武汉理工大学工程材料第7章

工程材料机械制造基础-Ⅰ第七章合金钢机电工程学院金工学部王志海第七章合金钢(AlloyedSteel)合金钢的基础知识合金结构钢合金工具钢特殊性能钢第一节合金钢的基础知识一.合金元素对钢的组织和性能的影响合金元素与铁和碳的作用。合金元素对Fe-Fe3C相图的影响。合金元素对钢的热处理的影响。一)合金元素与铁和碳的作用1.溶于基体中形成合金F或合金A。2.与碳作用形成合金碳化物(Fe,Cr)3C。3.单独形成特殊碳化物TiC、VC。1.溶于基体中形成合金F或合金A1.溶于基体中形成合金F或合金A2.与碳作用形成合金碳化物Fe、Mn、Cr、Mo、W、V、Ti、Nb、Zr弱强弱碳化物元素:Fe、Mn。中强碳化物元素:Cr、Mo、W。强碳化物元素:V、Ti、Nb、Zr。碳化物形成元素在周期表中都是位于铁元素的左边的过渡族金属元素,它们都有一个未填满的d电子亚层,当形成碳化物时,碳原子首先将其价电子填入金属原子未填满的d电子亚层,使形成的碳化物具有金属键结合的性质,金属原子的d电子亚层愈不满(周期表中,在铁左边离铁愈远),则其与碳的亲和力愈强,形成碳化物的能力愈大,愈稳定,而且不易分解。3.单独形成特殊碳化物熔点、硬度、耐磨性最高。稳定性最高。TiC、NbC、VC。二)合金元素对Fe-Fe3C相图的影响扩大奥氏体区缩小奥氏体区改变共晶点和共析点的参数1.扩大奥氏体区的合金元素Mn、Ni、Co等元素。作用:使A3线温度下降,A4线温度上升。Mn元素对奥氏体区的影响2.缩小奥氏体区的合金元素Cr、Mo、W、V、Ti、Si等元素。作用:使A3线温度上升,A4线温度下降。Cr元素对奥氏体区的影响3.改变共晶点和共析点参数的元素几乎所有的合金元素。作用:使S点和E点的成分向左移。使A1线的温度变化。合金元素对S点成分的影响合金元素对A1线的影响三)合金元素对钢的热处理的影响加热时对奥氏体形成的影响对过冷奥氏体转变的影响对回火转变的影响1.合金元素对加热时奥氏体形成的影响除Mn元素外,所有合金元素的加入,均使奥氏体的形成速度减慢。强碳化物形成元素能强烈的阻止奥氏体晶粒长大(Ti、V、Zr、Nb等)。非碳化物形成元素能轻微的阻止奥氏体晶粒长大(Si、Ni、Cu、Co等)。2.合金元素对过冷奥氏体转变的影响除Co元素外,所有的合金元素均使钢的TTT曲线向右移。除Co、Al元素外,所有的合金元素都使马氏体转变温度下降。提高钢的淬透性,常用的元素有:Cr、Mn、Mo、Si、Ni、B等。3.合金元素对回火转变的影响回火抗力的增加(temperresistance)二次硬化的产生(secondaryhardening)产生回火脆性(temperbrittleness)W、Mo、V等碳化物在550℃时,使钢达到最高硬度,产生二次硬化。Cr-Ni钢的回火脆性示意图防止第二类回火脆性的产生的方法:在500～600℃快速冷却。加入合金元素W、Mo。二.合金元素在钢中的作用1.主加元素:对提高钢的性能起主要作用。Si、Mn、Cr、Ni、B。2.辅加元素:配合主加元素进一步提高钢的性能,弥补主加元素的不足与缺陷。W、Mo、V、Ti、Nb。第二节合金结构钢(AlloyConstructionalSteel)普通低合金钢合金渗碳钢合金调质钢弹簧钢滚动轴承钢易切削钢一.普通低合金钢(commonlow–alloyedsteel)1.化学成分:碳素结构钢+合金元素主加合金元素:Mn1.8%以内。辅加合金元素:V、Ti、Nb、B。一.普通低合金钢2.牌号:Q345C质量等级345MPa屈服强度一.普通低合金钢Q460钢含Mo、B，正火组织为B，强度高，用于石化中温高压容器。压力容器南京长江大桥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，用于中等压力的容器。万吨远洋轮二.