学习情境六 工业用钢

1、1,学习情境六 工业用钢,重点内容,学习目的,通过本章的学习，了解钢铁中的元素及其作用，掌握常用材料的牌号、性能、用途及热处理。,1.熟悉常用热处理的工艺参数及工序位置的制定。,2. 掌握常用材料的牌号、性能、用途及热处理。,金属材料的分类,金属,钢铁,铸铁 ,钢,白口铸铁、灰铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁、蠕墨铸铁,非合金钢 （碳钢）,碳素结构钢、优质碳素结构钢、碳素工具钢、铸钢,合金钢,合金 结构钢,易切削钢、渗碳钢、调质钢、滚动轴承钢、弹簧钢、超高强度钢,合金 工具钢,量具刃具钢 合金模具钢高速钢,冷作模具钢 热作模具钢,特殊性能钢,非铁金属,低合金钢,不锈钢、耐热钢、耐磨钢,铜、铝、钛、锌、

2、，轴承合金，硬质合金,低合金高强度结构钢、耐候钢,钢铁的分类及牌号统一数字代号体系,（1）按化学成分,（2）按主要质量等级 主要性能及使用特性,非合金钢,低合金钢,合金钢,钢的分类,钢铁及合金牌号统一数字代号体系,大写拉丁字母有：a、b、c、e、f、h、j、l、m、p、q、 s、t、u、w。其中a表示合金结构钢；l表示低合金钢；u 表示非合金钢；t表示工具钢等。,第一位阿拉伯数字有09。在不同的钢中，每一位数字所代表的含义各不相同。如在合金结构钢细分类中，0代表mn（x）、mnmo（x）钢；1代表simn（x）、simnmo（x）钢。在低合金钢细分类中，0代表低合金一般结构钢；1代表低合金专用

3、结构钢。在非合金钢中，1代表非合金一般结构及工程结构钢；2代表非合金机械结构钢等,钢铁中的元素及其作用,常存杂质元素对钢性能的影响,锰 mn 0.25-0.80% 有益。mns(降低s的有害作用),固溶强化，使性能提高； 屈服强度提高。,热加工性能；,硅 si 有益。脱氧脆性 ，固溶强化 ，屈服强度提高。,硫 有害， 985熔点 fes热脆,磷 p 有害，fe3p 室温下100，脆性大冷脆,基本元素：fe、c 合金元素：为改善钢的性能而有意加入 杂质元素：无法去除的有害元素 残留元素：为去除杂质元素而加入的元素,6.1 非合金钢,1. 按钢的碳质量分数分,低碳钢wc 0.25%,中碳钢0.25

4、 wc 0.6%,高碳钢wc 0.6%,2按钢的质量分,普通碳素钢ws 0.05% 、 wp 0.045%,优质碳素钢ws 0.03%、 wp0.035%,高级优质钢（标a） ws 0.025% wp 0.025%,特级优质钢（标e） ws 0.015% wp 0.025%,3按钢的用途分,碳素结构钢 （工程结构和机械零件用钢）,碳素工具钢 （刃具、量具和模具用钢）,铸钢,4按钢脱氧程度分：沸腾钢（f）、镇静钢（z，可省略）,半镇静钢（b）,6.1.1碳素结构钢,1.牌号表示方法,q235-af,a、b、c、d,f、b、z、tz,特殊镇静钢（tz可省略）,碳素结构钢的牌号表示方法,q 235

5、a f,q235-af，表示碳素结构钢中屈服点235mpa，质量等 级为a级的沸腾钢。,碳素结构钢,最新牌号gb/t221-2000,2.性能及用途,用途： q195、 q215、 q235塑性好，可轧制成钢板、 钢筋、钢管等。 q255、 q275可轧制成型钢、钢板等。,性能：强度较低，但冶炼容易，工艺性好，价廉，且具 有优良的锻造性、焊接性和切削加工性能,加工成形后一般不进行热处理，大都在热轧状态下直接使用。,用途,钢板、钢筋、型钢等，作桥梁、建筑等构件。,热处理：热轧空冷组织：sf,多边型角钢,螺钉、铆钉,钢筋、螺纹钢,6.1.2优质碳素结构钢,钢号用平均碳质量分数的万分数的数字表示 。

6、,如：08f，30a，45，15mn,（f表沸腾钢）,（“a”表高级优质钢）,注：mn指含mn量高0.7%1.2,1.牌号表示方法,如45钢，表示碳的质量分数为45/100000.45 %,(摘自gb/t699-1999),较重要的零件，如齿轮、轴、连杆、弹簧等。,塑性及韧性较高， 一般都要经过热处理以 提高力学性能。,2.性能及用途,性 能,用 途,15 、20钢:渗碳,表硬内韧,作凸轮、小齿轮、摩擦片、活塞销、摇臂等,3055钢:调质,综合机械性能好,制齿轮连杆轴类等,6070钢,淬火,中回,制造弹性元件,如汽车气门弹簧.,低碳钢常用于制作冷冲压件、渗碳件等； 中碳钢常用于制作轴类零件；

7、高碳钢常用于制作负荷不大、尺寸较小的弹簧等。,08 、 10钢:强度低,塑性好,具有良好的冲压、拉深及焊接性能,用于制造冷冲压件,如汽车和拖拉机油箱、仪表板、汽缸盖衬垫、连杆轴瓦的钢背、曲轴止推片等.,上海桑塔纳发动机曲轴就是采用优质50号中碳钢锻制而成，先正火后半精加工，最后经中频淬火后再精加工,汽车曲轴,以碳的平均质量千分数表示，并在前冠以t。,6.1.3碳素工具钢,1.牌号表示方法,如：t10a, t9 , t12mn,(a表示高级优质钢）,注：mn指含mn量高0.4%0.6,t 12 a,ws 0.020 % wp 0.030 %,t7，t8：强度，韧性较高，可制作冲头、凿子、榔头,t

