第七章合金钢

1、第七章 合金钢,所谓合金钢，是指在碳素钢基础上为改善钢的某些性能而在熔炼时加入一些特定元素所构成的钢。按合金元素加入量的高低，合金钢可分为低合金钢、中合金钢和高合金钢三种 。,第一节 合金元素在钢中的作用 一、合金元素在钢中的存在形式 1. 溶于铁素体, 起固溶强化作用 非碳化物形成元素及过剩的碳化物形成元素都溶于铁素体，形成合金铁素体。 Si、Mn对强度、硬度提高显著。 Cr、Ni在适当范围内提高韧性。,2. 形成碳化物，起强化相作用 合金元素与碳的亲和力从大到小的顺序为：,二、合金元素对Fe - Fe3C相 图的影响 1. 使奥氏体相区缩小的合金元素 Cr、Mo、Si、Ti、W、Al等元素

2、缩小奥氏体相区，使A3点上升， A4点下降。 Cr13%时，室温下为单相铁素体组织，称铁素体钢。 2. 使奥氏体相区扩大的合金元素 Ni、Mn、Co、C、N等元素扩大奥氏体相区，使A3点下降， A4点上升。 Mn13%或Ni9%时, 室温下为单相奥氏体组织, 称奥氏体钢。,三、合金元素对钢热处理的影响 1. 合金元素对钢加热的影响 （1）对奥氏体形成速度的影响：除Ni、Co外，都减缓奥氏体化过程。,（2）对奥氏体晶粒长大倾向的影响： 碳、氮化物形成元素阻碍奥氏体晶粒长大 Mn、P促进长大。,2. 合金元素对钢冷却转变的影响 对C曲线和淬透性的影响：合金元素（除Co、Al）的加入，稳定奥氏体，使

3、C曲线右移，淬透性提高。 常用提高淬透性的元素为Mn、Si、Cr、Ni、B。,3.合金元素对钢回火转变的影响 1）提高耐回火性：淬火钢在回火过程中抵抗 硬度下降的能力称耐回火性。 2）产生二次硬化 含高W、Mo、Cr、V钢淬火后在回火时, 硬度不仅不下降, 反而升高的现象称二次硬化。 3）防止第二类回火脆性 加W、Mo可防止第二类回火脆性。,第二节 合金钢的分类 一、按质量等级分 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、硫含量如下：,2、按使用特性分,二、合金钢的牌号 合金钢的编号方法延用了碳钢的一些编号习惯，即工程结构用的合金钢（低合金高强度结构钢）

4、用钢的屈服点来表示它的牌号；机器零件用的合金结构钢、合金工具钢及特殊性能钢一般用它的化学成分（碳质量分数、合金元素含量）来表示它的牌号。 常用钢（含碳素钢）产品的名称、用途、特性和工艺方法表示符号（GB/T 2212000）见下表,常用钢产品的名称、用途、特性和工艺方法表示符号（GB/T 2212000）,1、低合金高强度钢编号方法 Q+最低屈服强度值+质量等级符号 Q表示“屈服强度”；屈服强度值单位是MPa； 质量等级符号为A、B、C、D、E。由A到E，其P、S含量依次下降，质量提高。,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。如Q345C。 *说明：一般情况

5、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。,2、合金钢的牌号 牌号为碳含量+合金元素符号+元素的百分含量数字 合金元素及其含量标注 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。如20CrMnTi 当合金元素的平均含量为1.502.49%、2.50 3.49%、3.504.49%、4.505.49%、时，在相应的合金元素符号后标2、3、4、5 等数字。如20CrNi3。,* 说明： 滚动轴承钢含铬量也以千分之一为单位标出，并在牌号头部加字母“G”，如GCr15 高级优质合金钢在牌号后加字母A，如60Si2MnA。 特级优质合金钢在牌号后加字