碳素渗碳钢及合金渗碳钢(carboncase-hardenedsteelandalloycase-hardenedsteel)1.对渗碳钢的性能要求:2.对渗碳钢的含碳量的要求:低碳3.渗碳钢的热处理特点:渗碳淬火+低温回火(180～200℃)表硬里韧Wc≤0.25%Wc=0.15～0.25%合金元素:Cr、Mn、Ni、B、V、W、Mo、Ti等。表层:M回+Fe3C+A残心部:F+P表层:M回+Cm+A残心部:低碳M回+F碳素渗碳钢合金渗碳钢化学成分热处理后的组织4.合金渗碳钢的牌号20Mn2TiA等级:高级优质含钛量WTi≤1.5%含锰量WMn2%含碳量WC20%005.典型合金渗碳钢种介绍低淬透性合金渗碳钢钢含合金元素总量＜3%15Cr、20Cr、20Mn2。用于受力小的耐磨件，如柴油机的活塞销、凸轮轴等。中淬透性合金渗碳钢钢含合金元素总量在4%左右。20CrMn、20CrMnTi、20Mn2TiB。用于中等载荷的耐磨件，如变速箱齿轮。柴油机凸轮轴活塞销(20Cr)5.典型合金渗碳钢种介绍高淬透性合金渗碳钢钢含合金元素总量在4%～6%。18Cr2NiWA、20Cr2Ni4A等。用于大载荷的耐磨件，如柴油机曲轴。柴油机曲轴20CrMnTi钢制造齿轮的热处理工艺曲线三.碳素调质钢及合金调质钢(carbonhardened–temperedsteelandalloyhardened–temperedsteel)1.对调质钢的性能要求:既强又韧2.对调质钢的含碳量的要求:中碳3.调质钢的热处理特点:淬火+高温回火(500～650℃)Wc=0.25～0.6%Wc=0.25～0.5%合金元素:Cr、Mn、Ni、B、Si、V、W、Mo、Ti等。表层:S回碳素调质钢合金调质钢化学成分热处理后的组织心部:P+F表层:S回心部:S回4.合金调质钢的牌号38CrMoAlA5.典型合金调质钢种介绍低淬透性调质钢钢含合金元素总量＜3%。40Cr、40MnB等。中淬透性调质钢钢含合金元素总量在4%左右。38CrSi、35CrMo等。圆锥齿轮柴油机凸轮轴常用于制造较小的齿轮、轴、螺栓等零件。5.典型合金调质钢种介绍高淬透性调质钢钢含合金元素总量在4%～10%。制造大截面重载荷零件，如曲轴等用高淬透性的零件等。38CrMoAlA、40CrMnMo、25Cr2Ni4WA等。40Cr钢制造连杆螺栓的热处理工艺曲线四.碳素弹簧钢及合金弹簧钢(carbonspringsteelandalloyspringsteel)1.对弹簧钢的性能要求:高的σe、高的σs/σb、高的σ-1、良好的韧性。2.对弹簧钢含碳量的要求:中、高碳。3.热成型弹簧钢的热处理特点:淬火+中温回火(450～550℃)碳素弹簧钢合金弹簧钢化学成分热处理后的组织Wc=0.6～0.9%Wc=0.5～0.7%合金元素:Si、Mn、Cr、V、W、Mo等。T回制造尺寸小于Φ8～15mm的小型弹簧。T回制造尺寸在Φ20～25mm左右的弹簧。4.合金弹簧钢的牌号6565Mn60Si2Mn50CrVA50CrMnA55SiMnMoVNb5.冷成形弹簧生产工艺特点用于生产尺寸小于Φ8～15mm的小型弹簧,常用弹簧钢丝(片)冷绕成形,其制造方法有:T组织冷成型+200～300℃去应力退火。60、75、85、65Mn。T回组织冷成型+去应力退火。退火组织冷成型+淬火+中温回火。55Si2Mn、60Si2MnA、50CrVA。汽车板簧大型热卷弹簧热卷大弹簧弹簧丝五.滚动轴承钢(bearingsteel)1.性能要求:高的硬度强度和耐磨性;高的接触疲劳强度;足够的韧性和耐蚀性;高的纯净度;滚珠轴承滚针轴承滚柱轴承五.滚动轴承钢(bearingsteel)2.化学成分特点:高碳,Wc=0.9～1.1%。主加Cr,0.4～1.65%辅加Si、Mn。优质钢材。五.滚动轴承钢(bearingsteel)3.热处理特点:球化退火+淬火+低温回火极细回火马氏体+细粒状碳化物+少量残余奥氏体4.