8、9，t10，t11、 t10a ：强度，韧性适中，可制作钻头、 刨刀、丝锥、手锯及冷作模具。,t12，t13： 硬度很高，韧性低，可制作锉刀、刮刀、量规。,2.性能及用途,生产成本较低；易于冷、热加工，热处理后有相当高的硬度；在受热不大的情况下工作时有较好的耐磨性，主要用于制造各种低速或手动刃具、量具、模具等,(摘自gb/t1298-1986),用途: 用于低速、低温(200）、低冲击、硬度在hrc62左右的 刃具。,碳素刃具钢,锉 刀,手 锤,热处理：淬火 + 低温回火 组织：回火m 粒状fe3c + a,钻头,6.1.4铸造碳钢,以强度表示的铸钢牌号,如zg200-400表示,（或,不小于

9、400mpa的铸造碳钢；,）,不小于200mpa，,1.牌号表示方法,以化学成分表示的铸造合金钢牌号,如zg15cr1mo1v钢，表示,wc0.15%、wcr1%、,wmo1%、wv0.9%的铸钢,（平均wv0.9%不标数字）,（平均wc 1%时不标出，平均wc0.1%时，第一组数字为“0”）,zg 200 - 400,主要用于制造形状复杂并需要一定强度、塑性和韧性 的零件，如齿轮、联轴器等。,2.性能及用途,热处理 退火或正火，细化晶粒，消除魏氏组织及铸造应力。 组织 pf,用途 形状复杂，需一定强度、塑性、韧 性的零件 机车车辆、船舶、重型机械齿轮、轴、轧辊、机座、缸体、外壳、阀体等,非合

10、金钢的不足, 强度和屈强比低；, 回火稳定性差；, 淬透性低，只能水冷，易变形开裂，性能不均;不适宜形状复杂和尺寸大的工件；, 不能满足特殊性能的要求，即耐热、耐蚀、抗氧化、耐磨、红硬性等。,与c的亲和力：强 弱,ti zr nb v w mo cr mn fe co ni cu si al,弱碳化物形成元素,强碳化物 形成元素,非碳化物 形成元素,合金元素对基本相的影响：,非碳化物形成元素,溶入f,固溶强化,弱碳化物形成元素,形成合金渗碳体,较硬，耐磨，比fe3c更稳定,强碳化物形成元素,形成特殊碳化物,高熔点，硬，耐磨，最稳定,合金元素在钢中的作用,中强碳化物 形成元素,除mn、p外均阻止

11、奥氏体晶粒长大。 v、ti、nb、zr强烈阻止 w、mo、cr等次之； ni、si、cu、co等的作用较弱,细化奥氏体晶粒,除ni、co外，大多数合金元素均减缓奥氏体化的过 程。,减缓奥氏体化速度,10,1.合金元素对钢的热处理工艺性能的影响,（1）在钢加热过程中的表现,综上所述，为了得到比较均匀的、含有足够数量合金 元素的奥氏体，充分发挥合金元素的有益作用，合金 钢在热处理时需要提高加热温度和延长保温时间。,（2）在钢冷却过程中的表现,提高淬透性,使淬火后的残余奥氏体量增多,提高淬透性（请点击）,除co、al外，完全溶于奥氏体，使奥氏体等温转变曲线位置右移，降低了钢的马氏体临界冷却速度。（多

12、元少量，效果显著）,cr、mo、w等合金元素不但使“c”曲线右移，而且当达到 一定含量时，会使“c”曲线出现两个鼻尖，可在连续冷却的条件 下获得贝氏体组织。,除co、al外，大多数固溶于马氏体中的合金元素均使ms 和mf点下降，使合金钢淬火后残余奥氏体量较非合金钢多,使淬火后的残余奥氏体量增多,提高回火稳定性,（3）在淬火钢回火时的表现（请点击）,使合金钢在达到与非合金钢相同硬度的情况下，回火温度更高，回火时间更长，可进一步消除残余应力，塑性、韧性较非合金钢好；而在同一温度回火时，合金钢的强度、硬度要比非合金钢高。,回火时产生二次硬化,从马氏体中析出硬度高、颗粒细小、数量多、高度弥散分布的特殊

13、碳化物； 部分残余奥氏体转变为马氏体或贝氏体。,防止第二类回火脆性,2.合金元素使钢的力学性能得到提高,形成合金渗碳体,形成特殊碳化物,（3）细晶强化,（2）第二相强化,（1）固溶强化(请点击),3.合金元素使钢获得特殊性能（请点击）,（1）形成单相稳定组织,得到奥氏体钢,得到铁素体钢,（2）形成致密氧化膜和金属间化合物,（1）使s、e点位置左移,s点左移，会使亚共析成分的合金钢中出现过共析钢的组织。 e点左移，使钢中有可能出现莱氏体组织（称为莱氏体钢）。,4.合金元素使fe-fe3c相图发生变化,（2）对临界点的影响,a1、a3和acm点移动,要判断合金钢是亚共析钢还是过共析钢，以及确定其热

14、处理加热或缓冷时相变温度，不能单纯地直接根据fe-fe3c相图，而应根据多元铁基合金系相图来进行分析。,以上讨论的是单独加入一种合金元素的影响，如同时加入多种元素，其综合作用并不是单个元素作用的简单总和。,合金元素对共析温度的影响,1、按合金元素质量分数总量分类,（2）中合金钢 总量 510,（1）低合金钢 总量低于5,（3）高合金钢 总量大于10,（1）机械结构用合金钢,（合金渗碳钢、合金调质钢与非调质钢、合金弹簧钢 、滚动轴承钢 、易切削钢）,2按用途分类,（2）合金工具钢与高速工具钢,（合金量具钢、合金刃具钢、合金模具钢、高速工具钢）,（3）特殊性能钢,（不锈钢、耐热钢、耐磨钢）,6.2

15、 低合金钢,1.牌号表示方法,如q420d表示屈服点,420mpa，质量等级为d级的,6.2.1低合金高强度结构钢,低合金高强度结构钢。,q 345 c,(摘自gb/t1591-1994),2.成分特点,低c:0.2% 保证韧性、焊接性、冷成型性。,合金元素以mn为主、mn和si 产生 固溶强化,加入v,nb,ti 等元素，细化f晶粒和细化碳化 物而沉淀强化,加入cu抗腐蚀,高强度:s300mpa,高韧性,良好焊接性能和冷成形性能,耐大气腐蚀,使用组织（s）p细f,次正火处理，个别要求高强度的情况下，如高压容器,才进行调质处理。,一般在热轧和正火状态下使用，有时在焊接后进行一,3.性能特点,4

