第三节-特殊性能钢及合金

第三节特殊性能钢及合金特殊性能钢是指不锈钢、耐热钢、耐磨钢等具有特殊物理、化学和力学性能的钢。一、不锈钢二、耐热钢三、耐磨钢四、硬质合金五、其它新型合金一、不锈钢2.防止金属腐蚀的措施：形成保护膜——如形成致密的Al2O3、Cr2O3薄膜使金属呈单相组织，避免形成原电池——不锈钢提高基体电极电位，减小电极电位差——钢中加入13Cr％，F的电极电位由-0.56V提高至0.2V。（一）概述1.金属的腐蚀形式：化学腐蚀——金属和周围介质直接发生化学作用。如金属加热时生成的氧化皮等。电化学腐蚀——金属在电解质中由于原电池作用而引起的腐蚀。如金相试样制备过程中的化学浸蚀过程。不锈钢是指某些在大气和一般介质中具有较高化学稳定性的钢。补充资料1形成保护膜形成单相组织王水（浓硝酸与浓盐酸比为1：3）Cr：提高抗蚀能力的基本元素、能在钢表面形成一层保护性的Cr2O3薄膜；提高钢基体的电极电位；形成单相的铁素体组织。Ni：使钢呈单相奥氏体组织，提高钢的塑性和韧性，改善钢的焊接性能Cu和Mo：提高钢的耐腐蚀作用C：对提高钢的抗腐蚀作用不利，但能提高钢的强度和硬度3.不锈钢所含元素及作用：性能：具有较高的强度、硬度、耐磨性。应用于要求力学性能要求较高，抗蚀性能一般的零件。如弹簧、轴、水压机阀、汽轮机叶片、轴承、刃具等。按室温组织分为：M不锈钢、F不锈钢、A不锈钢等（二）不锈钢的种类与特点常用的马氏体不锈钢：1Cr13、2Cr13、3Cr13、4Cr13、9Cr181.马氏体不锈钢成分：含较高的Cr、较高的CWCr12%~18%，WC0.1%~0.45%热处理：1Cr13、2Cr13淬火+高温回火→S回3Cr13、4Cr13淬火+低温回火→M回1000~1100℃油淬200~300℃500~790℃用途：1Cr13、2Cr13等钢在力学性能上与调质钢相似，主要用作在腐蚀介质中受冲击载荷的汽轮机叶片、锅炉管附件、水压机阀等。温度时间3Cr13、4Cr13等钢常用于弱腐蚀条件下工作且要求高硬度的医疗器械、弹簧、刃具、热油泵轴等。2.铁素体不锈钢成分及性能：含Cr较高(12~32%)含C较低(0.15%)耐蚀、抗高温氧化能力优于M不锈钢常用的钢号：1Cr17、1Cr25、1Cr28、0Cr17Ti、1Cr25Ti成分：WCr17~19%、WNi8~11%性能：具有良好的韧性、塑性、焊接性、抗腐蚀性能3.奥氏体不锈钢用途：强度要求不高，耐蚀性较高的场合，如硝酸、氮肥工业设备、容器、管道和食品工厂设备等。奥氏体不锈钢的晶间腐蚀及其防止晶间腐蚀：奥氏体不锈钢500-700℃保温时，晶界处析出碳化物(Cr23C6)使晶界附近Cr含量降低，使晶界容易引起腐蚀。（3）热处理消除晶间腐蚀倾向：850~900℃保温2~3小时，空冷防止晶间腐蚀的方法：（1）降低C含量WC0.06%以下，使钢不易形成Cr23C6，但其强度较低。0Cr18Ni9（2）加入强碳化物形成元素Ti或Nb，使形成TiC或NbC，而不形成Cr23C6。1Cr18Ni9Ti常用不锈钢的成分、牌号、热处理及性能特点见表6-18（P168-169）c)a)b)不锈钢的原始组织补充资料21Cr18Ni9Ti304316L1Cr18Ni9Ti316L在30%硫酸溶液中宏观腐蚀照片在10%硫酸溶液中宏观腐蚀照片a)1Cr18Ni9Ti304b)c)在含5%FeCl3的10%硫酸溶液中宏观腐蚀照片a)b)c)在30%硫酸溶液中微观腐蚀形貌二、耐热钢金属材料的耐热性包含高温抗氧化性和高温强度耐热钢是指具有良好的高温抗氧化性和高温强度的钢。（一）金属耐热性的基本概念金属的高温抗氧化性是指钢在高温条件下对氧化作用的抗力，是钢能否持久地工作在高温下的重要保证条件。金属的高温强度是指金属材料在高温下对机械载荷作用的抗力，即高温下金属材料抵抗塑性变形和破坏的能力。