教学材料工程材料-第四章

第一节钢铁材料的生产过程钢铁生产工艺流程可包括选矿、烧结、炼焦、高炉炼铁、转炉（或电炉）炼钢、连铸和轧制等过程（图４－１），还有制氧／制氮、烟气除尘、循环水冷却、煤气回收等辅助系统。选矿钢铁生产第一步为铁矿石的选择，而铁矿石就是主要的炼铁原料。铁矿石除了铁的化合物，还有Ｓｉ、Ｍｎ、Ｐ、Ｓ等化合物。炼铁要求含铁量大于９０％铁矿石才可直接入炉，因此磁铁矿、赤铁矿、褐铁矿和菱铁矿都是最常用的炼铁原料，但必须进行相应的选矿过程，即多级磁选或干湿磁选进行磁铁矿选矿、重选和浮选进行赤铁矿选矿、水洗和重选进行褐铁矿选矿、弱磁—强磁—浮选渐进性菱铁矿选矿。下一页返回第一节钢铁材料的生产过程高炉炼铁高炉炼铁是钢铁生产中的重要环节，指用还原剂将铁矿石中的铁氧化物还原成金属铁。具体生产方式如下：高炉生产时从炉顶装入铁矿石、焦炭、造渣用熔剂（石灰石），从位于炉子下部沿炉周的风口吹入经预热的空气；在高温下焦炭（有的高炉也喷吹煤粉、重油、天然气等辅助燃料）中的碳同鼓入空气中的氧燃烧生成的一氧化碳，在炉内上升过程中除去铁矿石中的氧，从而还原得到铁；炼出的铁水从铁口放出；铁矿石中不能还原的杂质和石灰石等熔剂结合生成炉渣，从渣口排出；产生的煤气从炉顶导出，经除尘后，作为热风炉、加热炉、焦炉、锅炉等的燃料（图４－２）上一页下一页返回第一节钢铁材料的生产过程高炉是炼铁的主要设备，其本体自上而下分为炉喉、炉胸、炉身、炉腹、炉缸五部分。转炉炼钢转炉炼钢是以铁水、废钢、铁合金为主要原料，靠铁液本身的物理热和铁液组分间化学反应产生热量而在转炉中完成炼钢过程。转炉按耐火材料可分为酸性转炉和碱性转炉，按气体吹入炉内的部位有顶吹转炉、底吹转炉和侧吹转炉；按气体种类为分空气转炉和氧气转炉。具体生产方式如下：以氧气顶吹转炉炼钢为例，按照配料标准，先把废钢、铁水、适量的造渣材料装入转炉内，再把氧气喷枪从炉顶插入炉内，吹入氧气（纯度大于９９％的高压氧气流），使其直接跟高温的铁水发生氧化反应，除去杂质。上一页下一页返回第一节钢铁材料的生产过程在除去大部分硫、磷后，当钢水的成分和温度都达到要求时，即停止吹炼，提升喷枪，准备出钢。出钢时使炉体倾斜，钢水从出钢口注入钢水包里，同时加入脱氧剂进行脱氧，并调节成分。钢水合格后，可以浇成钢的铸件或钢锭，钢锭可以再轧制成各种钢材。氧气顶吹转炉在炼钢过程中会产生氧化铁尘粒和高浓度的一氧化碳气体等有害物质，必须加以净化回收，综合利用，以防止污染环境。从回收设备得到的氧化铁尘粒可以用来炼钢；一氧化碳可以做化工原料或燃料；烟气带出的热量可以生产水蒸气。生成的炉渣也可以用来做钢渣水泥，含磷量较高的炉渣，可加工成磷肥等。上一页下一页返回第一节钢铁材料的生产过程连铸连铸是连续铸钢的简称，连铸的生产方式如下：将装有精炼好钢水的钢包运到回转台，回转台转动到浇注位置后，将钢水注入中间罐，中间罐再由水口将钢水分配到各个结晶器，结晶器将钢水凝成一定形状的铸件后，从结晶器下方出口由引锭杆、拉矫机与结晶振动机构共同作用连续拉出，经二次冷却道喷水冷却、电磁搅拌，全部凝固后经切割机切成坯料。其主要设备为连铸机，连铸机主要由中间罐、结晶器、振动机构、引锭杆、二次冷却道、拉矫机和切割机组成。轧制轧制是生产钢材最常用的生产方式，即将金属坯料通过一对旋转轧辊的间隙（各种形状），因受轧辊的压缩使材料截面减小、长度增加的压力加工方法。