1、合金钢及硬质合金,樊佳 广东省理工职业技术学校,机械制造的过程,碳素钢 不特意加入合金元素的钢.,1. 按钢的碳质量分数分,低碳钢w(C) 0.25%,中碳钢0.25 w(C) 0.6%,高碳钢w(C) 0.6%,2按钢的质量分,普通碳素钢Ws、 Wp 0.45%,优质碳素钢Ws、 Wp 0.35%,高级优质钢（标A） Ws 0.20% Wp 0.30%,特级优质钢（标E） Ws 0.15% Wp 0.25%,0.0218%-2.11%,碳素钢的分类,多边型角钢,螺钉、铆钉,钢筋、螺纹钢,合金钢,在碳素钢的基础上，为改善钢的性能，在冶炼时特意加入一种或数种合金元素的钢。,常加入的合金元素：Si
2、、Mn、Cr、Ni、W、Mo、Co、V、Ti、B等。,锰（Mn）:提高钢的淬透性、降低钢的淬火温度。 钨（W）：提高钢的硬度、耐磨性、热硬性、热强性。 钛（Ti）:提高耐热钢的抗氧化性和热强性，有利于提高不锈钢的防腐作用。不锈钢 镍（Ni）:提高钢的淬透性和强度，又能保持良好的塑性和韧性。稀缺的资源 硅（Si）：显著提高钢的弹性极限，屈服点和抗拉强度。弹簧钢,41 合金钢的分类及牌号,合金钢的分类,按用途分类 合金结构钢：用于制造机械零件和工程结构的钢。他们又可以分为低合金高强度钢、渗碳钢、弹簧钢、滚动轴承钢等。 合金工具钢：用于制造各种工具的钢，可分为刃具钢、模具钢和量具钢等。 特殊性能钢：
3、具有某种特殊物理、化学性能的钢，如不锈钢、耐热钢、耐磨钢等。,合金钢的分类,按合金元素总含量分类 低合金钢：合金元素总含量10%,合金钢的分类,合金钢的牌号及表示方法,数字 + 化学元素 + 数字 合金元素含量的百分之几，1.5% 不标出 合金元素平均含C量的万分之几,如：40Cr 表示 含C量：0.40% （0.37-0.45%） 含Cr量：0.8-1.1%60Si2Mn 表示 含C量：0.57-0.65% 含Si 量：1.5-2.0% 含Mn 量：0.6-0.9% 若为高级优质钢，则在钢号后加“A” 如： 20Cr2Ni4A、45CrNiMoVA,42 合金结构钢,1、低合金结构钢 2、机
4、械制造用钢,广泛应用于机械制造、交通运输、石油化工及工程建筑等行业。,1、低合金结构钢,成分：Wc0.2%，Me%3%，主加元素Mn 用途：桥梁、船舶、车辆、锅炉、高压容器、输油输气管道、大型钢结构等。 性能：较高的强度、屈强比、塑、韧性（Me） 良好的焊接性和冷塑性加工性（低碳） 含有耐大气和海水腐蚀的元素（Cu、P）,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。Q460钢含Mo、B，正火组织为B，强度最高，用于石化中温高压容器。,东风号远洋轮船Q345,南京长江大桥Q345,高压容器,北京鸟巢体育馆 Q460,
5、低合金高强度结构钢的牌号、力学性能和应用 见书中59页表41,2、机械制造用钢,用途：主要用于制造各种机器零件、如轴类、齿轮、弹簧和轴承等。分类： 1）合金渗碳钢2）合金调质钢3）合金弹簧钢,1）合金渗碳钢,用途：制造要求高耐磨性、承受高接触应力和冲击载荷的重要零件。 性能：表层高硬度（58HRC）和高耐磨性；心部良好强韧性；高的淬透性以保证渗碳件的心部性能，以便于渗碳后直接淬火。,热处理渗碳淬火 + 低温回火（180200）,成分： 低 碳：0.1%0.25%，以保证零件心部足够的塑性和韧性，抵抗冲击载荷； 合金元素：主加Cr、Mn、Ni、B等，以提高渗碳钢的淬透性，保证零件的心部为低碳马氏