16、.热处理特点,热处理组织 热轧空冷，sf,例：载货汽车的大梁采用q345钢后，使载重比由,1.05提高到1.25；南京长江大桥采用q345钢比用非合金,钢节约钢材15%以上 。,5. 常见钢号及其应用,q295,q345,q390,q420,q460,一般工程结构，桥梁、车辆，油罐、容器等,大型桥梁,船舶,压力容器，焊接结构.,高压锅炉,高压容器，大型船舶,使用状态的组织为细晶粒的铁素体珠光体，强度比普通碳素结构钢q235高约20%30%，耐大气腐蚀性能高20%38%，用于船舶、桥梁、车辆等大 型钢结构。,普通低合金钢的用途举例,q345钢 (16mn) 是我国低合金高强度结构 钢中用量最多、

17、产量最大的钢种。,南京长江大桥,q345钢 (16mn),强度较高，且韧性、焊接性及低温韧性也较好，被广泛用于制造桥梁、锅炉、船舶、中等压力的容器。,q390钢（15mnvn）含v、ti、nb， 中等 级别强度钢中使用最多的钢种。,强度级别超过400mpa后，铁素体和珠光体组织难以满足要求，于是发展了低碳贝氏体钢。 加入cr、mo、mn、b等元素，有利于空冷条件下得到贝氏体组织，使强度更高，塑性、焊接性能也较好，多用于高压锅炉、高压容器等，如q460钢。,q460钢含mo、b，正火组织为b，强度高，用于石化中温高压容器。,压力容器,6.2.2低合金耐侯钢,焊接结构用耐候钢,如q355nhc，表

18、示屈服点,质量等级为c级的焊接结构用耐候钢。,355mpa，,高耐候性结构钢,如q345gnhl。,含cr、ni的高耐候钢,桥梁、建筑等,车辆、建筑、塔架 等,6.2.3机械结构用合金钢,1、牌号表示方法,(1)合金渗碳钢、合金调质钢及合金弹簧钢,（合金元素含量少于1.5时不标数）,1.52.49标2,2.53.49标3类推,如：20crmnti 20cr2ni4a 40crmo 60si2mn,两位数字+所加合金元素符号和其百分含量类推（两,位数字为平均碳质量分数的万分数，加a为高级优质）,保证淬透性钢的代号为h，如45h、40crah,(2)滚动轴承钢,高碳铬轴承钢g+cr+数字 ：“g”

19、滚字拼音首字母，,数字为cr含量的千分数,如：gcr6 gcr9 gcr15,g20cr2ni4a渗碳轴承钢,又如：,gcr15simn,（1）工作条件及性能要求,表面受到强烈摩擦、磨损，同时又承受较大的交变载 荷，特别是冲击载荷的作用，要求零件表面具有优异的耐磨 性和高的疲劳强度，心部具有较高强度和足够的韧性。,2.合金渗碳钢,低c: 0.1%0.25%,加入提高淬透性元素：cr,ni,mn,b,加入mo,w,v,nb,ti等阻碍a晶粒长大和形成合金碳化物 提高耐磨性,ni增加渗层塑性、韧性,（3） 性能特点,渗层硬度高,耐磨,抗接触疲劳,且有适当塑性,韧性,心部高韧性和足够强度,良好的热处

20、理工艺性能 ，晶粒不宜长大，良好淬透性。,（2）成分特点,合金元素的作用比较见下页,典型渗碳钢的成分,3.4 渗碳钢,合金渗碳钢的牌号,20 mn2 ti a,退火（对p型钢）,高温回火（对m型钢）,（4） 热处理及使用态组织,预先热处理：低、中淬透性的渗碳钢，锻造后正火； 高淬透性的渗碳钢，锻压、空冷淬火后，再 于650左右高温回火,正火的目的是细化晶粒，减少组织中的带状程度并调整好硬度，便于机械加工。经过正火后的钢材具有等轴状晶粒。 对珠光体型钢通常用在800左右的一次退火代替正火，可得到相同的效果，即既细化晶粒又改善切削加工性能； 对马氏体型钢，则必须在正火之后，再在ac1以下温度进行高

21、温回火，以获得回火索氏体组织，这样可使马氏体型钢的硬度由380550hb降低到207240hb，以顺利地进行切削加工。,渗碳 在机械加工到只留有磨削余量时，进行渗碳处理。,最终热处理：通常是渗碳后淬火和低温回火（180200）。,渗碳扩散层的厚度决定于： 碳在奥氏体中的极限溶解度； 碳在奥氏体中的扩散速度； 扩散的时间。,钢表面的固溶碳极限是由奥氏体在渗碳温度 时对碳的饱和溶解度决定的。如超过碳在奥氏 体中的极限溶解度，在表面层中就会出现碳化物。,渗碳零件的渗碳过程大都是在910930 温度进行的。,淬火和低温回火,20crmnti钢齿轮的热处理规范,采用这种工艺的零件通常只要求表面高硬度和耐

22、磨性，而对基体性能要求不高。 主要用于渗碳后不容易过热的钢种。,渗碳后先进行空冷（即正火处理）使组织细化，而后再按渗碳后的表面成分进行淬火并低温回火。当要求表面高硬度、高耐磨性外，对基体性能有较高要求时，可采用这种工艺。主要用于渗碳后容易过热的钢种，如20cr、20mn2等。,渗碳空冷后，进行两次淬火。当对零件表面和基体性能的要求都很严格时，可用这种工艺。 第一次按钢的基体成分加热淬火，加热温度较高（870左右），目的是细化心部组织并消除表面渗碳层中的网状渗碳体； 第二次按高碳钢的成分进行（表面）淬火，目的是使表面获得细小的马氏体加粒状碳化物组织，以满足表面高性能的要求； 最后进行低温回火起消

