《工程材料及應用》課件第5章

第5章金屬材料

5.1工業(yè)用鋼5.2鑄鐵5.3有色金屬及其合金

5.1工業(yè)用鋼

5.1.1鋼的分類與牌號

1.鋼的分類

鋼的分類方法很多，最常用的是如圖5－1所示，按照鋼的化學成分、用途、質量或熱處理金相組織等進行分類。除此之外，還可以按鋼的冶煉方法分為平爐鋼、轉爐鋼、電爐鋼；按鋼的脫氧程度分為沸騰鋼、鎮(zhèn)靜鋼、半鎮(zhèn)靜鋼。

2.鋼的牌號

我國鋼材的編號是按碳的質量分數、合金元素的種類和數量以及質量級別來編號的。依據國家標準規(guī)定，鋼號中的化學元素采用國際化學元素符號表示，如Si、Mn、Cr（稀土元素用“RE”表示）。產品名稱、用途、冶煉和澆注方法等則采用漢語拼音字母表示。表5－1是部分鋼的名稱、用途、冶煉方法及澆注方法用漢字或漢語拼音字母表示的代號。

圖5－1鋼的常用分類方法

表5－1部分鋼的名稱、用途、冶煉方法及澆注方法代號

（1）普通碳素結構鋼。這類鋼是用代表屈服強度的字母Q、屈服強度值、質量等級符號（A、B、C、D）以及脫氧方法符號（F、b、Z、TZ）等四部分按順序組成。如Q235—A、F，表示屈服強度為235MPa的A級沸騰鋼。質量等級符號反映碳素結構鋼中硫、磷含量的多少，A、B、C、D的質量依次增高。

（2）優(yōu)質碳素結構鋼。這類鋼的鋼號是用鋼中平均碳質量分數的兩位數字表示，單位為萬分之一。如鋼號45，表示平均碳質量分數為0.45%的鋼。

對于碳質量分數大于0.6%，錳的質量分數在0.9%～1.2%者以及碳質量分數小于0.6%，錳的質量分數為0.7%～1.0%的鋼，數字后面附加化學元素符號“Mn”。如鋼號25Mn，表示平均碳質量分數為0.25%，錳的質量分數為0.7%～1.0%的鋼。

沸騰鋼、半鎮(zhèn)靜鋼以及專門用途的優(yōu)質碳素結構鋼，應在鋼號后特別標出。如15g即為平均碳質量分數為0.15%的鍋爐用鋼。

（3）碳素工具鋼。碳素工具鋼是在鋼號前加“T”表示，其后跟以表示鋼中平均碳質量分數的千分之幾的數字。如平均碳質量分數為0.8的碳素工具鋼記為“T8”。高級優(yōu)質鋼則在鋼號末端加“A”，如“T10A”。

（4）合金結構鋼。合金結構鋼的鋼號由“數字＋元素＋數字”三部分組成。前兩位數字表示鋼中平均碳質量分數的萬分之幾；合金元素用化學元素符號表示，元素符號后面的數字表示該元素平均質量分數。當其平均質量分數<1.5%時，一般只標出元素符號而不標數字，當其質量分數大于等于1.5%、2.5%、3.5%…時，則在元素符號后相應地標出2、3、4…。雖然這類鋼中的釩、鈦、鋁、硼、稀土（Re）等合金元素質量分數很低，但仍應在鋼中標出元素符號。高級優(yōu)質鋼在鋼號后應加字母“A”。

（5）合金工具鋼。該類鋼編號前用一位數字表示平均碳質量分數的千分數，如9CrSi鋼，表示平均碳質量分數為0.9%（當平均碳質量分數大于等于1%時，不標出其碳質量分數），合金元素Cr、Si的平均質量分數都小于1.5%的合金工具鋼；Cr12MoV鋼表示平均碳質量分數大于1%，鉻的質量分數約為12%，鉬、釩質量分數都小于1.5%的合金工具鋼。

高速鋼的鋼號中一般不標出碳質量分數，僅標出合金元素的平均質量分數的百分數，如W6Mo5Cr4V2。

（6）滾動軸承鋼。高碳鉻軸承鋼屬于專用鋼，該類鋼的表示方法是：在鋼號前冠以“G”，其后為“Cr+數字”，數字表示鉻質量分數的千分之幾。例如GCr15鋼，表示平均質量分數鉻為1.5%的滾動軸承鋼。

（7）特殊性能鋼。特殊性能鋼的碳質量分數也以千分之幾表示。如“9Cr18”表示該鋼平均碳質量分數為0.9%。但當鋼的碳質量分數分別小于等于0.03%、0.08%時，鋼號前應相應冠以00、0。如00Cr18Ni10、0Cr19Ni9等。

（8）鑄鋼。鑄鋼的牌號由字母“ZG”后面加兩組數字組成，第一組數字代表屈服強度值，第二組數字代表抗拉強度值。例如ZG270-500表示屈服強度為270MPa、抗拉強度為500MPa的鑄鋼。

5.1.2鋼中的雜質及合金元素

1.雜質元素對鋼性能的影響

鋼中除鐵與碳兩種元素外，還含有少量錳、硅、硫、磷、氧、氮、氫等非特意加入的雜質元素。它們對鋼的性能有一定影響。

1）錳

錳是在煉鋼時用錳鐵脫氧后而殘留在鋼中的。錳的脫氧能力較好，能清除鋼中的FeＯ，降低鋼的脆性。錳與硫化合成MnS，可以減輕硫的有害作用，改善鋼的熱加工性能。錳大部分溶于鐵素體中，形成置換固溶體，發(fā)生強化作用。錳對鋼的性能有良好的影響，是一種有益的元素。

2）硅

硅是在煉鋼時用硅鐵脫氧后而殘留在鋼中的。硅的脫氧能力比錳強，能有效地消除鋼中的FeＯ，改善鋼的品質。大部分硅溶于鐵素體中，使鋼的強度有所提高。

3）硫

硫是在煉鋼時由礦石和燃料所帶來的。在鋼中一般是有害雜質，硫在α－Fe中溶解度極小，以FeS的形式存在。FeS與Fe形成低熔點共晶體(FeS+Fe)，熔點為985℃，低于鋼材熱加工的開始溫度(1150～1250℃)。因此在熱加工時，分布在晶界上的共晶體處于熔化狀態(tài)而導致鋼的開裂，這種現象稱為熱脆。因為Mn與S能形成熔點高的MnS(熔點為1620℃)，

所以增加鋼中錳的含量，可消除硫的有害作用。硫化錳在鑄態(tài)下呈點狀分布于鋼中，高溫時塑性好，熱軋時易被拉成長條，使鋼產生纖維組織。鋼中硫的含量必須嚴格控制。

2.合金元素在鋼中的作用

合金元素在鋼中的作用是極為復雜的，當鋼中含有多種合金元素時更是如此。下面簡要敘述合金元素在鋼中的幾個最基本的作用。

1）合金元素對鋼中基本相的影響

鐵素體和滲碳體是碳鋼中的兩個基本相，合金元素加入鋼中時，既可以溶于鐵素體內，也可以溶于滲碳體內。與碳親和力弱的非碳化物形成元素，如鎳、硅、鋁、鈷等，主要溶于鐵素體中形成合金鐵素體；而與碳親和力強的碳化物形成元素，如錳、鉻、相、鎢、釩、鈮、鋯、鈦等，則主要與碳結合形成合金滲碳體或碳化物。

（1）強化鐵素體。

大多數合金元素都能溶于鐵素體，由于其與鐵的晶格類型和原子半徑有差異，必然引起鐵素體晶格畸變，產生固溶強化作用，使其強度、硬度升高，塑性和韌性下降。圖5－2和圖5－3為幾種合金元素含量對鐵素體硬度和韌性的影響。由圖可見，錳、硅能顯著提高鐵素體的硬度，但當wMn>1.5%、wSi>0.6%時，將強烈地降低其韌性。只有鉻和鎳比較特殊，在適當的含量范圍內（wCr≤2%、wNi≤5%），不僅能提高鐵素體的硬度，而且還能提高其韌性。

圖5－2合金元素對鐵素體硬度的影響

圖5－3合金元素對鐵素體沖擊韌性的影響

（2）形成合金碳化物。

碳化物是鋼中的重要組成相之一，碳化物的類型、數量、大小、形狀及分布對鋼的性能有很重要的影響。在碳鋼中，在平衡狀態(tài)下，可以按碳含量不同，分為亞共析鋼、共析鋼、過共析鋼。通過熱處理又可改變珠光體中Fe3C片的大小，從而獲得珠光體、索氏體、屈氏體等。在合金鋼中，碳化物的狀況顯得更重要。作為碳化物形成元素，在元素周期表中都是位于鐵以左的過渡族金屬，越靠左，則d層電子數越少，形成碳化物的傾向越強。

合金元素按其與鋼中的碳親和力的大小可分為非碳化物形成元素和碳化物形成元素兩大類。常見的非碳化物形成元素有：鎳、鈷、銅、硅、鋁、氮、硼等；常見的碳化物形成元素按照與碳親和力由弱到強的排列是：鐵、錳、鉻、鉬、鎢、釩、鈮、鋯、鈦等。鋼中形成的合金碳化物主要有以下兩類：

