機械工程材料：第八章 工業(yè)用鋼

第八章工業(yè)用鋼8.1概論8.2合金元素在鋼中的作用8.3合金結(jié)構(gòu)鋼8.4合金工具鋼

一、合金刃具鋼

二、合金模具鋼

三、合金量具鋼8.5

特殊性能鋼及合金一、不銹鋼二、耐熱鋼及合金三、耐磨鋼一、鋼的分類：按化學成分分類：碳素鋼：低碳鋼：<0.25%C如：Q235、20

中碳鋼：0.25%~0.6%C如：45

高碳鋼：>0.6%C

如：658.1概論合金鋼：

低合金鋼：<5%Me如：16Mn、15MnVN

中合金鋼：5-10%Me

高合金鋼：>10%Me如：Cr12MoV按質(zhì)量等級分類：普通鋼：(P.S<=0.05%)

優(yōu)質(zhì)鋼：(P.S<=0.04%)

高級優(yōu)質(zhì)鋼：(P<=0.035%S<=0.03%)按金相組織分類按退火組織分：亞共析鋼

共析鋼

過共析鋼

萊氏體鋼按空冷組織分：珠光體鋼

貝氏體鋼

馬氏體鋼

萊氏體鋼

奧氏體鋼按用途分：結(jié)構(gòu)鋼：普通碳素結(jié)構(gòu)鋼，如：20、30

普通低合金鋼，如：16Mn、14MnMoV

優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，如：20g

合金結(jié)構(gòu)鋼如：15MnVn、40Cr工具鋼：刃具鋼，如：T10A

模具鋼，如：5CrNiMo、CrWMn

量具鋼，無專用鋼特殊性能鋼：不銹鋼，如：1Cr18Ni9

耐熱鋼，如：Cr25~Ni20型

耐磨鋼，如；CrMo鋼按煉鋼爐分類:

轉(zhuǎn)爐鋼

平爐鋼

電爐鋼按煉鋼末期脫氧程度不同:

沸騰鋼

鎮(zhèn)靜鋼按鋼的成形方法:

鑄鋼

鍛鋼

軋材

二、合金鋼的編號見P１３３8.2合金元素在鋼中的作用一、合金元素與鐵和碳的作用合金元素加入鋼中的主要作用是：與鐵形成固溶體與碳形成碳化物少量存在于夾雜物中合金元素的種類：

非碳化物形成元素：Ni.Co.Cu.Si.Al.N.B

碳化物形成元素：Ti,V,W.Nb.Zr.Mo,Cr.Mn擴大

相區(qū)元素：奧氏體穩(wěn)定化元素，如：Mn.Ni.Co.C.N.Cu縮小

相區(qū)元素：鐵素體穩(wěn)定化元素，如：Cr.Mo.W.V.Ti.Al.Si.B.Nb.Zr溶于滲碳體中：

形成合金滲碳體(Fe,Me)3C，使耐磨性增大；形成新相－－碳化物

如:TiC2200HV熔點3200℃

Cr23C6,Cr7C3,W2C,Mo2C

Fe3W3C,Fe3Mo3C三、合金元素對鐵碳合金狀態(tài)圖的影響加入Mn、Ni等使奧氏體區(qū)擴大,即使A3,A1溫度下降

含量足夠高時，室溫為奧氏體；

奧氏體鋼:

高Mn鋼如:ZGMn13

高Ni鋼1Cr18Ni9加入縮小

相區(qū)元素，如：Cr、Mo、W、V、Ti、.Al、Si、B、Nb、Zr使

相增大：

鐵素體鋼：高鉻鋼合金元素對S及E點的影響合金元素均使S點及E點左移：

使S點左移，鋼中P量增加；合金元素較多的鋼即使含碳量不高，也可能是過共析鋼。

例：含0.3%C的工具鋼：3Cr2W8V即過共析鋼。

含0.7~0.8%C的W18Cr4V，E點已左移到0.7%以下。合金元素對熱處理性能的影響合金元素對鋼加熱時轉(zhuǎn)變的影響：

合金鋼的奧氏體化速度較碳鋼慢；

其熱處理可加熱到較高的溫度，保溫較長的時間。合金元素對奧氏體冷卻轉(zhuǎn)變的影響；加入合金元素(除Co外)，過冷奧氏體穩(wěn)定性增加，使C曲線右移。

