1.4 合金钢

第一章工程材料1.4合金钢碳钢的优点◎价格低廉，便于冶炼，容易加工，通过含碳量的增减和不同的热处理，它的性能可以得到改善，能满足很多生产上的需要。碳钢的缺点◎淬透性低，耐回火稳定性差，基本相软弱。例如：零件尺寸不能太大。碳素工具钢制成的刀具，最终淬火+低温回火后得到高硬度，但耐磨性差，刃部受热超过250°C就软化，而丧失切削能力。因此要选用合金钢。导入合金钢：是在碳钢基础上，为改善钢的性能，有目的地加入某些合金元素所形成的钢种。常用的合金元素有:Mn、Si、Cr、Ni、Mo、W、V、Ti、Zr、AL、Co、Be、稀土等1、合金钢的分类◎按合金元素的质量分数：低合金钢WMe5%中合金钢WMe=5%--10%高合金钢WMe〉10%◎按钢中主要合金元素种类：锰钢、铬钢、硼钢、铬铌钢等◎按用途分为：合金结构钢、合金工具钢、特殊性能钢◎按正火后组织分：铁素体钢、奥氏体钢、莱氏体钢1.4.1合金钢的分类与编号1、合金元素在钢中的存在形式（1）强化铁素体锰、硅、铬、镍等合金元素溶入铁素体中，产生固溶强化，使体素体的强度、硬度提高，但塑性、韧性下降。（2）形成合金碳化物合金碳化物有高的熔点、硬度、耐磨性。产生弥散强化。钒、铌、锆、钛强碳化物形成元素；铬、钼、钨为中强碳化物形成元素；锰为弱碳化物形成元素。1.4.2合金元素在钢中的作用2、合金元素对Fe—Fe3C相图的影响加入合金元素对铁碳合金相图的相区、相变温度、共析成分等都有影响。（1）改变了奥氏体区的范围铜、锰、镍等合金元素使A3、A1线下降，GS线向左下方移动。铝、铬、钼、钨、钒、硅、钛等使A3、A1线升高，GS线向左上方移动。1.4.2合金元素在钢中的作用Wc%ⅠⅡⅠⅠⅢⅡⅡⅡQ1538°AcmA3A12、合金元素对Fe—Fe3C相图的影响（2）改变了Fe—Fe3C相图S、E点位置大多数合金元素能使S、E点左移。共析钢Wc0.77%,出现共晶组织Wc2.11%,1.4.2合金元素在钢中的作用3、合金元素对钢的热处理的影响（1）合金元素对加热时转变的影响合金元素的扩散速度很缓慢，对于合金钢应采取较高的加热温度和较长的保温时间，使合金元素溶入奥氏体并均匀化。合金元素形成的碳化物在高温下比较稳定，不宜溶于奥氏体，以细小质点的形式弥散分布在奥氏体晶界上，机械阻碍奥氏体晶粒的长大。因此，合金钢在高温下较长时间的加热仍能保持细晶粒组织，这是合金钢的一个重要特点。1.4.2合金元素在钢中的作用（2）合金元素对钢冷却转变的影响1）合金元素对过冷奥氏体等温转变的影响（除Co外）合金元素使C曲线右移，降低了马氏体的临界冷却速度，增大了钢的淬透性。2）合金元素对过冷奥氏体向马氏体转变的影响（除Co、Al外）合金元素使马氏体转变温度Ms和Mf降低，Ms越低，残余奥氏体的数量越多。（3）合金元素对淬火钢回火转变的影响1）提高了钢的回火稳定性2）形成了二次硬化,提高了钢的红硬性1.4.2合金元素在钢中的作用[小结]1、合金元素对钢的力学性能的影响2、合金元素对钢的工艺性能的影响3、合金元素对钢的特殊性能的影响小结铁碳合金纯铁铸铁铁碳合金分类钢碳素钢合金钢碳素结构钢Q235AF优质碳素结构钢45碳素工具钢T10A铸造碳钢ZG270—500合金结构钢合金工具钢特殊性能钢白口铸铁灰口铸铁灰铸铁HT250球墨铸铁QT500-07可锻铸铁KTH370-12蠕墨铸铁RuT340低合金高强度结构钢Q345B合金渗碳钢20CrMnTi合金调质钢40Cr合金弹簧钢60Si2Mn滚动轴承钢GCr15麻口铸铁合金结构钢的编号方法（1）低合金高强度结构钢牌号：Q+屈服极限数值(MPa)+质量等级符号(ABCDE)例如：Q390A表示屈服强度≥390MPa,质量等级为A级的低合金高强度结构钢（2）合金结构钢（合金渗碳钢、合金调质钢、合金弹簧钢）牌号：两位数字+元素符号+数字注：合金元素的平均质量分数WMe1.5%，只表元素，不标数值。