第四章 合金钢.ppt

1、第四章 合金钢及铸铁,碳素钢的主要缺点： 1. 综合机械性能差； 2. 热稳定性差； 3. 耐腐蚀性差； 4. 淬透性差； 5. 不能满足某些特殊性能。,一、合金元素在钢中的作用 合金钢为改善钢的组织、性能，在冶炼时特意加入合金元素的钢。,第一节 合金钢概述,有Mn、Si、Cr、Ni、Mo、W、Ti、B、Al、Nb（铌）、Zr（锆）等。 1.强化固溶强化细化晶粒 2.稳定组织，细化晶粒 3.提高淬透性 4.提高抗氧化和耐蚀能力,二、合金钢的分类,1. 结构钢的含碳量用两位数字表示。碳质量分数以万分之一为单位的数字。如60Si2Mn;20CrMnTi。,2. 工具钢和特殊性能钢以千分之一为单位的

2、数字（一位数）来表示碳质量分数，用一位数字表示，含碳量大于1%时不标出。 如5CrMnMo;Cr12,注：碳质量分数数字之后，为钢中主要合金元素，质量分数由其后面的数字标明，平均质量分数少于1.5%时不标数，平均质量分数为1.5%2.49%、2.5%3.49%时，相应地标以2、3。,三、合金钢的编号,数字+化学元素+数字 的方法表示。,合金结构钢用于制造各种机器零件和各类工程结构的钢。 主要包括： 1.合金渗碳钢 2.合金调质钢 3.合金弹簧钢 4.滚动轴承钢。,第二节 合金结构钢,容器 船舶 车辆桥梁 储气罐,拨叉,变速齿轮,1. 合金渗碳钢 a. 用途 在工作中主要经受强烈的摩擦磨损，同时

3、又承受较大的交变载荷，特别是冲击载荷。 如汽车、拖拉机中的变速齿轮，内燃机上的凸轮轴、活塞销等机器零件。,b. 性能要求表面渗碳层硬度高，以保证耐磨性和接触疲劳抗力。 心部具有高的韧性和一定高的强度。 有良好的热处理工艺性能 在高的渗碳温度（900 950 ）下，奥氏体晶粒不易长大，并有良好的淬透性。,c. 成分特点 低碳：Wc:0.10%0.25%。 加入提高淬透性的合金元素： 常加入Cr、Ni、Mn、B等。 加入阻碍奥氏体晶粒长大的元素： 主要加入少量合金元素Ti、V、W、Mo等，形成稳定的合金碳化物。,e. 热处理方法 热处理工艺： 一般是渗碳后直接淬火低温回火。热处理后： 渗碳层硬度为

4、60 HRC62 HRC。 心部硬度为25 HRC48 HRC； 心部冲击韧性一般都高于70 kJ/cm2。,d. 典型钢种及牌号 20Cr、20Mn2、20CrMnTi 、18Cr2Ni4W、 20Cr2Ni4A。,齿轮,曲轴,汽车万向节,连杆,2. 合金调质钢 . 用途 用于制造汽车、拖拉机、机床和其它机器上的各种重要零件，如齿轮、轴类件、连杆、螺栓等。,. 性能要求 大多承受多种工作载荷，受力复杂，要求高的综合机械性能，还要求有很好的淬透性。 . 成分特点 中碳：Wc:0.25%0.50%之间，以0.4%居多； 加入提高淬透性的元素Cr、Mn、Ni、Si等： 除了提高淬透性外，还能提高钢

5、的强度。 提高回火稳定性的元素： Mo、W、V、Al等。,d. 钢种及牌号 40Cr 、35CrMo 、40CrNiMo等。,e. 热处理方法 预先热处理: 退火或正火。 最终热处理: 淬火+高温回火。,弹簧,拉力弹簧,离合器弹簧,蝶形弹簧,3. 合金弹簧钢 . 用途 合金弹簧钢是一种专用结构钢，主要用于制造各种弹簧和弹性元件。,. 性能要求 高的弹性极限e，尤其是高的屈强 比s /b以保证弹簧有足够高的弹性变形能力和较大的承载能力。 高的疲劳强度r，以防止在震动和交 变应力作用下产生疲劳断裂。 足够的塑性和韧性，以免受冲击时 脆断。此外，弹簧钢还要求有较好的淬透性，不易脱碳和过热，容易绕卷成