23、除应力、稳定组织和稳定尺寸的作用。,这类热处理工艺主要用于航空发动机齿轮的热处理。,航空发动机齿轮(可达gb10095-88 4级),典型渗碳钢的热处理和力学性能,这些组织使零件具有更好的强硬度与韧塑性 的配合，心部的冲击韧性一般都高于700kj/m2。,托氏体加少量低碳回火马氏体及铁素体（2540hrc） 淬透性小的钢种。,心部,低碳回火马氏体4048hrc 淬透性高的钢种；,低碳回火马氏体加贝氏体（4048hrc） 淬透性中等的钢种；,表层高碳回火马氏体和合金渗碳体或碳化物及少量 的残余奥氏体，硬度可达6062hrc。,渗碳后的组织,（5） 典型钢号及其应用, 低淬透性合金渗碳钢:水淬临界

24、淬透直径为2035mm抗拉强度通常为8001000mn/m2。 20cr,15cr 、20mn2等制造受冲击载荷较小的，且对于心部要求不高的小型渗碳件，如小齿轮、活塞销、套筒、链条等,中淬透性:油淬临界淬透直径为2560mm，抗拉强度通常为10001200mn/m2。 20crmnti、20mn2tib、20mnvb等有良好的力学性能和工艺性能,适合高速、较高载、有冲击的耐磨件,如重要齿轮,连轴器,十字销头.,20crmnti钢有良好的机械性能和工艺性能。淬透性较高， 由于含有ti，其过热敏感性小,20crmnti钢齿轮可在渗碳后预冷到875直接淬火。先预 冷再淬火是为了减少淬火变形；同时在预

25、冷过程中渗碳层中 析出一些二次渗碳体（合金渗碳体），使得淬火后的渗碳层 中的残余奥氏体的数量减少。,因此这种钢大量用于制造承受高速、中载并要求抗冲击和 耐磨损的零件，特别是汽车、拖拉机上的重要齿轮及离合器 轴等。,20crmnti,20mn2tib、20mnvb是为节约cr而发展的代用钢，它们的缺点是淬透性不够稳定，热处理变形稍大且缺乏规律。,离 合 器 片 淬 火,高淬透性:油淬临界淬透直径为100mm以上，甚至空冷 也能淬成马氏体 。抗拉强度通常高于1200mn/m 18cr2ni4wa 20cr2ni4a 12cr2ni4a、15crmn2simo等,这类钢由于含有较多的cr和ni等合金

26、元素，渗碳层后表层的c含量又很高，这样就导致了马氏体转变温度的大幅度下降。若渗碳后直接淬火，渗碳层中将保留大量的残余奥氏体，使表面硬度下降，因此必须设法减少残余奥氏体的数量。,2,由于这类钢含有较多的ni，使得钢具有很好的韧性，特别是 低温冲击韧性，因此主要用于制造大截面、高载荷的重要齿轮 和耐磨件，如飞机、坦克中的重要齿轮及曲轴等。,为了减少残余奥氏体的数量，通常可以采用下面的三种方法： 第一种方法是淬火后进行冷处理（-60-100），使残余奥氏体继续转变为马氏体；,第二种方法 渗碳及正火后进行一次高温回火（600620），使碳化物从马氏体和残余奥氏体中进一步析出（高淬透性钢在正火时就可淬火

27、形成马氏体）； 随后再加热到较低温度（ac1+3050），淬火时，这些碳化物不再溶入奥氏体中，故减少了奥氏体中碳及合金元素含量，使马氏体转变温度有所升高，淬火后残余奥氏体数量就自然减少了。 最后再进行低温回火，以消除内应力并提高渗层的强度和韧性。若将上述两种减少奥氏体的方法同时采用，效果更好。,第三，在渗碳后进行喷丸强化，也可以有效地使渗层中的残余奥氏体转变为马氏体。,本溪钢铁集团1500热轧线主减速机一轴和二轴用 轴承套圈和滚子选取了渗碳钢g20cr2ni4a,渗碳钢还可以用来制造轴承。,最后应该指出的是，目前碳氮共渗用钢大多沿用如上所述的渗碳钢，但对碳氮共渗钢而言还要更加注意表面残余奥氏体

28、含量以及力求使碳和氮原子同时渗入等问题。 通常碳氮共渗用钢常加入cr、mo、b等元素而不用ni合金化，对mn的含量也宜加以限制。 为了提高碳氮共渗温度而不降低氮的浓度，可加入al0.2%，al能促进氮的渗入，并使碳氮共渗温度提高到875880。典型的钢号为20cr2moalb。,典型合金渗碳钢应用,低淬透性合金渗碳钢:含合金元素总量3 % 15cr、20cr、20mn2。用于受力小的耐磨件，如柴油机的活塞销、凸轮轴等。,活塞销( 20cr ),中淬透性合金渗碳钢:含合金元素总量在4 %左 右。20crmn、20crmnti、20mn2tib。用于中等载荷的耐磨件，如变速箱齿轮。,变速齿轮,拨叉

29、,柴油机凸轮轴,20 crmnti 钢制造齿轮的热处理工艺曲线,高淬透性合金渗碳钢:含合金元素总量在4 % 6 %。18cr2niwa、20cr2ni4a等。用于大载荷的耐磨件,如柴油机曲轴。,柴油机曲轴,现有35x20mm的两根轴。一根为20钢，经920渗碳后直接淬火(水冷)及180回火，表层硬度为58 62hrc；另一根为20crmnti钢，经920渗碳后直接淬火(油冷)，-80冷处理及180回火后表层硬度为60 64hrc。问这两根轴的表层和心部的组织(包括晶粒粗细)与性能有何区别?为什么?,3.合金调质钢与非调质钢,成分特点,中c：0.25%0.50%，以0.4左右为主 。,加入提高淬

30、透性元素 cr,ni,mn,si,b 等 。,加入mo,w消除回火脆性。,加入强碳化物形成元素ti, v , w. mo提高回火稳定性和 细化晶粒., ni, si, mn可强化.,工作条件及性能要求,重载荷、受冲击、重要零件 高强度、高韧性相结合的良好综合力学性能，良好的淬透性,（1）合金调质钢,性能特点, 应用 汽车，拖拉机，机床，工程机械等的重要零件 如：齿轮，轴类，连杆，螺栓等。,良好的综合力学性能, 能满足多种和较复杂载荷的工作条件,热处理工艺及使用态组织,预先热处理,最终热处理:,:低淬透性调质钢，常采用正火；中淬透性调质 钢，常采用退火；高淬透性调质钢，则用正火 后高温回火。,调