例如：40Cr表示平均碳的质量分数Wc=0.4%，平均铬的质量分数Wcr1.5%的合金结构钢。属于高级优质合金结构钢，在牌号的末尾加“A”。如:38CrMoALA（3）滚动轴承钢牌号：G+Cr+数字（铬的质量分数的千倍）例如：GCr15钢：表示平均铬的质量分数Wcr=1.5%滚动轴承钢1.4.3合金结构钢1、低合金高强度结构钢◎成份：Wc=0.16%--0.20%，合金元素总量3%，主加元素为Mn,强化铁素体,提高了强度,VTi细化晶粒，提高韧性。◎性能：与碳素结构钢比较高的强度，足够的塑性、韧性，良好的焊接性和冷成形性，较好的耐腐蚀性和低的冷脆转变温度。◎用途：压力容器、桥梁、车辆、船舶、管道以及低温下工作的结构件等。钢号有：Q295Q345Q390Q420Q4601.4.3合金结构钢2、合金渗碳钢◎成份：Wc=0.10%--0.25%，主加元素为CrNiMnB等提高了淬透性，V、Ti使晶粒细化，耐磨性提高.◎热处理：渗碳+淬火+低温回火◎性能：表面具有高的硬度和耐磨性，心部具有较高的强度和足够的韧性。◎用途：制造工作中承受较强烈的冲击作用和磨损条件下的渗碳零件。如：汽车变速箱齿轮、汽车后桥齿轮和内燃机的凸轮轴、活塞销等。20CrMnTi应用最广。1.4.3合金结构钢3、合金调质钢◎成份：Wc=0.25%--0.50%，主加元素为Cr、Mn、Si、Ni、Mo、W等提高淬透性和强化铁素体.细化晶粒，增加回火稳定性。◎热处理：淬火+高温回火◎性能：良好的综合力学性能，既有较高的强度、塑性和韧性。◎用途：机床的主轴、连杆螺栓、变速箱齿轮等。牌号：如38CrMoAlA40Cr1.4.3合金结构钢4、合金弹簧钢◎成份：Wc=0.5%--0.7%，主加合金元素为SiMn、Cr等以提高淬透性和弹性极限。1）热成形弹簧钢弹簧丝或弹簧钢板大于10-15mm热处理：淬火+中温回火2)冷成形弹簧钢弹簧丝直径小于8-10mm热处理：冷卷成型后去应力退火◎性能：它具有高的弹性、疲劳强度及冲击韧度◎用途：制造各种弹性元件，如减震板弹簧、螺旋弹簧、缓冲弹簧、发条。牌号：60Si2Mn60Si2CrVA50CrVA1.4.3合金结构钢5、滚动轴承钢◎成份：碳质量分数一般为0.95%--1.15%，以保证其高硬度、高耐磨性和高强度。铬为基本合金元素，铬含量为0.40%--1.65%。高碳低铬◎热处理：球化退火+淬火+低温回火◎性能：高硬度、高耐磨性，高的疲劳强度和抗压强度。◎用途：各种滚动轴承的滚柱、滚珠、滚针，形状复杂的冷冲模具、精密量具以及要求硬度高、耐磨性高的结构零件。.1.4.3合金结构钢◎精密轴承热处理：球化退火+淬火+冷处理+回火+时效处理[小结]1、合金结构钢的分类2、合金结构钢的牌号、性能、用途及热处理过程[作业]说出下列牌号的含义？主要用途举一例。Q235AQ345B20CrMnTi38CrMoAlA60Si2MnGCr15小结练习作业铁碳合金纯铁铸铁铁碳合金分类钢碳素钢合金钢碳素结构钢Q235AF优质碳素结构钢45碳素工具钢T10A铸造碳钢ZG270—500合金结构钢合金工具钢特殊性能钢白口铸铁灰口铸铁灰铸铁HT250球墨铸铁QT500-07可锻铸铁KTH370-12蠕墨铸铁RuT340低合金高强度结构钢Q345B合金渗碳钢20CrMnTi合金调质钢40Cr合金弹簧钢60Si2Mn滚动轴承钢GCr15合金刃具钢合金模具钢合金量具钢不锈钢耐热钢耐磨钢麻口铸铁低合金刃具钢9SiCr高速钢W18Cr4V冷作模具钢Cr12热作磨具钢5CrNiMoCrWMn合金钢的编号（4）合金工具钢牌号：Wc1%时，用一位数字+元素符号+数字Wc≥1%时,不标出含碳量。高速钢不表含碳量。例如：9SiCr:表示平均Wc=0.9%，Wcrr、Wsi1.5%的合金工具钢。Cr12MoV：表示平均Wcr=12%,WMor、Wv1.5%的合金工具钢W18Cr4V:表示平均Ww=18%,WCr=4%r、Wv1.5%的高速钢（5）不锈钢与耐热钢牌号：一位数字+元素符号+数字当Wc≤0.03%及Wc≤0.08%时，则在牌号前面冠以“00”即“0”表示。