1、第七章 合金钢,分类及编号合金元素在钢中的作用合金结构钢机器零件用钢合金工具钢特殊钢,第一节 钢的分类及编号,1.1 合金钢介绍,为了提高钢的力学、工艺、物理或化学性能，在冶炼时特意往钢中加入的一些化学元素(即通常称为合金元素)，所得到的钢称为合金钢。,改善对象,提高强度 提高淬透性 提高高温强度、热硬性 提高抗氧化、耐腐蚀、耐热、耐磨、电磁等特殊性能,钢的成分中含有的元素一般除Fe、C外，还包括：,1.2 合金钢分类,1) 按用途分类 结 构 钢 主要用来制造承受力结构零部件，其中就热处理或专门构件的类型可分别称呼为调质钢、渗、碳钢、弹簧钢、轴承钢等。 工模具钢 主要用来制造加工其它零件的工
2、具或模具，其中又分为刃具钢、模具钢、量具钢等。 特 殊 钢 具有特殊性能而作某项专用的钢，其中又分为不锈钢、耐热钢、电工钢等。,2) 按钢的成分分类 碳 钢 仅含有一定量非人为特意加入的常存元素Si、Mn等。 合金钢 为达到某种性能要求，人为加入了必要的合金元素。按其加入的量较多元素又有铬钢、锰钢、铬锰钢、钨钼钢等；按其总量分为低(10%) 。,1.3 常用合金钢的牌号,碳钢以前已经介绍，这里介绍冶金部关于合金钢命名的一般规定。,合金结构钢(合结钢) 牌号的组成为：数字元素符号和数字字母，其中第一部分用两位数字表示钢的含碳量的万分之几；第二部分用化学元素符号表示钢中的所含主要或关键合金元素，元
3、素含量超过1.5的将含量的百分数用数字标注在元素符号的后面；第三部分的字母为级别标志，注明特殊要求或专门用途。例如20CrMnTi、40Cr、40MnB、60Si2Mn等。 合金工具钢(合工钢) 牌号的组成和合结钢基本相同，仅第一部分用一位数字表示钢的含碳量的千分之几，含碳量大于1.0的将这部分数字略去，如1Cr18Ni9Ti、5CrNiMo、9CrSi、Cr12MoV、W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2等。 其它专用牌号 对于某些专门用途或特殊性能的钢有些牌号，如滚动轴承钢GCr15、GCr6，铸钢件ZG45、ZGMn13，易切削钢 Y40CrSCa 等。 详见教材P306 表11-1,第
4、二节 合金元素在钢中的作用,2.1 对钢中基本相的影响 合金元素在钢中存在的形式有两类型，一种是溶解到碳钢原有的相中，另一种是形成新相，存在形式决定于元素的数量和性质。其中关键在于元素与碳的亲和力。,1) 非碳化物形成元素,常用元素：Ni、Co、Si、Al、Cu等。 这类元素与碳的亲合力比铁弱，它们在低温时溶解在铁素体中，高温时溶解于奥氏体中。这些元素的溶入，由于固溶强化的结果，均提高材料的强度和硬度。Cr、Ni、Mn少量溶入时，对塑性影响不大，当数量过多或其它一些元素的加入会对材料的塑性带来少量的下降。,2）碳化物形成元素,常用元素：Mn、Cr、W、Mo、V、Zr、Nb、Ti等。 这类元素与
5、碳的亲合力比铁强，量少时溶入渗碳体中，形成合金渗碳体 (Fe,M)3C，一般合金渗碳体都比Fe3C稳定，在奥氏体中的溶解和聚集长大比Fe3C难；当钢中这类合金元素和碳量都较高时，可形成稳定性更高的合金碳化物，常见的有Mn3C、Cr7C3、Cr23C6、Fe4W2C、WC、MoC、VC、TiC等，它们具有比渗碳体更高的熔点和更高的硬度。,根据碳原子半径rc与金属原子半径rm的比值，可以 将碳化物分为两类：当rc/rm 0.59时，形成间隙化合物。如Cr23C6，Cr7C3，Mn3C， Fe3C，M6C (Fe3Mn3C、Fe3W3C) 等 当rc/rm 0.59时，形成间隙相或特殊碳化物，如WC
6、、TiC、VC、W2C、Mo2C等。与间隙化合物相比，它们的熔点、硬度较高，很稳定，加热时不易溶于奥氏体中，回火析出温度高，不易长大。,合金元素与非金属元素N、O、S结合，生成夹杂物，钢中常见的有TiN、AlN、SiO2、Al2O3、MnS、Ni3Al、Ni3Ti等。此外Pb、Cu、C(石墨)以游离态的方式存在于钢中。,3）合金元素与Fe、C之外的其它元素的结合,2.2 对铁碳相图的影响,1）扩大相区 合金元素的加入，使A1、A3线下移，而A4上扬，扩大了相区。这类元素有Mn、Ni、Co、N等，也称为相稳定化元素。碳也是属于扩大相区的元素。当它们的含量增加，A1线也下移。当它们的含量超过一定量
