金屬材料熱處理第五章合金鋼

導言

合金鋼——在碳素鋼的基礎上，為了改善鋼的性能，在冶煉時有目的地加入一種或數種合金元素的鋼。

性能：較高的力學性能、淬透性和回火穩(wěn)定性等，有的還具有耐熱、耐酸、耐蝕等特殊性能。目前一頁\總數六十四頁\編于九點§5－1合金元素在鋼中的主要作用一、強化鐵素體二、形成合金碳化物三、細化晶粒四、提高鋼的淬透性五、提高鋼的回火穩(wěn)定性目前二頁\總數六十四頁\編于九點一、強化鐵素體

大多數合金元素（除鉛外）都能溶于鐵素體，形成合金鐵素體。

對性能的影響；鐵素體的強度、硬度增加，塑性、韌性有所下降，即產生固溶強化作用；

固溶強化（Solidsolutionstrengthening）融入固溶體中的溶質原子造成晶格畸變，晶格畸變增大了位錯運動的阻力，使滑移難以進行，從而使合金固溶體的強度與硬度增加。目前三頁\總數六十四頁\編于九點二、形成合金碳化物1．合金滲碳體

錳、鉻、鉬、鎢等弱、中強碳化物形成元素一般傾向于形成合金滲碳體，合金滲碳體較滲碳體略為穩(wěn)定，硬度也略高，可明顯提高低合金鋼的強度。2．特殊碳化物

釩、鈮、鈦等強碳化物形成元素能與碳形成特殊碳化物，特殊碳化物比合金滲碳體具有更高的熔點、硬度和耐磨性，而且更穩(wěn)定、不易分解。目前四頁\總數六十四頁\編于九點合金元素溶入Fe3C內，增強了Fe與C之間的親和力，從而提高了滲碳體的穩(wěn)定性，使之較難溶于奧氏體，較難聚集長大；其它類型的碳化物也較難溶于奧氏體，較難聚集長大，并且熔點、硬度較高；總之：這些碳化物的增多，將使鋼的強度、硬度增高，耐磨性增高，但塑性、韌性下降；對性能的影響目前五頁\總數六十四頁\編于九點三、細化晶粒

幾乎所有的合金元素都有抑制鋼在加熱時奧氏體晶粒長大的作用，達到細化晶粒的目的。強碳化物形成元素鈮、釩、鈦等形成的碳化物、鋁（Al）在鋼中形成的AlN和Al2O3細小質點，均能強烈地阻礙奧氏體晶粒長大，使合金鋼在熱處理后獲得比碳鋼更細的晶粒。目前六頁\總數六十四頁\編于九點合金鋼熱處理時加熱的目的：獲得成分均勻的奧氏體，使合金元素盡可能多的溶入奧氏體中，提高淬透性，大多數合金元素（除少數Ni、Co，主要是碳化物形成元素）會減慢奧氏體的形成過程。所以合金鋼的奧氏體化溫度高，保溫時間長。目前七頁\總數六十四頁\編于九點四、提高鋼的淬透性

除鈷外，所有的合金元素溶解于奧氏體后，均可增加過冷奧氏體的穩(wěn)定性，推遲其向珠光體的轉變，使C曲線右移，從而減小鋼的臨界冷卻速度，提高鋼的淬透性。常用提高淬透性的合金元素有：鉬、錳、鉻、鎳（Ni）和硼（B）等。目前八頁\總數六十四頁\編于九點目前九頁\總數六十四頁\編于九點五、提高鋼的回火穩(wěn)定性

回火穩(wěn)定性——淬火鋼在回火時，抵抗軟化的能力。（淬火鋼在回火時抵抗強度、硬度下降的能力；）如圖

目前十頁\總數六十四頁\編于九點目前十一頁\總數六十四頁\編于九點§5－2合金鋼的分類和牌號一、合金鋼的分類二、合金鋼的牌號目前十二頁\總數六十四頁\編于九點一、合金鋼的分類1．按用途分類

合金結構鋼；普通低合金鋼（低合金高強鋼）、滲碳鋼、調質鋼、彈簧鋼、滾動軸承鋼、易切削鋼、超高強度鋼；（如圖）合金工具鋼；刃具鋼、模具鋼、量具鋼。（如圖）特殊性能鋼；不銹鋼、耐熱鋼、耐磨鋼、電工用鋼。目前十三頁\總數六十四頁\編于九點1.構件用鋼：制造各種大型金屬結構-橋梁、船舶、屋架、容器-又叫做工程用鋼。車輛儲氣罐目前十四頁\總數六十四頁\編于九點船舶橋梁目前十五頁\總數六十四頁\編于九點銼刀量規(guī)鉆頭目前十六頁\總數六十四頁\編于九點2．按合金元素總含量分類