6、形等。,. 成分特点中、高碳 Wc:0.50%0.70%。 主加元素Si、Mn 、 Cr 提高淬透性的，回火稳定性和屈强比。 辅加元素W 、Mo 、V 减小脱碳和过热敏感性，进一步提高弹性极限和屈强比。此外，弹簧的冶金质量对疲劳强度有很大的影响，所以弹簧钢均为优质钢或高级优质钢。,. 钢种和牌号 以Si、Mn为主要合金元素的弹簧钢：65Mn和60Si2Mn。价格便宜，淬透性明显优于碳素弹簧钢。主要用于汽车、拖拉机上的板簧和螺旋弹簧。在Si、Mn基础上，加Cr、V、W等元素的弹簧钢：50CrVA。 大大提高钢的淬透性，而且还有较高的高温强度、韧性和热处理工艺性能。可制作在350400 温度下承受

7、重载的较大弹簧。如高速汽油机的气门弹簧。,. 加工、热处理与性能 弹簧按加工和热处理可分为两类： 热成形弹簧 用热轧钢丝或钢板制成，具有高的屈服强度和弹性极限，并有一定的塑性和韧性，一般用来制作为较大型的弹簧。 冷成形弹簧 小尺寸弹簧一般用冷拉钢丝冷卷成形。,4. 滚动轴承钢 . 用途 主要用来制造滚动轴承的滚动体（滚珠、滚柱、 滚针）、内外套圈等。从化学成分上看它属于工具钢，所以也用于制造精密量具、冷冲模、机床丝杠等耐磨件。,滚珠滚珠轴承,. 性能要求高的接触疲劳强度：轴承元件如滚珠与套圈，运动时为点或线接触，接触处的压应力高达1500 MPa5000 MPa；应力交变易造成接触疲劳破坏，产

8、生麻点或剥落，所以轴承钢疲劳强度应很高。 高的硬度和耐磨性：硬度一般为62HRC64HRC。足够的韧性和淬透性。此外，还要求在大气和润滑介质中有一定的耐蚀能力和良好的尺寸稳定性。,. 成分特点高碳 Wc:0.95%1.10%。铬为主加元素。 提高淬透性和耐磨性，特别是疲劳强度。适宜Wcr: 0.40%1.65%。加入硅、锰、钒等。 Si、Mn进一步提高淬透性。 V提高钢的耐磨性并防止过热。 纯度要求极高。 Ws0.02%；Wp 0.027%。 因此，轴承钢一般采用电炉冶炼和真空去气处理。,. 钢种和牌号 铬轴承钢最常用的是GCr15。使用 量占轴承钢的绝大部分。 添加Mn、Si、Mo、V的轴承

9、钢 如GCr15SiMn、GCr15SiMnMoV等。 . 热处理方法 热处理：球化退火、淬火和低温回火。,工具钢按用途分为 1.刃具钢 2.模具钢 3.量具钢,第三节 合金工具钢,铣刀,英制模板刀,1.合金刃具钢 主要用于制造各种金属切削刀具，如车刀、铣刀、钻头等。,a. 性能要求 基本性能要求： 高硬度 金属切削刀具的硬度一般都在60 HRC以上 高耐磨性 高热硬性 热硬性是指钢在高温下保持高硬度的能力（亦称红硬性） 足够的塑性和韧性 以防刃具受冲击震动时折断和崩刃。,c. 成分特点 （1） 低合金刃具钢 最高工作温度不超过300 。 高碳：Wc:0.9%1.1%。 加入Cr、Mn、Si、