31、质，可附加表面淬火或氮化(38crmoal)。, 典型钢号及其应用,低淬透性合金调质钢,合金元素总量3 %,油淬临界直径 为2040mm 。,常用钢号40cr, 40mnb 用于制作一般 尺寸重要零件,如齿轮、主轴等,连 杆,轴,连杆,柴油机凸轮轴,圆锥齿轮,合金元素总量在4 %左右，油淬临界直径 最大为40mm60mm。,典型钢种是35crmo、40crmn、40crni、 30crmnsi等。,35crmo、40crmn等钢可用于500 以下的较高温度下服役的零件，如汽轮机转 子、叶轮等。,38 crsi、35 crmo 等常用于制造较小的齿轮、轴、螺栓等零件。,中淬透性合金调质钢,叶轮、

32、转子,曲轴,汽车曲轴,电气机车大轴,磨床主轴,汽轮机转子,汽轮机转子 （aetc公司）,3. 1 调质钢,高淬透性合金调质钢,合金元素总量在4 % 10 %，油淬临界直 径最大为60mm100mm。,典型钢种是38 cr mo al a、 37crni3a、 40crmnmo、40crnimoa、25cr2ni4wa等。 这类钢多半是铬镍钢，较多的cr和ni的适当 配合可大大提高钢的淬透性，并获得优良的 机械性能。,40crnimoa钢主要用于制造大截面、重载 荷的重要零件，如航空发动机轴、汽轮机主轴、 叶轮等。,3.1 调质钢,某军舰汽轮机主轴,wc = 0.250.6 %,wc = 0.2

33、50.5 %,合金元素: cr、mn、 ni、b、si、v、 w、mo、ti等。,表层: s回,心部: p + f,表层: s回,心部: s回,40cr钢制造连杆螺栓的热处理工艺曲线,典型氮化钢种及应用,经调质和表面氮化处理后， 38crmoal钢表面可获得最高氮化层硬度，达9001000hv。,广泛应用的氮化钢主要是38crmoala、38cr2wvala等。在500600温度范围内氮化物扩散层的深度不大，因而表面薄层所达到的高力学性能从表层迅速下降。,要求高耐磨性的零件要有高硬度的表面氮化层，一般采用含强氮化物形成元素铝的钢种，如38crmoal。,仅要求高疲劳强度的零件，可采用不合铝的c

34、r-mo型氮化钢，如35crmo、40crv等，其氮化层的硬度控制在500800hv。,rn2-25-6氮化炉,超精密镗床,防震镗杆,真空隔离闸板阀阀杆,（2）非调质钢,中碳钢中添加微量合金元素（v、ti、nb、n等）加热控温轧制（锻制）控温冷却,切削加工用非调质机械结构钢，牌号以yf 为首；yf35mnv 热锻用非调质机械结构钢，牌号以f为首。 f40mnv,弹簧的主要作用是吸收冲击能量，缓和机器的振动和冲击作用，或储存能量使机件完成事先规定的动作，保证机器和仪表的正常工作。 弹簧按其外形可分为板弹簧和螺旋弹簧。 板弹簧主要用于机车、汽车、拖拉机上，起着车轮和车架之间联结的作用。受力则以反复

35、弯曲应力为主。提高板簧的使用寿命主要提高其疲劳强度。 螺旋弹簧不管是受压或受拉，其承受的应力主要是扭转应力。螺旋弹簧的主要破坏方式是疲劳。,4.合金弹簧钢,（1）工作条件及性能要求,工作条件,性能要求,具有高的强度极限，特别是弹性极限e，还要求有高的 屈强比s/b，以提高强度的利用率。,具有高的疲劳极限。,具有良好的表面状态 疲劳性能对于表面状态很敏感。所以要求弹簧钢的表面不 应有裂纹、折叠、斑疤、发裂、气泡、夹杂和压入的氧物铁 皮等，这就要求注意冶金质量，在加热处理过程中，尽量预 防表面缺陷和减轻表面脱碳。采用喷丸处理可显著改善弹簧 的表面状态，大大提高弹簧的使用寿命。,具有较好的工艺性能

36、具有一定的塑性和淬透性，过热敏感性要小，不易脱碳。弹 簧用钢在卷成型以前要有一定的塑性，以便于成型。,（2） 成分特点,中高c: 0.45%0.70%,合金弹簧钢的碳含量为0.45%0.7%。 碳含量过低，达不到高强度的要求； 碳含量过高，钢的脆性很大。,加入si,mn,si和mn是弹簧钢中经常采用的合金元素，目的是 提高淬透性、 固溶强化铁素体、提高钢的回火稳定性。,si含量高时增大c石墨化的倾向，且在加热时易于脱碳；mn则易于使钢过热。,加入si-cr不易脱c，加入cr-v细化晶粒, 耐冲击, 高温强度好。,加入cr、w、v、nb克服硅锰弹簧钢的不足,cr、w、v、nb为碳化物形成元素，它

37、们可以防 止过热（细化晶粒）和脱碳，从而保证重要用途 弹簧具有高的弹性极限和屈服极限。,弹簧钢的纯度对疲劳强度有很大影响，因此， 弹簧钢均为优质钢（p0.04%，s0.04%） 或高级优质钢（p0.035%，p0.035%）。,典型弹簧钢的成分和用途,（3）热处理,冷成形弹簧的热处理, 退火状态供应的弹簧钢丝,冷拔 退火 成形 淬火+中温回火,等温淬火 冷拔 成形 回火, 铅浴等温淬火钢丝,冷拔 油淬和中温回火 冷卷 低温回火, 油淬回火钢丝,由于冷成形弹簧在成形之前，钢丝已具备了一定的 性能，即已处于硬化状态，所以通常只能制造小型弹簧。,热成形弹簧的热处理,热卷成形 余热淬火+中温回火,一般