Co、Mn、Cr、Si、Ni、B加入并溶入奧氏體中，使淬透性變大。合金元素對回火轉(zhuǎn)變的影響：提高回火穩(wěn)定性淬火奧氏體中含V、Si、Mo、W、Ni、Mn、Co回火時，阻礙馬氏體的分解及碳化物的析出和聚集，使回火穩(wěn)定性大。產(chǎn)生二次硬化－－鋼中含Mo、W、V量超過一定限度后,回火溫度高于450℃時、鋼的硬度反而升高的現(xiàn)象。增大回火脆性

四、合金元素對鋼性能的影響Ｐ1388.3合金結(jié)構(gòu)鋼碳素結(jié)構(gòu)鋼+合金元素（Si、Mn、Cr、Ni、W、Mo、V、Ti、B）用于淬透性、強韌性要求高的零件。一、低合金高強鋼普低鋼：熱軋鋼(代替普碳鋼)、正火鋼性能要求：高強度（>300MN/m2）、高韌性、良好的焊接性能；成分特點：1）低碳：C<0.2%，塑性好，可焊性好；

2）加Mn：固溶強化,提高強度,如:16Mn

3）加Nb、V、Ti：細化晶粒、沉淀強化

如:15MnV熱處理特點：在熱軋空冷狀態(tài)下或正火使用；鋼種及牌號

見P145表二、合金滲碳鋼用途：用于齒輪、凸輪軸等上的表層；性能特點：表面耐磨,心部抗沖擊。成分特點：1）C為0.1-0.25%、保證心部有足夠塑性和韌性；

2）加入Cr(<2%),Ni(<4%),Mn(<2%)，使心部強化并提高韌性；

3）加入強碳化物形成元素V(<0.4%)、Ti(0.1%)、Mo(<0.6%)、W(<1.2%)，防止?jié)B碳時晶粒長大。熱處理：一般為：滲碳后，直接淬火+低溫回火；

對易過熱的鋼（如：20Cr、20Mn2)：滲碳后，正火，再淬火+低溫回火；組織性能：滲碳層：合金滲碳體+回火馬氏體+少量奧氏體殘，HRC60~62；心部：屈氏體+少量回火馬氏體+少量鐵素體，HRC25~40，韌性高。三、合金調(diào)質(zhì)鋼用途：用于重要零件：齒輪、軸、連桿；性能要求：具有高的強度、良好的塑性、韌性，具有良好的綜合機械性能。成分特點:1）中碳：0.25-0.5%C、以0.4%居多。2）加入提高淬透性的合金元素：Cr、Mn、Si、Ni、B：

40Cr的淬透性>40鋼的淬透性；3）加入Mo、W消除回火脆性；

含Ni、Cr、Mn的合金調(diào)質(zhì)鋼，高溫回火慢冷時容易產(chǎn)生第2類回火脆。熱處理和組織性能：調(diào)質(zhì)鋼最終熱處理：為調(diào)質(zhì)處理；最終性能取決于回火；如：40Cr的回火溫度：500-650℃；

回火采用快冷，可防止回火脆，提高韌性；常規(guī)熱處理后的組織：回火索氏體牌號P150表四、彈簧鋼

用途：制造彈簧和彈性元件；性能要求：（1）高的彈性極限；（2）高的疲勞極限；（3）足夠的塑性和韌性；成分特點：（1）中、高碳；（2）加入以Si、Mn為主的提高淬透性的元素；加工、熱處理與性能：（1）熱成形彈簧：熱軋制成的較大型彈簧：淬火＋中溫回火（450~550℃），獲得回火屈氏體；（2）冷成形彈簧：小尺寸彈簧；鋼種與牌號：Ｐ154

如：65Mn、60Si2Mn、50CrVA五、滾珠軸承鋼

用途：用來制造滾動體（滾珠、滾柱、滾針）、內(nèi)外套圈；也用于制造精密量具、冷沖模、機床絲杠等耐磨件；性能要求（１）高的接觸疲勞強度；（２）高的硬度和耐磨性；（３）足夠的韌性和淬透性；成分特點：（１）高碳0.95~1.1%；（２）加入Cr：以提高淬透性和耐磨性，特別是接觸疲勞強度；（３）加入Si、Mn：進一步提高淬透性；（４）加入V：提高耐磨性，防止過熱；（５）提高純度：S<0.02%、P<0.027%。熱處理及性能：主要為球化退火、淬火和低溫回火。鋼種與牌號：Ｐ1558.4合金工具鋼按化學成分分：碳素工具鋼：T10、T8A