低合金鋼：合金元素總含量＜5％。中合金鋼：合金元素總含量5％～10％高合金鋼：合金元素總含量＞10％目前十七頁\總數六十四頁\編于九點二、合金鋼的牌號

兩位數字（碳含量）＋元素符號（或漢字）＋數字表示。

前面兩位數字表示鋼的平均含碳量的萬分數。元素符號（或漢字）表明鋼中含有的主要合金元素。后面的數字表示該元素的含量。合金元素含量小于1.5％時不標，平均含量為1.5％~2.5％，2.5％~3.5%…時，則相應地標以2，3…1．合金結構鋼

目前十八頁\總數六十四頁\編于九點40Cr（合金結構鋼）主要合金元素為鉻，含量在1.5％以下平均含碳量為0.40％60Si2Mn（合金結構鋼）平均含硅量為2％左右平均含碳量為0.60％主要合金元素為錳，含量小于1.5％目前十九頁\總數六十四頁\編于九點2．合金鋼多為優(yōu)質鋼，無需特殊表示。當合金鋼為高級優(yōu)質鋼或特級優(yōu)質鋼時，分別在牌號尾加A、E表示。必要時可將表示產品用途、特性或工藝方法的字符加在牌號尾部。

目前二十頁\總數六十四頁\編于九點3．合金工具鋼與合金結構鋼的區(qū)別僅在于碳含量的表示方法，它用1位數字表示平均含碳量的千分數，當碳含量≥1.0％時，則不予標出。合金元素含量表示方法與合金結構鋼相同，當平均含鉻量小于1%時，在鉻含量（以千分數計）前加數字“0”。目前二十一頁\總數六十四頁\編于九點4．高速鋼

含碳量均不標出，如W18Cr4V鋼的平均含碳量為0.7％～0.8％。5．特殊性能鋼

不銹鋼或耐熱鋼的牌號用兩位或三位阿拉伯數字表示含碳量的最佳控制值（以萬分之幾或十萬分之幾計），合金元素含量的表示方法與合金結構鋼相同，當材料只規(guī)定含碳量上限時，若含碳量上限≤0.10%，則以其上限值的3/4表示，若含碳量上限＞0.1%時，則以其上限值的4/5表示（兩位數，萬分數計）。如:06Cr18Ni9表示含碳量不大于0.08%，平均含鉻量為18%，含鎳量為9%的鉻鎳不銹鋼；12Cr17表示含碳量不大于0.15%，含鉻量為17%的高碳鉻不銹鋼。目前二十二頁\總數六十四頁\編于九點當含碳量規(guī)定上下有限時，則采用平均含碳量表示（兩位數，萬分數計）。如20Cr13其含碳量為0.16~0.25%，平均含碳量為0.20%，含鉻量為13%。當不銹鋼中有意加入鈮、鈦、鋯、氮等元素時，雖然含量很低也應在牌號中標出。如022Cr18Ti為一種含碳量不大于0.03%,最佳控制值為0.022%，含鉻量18%，含鈦量小于1.0%的不銹鋼。當含碳量上限≤0.03%，（超低碳），則以三位數表示含碳量最佳控制值（十萬分數計），如：015Cr19Ni11是一種含碳量上限為0.02%，最佳控制值為0.015%；平均含鉻量為19%，含鎳量為11%的極低碳不銹鋼。目前二十三頁\總數六十四頁\編于九點特殊專用鋼，為表示鋼的用途，在鋼的牌號前面冠以漢語拼音字母字頭，并不標含碳量，合金元素含量的標注也和上述有所不同。如：滾動軸承鋼中高鉻軸承鋼的前面標“G’，（“滾”字的漢語拼音字母字頭）而不標含碳量，如GCr15。而牌號中鉻元素后面的數字是表示含鉻量的千分數，其他元素仍按百分數表示，如GCrl5SiMn表示含鉻量為1.5％，硅、錳含量均小于1.5％的滾動軸承鋼。易切鋼也是在牌號前冠以拼音字母“Y”，如“Y15”，表示含碳量0.15％的易切鋼。6．特殊專用鋼目前二十四頁\總數六十四頁\編于九點§5－3合金結構鋼一、低合金結構鋼二、合金滲碳鋼三、合金調質鋼四、合金彈簧鋼五、滾動軸承鋼

合金結構鋼——用于各類工程結構件和制造各種機器零件的鋼。目前二十五頁\總數六十四頁\編于九點一、低合金結構鋼

在碳素結構鋼的基礎上加入少量合金元素就形成了低合金結構鋼。常加入的合金元素有錳（Mn）、硅（Si）、鈦（Ti）、鈮（Nb）、釩（V）等。低合金結構鋼的含碳量較低，一般為0.10％～0.25％。熱軋退火或正火狀態(tài)下使用，一般不再進行熱處理。目前二十六頁\總數六十四頁\編于九點低合金結鋼的應用