上一页下一页返回第一节钢铁材料的生产过程主要用来生产型材、板材、管材。轧制分热轧和冷轧两种。热轧就是在再结晶温度以上进行的轧制，冷轧是在再结晶温度以下进行的轧制。热轧可以破坏钢锭的铸造组织，细化钢材的晶粒，并消除显微组织的缺陷，从而使钢材组织密实，力学性能得到改善。但经过热轧之后，钢材内部的非金属夹杂物（主要是硫化物和氧化物，还有硅酸盐）被压成薄片，出现分层（夹层）现象。冷轧是以热轧钢卷为原料，经酸洗去除氧化皮后进行冷连轧，其成品为轧硬卷。由于连续冷变形引起的冷作硬化使轧卷的强度、硬度上升，韧塑性指标下降，因此冲压性能将恶化，只能用于简单变形的零件。上一页返回第二节碳钢的分类碳钢可以根据不同的方法进行分类，一般可按照化学成分、质量、冶炼方法和用途进行分类。按化学成分的分类碳钢按是否含有合金元素可分为碳素钢和合金钢。碳素钢是指碳含量小于等于２.１１％的铁碳合金。而合金钢是指为改善钢的性能在碳素钢的基础上人为地加入一定量合金元素所获得的铁基合金。碳素钢根据含碳量多少分为低碳钢（ｗＣ≤０.２５％）、中碳钢（０.２５％＜ｗＣ≤０.６％）和高碳钢（ｗＣ＜０.６％）；合金钢根据合金元素总量可分为低合金钢（合金元素总量≤５％）、中合金钢（５％＜合金元素总量≤１０％）和高合金钢（合金元素总量＞１０％）。下一页返回第二节碳钢的分类按质量的分类钢的质量是以磷、硫的含量来划分的，可分为普通质量钢、优质钢、高级优质钢和特级优质钢。根据现行标准，各质量等级钢的磷、硫含量具体见表４－１。按冶炼方法的分类按照冶炼方法又可从炉别和脱氧程度两方面进行分类。按照炉别可分为平炉钢、转炉钢和电炉钢（图４－３），按照脱氧程度可分为沸腾钢、镇静钢、半镇静钢和特殊镇静钢。沸腾钢是指脱氧不充分，浇注时碳与氧反应发生沸腾，成材率高，但不致密；镇静钢是指脱氧充分，组织致密，成材率低；半镇静钢介于沸腾钢和镇静钢之间；特殊镇静钢是比镇静钢脱氧程度更充分彻底的钢。上一页下一页返回第二节碳钢的分类按用途的分类工业用钢按用途可分为结构钢、工具钢和特殊性能钢。结构钢可分为用于建筑、桥梁、船舶、车辆等领域的工程用钢和机器用钢，机器用钢又可分为渗碳钢、调质钢、滚动轴承钢、弹簧钢和耐磨钢。工具钢可分为刃具钢、模具钢和量具钢。特殊性能钢包括耐热钢和不锈钢。上一页返回第三节常用碳钢常用的碳钢根据使用范围可包括结构钢、工具钢和特殊性能钢三大类，每一大类又可根据特定的使用条件和热处理方式分为几小类，并具有一定的组织和材料性能。常用钢的编号我国钢材的编号是采用汉语拼音字母、化学元素符号和阿拉伯数字相结合的方法。采用汉语拼音字母表示钢产品的名称、用途、特性和工艺方法时，一般从代表钢产品名称的汉字的汉语拼音中选取第一个字母。常用钢产品的名称、用途、特性和工艺方法表示符号见表４－２（ＧＢ／Ｔ２２１—２０００节选）。下一页返回第三节常用碳钢１.碳素结构钢和低合金高强度钢碳素结构钢和低合金高强度钢的牌号表达方式：Ｑ＋最低屈服强度值＋质量等级符号＋脱氧方法符号，其中Ｑ表示“屈服强度”，通常情况下，屈服强度值小３００ＭＰａ时为碳素结构钢，大于３００ＭＰａ时为低合金高强度钢；屈服强度值的单位是ＭＰａ；质量等级符号为Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ，由Ａ到Ｅ等级，其Ｐ、Ｓ含量依次下降，质量提高。