38、用于制造大型弹簧或形状复杂的弹簧。,钢材在热成形之前并不具备弹簧所要求的性能， 在热成形之后，进行淬火及中温回火，以获得所 要求的性能。,在成形及热处理过程中，要特别注意防止表面 产生氧化脱碳及伤痕。,弹簧在热处理后通常还要进行喷丸处理，使表 面强化并在表面产生残余压应力以提高疲劳强度。,典型弹簧钢的热处理和力学性能,碳素弹簧钢,合金弹簧钢,化学成分,热处理后的组织,wc = 0.60.9 %,wc = 0.50.7 %,合金元素: si、mn、 cr、v、w、mo等。,t回,制造尺寸小于 815mm的 小型弹簧。,t回,制造尺寸在2025 mm左右的弹簧。,（4） 典型钢号及其应用,碳素弹簧

39、钢 65、70、75和85钢。碳素钢经热处理后可以得到较高的强度和适当的塑性，但其淬透性较低。 65mn为高锰碳素弹簧钢。和其他碳素弹簧钢比较，具有稍高的淬透性，脱碳倾向小，但容易过热并有回火脆性的倾向。故使用于制造截面尺寸稍大的普通弹簧。,60si2mn 主要用于制造汽车、拖拉机和机车上的板簧（1012mm厚）和螺旋弹簧（直径为2025mm）等，淬透性和性能高于65mn。 硅显著提高弹性极限和屈服比；略提高淬透性，但又不使ms点下降，不致增加淬火开裂倾向；可以防止氧化，但却促进脱碳倾向，故应特别注意防护。,以si,mn合金化:65mn, 55si2mn, 60si2mn ,60si2crva

40、 用于汽车,拖拉机,机车的板簧和螺旋弹簧,以cr,v合金化:50crva 55crmna 350以下重载, 较大型弹簧,如高速柴油机气门弹簧.,合金弹簧钢,50crv 这类钢可用于制造350-400下承受重载的大型弹簧，如阀门弹簧、高速柴油机的汽门弹簧等。 cr和v的复合加入，不仅提高弹簧钢的淬透性，而且有较高的高温强度、韧性和较好的热处理工艺性能。,应用 ：65mn、60si2mn：汽车，拖拉机，机车的板簧和螺旋弹簧。,各式汽车板簧,各类汽车用变截面钢板弹簧,12/14/16ton车轴用钢板弹簧,弹簧,拉力弹簧,离合器弹簧,蝶形弹簧,板弹簧,（1）工作条件及性能要求,滚动轴承在交变应力作用下

41、工作，各部分之间有强烈摩擦， 还受到润滑剂的化学浸蚀。承受周期性交变载荷和冲击载荷， 强烈的摩擦，腐蚀；,要求高而均匀的硬度和耐磨性；高的弹性极限和一定的冲 击韧性；足够的淬透性和耐蚀能力、高的接触疲劳强度和抗 压强度。高的淬硬性尺寸要精确而经久稳定；一定的抗腐蚀 能力；良好的工艺性能。,5.滚动轴承钢,（2） 成分特点,高碳,为了保证轴承钢有高的硬度和耐磨性，轴承钢的碳含量很高， 一般为0.95%1.15%，属于过共析钢。,一部分碳存在于马氏体基体中以强化马氏体；,另一部分碳形成足够数量的碳化物以获得所要求的耐磨性。,过高的碳含量会增加碳化物分布的不均匀性，且易生成 网状碳化物而降低其性能。

42、,钢中部分铬形成的合金渗碳体(fe,cr)3c在淬火加热时溶解较慢，可减少过热倾向，经热处理后可以得到较细的组织；碳化物能以细小质点均匀分布于钢基体组织中，既可提高钢的回火稳定性，又可提高钢的硬度，进而提高钢的耐磨性和接触疲劳强度。,加入主加合金元素铬,cr的作用是提高钢的淬透性和钢的耐腐蚀性能。,适宜的铬含量为0.40%1.65%。,当铬含量高于1.65%以后，则会使残余奥氏体增加，使 钢的硬度和尺寸稳定性降低，同时还会增加碳化物的不均 匀性，降低钢的韧性。,加入硅、锰、钒等以进一步提高淬透性。,大型轴承用钢中还需加入更多的合金元素以提高淬透性， 通常加入mn、si提高淬透性，适量的si（0

43、.40%0.60%） 还能明显地提高钢的强度和弹性极限；,加入v一部分溶于奥氏体，提高淬透性，另一部分形成碳化 钒vc，提高钢的耐磨性并防止过热。通常无铬钢中都含有钒。,降低s、p含量，减少氧化物、硅酸盐夹杂物的数量，提 高冶金质量。,由于轴承钢的接触疲劳性能对钢材的微小缺陷十分敏感，所 以要求s0.02%，p0.027%，一般采用电渣重熔、电炉冶 炼及真空冶炼等技术以减少夹杂物数量。,滚动轴承钢,（摘自gb/t182542002）,滚动轴承钢的牌号,g cr9 si mn,（3） 性能特点,高接触疲劳强度 ； 高硬度和耐磨性； 足够的韧性和淬透性； 一定的耐蚀能力和良好的尺寸稳定性,（4）热

44、处理工艺,预先热处理：球化退火 最终热处理：淬火+低温回火。精密轴承零件，淬火后冷 处理，低温回火；磨削加工后，时效,冷处理，时效（120140,1020h）：稳定尺寸，去应力。 组织 回火m 细碳化物少量a,极细回火马氏体+细粒状碳化物+少量残余奥 氏体,热处理后组织,预先热处理球化退火,gcr15钢的球化退火加热温度范围为770810， 790被认为是最适宜的加热温度。,加热温度过高，奥氏体中未溶碳化物量过少，奥氏体成分 进一步均匀化，冷却后得到的是粗片层珠光体，或有大块 聚集碳化物，这是不合格的过热组织；,加热温度不足，片状珠光体溶解得不充分，奥氏体成分很 不均匀，冷却过程中碳化物沿着原