①合金滲碳體。弱或中強碳化物形成元素，由于其與碳的親合力比鐵強，通過置換滲碳體中的鐵原子溶于滲碳體中，從而形成合金滲碳體，如(FeMn)3C、(FeCr)3C等。合金滲碳體與Fe3C的晶體結構相同，但比Fe3C略穩(wěn)定，硬度也略高，是一般低合金鋼中碳化物的主要存在形式。這種碳化物的熔點較低、硬度較低、穩(wěn)定性較差。

②特殊碳化物。中強或強碳化物形成元素與碳形成的化合物，其晶格類型與滲碳體完全不同。根據碳原子半徑rC與金屬原子半徑rM的比值，可將碳化物分成兩類：

當rC/rM>0.59時，形成具有簡單晶格的間隙化合物，如Cr23C6、Fe3W3C、Cr7C3等。

當rC/rM<0.59時，形成具有復雜晶格的間隙相，或稱之為特殊碳化物，如WC、VC、TiC、Mo2C等。與間隙化合物相比，它們的熔點、硬度與耐磨性高，也更穩(wěn)定，不易分解。其中，中強碳化物形成元素如鉻、鉬、鎢，既能形成合金滲碳體，如(FeCr)3C等，又能形成各自的特殊碳化物，如Cr7C3、Cr23C6、MoC、WC等。這些碳化物的熔點、硬度、耐磨性以及穩(wěn)定性都比較高。

鈮、鋯、鈦是強碳化物形成元素，它們在鋼中優(yōu)先形成特殊碳化物，如VC、NbC、TiC等。它們的穩(wěn)定性最高，熔點、硬度和耐磨性也最高。

2）合金元素對熱處理和力學性能的影響

合金鋼一般都是經過熱處理后使用的，主要是通過熱處理改變鋼的組織來顯示合金元素的作用。

（1）改變奧氏體區(qū)域。

擴大奧氏體區(qū)域的元素有鎳、錳、碳、氮等，這些元素使A1和A3溫度降低，使S點、E點向左下方移動，從而使奧氏體區(qū)域擴大。圖5－4表示錳對奧氏體區(qū)域位置的影響。

圖5－4合金元素錳對γ區(qū)的影響

wMn＞13%或wNi＞9％的鋼，其S點就能降到零點以下，在常溫下仍能保持奧氏體狀態(tài)，成為奧氏體鋼。由于A1和A3溫度的降低直接影響熱處理加熱的溫度，所以錳鋼、鎳鋼的淬火溫度低于碳鋼。又由于S點的左移，使共析成分降低，于是，與同樣含碳量的亞共析碳鋼相比，組織中的珠光體數量增加，而使鋼得到強化。由于E點的左移，又會使發(fā)生共晶轉變的含碳量降低，在wC較低時，使鋼具有萊氏體組織。

如在高速鋼中，雖然含碳量只有0.7％～0.8％，但是由于E點左移，在鑄態(tài)下會得到萊氏體組織，成為萊氏體鋼。

縮小奧氏體區(qū)域的元素有鉻、鉬、硅、鎢等，使A1和A3溫度升高，使S點、E點向左上方移動，從而使奧氏體的淬火溫度也相應地提高了。圖5－5是鉻對奧氏體區(qū)域位置的影響。當wCr＞13%(含碳量趨于零)時，奧氏體區(qū)域消失，在室溫下得到單相鐵素體，稱為鐵素體鋼。

圖5－5合金元素鉻對γ區(qū)的影響

（2）對奧氏體化的影響。

大多數合金元素(除鎳、鈷外)減緩奧氏體化過程。合金鋼在加熱時，奧氏體化的過程基本上與碳鋼相同，即包括奧氏體的形核與長大，碳化物的溶解以及奧氏體均勻化這三個階段，它是擴散型相變。鋼中加入碳化物形成元素后，使這一轉變減慢。一般合金鋼，特別是含有強碳化物形成元素的鋼，為了得到較均勻的，含有足夠數量的合金元素的奧氏體，充分發(fā)揮合金元素的有益作用，就需更高的加熱溫度與較長的保溫時間。

（3）細化晶粒。

幾乎所有的合金元素（除錳外）都能阻礙鋼在加熱時奧氏體晶粒長大，但影響程度不同。碳化物形成元素(如釩、鈦、鈮、鉻等)容易形成穩(wěn)定的碳化物，鋁形成穩(wěn)定的化合物AlN、A12O3，它們都以彌散質點的形式分布在奧氏體晶界上，對奧氏體晶粒長大起機械阻礙作用。因此，除錳鋼外，合金鋼在加熱時不易過熱。這樣有利于在淬火后獲得細馬氏體；有利于適當提高加熱溫度，使奧氏體中溶入更多的合金元素，以增加淬透性及鋼的機械性能；同時也可減少淬火時變形與開裂的傾向。對滲碳零件，使用合金鋼滲碳后，有可能直接淬火，以提高生產率。因此，合金鋼不易過熱是它的一個重要優(yōu)點。

（4）對C曲線和淬透性的影響。

大多數合金元素（除鈷外）溶入奧氏體后，都能降低原子擴散速度，增加過冷奧氏體的穩(wěn)定性，均使曲線位置向右下方移動（圖5－6），臨界冷卻速度減小，從而提高鋼的淬透性。通常對于合金鋼就可以采用冷卻能力較低的淬火劑淬火，即采用油淬火，以減少零件的淬火變形和開裂傾向。

合金元素不僅使C曲線位置右移，而且對C曲線的形狀也有影響。非碳化物形成元素和弱碳化物形成元素，如鎳、錳、硅等，僅使C曲線右移，如圖5－6(a)所示。而對于中強和強碳化物形成元素，如鉻、鎢、鉬、釩等，溶于奧氏體后，不僅使C曲線右移，提高鋼的淬透性，而且能改變C曲線的形狀，將珠光體轉變與貝氏體轉變明顯地分為兩個獨立的區(qū)域，如圖5－6(b)所示。

圖5－6合金元素對C曲線的影響

(a)非碳化物形成元素；(b)碳化物形成元素

（5）提高回火穩(wěn)定性。淬火鋼在回火時抵抗硬度下降（軟化）的能力稱為回火穩(wěn)定性?；鼗鹗强抗虘B(tài)下的原子擴散完成的，由于合金元素溶入馬氏體，使原子擴散速度減慢，因而在回火過程中，馬氏體不易分解，碳化物也不易析出聚集長大，因而提高了鋼的回火穩(wěn)定性。高的回火穩(wěn)定性可以使鋼在較高溫度下仍能保持高的硬度和耐磨性。由于合金鋼的回火穩(wěn)定性比碳鋼高，若要求得到同樣的回火硬度，則合金鋼的回火溫度應比碳鋼高，回火時間也應延長，因而內應力消除得好，鋼的韌性和塑性指標就高。而當回火溫度相同時，合金鋼的強度、硬度就比碳鋼高。鋼在高溫（>500℃）下保持高硬度（≥60HRC）的能力叫熱硬性。這種性能對切削工具鋼具有重要的意義。

碳化物形成元素如鉻、鎢、鉬、釩等，在回火過程中有二次硬化作用，即回火時出現硬度回升的現象。二次硬化實際上是一種彌散強化。二次硬化現象對需要較高紅硬性的工具鋼來說具有重要意義。

5.1.3結構鋼

結構鋼包括工程用鋼和機器用鋼兩大類。工程用鋼主要用于各種工程結構，它們大都是用普通碳素鋼和普通低合金鋼制造的。這類鋼具有冶煉簡便、成本低、用量大的特點，使用時一般不進行熱處理。而機器用鋼一般都要經過熱處理后才使用，主要用于制造機器零件，它們大都是用優(yōu)質碳素鋼和合金結構鋼制造的。

1.普通結構鋼

1)普通碳素結構鋼

(1）用途。普通碳素結構鋼適用于一般工程用熱軋鋼板、鋼帶、型鋼、棒鋼等，可供焊接、鉚接、栓接構件使用。

(2）成分特點和鋼種。

普通碳素結構鋼的平均含碳量為0.06%～0.38％，并含有較多的有害雜質和非金屬夾雜物，但能滿足一般工程結構及普通零件的性能要求，因而應用較廣。表5－2所示為普通碳素結構鋼的牌號、化學成分與力學性能及用途。

表5－2普通碳素結構鋼的牌號、主要成分、力學性能及用途

碳素結構鋼一般以熱軋空冷狀態(tài)供應。Q195與Q275牌號的鋼是不分質量等級的，出廠時同時保證力學性能和化學成分。

Q195鋼碳含量很低、塑性好，常用于制造鐵釘、鐵絲及各種薄板等。Q275鋼居中碳鋼，強度較高，能代替30鋼、40鋼制造稍重要的零件。當Q215、Q235、Q255等鋼的質量等級為A級時，出廠時保證力學性能及硅、磷、硫等成分，其他成分不保證；當為其他等級時，力學性能及化學成分均保證。