7、后(如Mn13%或Ni9%时)，奥氏体区扩大以致在室温下只有单相的奥氏体存在，即A1点降到室温以下或根本不出现fcc向bcc的转变，这时的钢称为奥氏体钢。,合金元素的加入，使A3线上移，而A4下移，导致相区缩小。这类元素有Cr、Mo、W、V、Ti、Al、Si等，也称为a相稳定化元素。当碳的含量较低，缩小相区的合金元素使A3线在G点以上，A4线在N点以下，两线相遇，造成相区封闭。含量超过一定量后(如Cr13%)，致使奥氏体相区消失，钢在室温下为单相铁素体，成为铁素体钢。铁素体升温直到熔化也不出现bcc向fcc的转变，即a相和高温的d相区相通。另外，B、Nb、Zr只能缩小相区，而达不到封闭。,2)
8、 缩小相区,3）影响共析点S的成分,合金元素的加入，引起相区缩小或扩大，除导致A1温度的上升或下降外，还会造成S点左右移动，即改变S点的成分。 统计表明，几乎所有的元素都使S点左移，同时E点也随之左移。 例如：在含Mo、W、Ti量高的钢中，对应0.3-0.4%的碳量已是过共析钢，而含碳量达到0.8-1.0就超过了E点，在钢的组织中出现了莱氏体。,2.3 对相变过程的影响,1) 加热转变,A.奥氏体形成速度非碳化物形成元素中：Co、Ni可加速奥氏体化，另一些元素作用不明显，但不会减慢奥氏体化；碳化物形成合金元素中：Cr、Mo、W、V、Ti减慢奥氏体的形成，另一些作用不明显，但不会加速奥氏体化。所
9、有合金元素在奥氏体中的需要均匀化，故奥氏体化的时间必需加长。有些强碳化物元素在奥氏体中溶解十分困难，奥氏体化的温度有的要求10001100或更高。,B. 奥氏体的晶粒度 碳化物形成合金元素随着与碳的结合力的增加，阻碍奥氏体化中的晶粒长大过程。 强碳化物形成元素，如V、Ti、Nb、Zr就可以强烈阻止奥氏体晶粒生长； 一般碳化物形成元素，如W、Mo、Cr可以一定程度的阻止奥氏体晶粒生长； 非碳化物形成元素，如Si、Ni、Cu对奥氏体晶粒几乎不发生影响；而Mn、P会促进奥氏体晶粒的长大。,2) 对过冷奥氏体分解,合金元素对过冷奥氏体分解的影响其实反映在对钢的TTT曲线的影响。,淬透性 Co使C曲线左
10、移，降低钢的淬透性，其它元素都使C曲线右移，提高淬透性。 马氏体点 除Si、Al外，合金元素会降低钢的马氏体点，在淬火到室温时的残余奥氏体增加。,对C曲线的形状 主要表现为C曲线弯曲出现两个鼻尖，珠光体转变和贝氏体转变各对应一个，严重的造成这两个转变曲线分离，中间出现一亚稳区，有的对其中某一种转变有抑制作用，两个鼻尖一前一后，而严重时，其中的某一转变受抑制，而只能发生一种转变，如出现贝氏体钢。,2.3 对回火转变的影响,1）提高了钢的回火稳定性,回火稳定性表示钢抵抗回火软化的能力。许多合金元素可以减缓碳的扩散，推迟马氏体分解，在高温下碳化物的长大速度也被减缓。从而使回火过程中各个转变速度减慢，
11、或完成或达到同样的回火效果需要更高的温度。,2）产生二次硬化效果,一些含W、Mo、V较高的钢中，回火温度升高到一定程度后，出现硬度上升，一般在500600中出现一硬度的高峰值，这种现象称为“二次硬化”。 淬火后残余奥氏体较多且十分稳定，在回火时并未发生转变，而内应力大大减小；在500600下，马氏体才出现分解，析出的高硬度的碳化物弥散细小，自身硬度高，同时强化了铁素体的基体。,3) 出现第二类回火脆性,钢在淬火后回火时，在一定的温度范围内，韧性出现谷值，表现出明显的脆化现象称为回火脆性。第一类回火脆性在250400范围内回火后出现，,难以避免，因此碳钢和合金钢的回火不宜在这个温度进行。一般认为
12、，低温回火脆性是由于马氏体分解时沿马氏体条或片的界面析出断续的薄壳状碳化物所致。部分合金钢在500-650回火后缓冷时，也出现韧性下降，称为第二类回火脆性，通常认为是部分合金元素如Ni、Cr、Mn或杂质S、P等在晶界处出现偏聚有关，只要在回火后采用较快的速度冷却，如在水或油中冷却，就可以避免第二类回火脆性的产生。,第三节 合金结构钢,3.1 低合金高强度钢,结构钢主要用来制造工程构件，是机械、交通、石化、建筑用金属材料的主体，在构件中主要是承受力的作用。,用途：工程结构件，如车辆、船舶、压力容器、桥梁、建筑等。 性能要求： 高强度300MPa; 高韧性 d20, ak24J (T -40oC)