例如：3Cr1300Cr17Ni14Mo20Cr19Ni9.1.4.4合金工具钢合金工具钢按用途分为合金刃具钢、合金模具钢、合金量具钢1、合金刃具钢◎用途：主要用于制造各种金属切削刀具，如车刀、钻头等。◎性能：高硬度,高耐磨性；高热硬性；足够的塑性和韧性。(1)低合金刃具钢(如：9SiCr、9Mn2V）①高碳：碳质量分数为0.75%--1.45%，以保证高硬度和高耐磨性。②合金元素Cr、Mn、Si、W、V，Wme5%主要是提高钢的淬透性、硬度和耐磨性，细化晶粒。提高韧性和回火稳定性。.最高工作温度不超过300℃，60HRC以上，用于低速切削刀具，如丝锥、板牙、绞刀等，也用于制造冲模、量具。热处理:球化退火+淬火+低温回火1.4.4合金工具钢（2）高速钢。◎高速钢是高合金刃具钢，具有很高的热硬性，高速切削中刃部温度达600℃时，其硬度无明显下降。①高碳：碳质量分数在0.70%—1.6%以上，②加入Cr、W、Mo、V等合金元素：高合金WMe＞10%,提高淬透性,保证高的热硬性，提高耐磨性，细化晶粒。◎高速钢钨系高速钢：W18Cr4V63—66HRC，磨削性能好，热处理变形小，控制方便。应用最多。车刀、刨刀、钻头钨钼系高速钢：W6Mo5Cr4V263—66HRC与钨系比，抗弯强度、冲击韧性和高温塑性较高，制造热轧刀具，麻花钻、滚刀、拉刀、超硬系：W6Mo5Cr4V2AL65—70HRC用于加工不锈钢、耐热钢、高强度钢等难加工材料。1.4.4合金工具钢1.4.4合金工具钢1.4.4合金工具钢2、合金模具钢合金模具钢按其用途分为冷作模具钢和热作模具钢两大类。(1)冷作模具钢◎用途：冷作模具钢用于制造在室温下使金属变形的模具。如各种冷冲模、冷镦模、冷挤压模和拉丝模等，工作温度不超过200～300℃。◎性能：高硬度,高耐磨性；较高强度；足够韧性和工艺性。◎小尺寸模具：T12A中尺寸模具：9Mn2V、CrWMn大尺寸模具：Cr12、Cr12MoV，Wc1—2%，加入Cr高达12%，1.4.4合金工具钢1.4.4合金工具钢(2)热作模具钢◎用途：热作模具钢用于制造加热的固态金属或液态金属在压力下成形的模具。前者称为热锻模或热挤压模，后者称为压铸模。工作时型腔表面温度可达600℃以上。（1）热锻模具钢性能：强度高，韧性好，抗热疲劳性好。Wc=0.4—0.6%，加入Cr、Mn、Ni提高淬透性、强度,CrMoW提高耐热疲劳性，WMoV提高钢的热硬性，细化晶粒。如：5CrNiMo（2）压铸模钢性能：高温力学性能好，抗热疲劳性好，较高的导热性，,耐金属液的腐蚀和冲刷能力。如：3Cr2W8V1.4.4合金工具钢3、合金量具钢◎用途：制造各种测量工具，如卡尺、千分尺、块规。◎性能要求：高硬度（大于58-64HRC）和高耐磨性；高尺寸稳定性，在存放和使用过程中，尺寸不发生变化。量具用钢的选用举例量具钢号平样板或卡板10、20（渗碳、淬火、低温回火）或50、55、60、60Mn、65Mn（高频表面淬火、低温回火）一般量规与块规T10A、T12A、9SiCr（淬火、低温回火）高精度量规与块规Cr（刃具钢）、CrMn、GCr15（淬火、低温回火）高精度且形状复杂的量规与块规CrWMn(低变形钢)（淬火、冷处理、低温回火、时效处理）抗蚀量具4Cr13,9Cr18(不锈钢)（淬火、低温回火）[小结]1、合金工具钢的分类2、合金工具钢的牌号、性能、用途[练习]1、为什么合金刃具钢9SiCr制造的刀具比T9钢制造的刀具使用寿命长？2、为什么钳工用手锯条(T10A)烧红后空冷会变软，而机用锯条(9SiCr)烧红后空冷仍有高的硬度？3、C12钢和高速钢都采用锻件，而不使用轧材（圆钢）。4、说出下列牌号各钢代表的含义？主要用途举一例。9SiCrW18Cr4VCr125CrNiMoCrWMn小结练习作业1.4.5特殊性能钢特殊