广石化工程材料七工业用钢3

第四节常见工业用钢的性能及用途一、结构钢二、工具钢三、特殊性能钢二、工具钢工具钢是用来制造刀具、模具和量具的钢。按化学成分分为碳素工具钢、低合金工具钢、高合金工具钢等。按用途分为刃具钢、模具钢和量具钢。1.刃具钢（1）切削刃具的工作条件及对性能的要求（2）碳素工具钢（3）低合金工具钢（4）高速钢（5）硬质合金要求：高的切断抗力，高的耐磨性，高的弯曲强度和足够的韧性，高的热稳定性。用于刃具的材料：用来制造各种切削刀具的钢种。（2）碳素工具钢a）碳素工具钢的成分与用途高碳（0.65~1.35%C）随含碳量提高，碳化物量增加，耐磨性提高，但韧性下降。T7~T9：制造承受冲击的工具，如木工工具，冲子、凿子、锤子等。共有七个牌号：T7~T13。由于碳工钢热硬性、淬透性差，只用于制造小尺寸的手工工具和低速刃具。木工凿手锤圆冲丝锥锉刀手锯条钻头T10~T11：制造低速切削工具，如钻头、丝锥、车刀等。T12~T13：制造耐磨工具，如锉刀、锯条等。b）碳素工具钢的热处理★热处理：正火+球化退火+淬火+低温回火球化退火目的：降低硬度，便于加工；为淬火作组织准备。★使用状态下的组织：M回+颗粒状碳化物+A’(少量)板牙丝锥（3）低合金工具钢在碳素工具钢基础上加入少量合金元素(≤3~5)形成。★高碳：0.75~1.5%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、Va.成分特点：丝锥板牙★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）b.热处理及组织c.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。（4）高速钢制造高速切削刃具用钢。（俗称风钢）a.高速钢的成分特点与常用钢种★高C：1％左右，最高达1.6%，形成W2C、VC、高碳M体，硬度↑，耐磨性↑；★W：＞10%，Fe4W2C部分溶入A，高温回火时析出W2C，产生二次硬化，这种碳化物在500～600℃时非常稳定，热硬性提高↑；★Cr：4%，Cr23C6全部溶入A体中(A稳定性↑)，淬透性↑；★V：1.5%，V形成C4V3或VC非常稳定、极难溶解、硬度极高(大大超过W2C)，↑硬度和耐磨性作用很大。常用高速钢是W18Cr4V和W6Mo5Cr4V2，简称18-4-1和6-5-4-2。前者的过热敏感性小，磨削性好，但由于热塑性差，通常适于制造一般高速切削刀具，如车刀、铣刀、绞刀等；由于后者的耐磨性、韧性和热塑性较好些，适于制造耐磨性和韧性很好配合的高速刀具，如丝锥、齿轮铣刀、插齿刀等。车刀铣刀钻头b.高速钢的热处理由于高速钢的合金元素含量多，使得它的C曲线右移，淬火临界冷却速度大为降低，在空气中冷却就可得到马氏体组织，因此高速钢也被俗称为风钢（锋钢）。同样因为合金元素的作用，使Fe-Fe3C相图中的E点左移，这样在高速钢铸态组织中出现大量的共晶莱氏体组织，鱼骨状的莱氏体及大量分布不均匀的大块碳化物，使得铸态高速钢既脆又硬，无法直接使用。W18Cr4V钢的铸态组织锻造：鱼骨状碳化物不能用热处理来消除,只能依靠反复多次锻打来击碎。铸造→锻造→球化退火→机加工→淬火+三次570℃回火→磨削加工W18Cr4V钢的生产工艺及热处理特点：★锻造比要大(10)★三镦三拔，打碎、揉匀鱼骨状碳化Ld′；★缓慢升温，两次预热，缓冷；★渐变形：由小到大；A’25%15～18%3～5%1～2%M回+K+A’少W18Cr4V钢的热处理过程示意图1）球化退火：硬度↓，消除应力，改善切削性能，为淬火作好组织准备；2)缓慢预热：该钢导热差、塑性低，温升快会开裂；3)淬火温度高：K十分稳定,必须高温才使合金元素溶入到奥氏体中去，↑红硬性；4)三次高温回火：A′多（20～25%）,一次回火难以全部消除，而且后一次回火可消除前一次回火中产生的内应力。