07第七章-合金钢

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。合金元素对铁素体冲击韧性影响合金元素对铁素体硬度影响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：碳化物的稳定性、熔点、硬度、耐磨性提高Ti、Zr、Nb、V、W、Mo、Cr、Mn、Fe强碳化物形成元素中碳化物形成元素弱碳化物形成元素二、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等元素缩小奥氏体相区，使A3点上升，A4点下降。Cr13%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。Mn13%或Ni9%时,室温下为单相奥氏体组织,称奥氏体钢。锰对奥氏体相区的影响铬对奥氏体相区的影响三、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。碳钢高速钢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５００～６００℃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。钢类碳素钢合金钢PSPS普通质量钢≤0.045≤0.045≤0.045≤0.045优质钢≤0.035≤0.035≤0.035≤0.035高级优质钢≤0.030≤0.030≤0.025≤0.025特级优质钢≤0.025≤0.020≤0.025≤0.015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、按使用特性分工程用钢建筑、桥梁、船舶、车辆渗碳钢调质钢弹簧钢滚动轴承钢耐磨钢机器用钢结构钢刃具钢模具钢量具钢工具钢不锈钢耐热钢特殊性能钢二、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）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/T221—2000）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/T221—2000）名称符号位置名称符号位置碳素结构钢Q头桥梁用钢q尾低合金高强度钢Q头锅炉用钢g尾易切削钢Y头焊接气瓶用钢HP尾碳素工具钢T头车辆车轴用钢LZ头(滚珠)轴承钢G头机车车轴用钢JZ头焊接用钢H头沸腾钢F尾铆螺钢ML头半镇静钢b尾船用钢国际符号镇静钢Z尾汽车大梁用钢L尾特殊镇静钢TZ尾压力容器用钢R尾质量等级A.B.C.D.E尾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⑴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1.50～2.49%、2.50～3.49%、3.50～4.49%、4.50～5.49%、……时，在相应的合金元素符号后标2、3、4、5……等数字。如20CrNi3。*说明：①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②高级优质合金钢在牌号后加字母A，如60Si2MnA。③特级优质合金钢在牌号后加字母E，如30CrMnSiE。⑵碳含量标注①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②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①低合金工具钢含碳量大于1.00%时，不标含碳量，如CrWMn(1.0%C)②高速钢不标含碳量，如W18Cr4V(含0.75%C)③滚动轴承钢不标含碳量，如GCr15(1.0%C)④高锰钢不标含碳量，如ZGMn13(0.75～1.45%C)⑤铸钢在牌号前加“ZG”,余同结构钢,如ZG20Cr13⑦不锈钢和耐热钢当含碳量为0.1%-0.03%时，以“0”表示，如“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）低合金高强度结构钢1、性能要求:⑴高强度及足够韧性。⑵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①Mn:强化铁素体,增加珠光体的量,降低脆转温度。②V、Ti、Nb:起细化晶粒和弥散强化作用。③Cu、P可提高耐蚀性，RE可提高韧性、疲劳极限。压力容器南京长江大桥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09CuPCrNi—B（C＜0.12%），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：0.08～0.15%），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(0.1～0.25%C),加Cr、Mn、Ni、B等元素①Cr、Mn、Ni、B：提高淬透性②Cr、Mn、Ni：强化铁素体③W、Mo、Ti、V：细化晶粒渗碳件渗碳回火炉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。柴油机凸轮轴柴油机曲轴活塞销(20Cr)2.合金调质钢（1）成分特点中碳(0.3～0.5%C)，合金元素作用为：①提高淬透性：Mn、Si、Cr、Ni、B②强化铁素体：Mn、Si、Cr、Ni③细化晶粒：Ti、V④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。圆锥齿轮柴油机凸轮轴（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件)高的σｅ、σs/σb、σ-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0.6～0.9%C；合金弹簧钢为0.45～0.7%C合金元素作用：①提高淬透性、强化铁素体：Mn、Si、Cr②提高s/b：Si③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（250～300℃）。用于φ10mm弹簧。热成型弹簧：热成型→淬火+中温回火使用状态下的组织：T回。用于大截面弹簧（φ10mm）热卷大弹簧弹簧丝汽车板簧大型热卷弹簧（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)成分特点：高碳(0.95～1.10%C)，主加Cr①Cr、Mn、Si：提高淬透性②Cr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。⑴热处理：球化退火+淬火+低温回火⑵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。滚针轴承滚柱轴承滚珠轴承大型轴承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。模具量具刃具一、合金刃具钢用来制造各种切削刀具的钢种。板牙丝锥（一）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。1、成分特点：⑴高碳：0.75~1.5%C⑵合金元素作用①提高淬透性:Cr、Mn、Si③提高耐磨性、细化晶粒:W、V丝锥板牙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