1.）马氏体型耐热钢主要含Cr、Mo、Si等元素。热处理：淬火＋回火，组织为：M回或S回Cr13+W、Mo(强化基体的合金元素）+V、Ti、Nb(强碳化物形成元素）牌号：4Cr9Si24Cr10SiMo1Cr131Cr11MoV（二）常用耐热钢根据成分、性能和用途耐热钢分为抗氧化钢和热强钢1、抗氧化钢在Cr钢、Ni钢、CrMnN钢基础上添加Si、Al、稀土元素等形成的钢。如3Cr18Mn12SiN、2Cr20MN9Ni2Si2N、3Cr18Ni25Si2等。常用于工作温度达1000℃的零件，如加热炉受热零件、锅炉吊钩等2、热强钢常用于600以下承受较大载荷的汽轮机叶片、增压器叶片等2）奥氏体型耐热钢高温抗蚀性能、抗氧化性能比马氏体型耐热钢好；还具有良好的塑性变形性能和焊接性能，但切削加工性能不好。1Cr18Ni9Ti4Cr14Ni14W2Mo等钢常用作内燃机排气阀、燃气轮机轮盘和叶片等。根据工作温度选材的原则：300℃选普通结构钢；300~600℃选马氏体型耐热钢；600~800℃选奥氏体型耐热钢；800~1000℃选镍基合金1000℃以上选用钼基合金和金属陶瓷。含碳量较低，合金元素总量3~5％。如12CRMoV、15CrMo等钢，常用于600以下的高、中压蒸汽锅炉的锅炉管、过滤器等。3）珠光体型耐热钢炉用加热元件耐热钢管耐热料盘燃烧器喷嘴三、耐磨钢主要指在冲击载荷作用下发生加工硬化的高锰钢，主要应用于使用过程中经受强烈冲击和严重磨损的零件。这种钢机加工比较困难，基本上都是铸造成型的，牌号为ZGMn13（一）化学成分WC1.0~1.3%WMn11.0%~14.0%由于冷速很快，碳化物来不及析出，得到单相奥氏体组织，此时钢的硬度很低(180~220HBS)，而塑性、韧性很高。当受到强烈冲击载荷和较大压力时，表面产生加工硬化并伴随有相变A→M，使钢的硬度升高到500~550HBS，故耐磨性增加。高锰钢水韧处理后不再回火（否则碳化物会重新沿晶界析出）。水韧处理：将铸造后的高锰钢加热到1000~1100℃，并保持一定时间，使碳化物完全溶入奥氏体中，然后水中冷却。（二）热处理——水韧处理在1290~1350℃直接浇注，随后冷却过程中，大量的碳化物沿奥氏体晶界析出，使钢变脆。应用高锰钢广泛应用于既要求耐磨又要求耐冲击的一些零件：铁路道岔、挖掘机铲斗、拖拉机和坦克的履带板、碎石机的颚板、衬板等。磨环与磨球落煤管三叉管送粉管道耐磨弯头锥斗四、硬质合金硬质合金是将一些难熔的化合物粉末和粘结剂混合，加压成型，再经烧结而成的一种粉末冶金材料。硬度高、热硬性好、耐磨性优良。切削速度可比高速钢提高4~7倍，刀具寿命可提高5~80倍。（二）硬质合金的分类：1.金属陶瓷硬质合金将难熔的金属碳化物粉末（如WC、TiC等)与粘结剂Co混合后加压成型，再经烧结而成。（一）硬质合金的特点：金属陶瓷硬质合金和钢结硬质合金（1）钨钴类：YG3、YG6、YG8等（2）钨钴钛类：YT5、YT15、YT30等应用：目前金属陶瓷硬质合金被广泛用作切削刀具，此外可用来制造量具、模具等耐磨零件，还用来制造凿岩机钎头和钻头等。2.钢结硬质合金钢结硬质合金是性能介于高速钢和硬质合金之间的新型工具材料，它是以一种或几种碳化物（如TiC、WC等）为硬质相，以合金钢（如高速钢，铬钼钢等）粉末为粘结剂，经配料，混料，压制，和烧结而成的粉末冶金材料。特点•退火后可进行一般的切削加工•淬火回火后有高的硬度和耐磨性•可进行焊接后锻造•有耐热、耐蚀、抗氧化等性能应用制造各种形状复杂的刀具、较高温度下工作的模具和耐磨零件。硬质合金钻头硬质合金刀片硬质合金冲压模具硬质合金拔丝模1．蒸汽阀门的阀杆对力学性能要求较高，同时要求具有一定的耐腐蚀性，其合适的材料和热处理工艺是（）(a)1Cr18Ni9Ti固溶处理(b)2Cr13淬火+高温回火(c)45钢调质(d)20CrMnTi渗碳2．