铸造→锻造→球化退火→机加工→淬火+三次570℃回火→磨削加工W18Cr4V钢淬火、回火后的组织M回+颗粒状碳化物+A’（少量）未溶KM回+A'（5）硬质合金硬质合金是把一些高硬度、高熔点的粉末（WC、TiC等）和胶结物质（Co、Ni等）混合、加压、烧结成形的一种粉末冶金材料。特点：硬度极高（89-91HRA）、热硬性好（切削温度达1000℃）、耐磨性好。硬质合金分两类：1）钨钴类：YG+数字表示，如YG8表示Co含量8％，WC含量92％的钨钴类硬质合金。2）钨钴钛类：YT+数字表示，如YT15表示Ti含量15％，其余为WC、Co的钨钴钛类硬质合金。YW1和YW2称为通用或万能硬质合金汽车冲压模具（1）冷作模具钢制造金属冷成型模具的钢种a.性能要求1）高硬度和耐磨性。2）足够的强度和韧性。3）良好的工艺性。2.模具钢用以制造冷热模具的钢种。Cr12钢●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⑴成分特点：高碳(1.4~2.3%C)；高铬(11.5~13%Cr)合金元素作用：Cr提高淬透性和细化晶粒；Mo、V提高耐磨性，细化晶粒。碳含量高：保证与铬形成碳化物。b.常用钢种汽车外板冷冲模②加工及热处理：同高速钢相。最终热处理为：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）③常用钢号为Cr12和Cr12MoV。用于制造冷冲模、挤压模等。曲轴模具制造使加热金属或液态金属成型模具的钢种。如热锻模、热挤压模和压铸模等。a.性能要求⑴高温下良好的综合力学性能。⑵抗热疲劳性能。⑶高的淬透性和良好的导热性(2)热作模具钢热镦模凸缘模b.常用钢种⑴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。对于压铸模，常用3Cr2W8V。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⑵压铸模钢常用3Cr2W8V。为过共析钢。中碳（0.3~0.4%C），合金元素作用同高速钢。W、Cr有提高抗热疲劳作用。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1.性能要求:高的硬度(≥HRC62)和高的耐磨性，以保证使用不失去原有的精度；高的尺寸稳定性，以保证其高精度;在使用时，偶尔受到碰撞和冲击不致发生崩落和破坏。卡尺量规千分尺3.量具钢量块2、量具用钢⑴低碳钢渗碳、中碳钢表面淬火。⑵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。⑶滚动轴承钢、冷作模具钢用于制造精密量具。⑷不锈钢用于制造接触腐蚀介质的量具。千分尺卡尺3、量具钢的热处理特点⑴预备热处理组织为球化退火或调质处理组织。⑵下限温度淬火及冷处理，目的是减少A’。⑶长时间低温时效，以消除内应力，降低马氏体的正方度。三、特殊性能钢1.不锈钢2.耐热钢3.耐磨钢特殊性能钢是指具有特殊的物理、化学性能的钢.1.不锈钢不锈钢（又称不锈耐酸钢）是指能抵抗大气或酸等化学介质腐蚀的钢。不锈钢并非不生锈，只是在不同介质中的腐蚀行为不一样。空气中的年腐蚀量为0.01mm以内的钢,称为在空气中使用的不锈钢。在强酸、强碱介质中的年腐蚀量为0.1mm以内的钢,称为在强酸、强碱介质中使用的不锈钢。全世界年均因腐蚀而不能使用的金属占总量的10%——吃金属的老虎（1）金属腐蚀的一般概念金属与介质(电解质溶液,即酸、碱、盐溶液)发生电化学反应而产生的腐蚀。★化学腐蚀:★电化学腐蚀:金属腐蚀大多数是电化学腐蚀。金属与介质(干燥气体和非电解质溶液)发生化学反应而产生的腐蚀。例如:高温氧化、脱碳等。电化学腐蚀实际是电池作用。当两种互相接触的金属放入电解质溶液时，由于两种金属的电极电位不同，彼此之间就形成一个微电池，并有电流产生。电极电位低的金属为阳极，电极电位高的金属为阴极，阳极的金属将不断被熔解，而阴极金属就不被腐蚀。对于同一种合金，由于组成合金的相或组织不同，也会形成微电池，造成电化学腐蚀。