6、母E，如30CrMnSiE。, 碳含量标注 合金结构钢 含碳量以万分之一为单位标出(两位数字) 如40Cr、60Si2Mn 工具钢和特殊性能钢 含碳量以千分之一为单位标出(一位数字) 如8MnSi、4Cr13,* 说明 低合金工具钢含碳量大于1.00%时，不标含碳量，如CrWMn (1.0%C) 高速钢不标含碳量，如W18Cr4V (含0.75%C) 滚动轴承钢不标含碳量，如GCr15 (1.0%C) 高锰钢不标含碳量，如ZGMn13 (0.751.45%C) 铸钢在牌号前加“ZG”, 余同结构钢, 如ZG20Cr13, 不锈钢和耐热钢 当含碳量为0.1% - 0.03%时，以“0”表示，如“

7、0Cr18Ni9”（含碳量上限为0.08%） 当含碳量为0.03%-0.01%时(超低碳)，以“03”表示，如“03Cr19Ni10”（含碳量上限为0.03%） 当含碳量0. 01%时(极低碳)，以“01”表示，如“01Cr19Ni11”(含碳量上限为0.01%) *注: 旧牌号:0.08%C时, 标“0”;0.03%C时, 标“00”,第三节 合金结构钢,机械结构：指适用于制造钢结构和机械零件的钢类。属于优质的、特殊质量的结构钢。一般要热处理后使用。包括调质结构钢、表面硬化钢、弹簧钢、冷塑成形钢等。它们多以钢棒、钢管、钢板、钢带、钢丝等规格供货。,一、工程结构用合金结构钢 （一）低合金高强度

8、结构钢 1、性能要求: 高强度及足够韧性。 良好的焊接性能、耐蚀性及低的冷脆转变温度。 2、成分特点：低碳(0.2%C)、主加Mn Mn: 强化铁素体, 增加珠光体的量, 降低脆转温度。 V、Ti、Nb: 起细化晶粒和弥散强化作用。 Cu、P可提高耐蚀性，RE可提高韧性、疲劳极限。,3、热处理：热轧空冷后使用 4、使用状态下组织：F+P 5、用途： Q345钢(16Mn)综合性能好，用于船舶、桥梁、车辆等大型钢结构。 Q390钢含V、Ti、Nb，强度高，用于中等压力的压力容器。 Q460钢含Mo、B，正火组织为B，强度高，用于石化中温高压容器。,（二）低合金耐候钢,在碳素结构钢的基础上加入少量

9、的铜、铬、镍、钼、磷等合金元素，使其在钢的表面形成一层连续致密的保护膜，可耐大气腐蚀的低合金钢称耐候钢。 1） 高耐候性结构钢 如09CuPCrNiB（C0.12%），主要用于车辆、建筑、塔架及其他耐候性要求高的工程结构件。 2） 焊接结构用耐候钢 如12MnCuCr(C：0.080.15%），用于桥梁、建筑及有耐候要求焊接结构件。,3. 其它低合金专业用钢 为了适应某些特定场合的特殊需要，在低合金高强度结构钢基础上，通过调整化学成分及工艺方法，形成了一些低合金专业用钢。这些钢种有：汽车用低合金钢、低合金钢筋钢、铁道用低合金等。,二、机器零件用合金结构钢 这类钢是在优质碳素结构钢基础上加入一定

10、量的合金元素而构成的钢，其质量等级一般都属于特殊质量级别，使用前一般都需热处理以充分发挥其性能潜力，主要用于较重要的机器零件。按其用途及热处理特点，该钢可分为合金渗碳钢、合金调质钢和合金弹簧钢。,1. 合金渗碳钢,用表面淬火、渗碳、渗氮等表面热处理工艺方法能充分地发挥该类钢的表面硬化作用的钢种。主要包括：非合金和合金渗碳钢、非合金和合金感应加热表面淬火钢、合金渗氮钢三类。,1. 渗碳钢制造渗碳零件的钢种 （1）性能要求： 1）表硬里韧 2）良好淬透性和渗碳能力。 （2）成分特点：低碳(0.10.25%C), 加Cr、Mn、Ni、B等元素 Cr、Mn、Ni、B：提高淬透性 Cr、Mn、Ni ：强