2)普通低合金結構鋼

(1）用途。普通低合金結構鋼具有較高的屈服強度，良好的塑性、焊接性能及較好的耐蝕性，可滿足工程上各種結構的承載大，自重輕的要求，如建筑結構、橋梁、車輛等。

（2）成分特點和鋼種。普通低合金結構鋼是在碳素結構鋼的基礎上加入少量(不大于3%)合金元素而制成的，產品同時保證力學性能與化學成分。其含碳量(0.1％～0.2％)較低，以少量錳(0.8％～1.8％)為主加元素，含硅量較碳素結構鋼高，并輔加某些其他合金元素(銅、鈦、釩、稀土等)。

(3）熱處理特點。普通低合金結構鋼多在熱軋、正火狀態(tài)下使用，組織為鐵素體+珠光體。也有在淬火成低碳馬氏體或熱軋空冷后獲得貝氏體組織的狀態(tài)下使用。

(4）鋼種和牌號。

常用普通低合金結構鋼的牌號、成分、力學性能及用途見表5－3。

表5－3常用普通低合金結構鋼的牌號、成分、力學性能及用途

2.優(yōu)質結構鋼

這類鋼主要用于制造各種機器零件，如軸類、齒輪、彈簧和軸承等所用的鋼種，也稱機器制造用鋼。這類鋼根據化學成分分為優(yōu)質碳素結構鋼與合金結構鋼。

1)優(yōu)質碳素結構鋼

(1）用途。優(yōu)質碳素結構鋼主要用來制造各種機器零件。

(2）成分特點。優(yōu)質碳素結構鋼中磷、硫含量均小于0.035％，非金屬夾雜物也較少。根據含錳量不同，分為普通含錳量(0.25%～0.8％)及較高含錳量(0.7％～1.2％)。這類鋼的純度和均勻度較好，因而其綜合力學性能比普通碳素結構鋼優(yōu)良。

(3）鋼種和牌號。常用優(yōu)質碳素結構鋼的牌號、化學成分和力學性能及用途見表5－4。08F塑性好，可制造冷沖壓零件；10、20冷沖壓性能與焊接性能良好，可制造沖壓件及焊接件，經過適當熱處理(如滲碳)后也可制造軸、銷等零件；35、40、45、50經熱處理后，可獲得良好的綜合力學性能，可用來制造齒輪、軸類、套筒等零件；60、65主要用來制造彈簧。

優(yōu)質碳素結構鋼使用前一般都要進行熱處理。

表5－4常用優(yōu)質碳素結構鋼的牌號、主要成分、力學性能及用途

2)合金結構鋼

合金結構鋼是機械制造、交通運輸、石油化工及工程機械等方面應用最廣、用量最大的一類合金鋼。合金結構鋼常在優(yōu)質碳素結構鋼的基礎上加入一些合金元素而形成。合金元素加入量不大，屬于中、低合金鋼。主要有以下幾點：

(1）滲碳鋼。

①用途。滲碳鋼主要用于制造汽車、拖拉機中的變速齒輪，內燃機上的凸輪軸、活塞銷等機器零件。工作中它們遭受強烈的摩擦和磨損，同時承受較高的交變載荷特別是沖擊載荷。所以這類鋼經滲碳處理后，應具有表面耐磨和心部抗沖擊的特點。

②性能要求。根據使用特點，滲碳鋼應具有以下性能：

·滲碳層硬度高，并具有優(yōu)異的耐磨性和接觸疲勞抗力，同時要有適當的塑性和韌性。

·滲碳件心部有高的韌性和足夠高的強度，心部韌性不足時，在沖擊載荷或過載荷作用下容易斷裂；強度不足時，則硬脆的滲碳層缺乏足夠的支撐，而容易碎裂、剝落。

·有良好的熱處理工藝性能，在高的滲碳溫度(900～950℃)下奧氏體晶粒不易長大，并且具有良好的淬透性。

③成分特點。

根據性能要求，滲碳鋼的化學成分考慮如下：

·低碳，含碳量一般較低，在0.10％～0.25％之間，是為了保證零件心部有足夠的塑性和韌性。

·加入提高淬透性的合金元素，以保證經熱處理后心部強化并提高韌性。常加入元素有Cr(wCr＜2％)、Ni(wNi<4％)、Mn(wMn<2％)等。鉻還能細化碳化物，提高滲碳層的耐磨性，鎳則對滲碳層和心部的韌性非常有利。另外，微量硼能顯著提高淬透性。

·加入少量阻礙奧氏體晶粒長大的合金元素，主要加入少量強碳化物形成元素V(wV＜0.4％)、Ti(wTi＜0.1％)、Mo(wMo＜0.6％)、W(wW＜1.2％)等。形成的穩(wěn)定合金碳化物除了能防止?jié)B碳時晶粒長大外，還能增加滲碳層硬度，提高耐磨性。

④熱處理特點。

以20CrMnTi制造的汽車變速齒輪為例。其工藝路線為：下料→鍛造→正火→加工齒形→滲碳(930℃)→預冷淬火(830℃)→低溫回火(200℃)→磨齒。正火的目的在于改善鍛造組織，保持合適的加工硬度(170～210HB)，其組織為索氏體+鐵素體。齒輪在使用狀態(tài)下的組織為：由表面往心部為回火馬氏體+碳化物顆粒+殘余奧氏體→回火馬氏體+殘余奧氏體→……而心部的組織分兩種情況，在淬透時為低碳馬氏體+鐵素體。

⑤鋼種及牌號。

常用合金滲碳鋼的牌號、熱處理工藝規(guī)范、力學性能及用途見表5－5。

表5－5常用合金滲碳鋼的牌號、熱處理工藝規(guī)范、力學性能及用途

合金滲碳鋼常按淬透性大小分為以下三類：

·低淬透性滲碳鋼，水淬臨界淬透直徑為20～35mm。典型鋼種為20Mn2、20Cr、20MnV等,用于制造受力不太大，要求耐磨并承受沖擊的小型零件。

·中淬透性滲碳鋼，油淬臨界淬透直徑約為25～60mm。典型鋼種有20CrMnTi、12CrNi3、20MnVB等，用于制造尺寸較大、承受中等載荷、重要的耐磨零件，如汽車中的齒輪。

·高淬透性滲碳鋼，油淬臨界淬透直徑約100mm以上，屬于空冷也能淬成馬氏體的馬氏體鋼。典型鋼種有12Cr2Ni4、20Cr2Ni4、18Cr2Ni4WA等，用于制造承受重載與強烈磨損的極為重要的大型零件，如航空發(fā)動機及坦克齒輪。

（2)調質鋼。

①用途。

調質鋼經熱處理后具有高的強度和良好的塑性、韌性，即良好的綜合力學性能。調質鋼廣泛用于制造汽車、拖拉機、機床和其他機器上的各種重要零件，如齒輪、軸類件、連桿、高強螺栓等。

②性能要求。

調質鋼件大多承受多種較復雜的工作載荷，要求具有高水平的綜合力學性能，但不同零件受力狀況不同，其性能要求也有所差別。截面受力均勻的零件如連桿，要求整個截面都有較高的強韌性。受力不均勻的零件，如承受扭轉或彎曲應力的傳動軸，主要要求受力較大的表面區(qū)有較好的性能，心部要求可低些。

③成分特點。

為了達到強度和韌性的良好配合，合金調質鋼的成分設計如下。

·中碳。

含碳量一般在0.25％～0.50％之間，以0.40％居多。碳量過低，則不易淬硬，回火后強度不足；碳量過高則韌性不夠。

·加入提高淬透性的合金元素Cr、Mn、Si、Ni、B等。

調質件的性能水平與鋼的淬透性密切有關。尺寸較小時，碳素調質鋼與合金調質鋼的性能差不多，但當零件截面尺寸較大而不能淬透時，其性能與合金鋼比就相差很遠。45鋼和40Cr鋼相比，40Cr鋼的強度要比45鋼的高許多，同時具備良好的塑性和韌性。

·加入Mo或W以消除回火脆性。

含Ni、Cr、Mn的合金調質鋼，高溫回火慢冷時容易產生第二類回火脆性，而合金調質鋼一般用于制造大截面零件，由快冷來抑制這類回火脆性往往有困難，因此常需要加入Mo(wMo=0.15%~0.3%)或W(wW=0.8％～1.2％)。

④熱處理特點。

以東方紅—75拖拉機的連桿螺栓為例，其材質為40Cr，工藝路線為：下料→鍛造→退火→粗機加工→調質→精機加工→裝配。在工藝路線中，預備熱處理采用退火(或正火)，其目的是改善鍛造組織，消除缺陷，細化晶粒；調整硬度，便于切割加工；為淬火做好組織準備。

調質工藝采用830℃加熱、油淬得到馬氏體組織，然后在525℃回火。為防止第二類回火脆性，在回火的冷卻過程中采用水冷，最終使用狀態(tài)下的組織為回火索氏體。

對于調質鋼，有時除要求綜合力學性能高之外，還要求表面耐磨，則在調質后可進行表面淬火或氮化處理。這樣在得到表面硬化層的同時，心部仍保持綜合力學性能高的回火索氏體組織。