低合金工具鋼：9SiCr、CrWMn

高合金工具鋼--高速鋼：

W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2;按用途分：刃具鋼

模具鋼

量具鋼一、合金刃具鋼用途：車刀、銑刀、鉆刀等切削刀具；性能要求：（刃部發(fā)熱，達500-600℃）（１）高硬度：刃部硬度>HRC60；

（２）高耐磨性：碳化物；

（３）高紅硬性；與鋼的回火穩(wěn)定性和彌散析出的碳化物有關(guān)；

（４）足夠的塑性和韌性：防止折斷，崩刃；紅硬性（即熱硬性）——鋼在高溫下保持高硬度的能力。成分特點:１、低合金刃具鋼（如：CrWMn）工作溫度：<300℃；１）高碳，0.9~1.1%，保證高硬度及耐磨性；

２）加入Cr、Mn、Si（提高淬透性），W、V（提高硬度、耐磨性、細化晶粒）；２、高速鋼（W18Cr4V）：具有很高的紅硬性，刃部工作溫度>600℃

１）高碳：>0.7%可達1.5%左右，以保證足夠量的碳化物和馬氏體的高硬度；

２）加Cr：提高淬透性，約4%；３）加W、Mo：保證高紅硬性；４）加V：提高耐磨性。低合金刃具鋼的加工過程:

球化退火機加工淬火+低溫回火高速鋼（即萊氏體鋼）的加工過程：

鍛造球化退火淬火＋回火（三次）1）鍛造：可打碎大量魚骨狀碳化物、并使之均勻；2）球化退火：利于機加工、為淬火作準備；退火組織：索氏體＋粒狀碳化物加工及熱處理特點:

3）淬火：

a）預(yù)熱（一次、二次）：因為導熱性差；

b）淬火加熱溫度高：1220-1280℃

原因：高速鋼中含有大量W、Mo、Cr、V的難溶碳化物，它們只有在1200℃以上才能多量地溶于奧氏體中；

c）淬火組織：淬火馬氏體+剩余合金碳化物+大量殘余奧氏體；4）

回火：在二次硬化峰值溫度（如：550~570℃）下進行三次回火；目的：可減少殘余奧氏體量；回火組織：回火馬氏體+細粒剩余碳化物+少量殘余奧氏體W18Cr4V熱處理曲線

淬火后有30%左右的殘余奧氏體，經(jīng)一次回火后約剩15~18%；經(jīng)二次回火后約剩3~5%；經(jīng)三次回火后約剩1~2%；鋼種及牌號：

二、合金模具鋼用途：冷作模具鋼：工作溫度<200-300℃

冷沖模、冷鐓模、冷擠壓模、拉絲模熱作模具鋼：工作溫度>600℃

熱鍛模、熱壓模、熱擠壓模、壓鑄模性能要求：

冷模具鋼：高硬度

HRC58-62；

高耐磨性；

有足夠的韌性，疲勞抗力；

熱處理變形小；熱模具鋼：高紅硬性和高溫耐磨性；

高的抗氧化能力；

高熱強性,足夠的韌性(鍛模)；

高的熱疲勞抗力；

高淬透性,高導熱性；成分特點:１、冷模具鋼：1）高碳：>1.0%，以保證高硬度和高耐磨性；2）加Cr、Mo、W、V：形成難溶碳化物，提高耐磨性，如：Cr12MoV，Cr形成M7C3；２、熱模具鋼：１）中碳：0.3~0.6%，以保證高強度、高韌性、較高硬度（HRC35~52）和較高的熱疲勞抗力；２）加入Cr、Ni、Mn、Si等，提高淬透性；

Cr、Ni提高回火穩(wěn)定性；３）加入Mo、W、V等，二次硬化；

Mo防止第二類回火脆,提高高溫強度和回火穩(wěn)定性。加工熱處理特點１、冷模具鋼：與刃具鋼類似，高碳高鉻鋼的熱處理：一次硬化法：較低溫淬火（950-1000℃）＋低溫回火（150-180℃），硬度達HRC61-64，有較高好的耐磨性和韌性，適于重載模具；二次硬化法：較高溫淬火（1100~1150℃）＋三次回火（510~520℃），產(chǎn)生二次硬化，硬度達HRC60-62，紅硬性、耐磨性較高，但韌性較差。