11、化铁素体 W、Mo、Ti、V ：细化晶粒,渗碳淬火后的表层组织,（3）热处理特点 渗碳件的加工工艺路线为：下料锻造正火机加工渗碳淬火+低温回火 正火目的为调整硬度，便于切削加工。 淬火温度: Ac1+30-50。 （4）使用状态下组织 心部：M回+F 表层： M回+颗粒状碳化物+A(少量)；,（5）常用钢号及用途 低淬透性钢：20、20Cr。用于受力小的耐磨件，如柴油机的活塞销、凸轮轴等。 中淬透性钢：20CrMnTi。用于中等载荷的耐磨件，如变速箱齿轮。 高淬透性钢：18Cr2Ni4WA。用于大载荷的耐磨件，如柴油机曲轴。,2. 合金调质钢 （1）成分特点 中碳(0.30.5%C)，合金元素

12、作用为： 提高淬透性：Mn、Si、Cr、Ni、B 强化铁素体：Mn、Si、Cr、Ni 细化晶粒：Ti、V 防止第二类回火脆性：W、Mo,回火索氏体,（2）热处理及组织特点 调质件的加工工艺路线为：下料锻造退火粗加工调质精加工装配 调质目的:获得良好综合力学性能 使用状态下的组织为：S回,为提高表面耐磨性，调质后可进行表面淬火或氮化。,（3）性能：良好的综合力学性能。 （4）常用钢号及用途 常用钢号为45、40Cr、40CrNi。用于制造较小的齿轮、轴、螺栓等零件。 制造大截面重载荷零件，如曲轴等用高淬透性的40CrNiMo等 。,3. 合金弹簧钢 （1）性能要求 (弹簧是储存能量或缓和冲击的零

13、件) 高的、s/b、-1；足够的韧性，较好的淬透性 （2）成分特点：中高碳 碳素弹簧钢为0.60.9%C；合金弹簧钢为0.450.7%C 合金元素作用： 提高淬透性、强化铁素体：Mn、Si、Cr 提高s/b：Si 细化晶粒：V,（3）热处理及组织特点 冷成型弹簧：冷拔冷成型定型处理（250300）。 用于10mm）,（4）常用钢号及用途 常用钢号为65Mn、60Si2Mn 用于制造较大截面弹簧。 制造大截面、大载荷、耐热的弹簧用50CrV 。,4.滚动轴承钢 制造轴承套和滚动体专用钢种 性能要求 (轴承承受接触应力、交变载荷和摩擦) 高而均匀的硬度、耐磨性、b、接触疲劳强度和足够的韧性。 (1

14、)成分特点：高碳(0.951.10%C)，主加Cr Cr、Mn、Si：提高淬透性 Cr 还提高耐磨性和耐蚀性 当1.65%Cr时，因A增加而使硬度和稳定性下降。,(2)热处理 滚动轴承钢是过共析钢。 热处理： 球化退火+淬火+低温回火 组织： M回+颗粒状碳化物+A（少量） 淬火后可进行冷处理(-60-80)，以减少A，稳定尺寸。,4、性能及用途 应用最广的是GCr15，大量用于大中型轴承； 大型轴承用GCr15SiMn。 这类钢还可用于制造模具、量具等。,第四节 合金工具钢,按用途分为刃具钢、模具钢和量具钢。,一、合金刃具钢 用来制造各种切削刀具的钢种。,（一）低合金工具钢 在碳素工具钢基础