⑤鋼種及牌號。

常用調質鋼的牌號、成分、熱處理工藝規(guī)程、性能及用途見表5－6。它在機械制造業(yè)中應用相當廣泛，按其淬透性的高低可分為三類。

表5－6常用調質鋼的牌號、成分、熱處理工藝規(guī)程、性能及用途

·低淬透性調質鋼。

這類鋼的油淬臨界直徑最大為30～40mm，最典型的鋼種是40Cr，廣泛用于制造一般尺寸的重要零件。40MnB、40MnVB鋼是為節(jié)省鉻而發(fā)展的代用鋼，40MnB的淬透性穩(wěn)定較差，切削加工性能也差一些。

·中淬透性調質鋼。

這類鋼的油淬臨界直徑最大為40～60mm，含有較多合金元素。典型牌號有35CrMo等，用于制造截面較大的零件，例如曲軸、連桿等。加入鉬不僅使淬透性顯著提高，而且可以防止回火脆性。

·高淬透性調質鋼。

這類鋼的油淬臨界直徑為60～160mm，多半是鉻鎳鋼。鉻、鎳的適當配合，可大大提高淬透件，并獲得優(yōu)良的機械性能，例如37CrNi3，但對回火脆性十分敏感，因此不宜于作大截面零件。鉻鎳鋼中加入適當的鉬，例如40CrNiMo鋼，不僅具有最好的淬透性和沖擊韌性，還可消除回火脆性，用于制造大截面、重載荷的重要零件，如汽輪機主軸、葉輪、航空發(fā)動機軸等。

(3)彈簧鋼。

①用途。彈簧鋼是一種專用結構鋼，主要用于制造各種彈簧和彈性元件。

②性能要求。

彈簧是利用彈性變形吸收能量以緩和震動和沖擊，或依靠彈性儲能來起驅動作用。根據工作要求，彈簧鋼應具有以下性能。

·高的彈性權限σe，

以保證彈簧具有高的彈性變形能力和彈性承載能力，為此應具有高的屈強強度σs或屈強比σs/σb。

·高的疲勞極限σr。

因彈簧一般在交變載荷下工作，σb愈高，σr也相應愈高。另外，表面質量對σr影響很大，彈簧鋼表面不應有脫碳、裂紋、折疊、斑疤和夾雜等缺陷。

·足夠的塑性和韌性，以免受沖擊時發(fā)生脆斷。

此外，彈簧鋼還應有較好的淬透性，不易脫碳和過熱，容易繞卷成形等。

③成分特點。彈簧鋼的化學成分具有以下特點：

·中、高碳。

為了保證高的彈性極限和疲勞極限，因而具有高的強度。彈簧鋼的含碳量應比調質鋼高，合金彈簧鋼一般含碳為0.45％～0.70％。碳素彈簧鋼一般含碳為0.6％～0.9%。

·加入以Si和Mn為主的提高淬透性的元素。

Si和Mn主要是提高淬透性，同時也提高屈強比，而以Si的作用最突出。但它熱處理時促進表面脫碳，Mn則使鋼易于過熱。因此，重要用途的彈簧鋼，必須加入Cr、V、W等元素。例如，Si－Cr彈簧鋼表面不易脫碳；Cr－V彈簧鋼晶粒細不易過熱，耐沖擊性能好，高溫強度也較高。

④熱處理特點。按彈簧的加工工藝不同，可分為冷成型彈簧和熱成型彈簧兩種。

·熱成型彈簧。

用熱軋鋼絲或鋼板成形，然后淬火加中溫(450～550℃)回火，獲得回火屈氏體組織，具有很高的屈服強度特別是彈性極限，并有一定的塑性和韌性。這類彈簧一般是較大型的彈簧。

·冷成型彈簧。小尺寸彈簧一般用冷拔彈簧鋼絲(片)卷成。有以下三種制造方法：

i.冷拔前進行“淬鉛”處理，即加熱到Ac3以上，然后在450～550℃的熔鉛中等溫淬火。淬鉛鋼絲強度高，塑性好，具有適于冷拔的索氏體組織。經冷拔后彈簧鋼絲的屈服強度可達1600MN/m2以上。彈簧繞卷成形后不再淬火，只進行消除應力的低溫(200～300℃)退火，并使彈簧定形。

ii.冷拔至要求尺寸后，利用淬火(油淬)加回火來進行強化，再冷繞成彈簧，并進行去應力回火，之后不再熱處理。

iii.冷拔鋼絲退火后，冷繞成彈簧，再進行淬火和回火強化處理。汽車板簧經噴丸處理后，使用壽命可提高幾倍。

⑤鋼種和牌號。

表5－7常用彈簧鋼的牌號、成分、熱處理工藝規(guī)程及用途

(4)滾動軸承鋼。

①用途。

軸承鋼主要用來制造滾動軸承的滾動體(滾珠、滾柱、滾針)、內外套圈等，屬專用結構鋼。從化學成分上看它屬于工具鋼，所以也用于制造精密量具、冷沖模、機床絲杠等耐磨件。

②性能要求。

軸承元件的工況復雜而苛刻，因此對軸承鋼的性能要求很嚴，主要有以下三方面：

·高的接觸疲勞強度。

軸承元件的壓應力高達1500～5000MPa；應力交變次數每分鐘達幾萬次甚至更多，往往造成接觸疲勞破壞，產生麻點或剝落。

·高的硬度和耐磨性。

滾動體和套圈之間不但有滾動摩擦，而且有滑動摩擦，軸承也常常因過度磨損而破壞，因此具有高而均勻的硬度。硬度一般應為62～64HRC。

·足夠的韌性和淬透性。

③成分特點。

·高碳。

為了保證軸承鋼的高硬度、高耐磨性和高強度，碳含量應較高，一般為0.95%～1.1%。

·鉻為基本合金元素。

鉻能提高淬透性。它的滲碳體(FeCr)

3C呈細密，均勻分布，能提高鋼的耐磨性特別是接觸疲勞強度。但Cr含量過高會增大殘余奧氏體量和碳化物分布的不均勻性，使鋼的硬度和疲勞強度反而降低。Cr的適宜含量為0.4%～1.65%。

·加入硅、錳、釩等。

Si、Mn進一步提高淬透性，便于制造大型軸承。V部分溶于奧氏體中，部分形成碳化物(VC)，提高鋼的耐磨性并防止過熱。無Cr鋼中皆含有V。

·純度要求極高。

規(guī)定硫的含量小于0.02％，磷的含量小于0.027％。非金屬夾雜對軸承鋼的性能尤其是接觸疲勞性能影響很大，因此軸承鋼一般采用電冶煉，為了提高純度并采用真空脫氧等冶煉技術。

④熱處理特點。

·球化退火。

目的不僅是降低鋼的硬度，便于切削加工，更重要的是獲得細的球狀珠光體和均勻分布的過剩的細粒狀碳化物，為零件的最終熱處理做組織準備。

·淬火和低溫回火。

淬火溫度要求十分嚴格，溫度過高會過熱、晶粒長大，使韌性和疲勞強度下降，且易淬裂和變形；溫度過低，則奧氏體中溶解的鉻量和碳量不夠，鋼淬火后硬度不足。GCr15鋼的淬火溫度應嚴格控制在820～840℃范圍內，回火溫度一般為150～160℃。

精密軸承必須保證在長期存放和使用中不變形。引起尺寸變化的原因主要是存在有內應力和殘余奧氏體發(fā)生轉變。為了穩(wěn)定尺寸，淬火后可立即進行“冷處理”

(-60～-80℃)，并在回火和磨削加工后，進行低溫時效處理(于120～130℃保溫5～10h)。

⑤鋼種和牌號。常用滾動軸承鋼的牌號、成分、熱處理工藝規(guī)程及用途見表5－8。

表5－8常用滾動軸承鋼的牌號、成分、熱處理工藝規(guī)程及用途

我國軸承鋼分兩類，即鉻軸承鋼和添加Mn、Si、Mo、V的軸承鋼。具體如下：

·鉻軸承鋼。

最有代表性的是GCr15，使用量占軸承鋼的絕大部分。由于淬透性不很高，多用于制造中、小型軸承，也常用來制造冷沖模、量具、絲錐等。

·添加Mn、Si、Mo、V的軸承鋼。

在鉻軸承鋼中加入Si、Mn可提高淬透性，如GCr15SiMn鋼等，用于制造大型軸承。為了節(jié)省鉻，加入Mo、V，可得到無鉻軸承鋼，如GSiMoV、GSiMnMoVRE等，其性能與GCr15相近。