滚动轴承钢的牌号GCr9SiMn含Mn量WMn≤1.5%含Si量WSi≤1.5%含Cr量WCr≈0.9%滚动轴承钢5.铬轴承钢制造轴承的工艺路线锻造球化退火机加工淬火+冷处理(–60～–80℃;1h)低温回火磨削加工稳定化处理(120～130℃；5～10h)六.易切削钢(fee–cuttingsteel)2.性能要求:降低切削力和切削热,减少刀具磨损,延长刀具寿命,改排屑性能,提高切削速度。3.化学成分特点:1.用途:适用于高速切削和在自动加工机床上加工的材料。S:Ws=0.08～0.3%Pb:WPb=0.15～0.25%Ca:微量4.易切削钢的牌号Y40Mn含锰量WMn≤1.5%含碳量WC0.4%易切削钢5.易切削钢的热处理工艺特点低碳易切削钢(Y12、Y15、Y20)渗碳或淬火成低碳马氏体。中碳易切削钢(Y40)调质及表面淬火。第三节合金工具钢(Alloytoolsteel)合金刃具钢(alloycuttingsteel)合金模具钢(alloydiesteel)合金量具钢(alloymeasuringsteel)量具刃具模具一.碳素刃具钢(carboncuttingsteel)1.性能要求:高硬度、高耐磨性,有一定的强度和韧性。2.化学成分特点:高碳。3.热处理特点:淬火+低温回火4.组织:M回+Fe3C+A残5.用途:用于低速、低温(＜200℃）、低冲击、硬度在HRC62左右的刃具。一.碳素刃具钢(carboncuttingsteel)锉刀手锤二.合金刃具钢(alloycuttingsteel)种类:低合金刃具钢;高速钢。牌号:合金元素及含量千分之几的含碳量9SiCrW18Cr4V1.低合金刃具钢1.性能要求:高硬度、高耐磨性、有一定的红硬性、强度和韧性,工作温度不超过300℃。2.化学成分特点:*高碳*加入Cr、Mn、Si、W、V等合金元素。3.热处理特点:球化退火淬火+低温回火9SiCr钢板牙热处理工艺曲线板牙2.高速钢(high–speedsteel)(1)性能要求:高硬度、高耐磨性、高的红硬性(600℃时,HRC63以上)、有一定的强度和韧性。高速钢---锋钢、风钢;18–4–1钢车刀铣刀钻头(2)化学成分特点:高碳0.7～1.5%:钨18%:钼5%:铬4%:钒1.5%:保证高硬度退火状态下形成M6C碳化物,在560℃左右回火时,弥散析出W2C,造成二次硬化,提高钢的红硬性。1%Mo的作用等同于2%W。形成Cr23C6碳化物;提高钢的淬透性。形成VC,硬度极高,提高钢的硬度和耐磨性,产生二次硬化。(3)W18Cr4V钢的生产工艺及热处理特点铸造锻造球化退火机加工淬火+三次570℃回火磨削加工铸造:高速钢属于莱氏体钢,铸态组织中含有大量呈鱼骨状分布的粗大共晶碳化物M6C,钢的韧性大幅下降。W18Cr4V钢的铸态组织W18Cr4V铸造组织130W18Cr4V钢的铸态组织W18Cr4V铸态组织420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。W18Cr4V锻造组织210球化退火:消除应力,调整组织,便于机加工,为淬火作好组织准备。球化退火后的组织:S+粒状CmW18Cr4V球化退火组织420W18Cr4V钢的热处理过程示意图淬火:1280℃;淬火后的组织:M+Cm+A残(20～25%)W18Cr4V钢淬火组织W18Cr4V淬火组织300三次570℃回火在570℃回火时,产生二次硬化。三次570℃回火*淬火后A残约20～25%。*第一次回火后A残约剩15～18%。*第二次回火后A残约剩3～5%。*第三次回火后A残约剩1～2%。回火后的组织:M回+Cm+A残(1～2%)组织硬度为HRC65以上。W18Cr4V淬火+一次回火组织W18Cr4V淬火+一次回火组织105W18Cr4V淬火+三次回火组织W18Cr4V淬火+三次回火组织420三.合金模具钢(alloydies