例如钢组织中的P，是由F和Cm两相组成的，在电解质溶液中就会形成微电池，由于F的电极电位低，为阳极被腐蚀。而Cm的电极电位高，为阴极而不被腐蚀。★电化学腐蚀原理:图7-5珠光体腐蚀示意图阳极(电极电位低)：失去电子，FeFe3++3e(被腐蚀）阴极：发生析氢反应3H++3e3/2H2↑在观察碳钢的显微组织时，要把抛光的试样磨面放在硝酸酒精溶液中浸蚀，使铁素体腐蚀后，才能在显微镜下观察到珠光体的组织，就是利用电化学腐蚀的原理实现的。金属发生电化学腐蚀的条件是：不同金属间或同一金属的各个部分之间存在着电极电位差，且它们是相互接触并处于相互连通的电解质溶液中构成微电池。1)尽量使合金在室温下为单相组织，避免形成微电池效应，如Cr17%——F体；Ni9%——A体；2)加入合金元素提高金属基体的电极电位，例如在钢中加入大于13%的Cr，则F的电极电位由-0.56V↗0.2V，从而使金属的抗腐蚀性能提高；3)钝化处理：加入Cr、Si等元素，使工件表面形成致密的氧化膜（Al2O3、Cr2O3），称为钝化处理；氧化膜把金属与介质分隔开，从而防止进一步的腐蚀。铬是不锈钢合金化的主要元素。提高金属的抗电化学腐蚀能力措施：化学成分特点:Wc=0.1～0.4%碳越高，硬度、强度越高，但耐蚀性下降，因为Cr与C形成Cr3C，使F体中Cr含量下降，电极电位下降，耐蚀性下降；WCr=13%主要是提高耐蚀性。a.马氏体型不锈钢——Cr13型钢锻造空冷便可获得马氏体，硬度较高；（2）常用不锈钢热处理和用途：牌号:1Cr13～4Cr13医用镊子1Cr13、2Cr13淬火+高回S回汽轮机叶片、水压机阀等；3Cr13、4Cr13淬火+低回M回医疗器械。化学成分特点:Wc=0.1%左右高铬，WCr=17～30%热处理特点:无同素异构转变，不能用热处理强化。牌号:1Cr17、1Cr17Ti、1Cr28等。用途:主要用于耐蚀性要求高而强度要求不高的构件、如化工设备、容器和管道、食品设备等。b.铁素体型不锈钢铁素体型不锈钢的用途硝酸生产装置合成氨生产装置在硝酸工业用途较广，几乎制N的构件均用这类钢化学成分特点:Wc=0.08～0.14%WCr=17～19%WNi=8～11%Cu、Ti、Mo等。Cr：产生钝化，提高耐蚀性；Ni：使钢在室温下呈单相A，进一步提高耐蚀性；Ti：防止晶间腐蚀。加工特点:不能进行热处理强化,只能冷塑性变形强化。3.奥氏体型不锈钢——Cr18Ni9型（18–8型钢）热处理特点:固溶处理；稳定化处理；消除应力退火。牌号:0Cr18Ni9、1Cr18Ni9、0Cr18Ni9Ti、1Cr18Ni9Ti1)固溶处理：加热（使Cr23C6溶入A体）→快冷（不使Cr23C6析出）→得到单相A体，提高钢的耐蚀性；2)稳定化处理：加热温度高于Cr23C6的溶解点，使其溶解到A体中，低于TiC、NbC的溶解点，保留住非Cr碳化物，缓冷后TiC、NbC析出，这样，C几乎全部稳定于TiC中，不再可能形成碳化铬，有效防止晶间腐蚀；3)去应力退火：消除冷加工应力（加热温度300～350℃）；消除焊接残余应力（加热温度850℃）。用途:化工容器、管道等。大型化工储罐管板换热器2.耐热钢珠光体型16Mo，工作温度600℃，如锅炉管道、气阀等；马氏体型1Cr13，工作温度600℃，受力较大的，如汽轮机叶片等；奥氏体型18-8型，工作温度850℃，较重要的零件，如燃气轮机轮盘等。汽轮机叶片过热器集箱常用的耐热钢3.耐磨钢在强烈冲击和严重磨损条件下发生冲击硬化，因而具有很高耐磨能力的钢。1.定义:高锰钢是目前最主要的耐磨钢。高锰钢由于机械加工困难，故基本上是铸态下使用，其牌号为ZGMn13。3.化学成分特点:高碳Wc=1～1.3%高锰WMn=11～14%4.热处理特点:水韧处理。过饱和单相奥氏体。2.典型钢种:5.室温组织:水韧处理的工艺特征铸态组织高锰钢1050～1100℃水淬单相A受到剧烈冲击或较大压力表层MHB500心部AHB220A+Cm碳化物完全溶入A防止碳化物沿晶界析出软相HB≈220当旧的表面磨损后，新露出的表面