10、W、V等合金元素： Cr、Mn、Si主要是提高钢的淬透性，Si还能提高钢的回火稳定性； W、V能提高硬度和耐磨性，并防止加热时过热，保持细小的晶粒。,（2） 高速钢 具有很高的热硬性。 高碳：Wc:0.70%1.6%。 加入Cr、W、Mo、V等合金元素： Cr 提高淬透性。 W 、Mo 保证高的热硬性。 V 提高耐磨性，细化晶粒。,d. 钢种及牌号 （1）低合金刃具钢 典型钢种：9SiCr。 加工过程： 球化退火机加工淬火低温回火。 （2） 高速钢 W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2钢 齿轮滚刀（W18Cr4V钢）工艺路线： 锻造球化退火粗加工淬火回火精加工表面处理。,1. 碳素工具钢：热硬

11、性差，随使用温度提高迅速软化。 2. 高速钢：W18Cr4V在600 还保持60 HRC的高硬度。 3. 低合金刃具钢：9SiCr要保持同样的硬度，工作温度不能超过350 。,模具,2.合金模具钢按用途分：冷作模具钢和热作模具钢两大类。,（1） 冷作模具钢A.用途 冷模具用于制造各种冷冲模、冷镦模、冷挤压模和拉丝模等，工作温度不超过200 300 。 B. 性能要求 冷模具工作时承受很大的压力、弯曲力、冲击载荷和摩擦。 应具有以下基本性能： 高硬度，一般为58 HRC62 HRC； 高耐磨性； 足够的韧性和疲劳抗力； 热处理变形小。,C. 成分特点 高碳 Wc:1.0% 2.2%。 高铬 为主

12、加合金元素，含量高达12%。 提高钢的耐磨性和淬透性。辅加Mo、W、V等合金元素改善钢的淬透性。,D. 钢种和牌号 9Mn2V、9SiCr、CrWMn 要求不高的 冷模具用低合金刃具钢制造。 Cr12大型冷模具用钢，热处理变形很 小，制造重载和形状复杂的模具。 E. 热处理方法 球化退火淬火、回火。,( 2 )热作模具钢A. 用途 用于制造各种热锻模、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。 B. 性能要求 性能要求： 高的热硬性和高温耐磨性； 高的抗氧化性能； 高的热强性和足够的韧性，尤其是受冲击较大的热锻模钢； 高的热疲劳抗力，以防止龟裂破坏； 由于热模具一般较大，

13、所以还要求热模具钢有高的淬透性和导热性。,C. 成分特点 中碳 Wc:0.3%0.6%。 主加Cr、Ni、Mn、Si等 提高淬透性和耐热疲劳性能，并增加钢的韧性。 辅加元素Mo、W、V等 提高高温强度和回火稳定性。,D.钢种和牌号 5CrMnMo、5CrNiMo、3Cr2W8V等。 E. 热处理方法 预先热处理：锻造后球化退火 最终热处理：淬火高温回火，,3.量具用钢 A. 用途 用于制造各种量测工具，如卡尺、千分尺、螺旋测微仪、块规、塞规等。,螺纹规,游标卡尺千分尺,B. 性能要求 主要性能要求: (1) 高硬度（大于56 HRC）和高耐磨性； (2) 高尺寸稳定性 热处理变形要小。 C.

14、成分特点 (1)高碳 Wc:0.9%1.5%； (2)加入元素Cr、W、Mn等。,D. 量具用钢 （1）尺寸小、形状简单、精度较低的量具，选用高碳钢制造； （2）复杂的精密量具一般选用低合金刃具钢； （3）精度要求高的量具选用CrMn、CrWMn、GCr15等制造。,E. 热处理方法 锻造后球化退火机加工淬火、回火。,特殊性能钢是指具有特殊物理化学性能并可在特殊环境下工作的钢，如不锈钢， 耐热钢，耐磨钢等。,第四节 特殊性能钢,1.不锈钢不锈钢与耐酸钢的总称。 （1） 用途及性能要求 在石油、化工、原子能、宇航、海洋开发、国防工业和一些尖端科学技术及日常生活中都得到广泛应用，例如化工装置中的各