5.1.4工具鋼

工具鋼是用來制造刀具、模具和量具的鋼。按化學成分分為碳素工具鋼、低合金工具鋼、高合金工具鋼等。按用途分為刃具鋼、模具鋼、量具鋼。

1.刃具鋼

1)普通刃具鋼

(1)用途。普通刃具鋼主要用于制造車刀、銑刀、鉆頭等金屬切削刀具。

(2)性能要求。刃具切削時受工件的壓力，刃部與切屑之間發(fā)生強烈的摩擦。由于切削發(fā)熱，刃部溫度可達500～600℃。此外，還承受一定的沖擊和振動。因此對刃具鋼提出如下基本性能要求。

①高硬度。切削金屬材料所用刃具的硬度一般都在60HRC以上。

②高耐磨性。耐磨性直接影響刃具的使用壽命和加工效率。高的耐磨性取決于鋼的高硬度和其中碳化物的性質、數量、大小及分布。

③高熱硬性。

刀具切削時必須保證刃部硬度不隨溫度的升高而明顯降低。鋼在高溫下保持高硬度的能力稱為熱硬性或紅硬性。熱硬性與鋼的回火穩(wěn)定性和特殊碳化物的彌散析出有關。

碳素工具鋼是含碳量為0.65％～1.35％的高碳鋼。該鋼的碳含量范圍可保證淬火后有足夠高的硬度。雖然該類鋼淬火后硬度相近，但隨碳含量增加，未溶滲碳體增多，使鋼耐磨性增加，而韌性下降。故不同牌號的該類鋼所承制的刃具亦不同。高級優(yōu)質碳素工具鋼淬裂傾向較小，宜制造形狀復雜的刃具。

(2)熱處理特點。

碳素工具鋼的預備熱處理為球化退火，在鍛、軋后進行，目的是降低硬度、改善切削加工性能，并為淬火做組織準備。最終熱處理是淬火+低溫回火。淬火溫度為780℃，回火溫度為180℃，組織為回火馬氏體+粒狀滲碳體+少量殘余奧氏體。

碳素工具鋼的缺點是淬透性低，截面大于10～12mm的刃具僅表面被淬硬；其紅硬性也低，溫度升達200℃后硬度明顯降低，喪失切削能力；且淬火加熱易過熱，致使鋼的強度、塑性及韌性降低。因此，該類鋼僅用來制造截面較小、形狀簡單、切削速度較低的刃具，用于加工低硬度材料。

(3)鋼種和牌號。碳素工具鋼的牌號、主要成分、力學性能及用途見表5－9。

表5－9碳素工具鋼的牌號、主要成分、力學性能及用途

2)低合金刃具鋼

(1)成分特點。

①高碳。保證刃具有高的硬度和耐磨性。碳含量為0.9%～1.1%。

②加入Cr、Mn、Si、W、V等合金元素。Cr、Mn、Si主要是提高鋼的淬透性，Si還能提高回火穩(wěn)定性；W、V能提高硬度和耐磨性，并防止加熱時過熱，保持晶粒細小。

(2)熱處理特點。

預備熱處理為鍛造后進行球化退火。最終熱處理為淬火+低溫回火，其組織為回火馬氏體+未溶碳化物+殘余奧氏體。

與碳素工具鋼相比較，由于合金元素的加入，淬透性提高了，因此可采用油淬火。淬火變形和開裂傾向小。

(3)鋼種和牌號。低合金刃具鋼的牌號、成分、熱處理規(guī)程及用途見表5－10。

(3)鋼種和牌號。低合金刃具鋼的牌號、成分、熱處理規(guī)程及用途見表5－10。表5－10常用低合金刃具鋼的牌號、成分、熱處理規(guī)程及用途

Cr2鋼的含碳量高，加入Cr后可顯著提高其淬透性，減少變形與開裂傾向，碳化物細小均勻，使鋼的強度和耐磨性提高?？芍圃旖孛孑^大(20～30mm)，形狀較復雜的刃具，如車刀、銑刀、刨刀等。

9SiCr鋼具有更高的淬透性和回火穩(wěn)定性。其工作溫度可達250～300℃，適宜制造形狀復雜變形小的刃具，特別是薄刃者，如板牙、絲錐、鉆頭等。但該鋼脫碳傾向大，退火硬度較高，切削性能較差。

3)高速鋼

高速鋼是高合金刃具鋼，具有很高的熱硬性，在高速切削的刃部溫度達600℃時，硬度無明顯下降。

(1)成分特點。

①高碳。

碳含量在0.70％以上，最高可達1.5％左右，它一方面要保證能與W、Cr、V等形成足夠數量的碳化物；另一方面還要有一定數量的碳溶于奧氏體中，以保證馬氏體的高硬度。

②加入鉻提高淬透性。

幾乎所有高速鋼的含鉻量均為4％左右。鉻的碳化物(Cr23C6)在淬火加熱時幾乎全部溶于奧氏體中，增加過冷奧氏體的穩(wěn)定性，大大提高鋼的淬透性。鉻還提高鋼的抗氧化、脫碳能力。

③加入鎢。

鋼保證高的熱硬性。退火狀態(tài)下W或Mo主要以M

6C型的碳化物形式存在。淬火加熱時，一部分(Fe，W)

6C等碳化物溶于奧氏體中，淬火后存在于馬氏體中。在560℃左右回火時，碳化物以W2C或Mo2C形式彌散析出，造成二次硬化。這種碳化物在500～600℃溫度范圍內非常穩(wěn)定，不易聚集長大，從而使鋼產生良好的熱硬性。淬火加熱時，未溶的碳化物能起阻止奧氏體晶粒長大及提高耐磨性的作用。

④加入釩提高耐磨性。

V形成的碳化物VC(或V4C3)非常穩(wěn)定，極難溶解，硬度較高(大大超過W2C的硬度)且顆粒細小，分布均勻，因此對提高鋼的硬度和耐磨性有很大作用。釩也產生二次硬化，但因總含量不高，對提高熱硬性的作用不大。

(2)熱處理特點。

現以應用較廣泛的W18Cr4V鋼為例，說明高速鋼的加工及熱處理特點。

W18Cr4V鋼在工廠中得到了廣泛的應用，適于制造一般高速切削用車刀、刨刀、鉆頭、銑刀等。下面就以W18Cr4V鋼制造的盤形齒輪釬刀為例，說明其熱處理工藝方法的選定和工藝路線的安排。

盤形齒輪銑刀的主要用途是銑制齒輪。在工作過程中，齒輪銑刀往往會磨損變鈍而失去切削能力，因此要求齒輪銑刀經淬火回火后，應保證具有高硬度(刃部硬度要求為63～65HRC)、高耐磨性及熱硬性。為了滿足上述性能要求，根據盤形齒輪銑刀的規(guī)格(模數m＝3)和W18Cr4V鋼成分的特點來選定熱處理工藝方法和安排工藝路線。

盤形齒輪銑刀生產過程的工藝路線如下：

下料→鍛造→退火→機械加工→淬火+回火→噴砂→磨加工→成品

高速鋼的鑄態(tài)組織中具有魚骨胳狀碳化物，見圖5－7。這些粗大的碳化物不能用熱處理的方法來消除，而只有用鍛造的方法將其擊碎，并使它分布均勻。

鍛造退火后的顯微組織由索氏體和分布均勻的碳化物所組成，如圖5－8所示。如果碳化物分布不均勻，將使刀具的強度、硬度、耐磨性、韌性和熱硬性均降低，從而使刀具在使用過程中容易崩刃和磨損變鈍，導致早期失效。據某廠統(tǒng)計，在數百件崩齒、落齒的刀具中，98％以上都是由于碳化物不均勻所造成的?？梢姼咚黉撆髁系腻懺觳粌H是為了成型，而且是為了擊碎粗大碳化物，使碳化物分布均勻。

圖5－7

W18Cr4V的鑄態(tài)組織(500×)圖5－8

W18Cr4V鋼的鍛造退火后的組織(500×)對齒輪銑刀鍛坯碳化物不均勻性要求小于等于4級。為了達到上述要求，高速鋼鍛造反復鐓粗、拔長多次，決不應一次成型。由于高速鋼的塑性和導熱性均較差，而且具有很高的淬透性，在空氣中冷卻即可得到馬氏體淬火組織。因此，高速鋼坯料鍛造后應予緩慢冷卻，通常采用砂中緩冷，以免產生裂紋。這種裂紋在熱處理時會進一步擴張，從而導致整個刀具開裂報廢。鍛造時如果停鍛溫度過高(＞1000℃)或變形度不大，會造成晶粒的不正常長大。

鍛造后必須經過退火，以降低硬度(退火后硬度為207～255HB)，消除應力，并為隨后淬火回火熱處理做好組織準備。

為了縮短時間，一般采用等溫退火。W18Cr4V鋼的等溫退火工藝，為了使齒輪銑刀在銑削后齒面有較高的光潔度，在銑削前須增加調質處理。即在900～920℃加熱，油中冷卻，然后在700～720℃回火1～3小時。調質后的組織為回火索氏體+碳化物，其硬度為26～32HRC。若硬度低，則光潔度達不到要求。