加工餐具用的钢板可以选用（）(a)1Cr18Ni9Ti(b)1Cr13(c)20钢(d)工业纯铁3．长期在700℃温度下使用的构件，承受一定的应力作用，可选用的材料是（）(a)45(b)5CrMnMo(c)1Cr18Ni9Ti(d)42CrMo随堂思考题4．拖拉机履带板可以选用（）(a)45(b)ZGMn13(c)ZG45(d)CrWMn5．用W6Mo5Cr4V2高速钢制刀具加工不锈钢时寿命比较短，换用材料（）能提高刀具的寿命(a)42CrMo(b)W18Cr4V(c)40Cr(d)YG6X6．要求强度高，同时要求耐腐蚀的零件可以选用（）（a）Cr12MoV（b）42CrMo（c）4Cr13（d）40Cr1．不锈钢中都含有较高含量的Cr元素，这是因为Cr与O2反应生成Cr2O3具有很高的耐磨性而防止了氧化磨损（）2．因为耐磨钢（高锰钢）不经过淬火处理在室温就可以得到马氏体组织，所以具有很高的耐磨性（）3．奥氏体具有大的加工硬化能力，所以在室温是奥氏体的钢切削加工困难（）4．拔丝模用Cr12制造寿命比较短，改用硬质合金能提高其寿命（）5．在固溶体基体上均匀分布一定量的第二相硬质点不仅能提高其强度和耐磨性，而且也能提高其耐蚀性（）6．奥氏体不锈钢的价格比马氏体和铁素体的价格低（）蒸汽阀门的阀杆对综合力学性能要求较高，同时要求具有一定的耐腐蚀性。（1）在1Cr18Ni9Ti、2Cr13、45和20CrMnTi四种钢中选择一种合适的材料；（2）画出最终热处理工艺曲线（注明温度范围）。五、其它新型合金（一）非晶态合金非晶态合金也称“金属玻璃”，它是由熔融态的合金以极高速度冷却，使其凝固后仍保持液态结构而得到的。性能：非晶态合金与金属相比，具有高的强度、硬度和断裂韧性，良好的软磁性及耐蚀性等。类型：根据非晶态合金的原子排列模型可分为不连续型和连续无规则网络型两种。制取方法：1.由气相直接凝聚成非晶态固体2.由液态快速冷却获得非晶固体3.由结晶材料通过辐射、离子注入、冲击波等方法制得非晶体材料。（二）纳米材料纳米材料是指尺寸在1~100nm之间的超细微粒。纳米材料三个效应1.小尺寸效应当超微粒子尺寸与光波波长相当或更小时，材料的声、光、电磁、热力学等特性均呈现尺寸效应。2.表面与界面效应随粒子直径减小，表面积急剧增大，增加了纳米粒子的活性。3.量子尺寸效应该效应将导致纳米颗粒的磁、光、声、热、电及超导电性与宏观物体显著不同。制备方法惰性气体淀积法、还原法、化学气相沉积法。（三）梯度材料梯度材料是依据使用要求，选择两种不同性能的材料，采用先进的材料复合技术，使中间部分的组成和结构连续的呈梯度变化，内部不存在明显的界面，从而使材料的性质和功能，沿厚度方向也呈梯度变化的一种新型复合材料。特点是克服了两种材料结合部位的性能不匹配因素，同时，梯度材料的两侧具有不同的功能制备方法化学气相沉积法、物理蒸发法、等离子喷涂法、自蔓延高温合成法等。（四）形状记忆合金具有形状记忆效应的金属材料称为记忆合金。所谓形状记忆效应，是指一定形状的合金在某种条件下经塑性变形，然后加热至该材料的某一临界温度以上时，又完全恢复其原来形状的现象记忆机理大部分形状记忆合金的记忆机理是热弹性马氏体相变。马氏体相变具有可逆性。形状记忆效应有三种形式1.单向形状记忆效应；2.双向形状记忆效应；3.全方位形状记忆效应；（五）储氢合金储氢材料是指能以金属氢化物的形式吸收氢，加热后又能释放氢的金属。实用储氢材料应具备的条件：1.吸氢能力大；且吸氢、释氢速度快；2.金属氢化物的生成热要适当；3.化学稳定性好，且对氧、水和二氧化碳等杂质敏感性小，经久耐用。4.价格便宜。储氢材料种类：1.镁系合金2.稀土系合金3.钛系储氢合金