6、体，从而具有足够的心部强度；辅加Mo、W、V、Ti等强碳化物形成元素，以形成稳定的特殊合金碳化物阻止渗碳时奥氏体晶粒长大。,常用的合金渗碳钢牌号、力学性能和用途 见书中60页表42,低淬透性合金渗碳钢：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：合金元素总量在4 %左右。20 CrMn、20CrMnTi、20Mn2TiB。用于中等载荷的耐磨件，如变速箱齿轮。 高淬透性合金渗碳钢：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。,活塞销( 20Cr ),柴油机
7、曲轴,柴油机凸轮轴,20 CrMnTi齿轮制造工艺,工艺路线： 下料锻造正火齿形加工渗碳预冷淬火 低温回火喷丸精磨,热处理工艺曲线,预先热处理：正火，改善锻造组织，利于切削加工 最终热处理：淬火低回,最终组织： 表层：高碳M回+Cm+A残 心部：低碳M回 +F,2、合金调质钢,定义采用调质处理，即淬火加高温回火后使用的合金结构钢。,用途：制造受力复杂（交变应力、冲击载荷等）的重要零件，如发动 机连杆、曲轴、机床主轴等。 性能：具有优良的综合力学性能，即既强又韧。,成分 中 碳： 0.25%0.5%（一般为0.4%左右）。 合金元素 ：,主加元素Mn、Si、Cr、Ni、B等，主要作用提高淬透性；
8、次要作用溶入铁素体起固溶强化作用。 辅加元素Mo、W、V等强碳化物形成元素，其中Mo、W的主要作用是抑制含Cr、Ni、Mn、Si等合金调质钢的高温回火脆性，次要作用是改善淬透性；V主要作用形成碳化物阻碍奥氏体晶粒长大，起细晶强化和弥散强化作用。,热处理预先热处理：正火处理（Me含量低）或正火高温回火（Me含量高）最终热处理 ：调质，即淬火高温回火。 组织：S回,连杆,40Cr钢制造连杆螺栓的热处理工艺曲线,3、合金弹簧钢,成分： 中高碳：碳素弹簧钢0.60.9%C，合金弹簧钢0.450.70%C，经淬火加中温回火后得到回火托氏体组织，能较好地保证弹簧的性能要求。 合金元素 主加元素为Si、Mn
9、等，其主要作用是提高淬透性、回火稳定性、强化F基体；辅加元素为Mo、W、V等强碳化物形成元素，主要作用有防止Si引起的脱碳缺陷，并细化晶粒及进一步提高弹性极限与屈强比。,用途：制造各种弹簧和弹性元件或类似性能要求的结构零件。 性能：高的弹性极限e和屈强比s/b，高的疲劳极限； 热处理 热轧弹簧：热成型 淬火 + 中温回火 喷丸 冷轧弹簧：淬火 + 中温回火 冷成型 去应力 喷丸,热成形弹簧 对截面尺寸10mm各种大型和形状复杂的弹簧均采用热成形(如热轧、热卷)，如汽车、拖拉机、火车的板簧和螺旋弹簧。 其加工路线：下料加热压弯或卷绕淬火中温回火喷丸，使用状态组织为回火托氏体。喷丸可强化表面并提高
10、弹簧表面质量，显著改善疲劳性能。,汽车板簧,热卷大弹簧,冷成形弹簧 截面尺寸10mm的各种小型弹簧可采用冷成形(如冷卷、冷轧)，如仪表中的螺旋弹簧、发条及弹簧片等。这类弹簧在成形前先进行冷拉（冷轧）、淬火中温回火或铅浴等温淬火后冷拉（轧）强化；然后再进行冷成形加工，此过程中将进一步强化金属，但也产生了较大的内应力和脆性，故在其后应进行低温去应力退火（一般200400）。,弹簧丝,发条,成分 高碳：0.95%1.15%C，保证轴承钢高硬度和高耐磨性； 低铬：0.40%1.65%Cr，增加钢的淬透性，并形成合金渗碳体(Fe、Cr)3C提高接触疲劳极限和耐磨性。 大型轴承加入Si、Mn、Mo、 V等
11、元素以进一步提高淬透性和强度。,4、滚动轴承钢,滚动轴承是将运转的轴与轴座之间的滑动摩擦变为滚动摩擦，从而减少摩擦损失的一种精密的机械元件。,用途：制造各种滚动轴承的滚动体（滚珠、滚柱）和内外套圈的专用钢种，也可用于制作精密量具、冷冲模、机床丝杆及油泵油嘴的精密偶件如针阀体、柱塞等耐磨件。 性能：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;热处理 预先热处理：球化退火，以改善切削加工性并为淬火作组织准备； 最终热处理：淬火低温回火，决定轴承钢的性能，得到高硬度（6266HRC）和高耐磨性。 冷处理：消除A残与内应力、稳定组织、提高轴承的尺寸精度。,组织 ： M回细碳