15、种管道、阀门和泵，热裂设备零件，医疗手术器械，防锈刃具和量具等。性能要求： （1）耐蚀性； （2）高硬度、高强度、高耐磨性； （3）较好的加工性能。,（2） 成分特点 碳含量 耐蚀性要求愈高，碳含量应愈低。大多数Wc:0.1%0.2%。 主加合金元素铬、镍。 铬含量:Wcr: 12%30%。提高钢的耐蚀性。 镍含量可达8%11%，可提高钢的强度。 加入钼、铜、钛、铌、锰等。 提高钢的耐蚀性。,（3）常用不锈钢 马氏体不锈钢 1Cr13、2Cr13、3Cr13、4Cr13等。 有较高的硬度、耐磨性，但耐蚀性很低。 铁素体型不锈钢 1Cr17、1Cr17Ti等 耐蚀性比Cr13型钢更好，但强度较低

16、。主要用作耐蚀性要求很高而强度要求不高的构件，例如化工设备、容器和管道等。 奥氏体型不锈钢 Cr18Ni9型 这类钢碳含量很低（约0.1%），强度、硬度低，无磁性， 塑性、韧性和耐蚀性均较Cr13型不锈钢更好。,1Cr18Ni9Ti不锈钢表带,不锈钢容器,不锈钢船用螺旋桨,不锈钢剪刀,燃气轮机,2.耐热钢是指在高温下具有高的热化学稳定性和热强性的特殊钢。 （1） 用途及性能要求 用于制造加热炉、锅炉、燃气轮机等高温装置中 的零部件。要求在高温下具有良好的抗蠕变和抗断裂 的能力，良好的抗氧化能 力、必要的韧性以及优良 的加工性能。具有较好的 抗高温氧化性能和高温强 度（热强性）。,（2）成分特点

17、 耐热钢中不可缺少的合金元素是Cr、Si或Al，特别是Cr。它们的加入，提高钢的抗氧化性，Cr还有利于热强性。Mo、W、V、Ti等元素加入钢中，能提高室温和高温强度及抗氧化性。 （3）常用钢种 常用钢种有0Cr13Al、1Cr17；1Cr18Ni9Ti、2Cr21Ni12N、2Cr23Ni13、4Cr14Ni14W2Mo 、4Cr9Si2、1Cr11MoV等。,3.耐磨钢 （1） 用途及性能要求 主要用于运转过程中承受严重磨损和强烈冲击的零件，如车辆履带、挖掘机铲斗、破碎机颚板和铁轨分道叉等。对耐磨钢的主要要求是有很高的耐磨性和韧性。高锰钢是目前最主要的耐磨钢。,破碎机颚板,挖掘机斗齿,铁轨分

18、道叉,履带,（2）成分特点 高碳 Wc:1.0%1.3%。 高锰 锰是扩大奥氏体区的元素，它和WMn: 1114%。 一定量的硅 硅可改善钢水的流动性，并起固溶强化的作用。WSi:0.3%0.8%。 （3）典型钢种 ZGMn13 高锰钢由于机械加工困难，故基本上是铸态下使用。,箱 体,可用于制造各种机器零件，如机床的床身、床头箱；发动机的汽缸体、缸套、活塞环、曲轴、凸轮轴；轧机的轧辊及机器的底座等。,铸铁Wc2.11%、并常含有较多的Si、Mn、S、P等元素的铁碳合金。,第五节 铸 铁,铸铁的石墨化铸铁中石墨的形成过程。 第一阶段： 共晶石墨 第二阶段： 二次石墨 第三阶段： 共析石墨,一、铸