目前二十七頁\總數六十四頁\編于九點二、合金滲碳鋼

合金滲碳鋼在經滲碳+淬火+低溫回火的處理后，具有外硬內韌的性能，用來制造既要有優(yōu)良的耐磨性和耐疲勞性、又能承受沖擊載荷作用的零件，含碳量在0.10％～0.25％之間，加入合金元素主要是為了提高鋼的淬透性，并防止鋼因在長時間滲碳而造成晶粒粗大。其典型熱處理工藝為：滲碳+淬火+低溫回火。目前二十八頁\總數六十四頁\編于九點合金滲碳鋼的應用

目前二十九頁\總數六十四頁\編于九點三、合金調質鋼

含碳量一般為0.25％～0.50％，屬于中碳合金鋼。常加入少量鉻、錳、硅、鎳、硼等合金元素以增加鋼的淬透性，使鐵素體強化并提高韌性。加入少量鉬、釩、鎢、鈦等碳化物形成元素，可阻止奧氏體晶粒長大和提高鋼的回火穩(wěn)定性，以進一步改善鋼的性能。熱處理工藝是調質（淬火+高溫回火）。

目前三十頁\總數六十四頁\編于九點合金調制鋼的應用

目前三十一頁\總數六十四頁\編于九點四、合金彈簧鋼

含碳量一般為0.45％～0.70％?？杉尤氲暮辖鹪赜绣i、硅、鉻、釩和鎢等。彈簧鋼的性能特點：（1）高的彈性極限或屈服極限和高的屈強比，以保證彈簧有足夠高的彈性變形能力，并能承受大的載荷。（2）高的疲勞極限，以保證彈簧在長期的振動和交變應力作用下不產生疲勞破壞。（3）為了滿足成形的需要和可能承受的沖擊載荷，彈簧鋼應具有一定的塑性和韌性。此外，一些在高溫及易蝕條件下工作的彈簧，還應具有良好的耐熱性和抗蝕性。

目前三十二頁\總數六十四頁\編于九點合金彈簧鋼的應用

目前三十三頁\總數六十四頁\編于九點五、滾動軸承鋼

主要用來制造各種滾動軸承的內外圈及滾動體（滾珠、滾柱、滾針），也可用來制造各種工具和耐磨零件。滾動軸承鋼必須具有高的硬度和耐磨性、高的彈性極限和接觸疲勞強度、足夠的韌性和一定的耐蝕性。軸承鋼都是高級優(yōu)質鋼。滾動軸承鋼的熱處理包括預先熱處理和最終熱處理。預先熱處理采用球化退火，最終熱處理為淬火+低溫回火。目前三十四頁\總數六十四頁\編于九點滾動軸承鋼的應用

目前三十五頁\總數六十四頁\編于九點§5－4合金工具鋼一、合金刃具鋼二、合金模具鋼三、合金量具鋼目前三十六頁\總數六十四頁\編于九點一、合金刃具鋼

合金刃具鋼主要用來制造車刀、銑刀、鉆頭等各種金屬切削刀具。刃具鋼要求高硬度、耐磨、高熱硬性及足夠的強度和韌性等。目前三十七頁\總數六十四頁\編于九點1．低合金刃具鋼

低合金刃具鋼是在碳素工具鋼的基礎上加入少量合金元素的鋼。

加入鉻、錳、硅等元素，目的是提高鋼的淬透性，同時還能提高鋼的強度。加入鎢、釩等強碳化物形成元素，目的是為了提高鋼的硬度和耐磨性，并防止加熱時過熱，保持晶粒細小。

低合金刃具鋼的預備熱處理是球化退火，最終熱處理為：淬火+低溫回火。目前三十八頁\總數六十四頁\編于九點低合金刃具鋼的應用目前三十九頁\總數六十四頁\編于九點2．高速鋼

高紅硬性、高耐磨性的高合金工具鋼。鋼中含有較多的碳（0.7％～1.50％）和大量的鎢、鉻、釩、鉬等強碳化物形成元素。

高的含碳量：保證形成足夠量的合金碳化物，并使高速鋼具有高的硬度和耐磨性。

W、Mo：提高鋼紅硬性的主要元素。鉻：提高鋼的淬透性。釩：提高鋼的硬度、耐磨性和紅硬性，并能細化晶粒。目前四十頁\總數六十四頁\編于九點高速合金鋼的應用目前四十一頁\總數六十四頁\編于九點2．熱作模具鋼