適于在400-450℃下工作的模具。Cr12型鋼熱處理后的組織：回火馬氏體＋碳化物＋殘余奧氏體２、熱模具（加工熱處理特點）:熱鍛模：5CrNiMo、5CrMnMo，熱處理與調(diào)質(zhì)鋼相似：淬火+高溫回火；得到索氏體＋回火屈氏體組織熱壓模：3Cr2W8V：淬火+多次高溫（600℃左右）回火，存在二次硬化；得到回火馬氏體＋粒狀碳化物；

與高速鋼類似，為了保證紅硬性，要進行多次回火。鋼種及牌號：見P162表三、合金量具鋼用途：制造測量工具，如：卡尺、千分尺、塞規(guī)…性能要求：高硬度

>HRC56

高耐磨

高的尺寸穩(wěn)定性成分特點:成分與低合金刃具鋼相同：高碳0.9-1.5%；

加Cr、W、Mn...提高淬透性；熱處理特點:

關(guān)鍵在于增進尺寸穩(wěn)定性。

１）降低淬火溫度，減少殘余奧氏體量；

２）淬火后立即進行-70~-80℃的冷處理+低溫回火；

３）精度要求高的量具，在120-130℃進行幾至幾十小時的時效處理。鋼種及牌號無專用鋼１）尺寸小、形狀簡單、精度較低的量具，用高碳鋼制造，如65、60、55；

２）復(fù)雜的精密量具一般用低合金刃具鋼制造，

9SiCr、T10A；

３）精度要求較高的量具用CrMn、CrWMn、GCr15等。8.5

特殊性能鋼及合金一、不銹鋼－－在自然環(huán)境或一定工業(yè)介質(zhì)中具有良好耐磨蝕性的鋼。腐蝕的概念：化學腐蝕

電化學腐蝕

提高鋼的耐腐蝕性，在合金化方面的方法：

a.提高基體組織的電極電位

加入＞12%的Cr,可提高鐵素體的電極電位；

b.使鋼在室溫得到單相組織：避免形成兩個電極，如：18-8型鋼，單一奧氏體；

c.使鋼的表面形成一層致密的氧化膜,阻止腐蝕向鋼的內(nèi)部發(fā)展,如Cr2O3,SiO2,Al2O3鈍化用途及性能要求

用來制造各種在腐蝕介質(zhì)中工作并具有較高腐蝕抗力的零件或結(jié)構(gòu)，如：閥門、泵、管道。合金化特點１）碳含量

盡量低；

晶間腐蝕,見P165２）加入Cr：提高電極電位；在氧化性介質(zhì)中極易鈍化；３）加入Ni：獲得單一奧氏體；４）加入Mo、Cu：提高在非氧化性酸（鹽酸、稀硫酸、堿溶液）中的鈍化能力；５）加入Ti、Nb：作為穩(wěn)定劑，限制碳的擴散，避免晶界貧鉻，減輕晶界腐蝕；６）加入Mn、N：部分代Ni以獲得奧氏體常用不銹鋼１、馬氏體不銹鋼如1Cr13、2Cr13、3Cr13、4Cr13；

只在氧化性介質(zhì)中耐蝕，強度,硬度較高

含C：0.1-1.0%、含Cr：12-18%；熱處理：用作高強結(jié)構(gòu)零件：調(diào)質(zhì)處理1Cr13、2Cr13

用作彈簧元件：淬火+中溫回火

用作醫(yī)療器械、量具：淬火+低溫回火3Cr13、4Cr13２、鐵素體不銹鋼

典型鋼種：

Cr17；含Cr高，獲得單相鐵素體，耐蝕性優(yōu)于Cr13；

含C<0.15%，強度較低，塑性好；熱處理目的：消除冷變形或焊接應(yīng)力

去應(yīng)力退火：T>525℃較快冷卻。３、奧氏體不銹鋼典型鋼種：Cr18Ni8Ti成分特點：含碳低<0.1%；

加入Ti,Nb-->防止晶間腐蝕；性能特點：強度、硬度很低，無磁性，塑性、韌性、耐蝕性均較好；利用冷塑性變形強化，切削加工性較差。熱處理：固溶處理

穩(wěn)定化處理

去應(yīng)力退火二、耐熱鋼抗氧化鋼(耐熱不起皮鋼)：高溫不易發(fā)生氧化的鋼熱強化鋼：高溫具有較高強度的鋼抗氧化鋼在800-1100℃工作時具有較長的使用壽命

主要用于受力不大的爐用零件；

加入Cr,Si,Al(在鋼的表面形成致密氧化膜)、Ni,Mn,N(獲得穩(wěn)定的奧氏體，高溫強度