高的量具，淬火回火后，再在１２０℃～１３０℃进行几至几十小时的时效处理，以进一步提高其尺寸稳定性。最终组织为回火马氏体及粒状碳化物。３.量具制造工艺路线ＣｒＷＭｎ钢制块规的工艺路线如下：上一页下一页返回第四节合金工具钢下料→锻造→球化退火→粗切削加工→淬火→冷处理→低温回火→粗磨→低温人工时效处理→精磨→去应力回火→研磨４.常用量具钢常用量具钢的种类及应用见表６－１５。其中最常用的为碳素工具钢和低合金工具钢。上一页返回第五节特殊钢特殊钢是指具有特殊的物理、化学性能的钢，这类钢包括不锈钢，耐磨钢，耐蚀钢及具有软磁、永磁、无磁等特殊物理、化学性能的钢。其中，不锈钢在石油、化工、食品、医药等工业及日用品、装饰材料中广为应用。不锈钢不锈钢是指在大气、酸、碱或盐的水溶液等腐蚀介质中具有高度稳定性的钢，不锈钢又称不锈耐酸钢。金属的腐蚀通常可分为化学腐蚀和电化学腐蚀两类。金属直接与周围介质发生化学反应而产生的腐蚀称为化学腐蚀；而金属在电解质溶液中由于原电池作用产生电流而引起的腐蚀称为电化学腐蚀。下一页返回第五节特殊钢大部分金属的腐蚀都属于电化学腐蚀。当两种电极电位不同的金属互相接触，且有电解质溶液存在时，将形成原电池，使电极电位较低的金属成为阳极并不断被腐蚀。在同一合金中，也有可能形成微电池而产生电化学腐蚀，例如，钢中渗碳体的电极电位比铁素体的高，当存在电解质溶液时，铁素体成为阳极而被腐蚀。要提高钢的抗腐蚀能力，可采取以下措施：（１）加入合金元素，使钢在室温下为单相的铁素体、单相的奥氏体或单相的马氏体组织，这样可减少构成微电池的条件，从而提高钢的耐蚀性。（２）加入合金元素，提高钢中基本相的电极电位。上一页下一页返回第五节特殊钢（３）加入合金元素，在钢的表面形成一层致密的、牢固的氧化膜，使钢与周围介质隔绝，提高抗腐蚀能力。不锈钢按正火状态的组织不同可分为马氏体不锈钢、铁素体不锈钢、奥氏体不锈钢等。１.马氏体不锈钢１）化学成分特点碳含量：０.１％～０.４５％；铬含量：１２％～１４％。２）典型牌号Ｃｒ１３型：１Ｃｒ１３、２Ｃｒ１３、３Ｃｒ１３、４Ｃｒ１３。随碳含量的增加，强度、硬度增大，但耐腐蚀性降低。上一页下一页返回第五节特殊钢３）主要应用１Ｃｒ１３、２Ｃｒ１３：汽轮机叶片（图６－３７）、水压机阀、螺栓、螺母等。３Ｃｒ１３、４Ｃｒ１３：医用手术刀（图６－３８）、耐蚀弹簧等。２.铁素体不锈钢１）化学成分特点铁素体不锈钢在加热、冷却时不发生组织转变，组织始终为Ｆ，因此不能通过热处理进行强化。铁素体不锈钢可采用冷塑性变形，通过加工硬化提高强度。上一页下一页返回第五节特殊钢高铬低碳：含碳量＜０.１５％，含铬量为１２％～３０％。２）典型牌号Ｃｒ１７型：１Ｃｒ１７随Ｃｒ含量的增加，基体电极电位提高，并在室温获得单相Ｆ。３）主要应用化工设备容器、管道（图６－３９），硝酸、氮肥、磷酸工业中的耐蚀零件。３.奥氏体不锈钢奥氏体不锈钢是目前应用最多的不锈钢，典型的钢种是１８－８型镍铬不锈钢，含铬量为１８％左右，含镍量为８％左右，如１Ｃｒ１８Ｎｉ９。上一页下一页返回第五节特殊钢此类钢的耐腐蚀性很好，冷热加工性和焊接性也很好，还具有一定的耐热性，广泛用于化工生产中的某些设备及管道等。此类钢常用的热处理工艺是固溶处理，即把钢加热到１１００℃，使碳化物充分溶解，然后水冷，使单相奥氏体保留到室温，从而提高耐蚀性。对于含钛或铌的１８－８型不锈钢，经固溶处理后再进行一次稳定化处理，可消除晶间腐蚀倾向。稳定化处理温度为８５０℃～８８０℃，保温６ｈ左右，随后缓慢冷却，使碳几乎全部稳定于碳化钛或碳化铌中，防止碳与铬形成（Ｃｒ，Ｆｅ）２３Ｃ６，提高基体中含铬量，从而提高基体的电极电位，提高耐蚀性。