19、铁概述,（一）铸铁的石墨化过程,1白口铸铁 2麻口铸铁 3灰口铸铁,（1）灰铸铁 碳主要以片状石墨形式出现的铸铁； （2）可锻铸铁 碳主要以团絮状石墨形式出现的铸铁； （3）球墨铸铁 碳主要以球状石墨形式出现的铸铁； （4）蠕墨铸铁 碳主要以蠕虫状石墨形式出现的铸铁。,（二）铸铁的分类,1. 性能 良好的铸造性能 良好的减震性 较低的缺口敏感性 良好的切削加工性 良好的减摩性 良好的抗压性能,灰铸铁是价格便宜、应用最广泛的铸铁材料。,二、 灰铸铁,(a)F+G片,(b)F+P+G片,(c)P+G片,铁素体(F)+片状石墨(G)； 铁素体(F)+珠光体(P)+片状石墨(G)； 珠光体(P)+片状

20、石墨(G)。,灰铸铁的组织示意图,2. 灰铸铁的三种组织类型,3. 灰铸铁的牌号 “HT”表示“灰铁”，后面数字表示最低抗拉强度。,液压件,阀门,叶轮,发动机飞轮,较高的强度、塑性和冲击韧性，可部分代替碳钢。比灰铸铁性能优越；适用于薄壁、形状复杂的零件。但生产周期长、工艺复杂，成本较高，已逐步被球墨铸铁所代替。,1. 性能特点,由白口铸铁通过退火处理得到的一种高强铸铁。,三、 可锻铸铁,2. 可锻铸铁的组织示意图,可锻铸铁的组织有二种类型： （1）铁素体(F)+团絮状状石墨(G)； （2）珠光体(P)+团絮状石墨(G)。,3. 可锻铸铁的牌号 （1）铁素体可锻铸铁以“KT”表示， KT350-

21、10 （2）珠光体可锻铸铁以“KTZ”表示， KTZ600-3 其后两组数字表示最低抗拉强度和延伸率。,四、 球墨铸铁 它是向出炉的铁水中加入球化剂和孕育剂而得到的。,1. 性能 球墨铸铁与灰铸铁相比，有高的强度和良好的塑性与韧性。其综合机械性能接近于钢，因其铸造性能好，成本低廉，生产方便，在工业中得到了广泛的应用。,2. 球墨铸铁的成分和球化处理 （1）成分要求严格，一般范围是：WC:3.6%3.9%, WSi2.2%2.8%, WS0.07%, WP0.1%。,(2) 球化处理: 球化剂:稀土镁合金； 孕育剂：硅铁和硅钙合金等。,3. 球墨铸铁的组织可分为四种类型： 铁素体(F)+球状石墨

22、(G)， 铁索体(F)-珠光体(P)+球状石墨(G)， 珠光体(P)+球状石墨(G)， 下贝氏体(B下)+球状石墨(G)。,4. 球墨铸铁的牌号 球墨铸铁牌号用“QT”标明，其后两组数值表示最低抗拉强度极限和延伸率。 QT420-10、QT600-2、QT800-2,球墨铸铁管道接口,五、 蠕墨铸铁 蠕墨铸铁是一种新型高强铸铁材料。 蠕墨铸铁以“RuT”表示，其后的数字表示 最低抗拉强度。 RuT300、RuT420,蠕墨铸铁的组织示意图,衬板,铧式犁,六、特殊性能铸铁（合金铸铁） 在铸铁中加入某些 合金元素，得到一些具有各种特殊性能的合金铸铁。 （1） 耐磨铸铁是指不易磨损的铸铁。,扇形扩散

23、器,排气管,（2） 耐热铸铁 耐热铸铁是指可以在高温下使用，其抗氧化或抗生长性能符合使用要求的铸铁。,（3）耐蚀铸铁 耐蚀铸铁是指能耐化学、电化学腐蚀的铸铁。主要用于化工部件，如阀门、管道、泵、容器等。,铝合金、铜合金、轴承合金、硬质合金以及钛合金、镁合金等。此外还有耐蚀合金、高温合金、形状记忆合金、超塑性合金、超导材料、非晶态合金等大多也属于非铁金属材料。,除了钢铁（黑色）以外其他金属的统称。,第六节 有色金属,一、 铜及铜合金 性能： 1. 优异的物理、化学性能 2. 良好的加工性能 3. 具有某些特殊机械性能 4. 色泽美观,（一）工业纯铜 纯铜呈紫红色，常称紫铜，工业纯铜分为四种：T1