W18Cr4V鋼制盤形齒輪銑刀的淬火回火工藝如圖5－9所示。

圖5－9

W18Cr4V盤形銑刀淬火回火工藝

由圖可見，W18Cr4V鋼盤形齒輪銑刀在淬火之前先要進行一次預熱(800～840℃)。由于高速鋼導熱性差、差性低，而淬火溫度又很高，假如直接加熱到淬火溫度就很容易產生變形與裂紋，所以必須預熱。對于大型或形狀復雜的工具，還要采用兩次預熱。

圖5－10

W18Cr4V鋼淬火溫度對奧氏體成分的影響

高速鋼的熱硬性主要取決于馬氏體中合金元素的含量，即加熱時溶于奧氏體中合金元素的量。淬火溫度對奧氏體成分的影響很大，如圖5－10所示。

由圖5－10可知，對高速鋼熱硬性影響最大的兩個元素(W和V)，在奧氏體中的溶解度只有在1000℃以上時才有明顯的增加，在1270～1280℃時，奧氏體中約含有wWu為7％～8％、wCr為4％、wV為10％。溫度再高，奧氏體晶粒就會迅速長大變粗，淬火狀態(tài)殘余奧氏體也會迅速增多，從而降低高速鋼性能。這就是淬火溫度一般定為1270～1280℃的主要原因。高速鋼刀具淬火加熱時間一般按8～15s/mm(厚度)計算。

淬火方法應根據具體情況確定，本例之銑刀采用580～620℃在中性鹽中進行一次分級淬火。分級淬火可以減小變形與開裂。對于小型或形狀簡單的刀具也可采用油淬等。

W18Cr4V鋼硬度與回火溫度的關系見圖5－11。

圖5－11

W18Cr4V的硬度與回火溫度的關系

由圖5－11可知，在550～570℃回火時硬度最高。其原因有兩點：

①在此溫度范圍內，鎢及釩的碳化物(W2C、VC)呈細小分散狀從馬氏體中沉淀析出(即彌散沉淀析出)，這些碳化物很穩(wěn)定，難以聚集長大，從而提高了鋼的硬度，這就是所謂“彌散硬化”。

②在此溫度范圍內，一部分碳及合金元素也從殘余奧氏體中析出，從而降低了殘余奧氏體中碳及合金元素含量，提高了馬氏體轉變溫度。當隨后冷卻時，就會有部分殘余奧氏體轉變?yōu)轳R氏體，使鋼的硬度得到提高。由于以上原因，在回火時便出現了硬度回升的“二次硬化”現象。

為什么要進行三次回火呢?因為W18Cr4V鋼在淬火狀態(tài)約有20％～25％的殘余奧氏體，一次回火難以全部消除，經三次回火即可使殘余奧氏體減至最低量(一次回火后約剩15％，二次回火后約剩3％～5％，三次回火后約剩1％～2％)。后一次回火還可以消除前一次回火由于奧氏體轉變?yōu)轳R氏體所產生的內應力。它由回火馬氏體+少量殘余奧氏體+碳化物組成。常用高速鋼的牌號、成分、熱處理及性能見表5－11。

表5－11常用高速鋼的牌號、成分、熱處理及性能

2.模具鋼

模具鋼一般分為冷作模具鋼和熱作模具鋼兩大類。由于冷作模具鋼和熱作模具鋼的工作條件不同，因而對模具鋼性能要求有所區(qū)別。為了滿足其性能要求，必須合理選用鋼材，正確選定熱處理工藝方法和妥善安排工藝路線。

1)冷作模具鋼

(1)用途。

冷作模具鋼用于制造各種冷沖模、冷鐓模冷擠壓模及拉絲模等，其工作溫度不超過200～300℃。

(2)性能要求。

冷作模具鋼工作時承受很大的壓力、彎曲力、沖擊載荷和摩擦，主要損壞形式是磨損，也常出現崩刃、斷裂和變形等失效現象。因此冷作模具鋼應具有以下基本性能：

①高硬度，一般為58～62HRC；

②高耐磨性；

③足夠的韌性與疲勞抗力；

④熱處理變形小。

（3)成分特點。

①高碳。多在1.0％以上，有時達2％，以保證獲得高硬度和高耐磨性。

②加入Cr、Mo、W、V等合金元素。

加入這些合金元素后，形成難溶碳化物，提高耐磨性。尤其是加Cr，典型的Cr12型鋼，鉻含量高達12％。鉻與碳形成M7C3型碳化物，能極大地提高鋼的耐磨性。鉻還可顯著提高淬透性。

(4)熱處理特點。高碳高鉻冷模具鋼的熱處理方案有兩種。

①一次硬化法。

在較低溫度(950～1000℃)下淬火，然后在低溫(150～180℃)回火，硬度可達61～64HRC，使鋼具有較好的耐磨性和韌性，適用于重載模具。

②二次硬化法。

在較高溫度(1100～1150℃)下淬火，然后于510～520℃多次(一般為三次)回火，產生二次硬化，使硬度達60～62HRC，紅硬性和耐磨性較高(但韌性較差)，適用于在400～450℃溫度下工作的模具。Cr12型鋼熱處理后組織為回火馬氏體、碳化物和殘余奧氏體。

（5)鋼種和牌號。

冷作模具鋼的牌號、成分、熱處理、性能及用途見表5－11。

2)熱作模具鋼

(1)用途。熱作模具鋼用于制造各種熱鍛模、熱壓模、熱擠壓模和鑄模等，工作時型腔表面溫度可達600℃以上。

(2)性能要求。

熱作模具鋼工作中承受很大的沖壓載荷、強烈的塑性摩擦、劇烈的冷熱循環(huán)所引起的不均勻熱應變和熱應力以及高溫氧化，常出現崩裂、塌陷、磨損、龜裂等失效現象。因此熱作模具鋼的主要性能要求是：

①高的熱硬性和高溫耐磨件；

②高的抗氧化能力；

③高的熱強性和足夠高的韌性，尤其是變沖擊較大的熱鍛模鋼；

④高的熱疲勞抗力，以防止龜裂破壞。此外，由于熱作模具一般較大，還要求有高的淬透性和導熱性。

(3)成分特點。

①中碳。

碳含量一般為0.3％～0.6％，以保證高強度、高韌性，較高的硬度(35～52HRC)和較高的熱疲勞抗力。

②加入較多的提高淬透性的元素Cr、Ni、Mn、Si等。Cr是提高淬透性的主要元素，同時和Ni一起提高鋼的回火穩(wěn)定性。Ni在強化鐵素體的同時還增加鋼的韌性，并與Cr、Mo一起提高鋼的淬透性和耐熱疲勞性能。

③加入產生二次硬化的Mo、W、V等元素，Mo還能防止第二類回火脆性，提高高溫強度和回火穩(wěn)定性。

(4)熱處理特點。

對于熱模鋼，要反復鍛造，其目的是使碳化物均勻分布。鍛造后要退火，其目的是消除鍛造應力、降低硬度(197～241HB)，以便于切削加工。最后通過淬火+高溫回火(即調質處理)，得到回火索氏體，以獲得良好的綜合力學性能來滿足使用要求。

(5)鋼種和牌號。

對于中小尺寸(截面尺寸＜300mm的模具，一般采用5CrMnMo；對于大尺寸(截面尺寸＞400mm)的模具，一般采用5CrNiMo。

各類常用模具鋼的牌號、成分、熱處理工藝規(guī)程、性能及用途見表5－12。

表5－12類常用模具鋼的牌號、成分、熱處理、性能及用途

3.量具鋼

1)用途

量具鋼用于制造各種測量工具，如卡尺、千分尺、螺旋測微儀、塊規(guī)、塞規(guī)等。

2)性能要求

對量具的基本要求是在長期存放與使用中要保證其尺寸精度，即形狀尺寸不變。通常引起量具在使用或存放中發(fā)生尺寸精度降低的原因主要有磨損和時效效應。量具在多次使用中會與工件表面之間產生摩擦作用，會使量具磨損并改變其尺寸精度。實踐還表明，由于組織相應力上的原因，也會引起量具在長期使用或存放中尺寸精度的變化，這種現象稱為時效效應。在淬火和低溫回火狀態(tài)下，鋼中存在有以下三種導致尺寸變化的因素：殘余奧氏體轉變成馬氏體，引起體積膨脹；馬氏體分解，正方度下降，使體積收縮；殘余應力的變化和重新分布，使彈性變形部分轉變?yōu)樗苄宰冃味鸪叽缱兓?/p>

3)成分特點

量具鋼的成分與低合金刃具鋼相同，為高碳(wC為0.9％～1.5％)和加入提高淬透性的元素(Cr、W、Mn等)。

4)熱處理特點

為保證量具的高硬度和耐磨性應選擇的熱處理工藝為淬火和低溫回火。為了量具的尺寸穩(wěn)定、減少時效效應，通常需要有三個附加的熱處理工序：淬火之前的調質處理；常規(guī)淬火之后的冷處理；常規(guī)熱處理后的時效處理。