12、化物少量A残,43 合金工具钢,用于制造刃具、模具、量具的钢，称为工具钢。,刃具钢模具钢 量具钢,按用途分,水淬钢 油淬钢 空硬钢,淬火介质,合金工具钢的分类,一、合金刃具钢,性能要求 高的硬度（6066HRC）和耐磨性。 高的热硬性，即钢在高温下（500600）保持高硬度（60HRC左右）的能力，这是高速切削加工刀具必备的性能。 适当的韧性。,1、低合金刃具钢,成分： 高碳，含 0.91.5 % C ，添加Si、Mn、Cr、等合金元素，提高钢的淬透性和回火稳定性，进一步改善刀具的硬度和耐磨性；强碳化物形成元素(如W、V等)所形成的碳化物除对耐磨性有提高作用外，还可提高钢的热硬性。 性能：低合
13、金工具钢的淬透性和综合力学性能好，但由于其内的合金元素主要是淬透性元素，而不是含量较多的强碳化物形成元素(W、Mo、V等)，故仍不具备热硬性特点，刀具刃部的工作温度一般不超过250，否则硬度和耐磨性迅速下降，甚至丧失切削能力，因此这类钢属于低速切削刃具钢。,9 SiCr 钢板牙热处理工艺曲线,板牙,2、高速钢,高速钢是一种高合金钢，俗称白钢、锋钢、风钢等。其强度、冲击韧度、工艺性很好，是制造复杂形状刀具的主要材料。如：成形车刀、麻花钻头、铣刀、齿轮刀具等。高速钢的耐热性不高，约在640左右其硬度下降，不能进行高速切削。,W18Cr4V钢的生产工艺及热处理特点,工艺路线：下料 锻造 退火 机加工
14、 淬火 三次回火 喷砂 磨削,锻造：高速钢属于莱氏体钢，铸态组织中含有大量呈鱼骨状的粗大共晶碳化物，钢的韧性大幅下降。不能用热处理来消除，只能依靠反复多次锻打来击碎。 退火：消除应力，调整组织，便于机加工，为淬火作好组织准备。退火后的组织 : S + 粒状碳化物 淬火 : 1280；淬火后的组织：M+Cm+A残(2025%) 三次回火 ：消除A残；并产生二次硬化 弥散硬化：W2C、VC 弥散析出； 二次淬火： A残中析出合金碳化物，使A残中合金的浓度下降，MS 上升，在随后的冷却过程中转变为M。,W18Cr4V铸态组织 420 ,W18Cr4V锻造组织 210 ,W18Cr4V淬火+ 三次回火
15、组织 420 ,二、合金模具钢,（一）冷作模具钢 工作条件与性能要求：在常温下使金属材料变形成型的模具用钢，工作温度200300；模具承受很大的载荷及摩擦、冲击作用；冷作模具钢应具有高硬度、高耐磨性、高强度和足够的韧性；冷作模具对淬透性、耐磨性尤其是韧性方面的要求更高一些，冷作模具钢应是高碳成分并多在回火马氏体状态下使用。,成分： 高碳 合金元素：Cr， Mo、W、V,汽车车门模具,（二）热作模具钢 工作条件与性能要求：使热态金属成形的模具用钢。热锻模工作部分的温度会升高到300400、热挤压模可达500800、甚至近1000，因交替加热冷却的温度循环产生交变热应力；热作模具常见的失效形式有变
16、形、磨损、开裂和热疲劳等，要求模具钢应具有良好的高温强韧性、高的热疲劳和热磨损抗力、一定的抗氧化性和耐蚀性等。,汽车曲轴模具,成分：中碳 0.30.6 %； 合金元素:Cr、Ni、Mn、Si、Mo、W、V。,三、合金量具钢,性能要求：高的硬度和耐磨性、良好的尺寸稳定性。 成分：高碳 ；合金元素：Cr， Mn、W。 应用 简单量具 T10A、T12A 等。 高精度量具 GCr15、9SiCr、CrWMn 热处理：淬火 + 冷处理 + 低温回火 + 时效处理 最终组织 ： M回+ 合金碳化物,千分尺,44 特殊性能钢,（一）不锈钢 金属腐蚀的种类: 化学腐蚀 金属表面与周围介质直接发生化学反应而引