45、片层析出，或呈细小的链 状特征。,碳化物的形状取决于加热温度，而碳化物的弥散度取决于 冷却速度。冷却速度越大，碳化物的弥散度也越大，其硬 度也越高。,球化退火冷却方式有两种，一种是连续冷却，按冷却速 度20-30/h冷到650出炉；或者在700等温2-4h，再 炉冷到650出炉。,对gcr15钢，淬火加热温度为820-840。,温度过高会引起过热，晶粒长大，使钢的韧性和疲 劳强度下降，且易淬裂和变形；温度过低，则奥氏体 中溶解的铬和碳的含量不够，钢淬火后硬度不足。,马氏体中的碳含量在0.45%-0.5%时，轴承钢既具 有高硬度，又有良好的韧性，还具有最高的接触疲 劳寿命。,最终热处理 淬火加低

46、温回火。,细小均匀的奥氏体晶粒(58级)；,显微组织是隐晶马氏体基体上分布着均匀细小的碳化物；,未溶碳化物数量应占78%左右，残余奥氏体量不大于 8左右，固溶体的碳含量在0.500.60%之间；,淬火组织硬度为hrc6466；,淬火后零件表面不应有氧化脱碳及软点。,轴承零件淬火后一般要满足以下要求：,淬火后应立即回火消除内应力，提高韧性、稳定组织和尺寸,回火温度一般为（150160），保温时间为24h。为使回火性能均匀一致，回火温度也要严格控制，最好在油中进行。,轴承钢经淬火及回火后的组织为极细的回火马氏体、均匀分布的细粒状碳化物以及少量的残余奥氏体，硬度为6266hrc,轴承在淬火及回火后的

47、磨削加工过程中，还会产生磨削应力，因此通常还要进行一次附加回火（回火温度为120150，回火时间为23h）以稳定组织和尺寸。,对于精密轴承，为了保证能长期存放和使用中不变形，在淬火后要立即进行“冷处理”，以使钢中未转变的残余奥氏体进一步发生转变；再在磨削加工后进行附加回火（温度为120150，时间为510h）。,cr轴承钢: gcr6, gcr9 , gcr15。典型代表gcr15，使用量占轴承钢的绝大部分。由于淬透性不是很高，因此多用于制造中小型轴承。,（5） 典型钢号及其应用,铬轴承钢制造轴承的工艺路线,锻造 球化退火 机加工 淬火 + 冷处理 ( 60 80;1h ) 低温回火 磨削加工

48、 稳定化处理 ( 120 130；5 10h ),添加mn,si,mo,v的轴承钢:gcr15simo,gsimnmov制造大型轴承.,为了节约cr，可以加入mo、v，得到不含铬的轴承钢，如gsimnmov、gsimnmovre钢等，其性能和用途与gcr15相近。,特大型轴承,大型圆锥滚子轴承,离合器分离轴承,各类标准轴承,四列圆锥滚子轴承,轮毂轴承,gcr15：中小型轴承，冷冲模，量具，丝锥。,必须指出的是高碳铬轴承钢也可用于制造精密量具、冷冲模、机床丝杠等耐磨件。,滚珠丝杠副,丝杠,其它类型的轴承钢,渗碳轴承钢：轧钢机械、矿山挖掘机械、建筑机械等 一些受冲击负荷较大的机械使用的轴承，不仅要

49、求其表 面硬度高、耐磨性好，具有较高的接触疲劳强度，还要 求心部有一定的韧性、足够的强度和硬度。可以选用渗 碳钢制造。,渗碳轴承钢，采用合金结构钢的牌号表示方法，另在牌 号头部加符号“g”。例如：“g20 crnimo”。高级优质 渗碳轴承钢，在牌号尾部加“a”。例如：“g20crnimoa”。,用渗碳轴承钢制造轴承，加工工艺性能好，可以采用冷冲 压技术，提高材料的利用率，再经渗碳、淬火及回火处理 后，在零件的表面形成有利的残余压应力，提高轴承的使 用寿命。,可用于制造轴承的渗碳钢，如20mn、20nimo、12cr2ni4a、 20cr2ni4a、20cr2mn2moa等，并发展了一些新钢种

50、，如 g10crni3mo、g20crmo、g20cr2mn2mo、g20crnimo、 g20crni2mo及g20cr2ni4等。,高碳铬不锈轴承钢和高温轴承钢，采用不锈钢和耐热钢的牌号表示方法，牌号头部不加符号“g”。例如：高碳铬不锈轴承钢“9cr18”和高温轴承钢“10cr14mo”。 不锈轴承钢：对于在酸、碱、盐等腐蚀介质中使用的轴承，要求具有良好的化学稳定性，故而常采用高碳高铬不锈钢制造，如9cr18等。,水下轴承,外球面轴承,高温轴承钢：燃汽轮机、航空及航天工业用轴承的工作温度已超过300以上，因此对所用轴承的材料要求有足够的高温硬度、高温强度、耐磨性、抗氧化性及一定的腐蚀性能、

51、良好的尺寸稳定性和高温下的寿命。 gcr15轴承钢的最高工作温度不超过180，含抗回火稳定性元素si、mo、v、al的低合金轴承钢的工作温度也不能超过260。因此在更高温度下使用的轴承必须采用高温轴承钢。,常用的高温轴承钢有cr4mo4v、cr14mo4、cr15mo4、gcr18mo、w6mo5cr4v2等。这类钢的成分特点是含有大量的w、mo、cr、v等碳化物形成元素，淬火后可获得高合金化的高碳马氏体，具有良好的回火稳定性，并在高温回火后产生二次硬化现象，能在高温下保持高硬度、高耐磨性和良好的接触疲劳强度。 cr4mo4v钢是航空发动机上最常用的高温轴承钢。这种钢在热处理和性能上具有高速钢

52、的特点，但含合金元素含量略少，故高温硬度不如高速钢，但这种钢的加工性能好于高速钢。,超高温轴承,高温、耐腐蚀、自润滑轴承,6.易切削钢,（1）合金元素的作用,mn断屑，降低切削力，减少刀具磨损，降低表面粗糙度； p断屑； pb润滑； ca减少刀具磨损。,（2）牌号与用途,y30,y12pb y40mn,易切削钢进行最终热处理，不采用预先热处理。 大批量生产时，才会获得较高的经济效益,易切削钢的牌号,y 40 mn,6.2.3 合金工具钢和高速工具钢,1.合金工具钢和高速工具钢的分类和牌号,分类：量具刃具钢、耐冲击工具钢、冷作模具钢、热作模具钢、无磁工具钢和塑料模具钢,牌号：,一位数字（或没有数