調質處理的目的是獲得回火索氏體組織。因為回火索氏體組織與馬氏體的體積差別較小，能使淬火應力和變形減小，從而有利于降低量具的時效效應。

冷處理的目的是為了使殘余奧氏體轉變?yōu)轳R氏體，減少殘余奧氏體量，從而增加量具的尺寸穩(wěn)定性。冷處理應在淬火后立即進行。

時效處理通常在磨削后進行。量具磨削后在表面層有很薄的二次淬火層，為使這部分組織穩(wěn)定，需在110～150℃經過6～36h的人工時效處理，以使組織穩(wěn)定。

表5－13量具用鋼的選用舉例

5.1.5特殊性能鋼

1.不銹鋼

在化工、石油等工業(yè)部門中，許多機件與酸、堿、鹽及含腐蝕性氣體和水蒸氣直接接觸，使機械產生腐蝕。因此，用于制造這些機件的鋼除應有一定的力學性能及工藝性能外，還必須具有良好的抗腐蝕性能。所以，如何獲得良好的抗腐蝕性能是這類鋼合金化和熱處理的基本出發(fā)點。

不銹鋼是在大氣和弱腐蝕介質中耐蝕的鋼。而在各種強腐蝕介質(酸)中耐腐蝕的鋼，則稱耐酸鋼。

為了了解這類鋼是如何通過合金化及熱處理來實現鋼的耐蝕性能，首先要了解鋼的腐蝕過程及失效形式。

(1)金屬腐蝕的概念。

腐蝕是由外部介質引起金屬破壞的過程。自然界中金屬腐蝕的形式很多，但就其本質而言，可分為兩大類：化學腐蝕和電化學腐蝕。

化學腐蝕是指金屬直接與介質發(fā)生化學反應。例如鋼的高溫氧化、脫碳，在石油、燃氣中的腐蝕等。腐蝕過程是鐵與氧、水蒸氣等直接接觸，發(fā)生氧化反應。

4Fe+3O2→2Fe2O3

Fe+2H2O→Fe(OH)2+H2↑

這些化學反應的結果使金屬逐漸發(fā)生破壞。但是如果化學腐蝕的產物與基體結合牢固且很致密，這時，使腐蝕的介質與基體金屬隔離，會阻礙腐蝕的繼續(xù)進行。因此，防止金屬產生化學腐蝕主要措施之一是加入Si、Cr、Al等能形成保護膜的合金元素進行合金化。

電化學腐蝕是指金屬在電解質溶液里因原電池作用產生電流而引起腐蝕。根據原電池原理，產生電化學腐蝕的條件是必須有兩個電位不同的電極、有電解質溶液、兩電極構成電路。

那么工程上服役的構件及零件是怎樣滿足上述電化學腐蝕條件呢?

一般鋼的腐蝕就是由電化學腐蝕引起的，但又與一般化學書中介紹的原電池有所不同。在一般原電池中需要有兩塊電極電位不同的金屬極板，而實際鋼鐵材料是在同一塊材料上發(fā)生電化學腐蝕，故稱微電池現象。在碳鋼的平衡組織中，除了有鐵素體外，還有碳化物。這兩個相的電極電位不同。鐵素體的電位低(陽極)，滲碳體電位高(陰極)，這兩者就構成了一對電極。加之鋼材在大氣中放置時表面會吸附水蒸氣形成水溶液膜，于是就構成了一個完整的微電池，便產生了電化學腐蝕。

根據電化學腐蝕產生的位置及條件，常常出現各種不同類型的腐蝕形式，如晶間腐蝕、應力腐蝕、疲勞腐蝕等。由上述發(fā)生微電池現象的過程可知，為了提高金屬的耐腐蝕能力，可以采用以下三種方法。

①減少原電池形成的可能性，使金屬具有均勻的單相組織，并盡可能提高金屬的電極電位。

②形成原電池時，盡可能減小兩極的電極電位差，并提高陽極的電極電位。

③減小甚至阻斷腐蝕電流，使金屬“鈍化”，即在表面形成致密的、穩(wěn)定的保護膜，將介質與金屬隔離。這是提高金屬耐腐蝕性的非常有效的方法。

(2)用途及性能要求。

不銹鋼在石油、化工、原子能、宇航、海洋開發(fā)、國防工業(yè)和一些尖端科學技術及日常生活中都得到了廣泛應用。它主要用來制造在各種腐蝕介質中工作并且有較高腐蝕能力的零件或結構。例如，化工裝置中的各種管道、閥門和泵、熱裂設備零件、醫(yī)療手術器械、防銹刃具和量具等等。

對不銹鋼的性能要求最主要的是抗蝕性。此外，制作工具的不銹鋼，還要求有高硬度、高耐磨性；制作重要結構零件時，要求有高強度：某些不銹鋼則要求有較好的加工性能，等等。

(3)合金化特點。

①碳含量。

耐蝕性要求愈高，碳含量應愈低。因為它增加陰極相(碳化物)。特別是它與鉻能形成碳化物［多為(Cr，Fe)23C6］故晶界析出，使晶界周圍基體嚴重貧鉻。當鉻貧化到耐蝕所必需的最低含量(約12％)以下時，貧鉻區(qū)迅速被腐蝕，從而造成沿晶界發(fā)展的晶間腐蝕，使金屬產生沿晶脆斷的危險。大多數不銹鋼的碳含量為0.1％～0.2％。但用于制造刃具和滾動軸承等的不銹鋼，碳含量應較高(可達0.85％～0.95％)，此時必須相應地提高鉻含量。

②加入最主要的合金元素鉻。

鉻能提高基體的電極電位。鉻加入后，鐵素體的電極電位的變化隨著含鉻量的增加不是漸變的，而是突變式的，即含Cr量為12.5％、25％、37.5％(原子比)時，電極電位才能顯著地提高。鉻是縮小γ區(qū)的元素，當鉻含量很高時能得到單一的鐵素體組織。另外，鉻在氧化性介質(如水蒸氣、大氣、海水、氧化性酸等)中極易氧化，易生成致密的氧化膜，使鋼的耐蝕性大大提高。

③同時加入鎳。

加入鎳可獲得單相奧氏體組織，顯著提高耐蝕性。但這時鋼的強度不高，如果要獲得適度的強度和高耐蝕性，必須把鎳和鉻同時加入鋼中才能達到構件及零件的性能要求。

④加入鉬、銅等。

Cr在非氧化性酸(如鹽酸、稀硫酸和堿溶液等)中的鈍化能力差。加入Mo、Cu等元素，可提高鋼在非氧化性酸中的耐蝕能力。

⑤加入鈦、鈮等。

Ti、Nb能優(yōu)先同碳形成穩(wěn)定的碳化物，使Cr保留在基體中，避免晶界貧鉻，從而減輕鋼的晶界腐蝕傾向。

⑥加入錳、氨等。

部分鎳以獲得奧氏體組織，并能提高鉻不銹鋼在有機酸中的耐蝕性。

(4)常用不銹鋼。

根據成分與組織的特點，不銹鋼可分為以下幾種類型。

①奧氏體型。這是應用最廣泛的一類不銹鋼。由于通常含有18％左右的Cr和8％以上的Ni，因此也常被稱為18—8型不銹鋼。這類鋼具有很高的耐蝕性，并具有優(yōu)良的塑性、韌性和焊接性。雖然強度不高，但可通過冷變形強化。這類鋼在450～800℃加熱時，晶界附近易出現貧鉻區(qū)，往往會產生晶間腐蝕。為此常采取加入Ti或Nb以及發(fā)展超低碳不銹鋼(wC＜0.03％)等防止措施。此外，這類鋼應進行固溶處理(950～1100℃加熱，然后用水迅速冷卻至室溫)，以獲得單相奧氏體。

②鐵素體型。

這類鋼中Cr的含量為17％～30％，碳的含量小于0.15％，加熱至高溫也不發(fā)生相變，不能通過熱處理來改變其組織和性能，通常是在退火或正火狀態(tài)使用。這類鋼具有較好的塑性，但強度不高，對硝酸、磷酸有較高的耐蝕性。

③馬氏體型。

這類鋼中Cr的含量為12％～14％，碳的含量小于0.1％～0.4％，正火組織為馬氏體。馬氏體不銹鋼具有較好的力學性能，有很高的淬透性，直徑不超過100mm均可在空氣中淬透。

④沉淀硬化型。

這類鋼的成分與18—8型不銹鋼相近，但含Ni量略低，并加入少量A1、Ti、Cu等強化元素。從高溫快冷至室溫時，得到不穩(wěn)定的奧氏體或馬氏體。在500℃左右時效，可析出大量細小彌散的碳化物，使鋼在保持相當的耐蝕性的同時具有很高的強度。這類鋼還具有優(yōu)良的工藝性能。

各種類型不銹鋼的牌號、成分、熱處理溫度、力學性能分別見表5－14。

表5－14各種類型不銹鋼的牌號、成分、熱處理溫度力學性能及用途

表5－14各種類型不銹鋼的牌號、成分、熱處理溫度力學性能及用途表5－14各種類型不銹鋼的牌號、成分、熱處理溫度力學性能及用途

2.耐熱鋼

1)耐熱鋼的抗氧化性及高溫強度

(1)金屬的抗氧化性。

金屬的抗氧化性是保證零件在高溫下能持久工作的重要條件，抗氧化能力的高低主要由材料的成分來決定。鋼中加入足夠的Cr、Si、Al等元素，使鋼在高溫下與氧接觸時，表面能生成致密的高熔點氧化膜。它嚴密地覆蓋住鋼的表面，可以保護鋼免于高溫氣體的繼續(xù)腐蝕。例如，當鋼中wCr為15%時，其抗氧化度可達900℃，若wCr為20％～25％，則抗氧化度可達1100℃。