而沸腾钢用Ｆ、镇静钢用Ｚ、半镇静钢用ｂ、特殊镇静钢用ＴＺ的脱氧符号来表示。低合金高强度结构钢都是镇静钢或特殊镇静钢，其牌号中没有表示脱氧方法的符号。根据需要，低合金高强度结构钢的牌号也可以采用两位阿拉伯数字（表示平均含碳量的万分之几）和化学元素符号，按顺序表示。上一页下一页返回第三节常用碳钢２.优质碳素结构钢优质碳素结构钢牌号用两位数字表示，这两位数字表示钢平均含碳量的万分之几。如４５钢表示其平均含碳量为万分之四十五（即ｗＣ为０.４５％）的优质碳素结构钢。含Ｍｎ量为０.７％～１.０％时，在两位数字后加元素符号“Ｍｎ”。对于沸腾钢和半镇静钢，在钢号后分别加字母Ｆ和ｂ。高级优质钢在钢号后加字母Ａ。３.合金结构钢和合金弹簧钢合金结构钢和合金弹簧钢的牌号表示方式：两位数字（表示平均含碳量的万分之几）＋合金元素符号＋该元素百分含量数字。上一页下一页返回第三节常用碳钢当合金元素的平均含量小于１.５０％时，只标元素符号，不标含量；当合金元素的平均含量为１.５０％～２.４９％、２.５０％～３.４９％、３.５０％～４.４９％、４.５０％～５.４９％时，则在相应的合金元素符号后对应标２、３、４、５等数字。如２０ＣｒＮｉ３；高级优质钢在牌号后加字母Ａ；特级优质钢在牌号后加字母Ｅ。４.工具钢１）碳素工具钢碳素工具钢牌号的表达方式：Ｔ＋数字，其中Ｔ表示“碳素工具钢”，数字表示平均含碳量的千分之几。碳素工具钢的质量都是优级以上的，高级优质钢在钢号后加“Ａ”。上一页下一页返回第三节常用碳钢２）合金工具钢合金工具钢牌号的表达方式：含碳量＋合金元素符号＋元素百分含量＋合金元素符号＋元素百分含量＋……当含碳量小于１.００％时，含碳量用一位数字标明，这一位数字表示平均含碳量的千分之几；当含碳量大于１.００％时，不标含碳量。高速钢不标含碳量，但其含碳量仅为０.８５％。当含铬量小于１％时，在含铬量（以千分之一为单位）前加数字“０”。５.轴承钢轴承钢牌号的表达方式：Ｇ＋Ｃｒ＋铬含量（不标含碳量），其中“Ｇ”表示“滚动轴承钢”；铬含量以千分之一为单位。而渗碳轴承钢牌号的表示方法与合金结构钢相同，仅在牌号头部加字母“Ｇ”。上一页下一页返回第三节常用碳钢常用碳钢介绍１.结构钢结构钢以强韧性为主的使用性能，以可焊性、淬透性为主的工艺性能被广泛使用。它包括碳素结构钢、低合金高强度结构钢、渗碳钢、调质钢、滚动轴承钢等。１）碳素结构钢碳素结构钢含碳量低于０.４％，其Ｐ、Ｓ量和非金属夹杂较多，可焊性、塑性好，热轧空冷态下以热轧板、带、棒及型钢使用，使用时的组织为铁素体和珠光体（Ｆ＋Ｐ），用量约占钢材总量的７０％，常被用于建筑结构（图４－４），适合焊接、铆接、栓接等工艺。上一页下一页返回第三节常用碳钢２）低合金高强度结构钢低合金高强度结构钢必须具备以下性能要求：高强度及足够韧性，良好的焊接性能，良好的耐蚀性和低的韧脆转变温度。低合金高强度结构钢是低碳钢，含碳量低于或等于０.２％。其合金元素主要是Ｍｎ，还有少量Ｖ、Ｔｉ、Ｎｂ等；Ｍｎ的作用是强化铁素体，增加珠光体的量；Ｖ、Ｔｉ、Ｎｂ等起细化晶粒和弥散强化作用。加合金元素Ｃｕ、Ｐ可提高耐蚀性；加ＲＥ可提高韧性、疲劳极限，降低冷脆转变温度。