15、上加入少量合金元素(35)形成。 1、成分特点： 高碳：0.751.5%C 合金元素作用 提高淬透性: Cr、Mn、Si 提高耐磨性、细化晶粒: W、V,2、热处理及组织 同碳素工具钢，只是淬火介质为油 （碳工钢为水）。 使用状态下的组织为： M回+颗粒状碳化物+A（少量） 3、常用钢号及用途 应用最多的是9SiCr。用于制造形状复杂、要求变形小的低速刃具，如丝锥、板牙等。,高速钢铣刀,（二）高速工具钢 制造高速切削刃具用钢。 （俗称锋 钢、白钢） 1、性能特点：高热硬性(达600)、高淬透性。 2 、成分特点 高碳：0.701.5%C 高合金元素含量 提高淬透性：Cr 提高热硬性、耐磨性：W

16、、Mo、V,W18Cr4V钢的铸态组织,3、加工与热处理 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，其铸态组织为亚共晶组织，由鱼骨状莱氏体与树枝状M+T组成，脆性大且无法通过热处理改善。,W18Cr4V钢的退火组织, 退火目的： 降低硬度,便于切加工； 为淬火作组织准备。 退火后组织： S+颗粒状碳化物, 锻造目的：打碎粗大的鱼骨状碳化物，使其均匀分布于基体中。,W18Cr4V钢的淬火组织,淬火目的： 获得高合金元素含量的马氏体。 淬火温度高(1200)。,淬火后组织： M+未溶碳化物（10%）+A（ 20%）,W18Cr4V硬度与回火温度关系, 回火目的：主要为减少A。

17、消除内应力。 常采用560三次回火。 回火时的组织变化： 析出W、Mo、V的碳化 物，产生二次硬化。 碳及合金元素含量下降，Ms点上升，回火冷却时，A转变为M。 每次回火加热都使前一次的淬火马氏体回火。,W18Cr4V钢淬火、回火后的组织,4、使用状态下组织 M回+颗粒状碳化物+A（少量）,不同状态下W18Cr4V的组织,5、常用钢号及用途 常用的高速钢有种，W系：W18Cr4V（18-4-1） WMo系：W9Mo3Cr4V（9-3-4-1） W6Mo5Cr5V2（6-5-4-2）超硬系：W6Mo5Cr4V2Al（6-5-4-2-1）。W18Cr4V和 W6Mo5Cr4V2钢的组织和性能相似，

18、但W6Mo5Cr4V2钢的耐磨性、热塑性和韧度较好，W18Cr4V钢的红硬性和热处理防脱碳、过热倾向性较好。 用于高速切削刃具，如车刀、刨刀、铣刀、钻头等。,汽车冲压模具,二、模具钢 用以制造冷热模具的钢种。 冷作模具钢 制造金属冷成型模具的钢种 1、性能要求 高硬度和耐磨性。 足够的强度和韧性。,Cr12钢,2、常用钢种 碳素工具钢和低合金工具钢：用于小尺寸、形状简单、受力不大的模具。 Cr12型冷作模具钢 成分特点：高碳(1.42.3%C)；高铬(11.513%Cr) 合金元素作用： Cr 提高淬透性； Mo、V 提高耐磨性，细化晶粒。,汽车外板冷冲模, 加工及热处理：同高速钢相。 最终热

19、处理为：淬火+低温回火 使用状态下的组织： M回+颗粒状碳化物+A（少量）, 常用钢号 为Cr12和Cr12MoV。 用于制造冷冲模、挤压模等。, 热作模具钢 制造使加热金属或液态金属成型模具的钢种。 1、性能要求 高温下良好的 综合力学性能。 抗热疲劳性能。 高的淬透性和良好的导热性。,曲轴模具,2、常用钢种 热锻模钢 5CrNiMo、5CrMnMo 前者用于大型热锻模，后者用于中小型热锻模。 成分特点、合金元素作用及热处理同调质钢。 使用状态下的组织：S回。,型板压铸模, 压铸模钢 常用3Cr2W8V。为过共析钢。 中碳（0.30.4%C），合金元素作用同高速钢。 W、Cr有提高抗热疲劳作