53、字）+ 合金元素符号+其含量百分数,一位数字表示碳质量分数的千分数,没有数字表示碳质量分数1,合金元素含量1.5 不标数； 1.5标注如下：,（1）合金工具钢的分类和牌号,如2.53.49 标3,如3.54.49 标4 类推,如 9sicr crwmn cr12mov 5crmnmo w18cr4v,（2）高速工具钢的分类和牌号,分类,通用型高速钢（钨系高速钢和钼系高速钢）； 高性能高速钢（高碳高速钢、钴高速钢、铝高速钢等）,牌号,不标出碳的质量分数；合金元素的标注方法同合金工具钢。 当合金元素种类、含量相同，碳的质量分数不同时，在质量分数高的牌号前加“c” 如:w18cr4v cw6mo5c

54、r4v2,如1.52.49 标2,工作条件及性能要求,（1）量具钢,主要受摩擦、磨损，承受外力很小，有时受碰撞。 具有高的硬度（6065hrc）、耐磨性和足够的韧性，高的尺寸精度与稳定性，一定的淬透性，较小的淬火变形和良好的耐蚀性，良好的磨削加工性等。,成分特点 ： 高碳 0.91.5 加入cr、w、 mn等提高淬透性。,热处理工艺,球化退火（调质处理）淬火（冷处理）低温回火时效处理。,2合金工具钢,量具钢,刃具钢,模具钢,冷处理 ： （ -70-80 ） 时效处理： 120130，保温几几十小时，使m、 a 稳定，消除内应力。 最终组织 回火m + 碳化物 + 少量a , 用途 ：各种测量工

55、具如卡尺、千分尺、量块、塞规等。,非合金钢10、20或50 、55、60、60mn、65mn样板或卡规,9sicr,一般量规和量块（非合金钢t10a、t12a也可）,crmn、gcr15, 高精度量规和量块,crwmn,高精度形状复杂的量规和量块,抗蚀量具,4cr13 、9cr18,量具用钢的选用举例,性能要求：(1) 高硬度（大于56 hrc）和高耐磨性； (2) 高尺寸稳定性，在存放和使用过程中，尺寸不发生变化。,螺纹规,游标卡尺,千分尺,量 具,工作条件性能要求：,（2）低合金刃具钢,承受压力、弯曲、振动、冲击、摩擦；,高硬度 机加工刀具hrc60 高耐磨性 刀具寿命和生产率 组织要求

56、硬而细小的碳化物，均匀分布在强而韧的钢基体中。 高的热硬性（红硬性） 高温下保持高硬度的能力，与回火稳定性有关。 足够的韧性 以承受冲击载荷,成分特点：,加入cr,mn,si提高淬透性；加入si提高回火稳定性 加入w,v提高耐磨性；加入w,v细化晶粒,高c:0.75 %1.5 %,（如：9sicr 、9mn2v）,合金元素5 %,（摘自gb/t12992000）,性能特点,高硬度:hrc60；高耐磨性、高热硬性；足够塑性和韧性；,使用态组织,热处理工艺,预先热处理：球化退火 最终热处理：淬火+低温回火,淬火：加热温度比碳素工具钢稍高些，可用油较缓和的淬火介质。,回火m + 合金碳化物 + 少量

57、a ,典型钢号及其应用：,9sicr 如,板牙,丝锥,冷冲模, 木工工具,低速切削刃具 cr06 如,样板,铰刀,插刀,剃刀,刀片,刮刀,锉刀等. crwmn 如拉刀,冲模,样板,量规 w, w2, crw 小麻花钻,低速切削刃具,9sicr ，做板牙、丝锥等。,丝锥,板 牙,铣刀,英制模板刀,9 sicr 钢板牙热处理工艺曲线,板牙,刃 具,（3）合金模具钢,冷作模具钢,热作模具钢,冷作模具钢,汽车冲压模具, 工作条件及性能要求,冲裁模 刃口经受反复冲 击摩擦和弯曲应力。,冷挤压模 承受很高的压缩 应力和承受拉应力。也承受 着冲击负荷，刃口部分与流 动的金属之间强烈摩擦。,冷冲、冷镦、冷挤压

58、模等。,工作条件,性能要求：高硬度、高耐磨性，良好的工艺性能、足够的强度、韧性和疲劳强度，淬透性要好，热硬性的要求相对刃具钢来说可适当低些。, 成分特点,加入大量cr提高耐磨性和淬透性：加入w、mo、v提高耐磨性,高强韧性：wc=0.5%0.7%； 高硬度、高耐磨性：wc=1.2%2.3%，,性能特点：,：高硬度: 5862hrc ；高耐磨性和热硬性 足够韧性和疲劳抗力；淬透性好，热处理变形小,最终组织 回火m + 碳化物 + 少量 a , 热处理工艺, 球化退火 9501000淬火低温回火 耐磨性和韧性好， 用于重载模具, 球化退火 11001150淬火510520 回火（3次） 耐磨性和热

59、硬性好，用于400450 温度下工作的模具,crwmn钢制造块规退火后的热处理工艺,典型钢号及其应用,冷作模具钢中用量最大的有：cr12、cr12mov、crwmn、9sicr、9mn2v、gcr15、60si2mn和w18cr4v。,小型模具 9mn2v、9sicr、crwmn 等。 大型模具 cr12、cr12mov 等，热处理变形小。,制造在高温下金属材料塑性成形的模具，如热 锻模、热挤压模、热冲裁模和金属压铸模。,热作模具钢,曲轴模具,汽车四缸压铸模, 工作条件及性能要求, 大的冲击载荷、强烈的摩擦、剧烈的冷热循环所引起的热应变和热应力，以及高温氧化。,高的高温耐磨性和热硬性 ；高的热强性和抗氧化性能 ， 足够的韧性和热疲劳抗力；淬透性好，热处理变形小,成分特点