低合金高强度结构钢大多数热轧空冷后使用，少数则用正火＋高温回火处理，使用时的组织为铁素体和珠光体（Ｆ＋Ｐ）。上一页下一页返回第三节常用碳钢３）渗碳钢渗碳钢是指制造渗碳零件的钢种。其材料性能特点是：表面具有高硬度、高耐磨性，中心部具有足够的韧性和强度，即“表硬里韧”的特点；有良好的热处理性能，如淬透性和渗碳能力。渗碳钢是低碳钢，含碳量为０.１％～０.２５％；其合金元素Ｃｒ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｂ可提高淬透性，合金元素Ｃｒ、Ｍｎ、Ｎｉ可强化铁素体，合金元素Ｗ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｖ可细化晶粒。渗碳钢的加工工艺路线为：下料→锻造→正火→机加工→渗碳→淬火＋低温回火，其中正火的目的为调整硬度，便于切削加工；淬火温度一般为Ａｃ１＋（３０℃～５０℃）。其使用状态时的表层组织为Ｍ回＋颗粒状碳化物＋少量Ａ′，中心部组织为Ｍ回＋Ｆ。上一页下一页返回第三节常用碳钢４）调质钢调质钢是指调质后使用的钢种，具有良好的综合力学性能和良好的淬透性。调质钢是中碳钢，含碳量为０.３％～０.５％；其合金元素Ｍｎ、Ｓｉ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｂ可提高淬透性，合金元素Ｍｎ、Ｓｉ、Ｃｒ、Ｎｉ可强化铁素体，合金元素Ｔｉ、Ｖ可细化晶粒，合金元素Ｗ、Ｍｏ可防止第二类回火脆性。调质钢的加工工艺路线为：下料→锻造→退火→粗加工→调质→精加工→装配。调质可获得优良的综合力学性能，因此使用状态下的组织为回火索氏体（Ｓ回）（图４－９）。为提高表面耐磨性，调质后可进行表面淬火＋低温回火或氮化。这时的调质的作用是为表面淬火做组织准备，获得最终心部组织，而使用状态下的表面组织为回火马氏体（Ｍ回），心部组织为回火索氏体（Ｓ回）。上一页下一页返回第三节常用碳钢５）滚动轴承钢滚动轴承钢是指用于制造轴承套和滚动体的专用钢种（图４－１１）。轴承在工作时要承受一定的摩擦，承受的接触应力可达３０００～３５００ＭＰａ、周期性交变载荷的频率达数万次／ｍｉｎ，因此要求滚动轴承钢具备高而均匀的硬度和耐磨性，高的抗拉强度和接触疲劳强度，足够的韧性、淬透性和耐蚀性的特点。滚动轴承钢属于高碳钢和过共析钢，含碳量为０.９５％～１.１０％。其合金元素以Ｃｒ为主，加入Ｍｎ、Ｓｉ。其中Ｃｒ、Ｍｎ、Ｓｉ的主要作用是提高淬透性，Ｃｒ还可形成合金渗碳体来提高耐磨性和耐蚀性。但Ｃｒ含量高于１.６５％时，会因Ａ′增加而使硬度和稳定性下降。上一页下一页返回第三节常用碳钢滚动轴承钢的热处理工艺为球化退火＋淬火＋低温回火，使用状态下的组织为回火马氏体（Ｍ回）＋颗粒状碳化物＋少量残余奥氏体（Ａ′），淬火后在－６０℃～－８０℃进行冷处理，可以减少Ａ′（Ａ′为非稳定组织）从而稳定尺寸的变化。２.工具钢工具钢按用途分为刃具钢、模具钢和量具钢。１）刃具钢刃具钢是指用来制造各种切削刀具的钢种，因此在使用时必须具备以下的性能：高硬度（≥ＨＲＣ６０）、高耐磨性、高热硬性和足够的韧性。刃具钢包括碳素工具钢、低合金工具钢和高速钢。上一页下一页返回第三节常用碳钢（１）碳素工具钢。碳素工具钢属于高碳钢，含碳量为０.６５％～１.