１８－８型不锈钢制成的餐具如图６－４０所示。上一页下一页返回第五节特殊钢常用不锈钢的牌号、成分、热处理及应用见表６－１６（摘自ＧＢ／Ｔ１２２０—２００７）。耐热钢钢的耐热性包括抗高温氧化性和高温强度两方面。在钢中加入足够的铬、硅、铝等元素，使钢在高温下与氧接触，表面能生成致密的高熔点氧化膜Ｃｒ２Ｏ３、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３等，严密地覆盖在钢的表面，保护钢免于高温气体的继续腐蚀，提高钢的抗氧化能力。高温强度通常用蠕变极限和持久强度来评定。高温工作的金属材料，在恒定应力作用下，即使应力小于屈服强度，也会缓慢地产生塑性变形的现象称为蠕变。上一页下一页返回第五节特殊钢蠕变极限通常是指在给定温度下和规定的试验时间内，使试样产生一定蠕变变形量的应力值。为了提高钢的高温强度，通常采用以下几种措施：（１）加入铬、钼、钨等合金元素造成固溶强化，而且增大原子间的结合力，提高钢的再结晶温度，使热强性提高。（２）加入铌、钒、钛等，形成ＮｂＣ、ＶＣ、ＴｉＣ等碳化物，在晶内弥散析出，提高钢的热强性。（３）加入钼、锆、硼等元素以净化晶界和提高晶界强度，从而提高热强性。上一页下一页返回第五节特殊钢按照正火组织，耐热钢可分为珠光体耐热钢、马氏体耐热钢和奥氏体耐热钢。１.珠光体耐热钢这类钢是低合金耐热钢，合金元素总量不超过５％。加入铬主要是为了提高抗氧化性，加入钼和钒是为了提高高温强度。珠光体耐热钢使用温度为５００℃以下。常用牌号有１５ＣｒＭｏ、１２ＣｒＭｏＶ，前者常用作锅炉材料，后者常用于汽轮机叶片。２.马氏体耐热钢马氏体不锈钢也常用作耐热钢。通常在１Ｃｒ１３钢的基础上加入钼、钨、钒以提高再结晶温度和高温强度。上一页下一页返回第五节特殊钢工作温度不超过６５０℃，这类钢主要用于制造航空发动机（图６－４１）、汽轮机叶片（图６－４２）和内燃机气阀等。３.奥氏体耐热钢１８－８型镍铬不锈钢也常用作耐热钢。钢中加入的铬可提高抗氧化性和高温强度，镍使钢形成稳定的奥氏体，并与铬相配合提高高温强度，钛、钨、钼等是通过形成弥散的碳化物提高钢的高温强度。这类钢的耐热性能优于前两种耐热钢，其冷成形性能和焊接性能均很好，工作温度为６００℃～７００℃。常用耐热钢的牌号、成分、热处理及应用见表６－１７。上一页下一页返回第五节特殊钢耐磨钢耐磨钢是指在承受严重磨损和强烈冲击时具有很高抗磨损能力的钢。目前应用最多的耐磨钢是高锰钢。高锰钢的主要成分为：含碳量０.９％～１.５％，含锰量１１％～１４％。由于机械加工困难，高锰钢主要用于制造铸件，牌号为ＺＧＭｎ１３－１等，“－”后数字表示序号。高锰钢的热处理为“水韧处理”，即把钢加热到１０６０℃～１１００℃，使碳化物全部溶解，然后迅速水淬，在室温下获得均匀单一奥氏体组织。此时钢的硬度很低（１８０～２２０ＨＢＳ），而韧性很高。上一页下一页返回第五节特殊钢当在工作中受到强烈冲击或强大压力而变形时，表面层产生强烈的加工硬化，并且还发生马氏体转变，使硬度显著提高（５００～５５０ＨＢＷ），获得高的耐磨性；而心部仍为具有高韧性的奥氏体组织，能承受冲击。当表面磨损后，新露出的表面又可在冲击和磨损条件下获得新的硬化层，故高锰钢具有很高的耐磨性和抗冲击能力。高锰钢广泛用于制造耐磨性要求特别高且在高冲击与高压力下工作的零件，如球磨机的衬板（图６－４３）、挖掘机铲斗（图６－４４）、破碎机颚板（图６－４５）、拖拉机和坦克的履带板、铁路的道岔等耐磨零件。常用高锰钢的牌