(2)金屬的高溫強度。

金屬在高溫下所表現的機械性能與室溫下是大不相同的。當溫度超過再結晶溫度時，除受機械力的作用產生塑性變形和加工硬化外，同時還可發(fā)生再結晶和軟化的過程。當工作溫度高于金屬的再結晶溫度，工作應力超過金屬在該溫度下的彈性極限時，隨著時間的延長，金屬發(fā)生極其緩慢的變形，這種現象稱為“蠕變”。金屬對蠕變抗力愈大，即表示金屬高溫強度愈高。通常加入能升高鋼的再結晶溫度的合金元素來提高鋼的高溫強度。

金屬的蠕變過程是塑性變形引起金屬的強化過程在高溫下通過原子擴散使其迅速消除。因此，在蠕變過程中，兩個相互矛盾的過程同時進行，即塑性變形使金屬強化和由溫度的作用而消除強化。蠕變現象產生的條件為材料的工作溫度高于再結晶溫度、工作應力高于彈性極限。

因此，要想完全消除蠕變現象，必須使金屬的再結晶溫度高于材料的工作溫度，或者增加彈性極限使其在該溫度下高于工作應力。

對高溫工作的零件不允許產生過大的蠕變變形，應嚴格限制其在使用期間的變形量。如汽輪機葉片，由于蠕變而使葉片末端與汽缸之間的間隙逐漸消失，最終會導致葉片及汽缸碰壞，造成重大事故。因此，對這類在高溫下工作，精度要求又高的零件用鋼的熱強性，通常用蠕變極限來評定。

蠕變極限，即在一定溫度下引起一定變形速度的應力。通常用表示，如 -5，表示材料在580℃下蠕變速度為1×10-5%/h的蠕變極限為95MPa。

對一些在高溫下工作時間較短，不允許發(fā)生斷裂的工作，如宇宙火箭工作的時間是幾十分鐘，而送入軌道的一級或二級運載火箭的工作時間僅是幾秒鐘。在這種情況下，要求構件不會發(fā)生斷裂，便不能用蠕變極限來評定，而應用持久強度來評定。

持久強度是在一定溫度下，經過一定時間引起斷裂的應力，通常用表示。其中，T℃為試驗溫度；τ為至斷裂的時間。如果取時間等于100h，則在這段時間內引起斷裂的應力就是100h的持久強度。經300h后引起斷裂的應力顯然比經100h引起斷裂的應力要小。

材料的蠕變極限和持久強度愈高，材料的熱強性也愈高。

不同類型的耐熱鋼使用于不同的溫度。

一般來說，馬氏體耐熱鋼在300～600℃范圍內使用，鐵素體、奧氏體耐熱鋼用于600～800℃，800～1000℃則常用鎳基高溫合金。

2)常用耐熱鋼

(1)抗氧化鋼。

在高溫下有較好的抗氧化性而有一定強度的鋼種稱為抗氧化鋼，又叫不起皮鋼。它多用來制造爐用零件和熱交換器，如燃氣輪機燃燒空、鍋爐吊鉤、加熱爐底板和輥道以及爐管等。高溫爐用零件的氧化剝落是零件損壞的主要原因。鍋爐過熱器等受力器件的氧化還會削弱零件的結構強度，因此在設計時要增加氧化余量。高溫螺栓氧化會造成螺紋咬合，這些零件都要求高的抗氧化性。

抗氧性取決于表面氧化層穩(wěn)定性、致密性及其與基體金屬的粘附能力，其主要影響因素是化學成分。

①鉻。

鉻是一種鈍化元素，含鉻鋼能在表面形成一層致密的Cr2O3氧化膜，有效地阻擋外界的氧原子繼續(xù)往里擴散。較高溫度使用的鋼和合金，含鉻量常大于20％。如含鉻22％在100℃以下是穩(wěn)定的，可以形成連續(xù)而又致密的氧化膜。

②硅。

含硅鋼在高溫時其表面可形成一層SiO2薄膜，它能提高抗氧化性。但過量的硅會惡化鋼的熱加工工藝性能。

③鋁。

鋁和硅都是比較經濟的提高抗氧化性的元素。含鋁鋼在表面形成Al2O3薄膜，與Cr2O3相似，能起很好的保護作用。含鋁6％可使鋼在980℃具有較好的抗氧化性。含鋁5％的鐵錳鋁奧氏體鋼可在800℃長期使用。過高的鋁量會使鋼的沖擊性能和焊接性能變壞。

④稀土元素。

稀土元素會對Cr28鋼的抗氧化產生影響。鑭等稀土元素可進一步提高含鉻鋼的抗氧化性，它們會降低Cr2O3揮發(fā)性，改善氧化膜組成，使其變?yōu)楦臃€(wěn)定的(Cr、La)O3；它們又可促進鉻擴散，這有助于形成Cr2O3。將鑭抑制在1100～1200℃范圍會內形成容易分解的NiO。

實際上應用的抗氧化鋼大多是鉻鋼。在鉻鎳鋼或鉻錳氮鋼基礎上添加硅或鋁而配制成的。單純的硅鋼或鋁鋼因其機械性能和工藝性能欠佳而很少應用。

抗氧化性常用鋼種有3Cr18Mn12Si2N、2Cr20Mn9Ni2Si2N等。它們的抗氧化性能很好，最高工作溫度可達約1000℃，多用于制造加熱爐的變熱構件、鍋爐中的吊鉤等。它們常以鑄件的形式使用，主要熱處理是固溶處理，以獲得均勻的奧氏體組織。

(2)熱強鋼。

高溫下有一定抗氧化能力和較高強度以及良好組織穩(wěn)定性的鋼種稱為熱強鋼。汽輪機、燃氣輪機的轉子和葉片、鍋爐過熱器、高溫工作的螺栓和彈簧、內燃機進排氣閥等用鋼均屬此類。

①鐵素體基耐熱鋼。鐵素體基耐熱鋼的工作溫度范圍在450～600℃，其合金鋼有以下幾種。

·低碳。

碳含量一般為0.1％～0.2％。碳含量愈高，組織愈不穩(wěn)定，碳化物容易聚集長大，甚至發(fā)生石墨化，使熱強度大大降低。

·加入鉻。

改善鋼的抗氧化性，提高鋼的再結晶溫度以增高溫強度。鋼的耐蝕性和熱強性要求愈高，鉻含量也應愈高，可從1％增加到3％。

·加入鉬、釩。

可提高鋼的再結晶溫度，同時形成穩(wěn)定的彌散碳化物來保持高的熱強性。

②奧氏體基耐熱鋼。工作溫度可達600～700℃，其合金化方法有以下幾種。

·低碳。碳含量多在0.1％以上，可高達0.4％。要利用碳形成碳化物起第二相強化作用。

·加入大量鉻、鎳?？偭恳话阍?5％以上。Cr主要提高熱化學穩(wěn)定性和熱強性，Ni保證獲得穩(wěn)定奧氏體。

·加入鎢、相等。提高再結晶溫度，并析出較穩(wěn)定的碳化物提高熱強性。

·加入釩、鈦、鋁等。形成穩(wěn)定的第二相提高熱強性。第二相有碳化物（如VC等）和金屬間化合物［如Ni(Ti、Al)等］兩類，后者強化效果較好。

(3)馬氏體型熱強鋼。

常用鋼種為Cr12型(1Cr11MoV、1Cr12WMoV)、鉻硅鋼(4Cr9Si2、4Cr10Si2M)等。

1Cr11MoV和1Cr12WMoV鋼具有較好的熱強性、組織穩(wěn)定性及工藝性。1Cr11MoV鋼適宜于制造540℃以下汽輪機葉片、燃氣輪機葉片、增壓器葉片；1Cr12MoV鋼適宜于制造580℃以下汽輪機葉片，燃氣輪機葉片。這兩種鋼大多在調質狀態(tài)下使用。1Cr11MoV馬氏體熱強鋼的調質熱處理工藝為：1050～1000℃空冷、720～740℃高溫回火(空冷)。

4Cr9Si2、4Cr10Si2Mo等鉻硅鋼是另一類馬氏體熱強鋼。它們屬于中碳高合金鋼。鋼中含碳量提高到約0.40％，主要是為了獲得高的耐磨性；鋼中加入少量的鉬，有利于減小鋼的回火脆性并提高熱強性。這兩種鋼經適當的調質處理后，具有高的熱強性、組織穩(wěn)定性和耐磨性。4Cr9Si2鋼主要用來制造工作溫度在650℃以下的內燃機排氣閥，也可用來制造工作在800℃以下，受力較小的構件，如過