３５％，而且随着含碳量的提高，碳化物量增加，耐磨性提高，但韧性下降。由于碳素工具钢热硬性、淬透性差，一般只用于制造小尺寸的手工工具和低速刃具（图４－１２）。其有七个牌号：Ｔ７～Ｔ１３，其中Ｔ７～Ｔ９用于制造承受冲击的工具；Ｔ１０～Ｔ１１用于制造低速切削工具；Ｔ１２～Ｔ１３用于制造耐磨工具。碳素工具钢的热处理方式：正火＋球化退火＋淬火（水淬）＋低温回火，其中球化退火的目的：一是降低硬度，便于加工；二是为淬火做组织准备。其使用状态下的组织为Ｍ回＋颗粒状碳化物＋Ａ′（少量）。上一页下一页返回第三节常用碳钢（２）低合金工具钢。低合金工具钢是在碳素工具钢基础上加入少量合金元素形成的。低合金工具钢属于高碳钢，含碳量为０.７５％～１.５％，其中的合金元素Ｃｒ、Ｍｎ、Ｓｉ可提高淬透性，合金元素Ｓｉ可提高耐回火性，合金元素Ｗ、Ｖ可提高耐磨性、细化晶粒。低合金工具钢的热处理方式：正火＋球化退火＋淬火（油淬）＋低温回火，其中球化退火的目的：一是降低硬度，便于加工；二是为淬火做组织准备。其使用状态下的组织为Ｍ回＋颗粒状碳化物＋Ａ′（少量）。应用最多的低合金工具钢是９ＳｉＣｒ，用于制造形状复杂、要求变形小的低速刃具（图４－１３）。上一页下一页返回第三节常用碳钢（３）高速钢。高速钢俗称风钢，是指制造高速切削刃具的用钢。高速钢具有高热硬性（６００℃）、高淬透性的特点。高速钢也属于高碳钢，含碳量为０.７０％～１.５％，其中合金元素Ｃｒ可提高淬透性，合金元素Ｗ、Ｍｏ、Ｖ可提高热硬性、耐磨性。高速钢的加工工艺路线：下料→锻造→退火→机加工→淬火→回火→磨削。高速钢是莱氏体钢，铸态组织是由鱼骨状莱氏体＋树枝状马氏体（Ｍ）＋屈氏体（Ｔ）组成（图４－１４），脆性大而且无法采用热处理去改善。因此采用锻造来击碎粗大的鱼骨状碳化物，使其均匀分布于基体中。退火是为降低硬度，便于后面的机加工；并且为机加工后的淬火做组织准备，退火后组织为索氏体（Ｓ）和颗粒状碳化物（图４－１５）。上一页下一页返回第三节常用碳钢淬火目的是为获得高合金元素含量的马氏体，因此淬火温度高（＞１２００℃），淬火后组织为马氏体（Ｍ）、未溶碳化物（约１０％）和残余奥氏体（Ａ′）（约２０％）（图４－１６）。回火主要为减少残余奥氏体（Ａ′），消除内应力和稳定组织，常用在５６０℃时进行三次回火。使用状态下的组织为回火马氏体（Ｍ回）＋颗粒状碳化物＋少量残余奥氏体（Ａ′）（图４－１７）。常用高速钢钢号有两种：Ｗ１８Ｃｒ４Ｖ（１８４１）和Ｗ６Ｍｏ５Ｃｒ４Ｖ２（６５４２），用于高速切削刃具。２）模具钢模具钢是指用以制造冷成型模具或热成型模具的钢种。上一页下一页返回第三节常用碳钢（１）冷作模具钢。冷作模具钢是指制造金属冷成型模具钢种，具有高硬度、耐磨性、足够的强度和韧性。小尺寸、形状简单、受力不大的模具，可用碳素工具钢和低合金工具钢制造；截面、受力大的冷模具用Ｃｒ１２型冷作模具钢制造。Ｃｒ１２型冷作模具钢属于高碳钢，含碳量为１.４％～２.３％；含铬量高，为１１.５％～１３％。其中合金元素Ｍｏ、Ｖ可提高耐磨性，细化晶粒；合金元素Ｃｒ可提高淬透性。Ｃｒ１２型模具钢也是莱氏体钢，需进行锻造、退火，和高速钢的热处理目的是相同的，但最终热处理为淬火＋低温回火，使用状态下的组织为回火马氏体（Ｍ回）＋颗粒状碳化物＋少量残余奥氏体（Ａ′）。常用钢号为Ｃｒ１２和Ｃｒ１２ＭｏＶ，用于制造冷