17、起的腐蚀。如金属高温时的氧化，钢的脱碳 。 电化学腐蚀金属材料（合金或不纯的金属）与电解质溶液接触 ， 通过电极反应产生的腐蚀。如钢的生锈。,金属的防腐 “多相”易腐蚀，“单相”不易腐蚀 两相若电极电位接近耐腐蚀(Cr、Ni提高基体电极电位) 表面致密的氧化膜也耐腐蚀(Al2O3、Cr2O3) 化学成分特点: 低碳：耐蚀性要求愈高，碳含量愈低。 合金元素：主加Cr。辅加Ni、Mo、Cu、Ti、Nb、Mn 等。,铁素体不锈钢,碳含量0.12%、铬含量1618。Cr是铁素体形成元素，致使此类钢从室温到高温（1000左右）均为单相铁素体；塑性加工、切削加工和焊接性较优。主要用于对耐蚀性和抗氧化性有较
18、高要求的零件，如耐硝酸、磷酸结构和抗氧化结构。 常见的铁素体不锈钢有0Cr13、1Cr17、1Cr28等。,马氏体不锈钢,马氏体不锈钢：碳0.1%0.45%，含Cr平均为13%。当WCr12%时能起到钝化作用。此类钢在氧化性介质中（如大气、海水、氧化性酸）耐蚀。 常见的马氏体不锈钢有：Cr13型如1Cr13、2Cr13、3Cr13。,奥氏体不锈钢,奥氏体不锈钢：是在Cr18Ni8（18-8）基础上发展起来的，低碳（0.12）、高铬（18）和较高镍（9）；Cr主要起钝化作用，Ni主要起扩大A相区的作用。此类钢具有最佳的耐蚀性，但相应地价格也较高；优良的低温韧性、高的加工硬化能力、耐热性，其冷塑性
19、加工性和焊接性能较好。以Cr18Ni8普通型奥氏体不锈钢用量最大，牌号有1Cr18Ni9，1Cr18Ni9Ti及0Cr18Ni9等。,（二）耐热钢,定义:在高温下具有抗氧化性和高温强度的特殊钢。 高温强度（热强性）指标有： 蠕变极限：材料在高温长期载荷下对缓慢塑性变形（即蠕变）的抗力；以 表示700下经1000h产生0.2%残余变形量的最大应力。 持久强度：材料在高温长期载荷下对断裂的抗力；以 表示在500下经10000h发生断裂的应力值。,提高钢抗氧化性的途径：加入Cr、Al、Si在钢表面生成致密稳定连续而牢固的Cr2O3、Al2O3、SiO2氧化膜。 提高钢热强性的途径： 基体固溶强化：加
20、入元素Cr、Ni、W、Mo等，形成单相组织并提高再结晶温度。 第二相弥散强化：加入元素V、Ti、Nb、Al等，形成细小弥散分布的稳定碳化物(VC、TiC、NbC)或稳定性更高的金属间化合物(Ni3Ti、Ni3Nb、Ni3Al)，获得第二相弥散强化效果并提高组织稳定性。 晶界强化：微量元素硼(B)与稀土(RE)元素，起净化晶界或填充晶界空位的作用。,抗氧化钢 ：如3Cr18Ni25Si2等。 热强钢 珠光体：500以下，如12CrMo、15CrMoV 马氏体：600-650 ，如Cr13型马氏体不锈钢 奥氏体：650 以上：如18-8型奥氏体不锈钢,航空发动机,汽轮机叶片,（三）耐磨钢,定义：在
21、强烈冲击载荷作用下发生冲击形变硬化的高锰钢。 化学成分：高碳(0.9%1.5%)、高锰(1114)。 铸态组织：粗大AFe3C网，脆性大，不直接使用。 水韧处理：（10601100快速水冷）后可得到单相A，此时韧性很高。 形变硬化： (AM)形成硬(500HBW)而耐磨的表面层(1020mm)，心部仍为高韧性的A。 主要用途：坦克、拖拉机、挖掘机的履带板、破碎机衬板、铁路道岔等。,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47倍，刀具寿命可提高580倍。,二、硬质合金的分类：,1. 金
22、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。,可转位铣削刀具系列,钻头,刀头,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。,