熱作模具鋼是用來制造使金屬在高溫下成形的模具，如熱鍛模、熱擠壓模、壓鑄模等。熱作模具鋼要具備較高的強度、韌性、高溫耐磨性及熱穩(wěn)定性，并具有較好的抗熱疲勞性能。熱作模具鋼的最終熱處理是淬火+中溫回火（或高溫回火），以保證其具有足夠的韌性。目前四十二頁\總數六十四頁\編于九點二、合金模具鋼

用于制作模具的鋼稱為模具鋼。1．冷作模具鋼

冷作模具鋼用于制造使金屬在冷狀態(tài)下變形的模具，如沖裁模、拉絲模、彎曲模、拉深模等。小型沖裁模目前四十三頁\總數六十四頁\編于九點熱鍛模、壓鑄模和擠壓模

目前四十四頁\總數六十四頁\編于九點3．塑料模具鋼

我國目前在生產中推廣應用十多種新型塑料模具鋼，初步形成了我國塑料模具用鋼體系。塑料模具對材料在強度和韌度上的要求低于冷作模和熱作模,由于注塑零件形狀往往比較復雜,塑料模具在淬硬后很難加工,有時甚至無法加工。所以應選用熱處理變形小的材料。塑料模具的型腔復雜，切削加工量大，所以應具有優(yōu)良的切削加工性能。塑料模具型腔表面質量要求很高，材料必需具有良好的拋光性能和刻蝕性。塑料模具使用時型腔中往往要添加各種化學添加劑，所以模具材料需要有良好的耐腐蝕性能。目前四十五頁\總數六十四頁\編于九點塑料制品與塑料模具目前四十六頁\總數六十四頁\編于九點三、合金量具鋼

量具是測量工件尺寸的工具，其工作部分所用鋼材一般要求高硬度、高耐磨性、高的尺寸穩(wěn)定性和足夠的韌性。目前四十七頁\總數六十四頁\編于九點§5－5特殊性能鋼一、不銹鋼二、耐熱鋼三、耐磨鋼目前四十八頁\總數六十四頁\編于九點一、不銹鋼

不銹鋼主要是指在空氣、水、鹽的水溶液、酸及其他腐蝕性介質中具有高度化學穩(wěn)定性的鋼。不銹鋼是不銹鋼和耐酸鋼的統稱，能抵抗大氣腐蝕的鋼稱為不銹鋼，而在一些化學介質（如酸類）中能抵抗腐蝕的鋼稱為耐酸鋼。

常用不銹鋼按化學成分分為鉻不銹鋼、鉻鎳不銹鋼和鉻錳不銹鋼等。按金相組織特點分為馬氏體不銹鋼、鐵素體不銹鋼和奧氏體不銹鋼等。目前四十九頁\總數六十四頁\編于九點1．奧氏體不銹鋼

含碳量很低（≤0.15％），含鉻量為18％，鎳為9％，這種不銹鋼習慣上稱為18－8型不銹鋼，屬于鎳鉻不銹鋼。常用的奧氏體不銹鋼有12Cr18Ni9、06Cr18Ni9N等。

目前五十頁\總數六十四頁\編于九點2．馬氏體不銹鋼

鋼中含碳量為0.10％～1.20％，淬火后能得到馬氏體，屬于鉻不銹鋼。淬火、回火后使用。馬氏體不銹鋼的耐蝕性、塑性和焊接性都不如奧氏體不銹鋼和鐵素體不銹鋼，但由于它具有較好的力學性能與一般的耐蝕性相結合，故應用廣泛。馬氏體不銹鋼鍛造后需退火，以降低硬度、改善切削加工性能。在沖壓后也需進行退火，以消除硬化、提高塑性，便于進一步加工。目前五十一頁\總數六十四頁\編于九點3．鐵素體不銹鋼

含碳量＜0.12％，含鉻量在11.50％～30％之間，屬于鉻不銹鋼。鉻是縮小奧氏體相區(qū)的元素，可使這類鋼獲得單相鐵素體組織。抗大氣與耐酸能力強，具有良好的高溫抗氧化性，特別是抗應力腐蝕性較好，但力學性能不如馬氏體不銹鋼，塑性不及奧氏體不銹鋼。目前五十二頁\總數六十四頁\編于九點二、耐熱鋼

耐熱鋼——在高溫下具有良好的化學穩(wěn)定性和較高強度，能較好適應高溫條件的特殊性能鋼。鋼的耐熱性包含高溫抗氧化性和高溫強度兩個指標。在高溫下具有抗高溫介質腐蝕能力的鋼稱為抗氧化鋼；在高溫下仍具有足夠力學性能的鋼稱為熱強鋼。耐熱鋼是抗氧化鋼和熱強鋼的總稱。常用的抗氧化鋼有40Cr9Si2、06Cr13Al等。典型的熱強鋼是40Cr14Ni14W2Mo。