24、、T2、T3、T4。编号越大，纯度越低。,纯铜主要用于制作电导体及配制合金。纯铜的强度低, 不宜作结构 材料。,纯铜管,（二）铜合金 1.黄铜：以锌为主要合金元素的铜合金称为黄铜。 （1） 普通黄铜：普通黄铜是铜锌二元合金。 （2） 特殊黄铜 铅黄铜 HPb63-3 锡黄铜 HSn62-1 铝黄铜 HAl60-1-1 硅黄铜 HSi65-1.5-3 2. 青铜： 3. 白铜,黄铜制品,冷凝器管,二、 铝及铝合金 特点： 1. 密度小、比强度高 2. 优良的物理、化学性能 3. 加工性能良好,（一）纯铝的分类 1. 高纯铝 纯度 99.9399.99% ，牌号 L01、L02、L03、L04，编

25、号越大，纯度越高。 用于科学研究及制作电容器等。 2. 工业高纯铝 纯度 98.8599.9%，牌号 L0、L00 。 用于作铝箔、包铝、冶炼铝合金的原料。 3. 工业纯铝 纯度 98.099.0% ，牌号 L1、L2、L3、L4、L5，编号越大，号越大，纯度越低。 用于制作电线、电缆、器皿及配制合金。,（二）铝合金 铝中加入合金元素后，可获得铝合金。铝合金具有较高的强度，良好的加工性能。铝合金可用于制造承受较大载荷的机器零件和构件。 根据成分及工艺特点，铝合金分变形铝合金和铸造铝合金两类。 （1）变形铝合金 （2）铸造铝合金,1. 变形铝合金 变形铝合金包括防锈铝合金、硬铝合金、 超硬铝合金

26、及锻铝合金等。 （1） 防锈铝合金 防锈铝合金中主要合金元素是锰和镁。,（2） 硬铝合金 硬铝合金为Al-Cu-Mg系合金, 另含有少量锰。,铝合金散热器,铝合金装饰条,铝合金汽车车身,铝合金型材,（3） 超硬铝合金 超硬铝合金为Al-Mg-Zn-Cu系合金，含有 少量的铬和锰。,飞机前起落架,飞机用座椅轨道及航空零件,（4） 锻铝合金 锻铝合金为Al-Mg-Si-Cu或Al-Cu-Mg-Ni-Fe系合金。,压气机叶片,2. 铸造铝合金 （1） Al-Si 铸造铝合金(硅铝明) （2） Al-Cu铸造铝合金 （3）Al-Mg铸造铝合金 （4） Al-Zn铸造铝合金,铸造铝合金的应用,铝合金发动

27、机缸体和缸盖,1.铸造铝 硅合金 ( ZL101ZL111 ) :,活塞(裙部为铝硅合金),2.铸造铝 铜合金 ( ZL201ZL203 ) :,汽缸头,3.铸造铝 镁合金 ( ZL301、ZL302 ) :,鼓风机用密封件(ZL102)及 抗空架件(ZL301),4.铸造铝 锌合金 ( ZL401、ZL402 ) :,大型空压机活塞(ZL401),三、轴承合金,1. 定义 :,工件体,轴,轴瓦,2. 性能要求 : （1） 在工作温度下,应具有足 够的抗压强度、疲劳强度 和高的耐磨性。 （2）具有足够的塑性与韧性。 （3） 具有较小的摩擦系数。 （4）具有良好的磨合性。 （5）具有良好的抗蚀性。 （6）具有良好的导热性。 （7）具有较小的膨胀系数。 （8）具有良好的抗咬合性。,各类型轴瓦,巴氏合