20、用。 淬火+回火后组织： M回+颗粒状碳化物+A(少量),汽车四缸压铸模,三、量具钢 制造各种量具用钢。如千分尺、卡尺、块规、塞规等。,1、性能要求 量具在使用过程中与被测零件接触，承受摩擦和冲击。 高硬度和耐磨性。 高的尺寸稳定性。 足够的韧性。,量规,量块,2、量具用钢 低碳钢渗碳、 中碳钢表面淬火。 碳素工具钢、低合金工具钢 用于尺寸小、形状简单、精度要求不高的量具。 滚动轴承钢、冷作模具钢 用于制造精密量具。 不锈钢 用于制造接触腐蚀介质的量具。,3、量具钢的热处理特点 预备热处理组织为球化退火或调质处理组织。 下限温度淬火及冷处理，目的是减少A。 长时间低温时效，以消除内应力，降低马

21、氏体的正方度。,第五节 特殊性能钢,指具有特殊物理、化学性能的钢，如不锈钢、耐热钢和耐磨钢等。,一、不锈钢 具有抵抗大气、酸、碱、盐等腐蚀作用 的合金钢统称为不锈耐蚀钢。 金属的腐蚀包括： 化学腐蚀：金属在非电解质中的腐蚀。 电化学腐蚀：金属在电解质溶液中的 腐蚀，是有电流参与作用的腐蚀。 不同组织、成分、应力区域之间都可构成微电池。,防止电化学腐蚀的措施： 获得均匀的单相组织。 提高合金的电极电位。 使表面形成致密的钝化膜。,在工业发达国家，每年金属腐蚀造成的直接经济损失占其GNP的4%左右。中国每年腐蚀的损失至少到400亿元以上。,常用不锈耐蚀钢 1、马氏体不锈钢 主要为Cr13型 钢号为

22、1Cr134Cr13 随含碳量提高，强度、硬度提高，耐蚀性下降。 1Cr133Cr13 热处理：淬火+高温回火 使用状态下的组织：S回,汽轮机叶片,性能：耐大气、蒸汽腐蚀及良好的综合力学性能。 用途：用于要求塑韧性较高的耐蚀件，如汽轮机叶片等。, 4Cr13 热处理：淬火+低温回火 使用状态下的组织：M回 性能：强度、硬度较高 用途：用于要求耐蚀、耐磨件，医疗器械、量具等。,2、铁素体不锈钢 典型钢号如0Cr13、1Cr17等。 成分：高铬低碳 无相变 不能进行热处理强化。 组织：单相铁素体,钢中相, 性能特点 耐酸蚀，抗氧化能力强，塑性好。但有脆化倾向： 475脆化：加热到450550停留，

23、产生脆化。,再加热到600快冷可消除。 相脆化： 在600 800长期加热时，析出硬而脆的相。, 用途 广泛用于硝酸和氮肥工业的耐蚀件。,3、奥氏体不锈钢 主要为18-8（18Cr-8Ni）型。 性能特点：具有良好的耐蚀性，冷热加工性及可焊性。高的塑韧性，无磁性。, 热处理：采用固溶处理。即加热到1100使碳化物溶解后水冷。 组织：单相奥氏体,不锈钢带, 常用钢种 为1Cr18Ni9、1Cr18Ni9Ti。 用途：广泛用于化工设备及管道。,二、耐热钢,耐热钢是指在高温下具有较高强度和良好的化学稳定性的一类合金钢的总称。按钢的主要特性可分为抗氧化钢（高温不起皮钢）和热强钢两大类。 抗氧化钢一般要求高温下具有较好的化学稳定性，但承受的载荷较低 。 热强钢则要求有较高的高温强度和合适的抗氧化性 。,性能要求 1、高的抗氧化性： 指钢在高温下对氧化作用的抗力。,2、高的热强性 热强性是指金属在高温下的强度。,提高高温强度的途径： 固溶强化 加入Mo、W、Co，增大原子间结合力，减慢扩散过程，提高热强性； 析出强化 采用难熔碳化物MC、M6C、M23C