13、 , 安全、防止冷脆；好的焊接性和冷变形性，有利成形。,成分特点：低碳，WC0.20%Wt，以保证足够的韧性； 以Mn为主强化元素，一般含量在1.21.5%，个别低碳的可到1.8%，不仅可提高强度，且价格较廉； 部分钢中加入少量Nb、V强碳化物形成元素，防止热轧加热过程中晶粒长大，达到细化晶粒的效果；针对特殊用途，可加入Cu、P，提高钢的抗腐蚀能力。,热处理： 一般不需专门热处理，热轧空冷后(相当于正火)直接使用。 组织为铁素体加索氏体。,牌号同碳素结构钢,3.2 碳素工具钢 （已讲述） 3.3 铸钢 （自学）,4.1 渗碳钢,用途：工件表面承受强磨擦、磨损以及交变应力，经常承受高的载荷，特别
14、是冲击载荷。例如汽车、拖拉机、内燃机中传递动力的齿轮。 性能要求：材料的主体或心部需要足够的强度及优良的韧性，以保持足够的支撑能力，为此同时应有良好的淬透性；表面处理后，要有高的硬度，以提高其耐磨性和接触疲劳抗力；能适应高温渗碳工艺。 成分特点：低碳，0.100.20%C，为达到表面硬度，零件需要淬火，可以保证心部在表面淬火时形成板条马氏体，依然有足够塑性和韧性；加入提高淬透性的合金元素，常用Cr、Mn、Ni、B为主强化元素；加入少量强碳化物形成元素，如Ti、V、Mo等，它们在钢中形成大量较细的碳化物，使钢在渗碳过程，即长时间的高温下停留，阻止奥氏体的晶粒长大。,第四节：机器零件用钢,热处理：
15、锻造毛坯正火机械加工渗碳、淬火、低温回火精加工。其中关键热处理工艺过程是渗碳。,常用的钢号： 低淬透性合金渗碳钢 15Cr、20Cr、16Mn2、20Mn2等，淬透性不算高，用于受力不大的耐磨零件，如滑块、活塞销等，渗碳层较薄，但渗碳后晶粒尺寸可能较大，需空冷，二次淬火。 中淬透性合金渗碳钢 20CrMnTi、12CrNi3A、20CrMnMo、20MnVB，这类钢中合金元素总量较高(4)，淬透性和韧性均较高，渗碳后一般预冷到870左右直接在油中淬火，用于变速箱齿轮、十字轴等零件。 高淬透性合金渗碳钢 12Cr2Ni4A、18Cr2Ni4W等，这类钢中含有的合金元素总量更高(7.5)，淬透性很
16、大，强韧性配合好，可承受重载，用于尺寸大的重要零件，如大马力内燃机的主动牵引齿轮，它们淬火到室温往往残余奥氏体量还很多，需要进行冷处理或其它专门方式的热处理。,二、渗碳钢,第三节 合金结构钢,常用的钢号：,4.2 调质钢,用途：汽车、机床、内燃机等的重要零件，如齿轮、轴、连杆、高强度螺栓。 性能要求：良好的综合力学性能，即高强度和高韧性的配合，以达到安全传递动力，特别是存在不平衡的冲击载荷。 成分特点：中碳，0.350.50%C之间，韧性是强度和塑性的合理配合，碳含量低材料的强度不足，过高的碳因塑性低造成韧性下降；加入提高淬透性的合金元素，常用Cr、Mn、Ni、B为主，是调质钢的主合金元素，保
17、证材料的心部性能来提高材料整体性能；部分钢中加入Mo，可以消除回火脆性的影响。,常用钢号 低淬透性 40、45、40MnVB、40Cr，用于直径3040mm。 中淬透性 40CrMn、40CrNi，用于直径4060mm。 高淬透性 40CrMnSi、40CrNiMo、40CrMnMo等。Mo消除高温二次回火脆性的影响，用于直径60100mm 。 硼钢：B尽管含量仅0.0010.004，可以明显提高钢的淬透性，这是我国自己开发的硼钢，在5060年代来节省铬镍元素，但硼钢的质量控制难度较大。,热处理 主体材料进行调质，即淬火后高温回火。如40Cr的典型热处理工艺为830850加热奥氏体化，油冷淬火
18、，在600回火2小时，得到较高强度、高塑性、高韧性配合的回火索氏体。以后对局部要求高硬度、耐磨的部位可用局部淬火或表面淬火。,三、调质钢,第三节 合金结构钢,常用的钢号：,4.3 弹簧钢,用途：用于制造弹簧，从小的转簧到大的板簧。 性能要求 弹簧的受力在弹性极限范围内，为充分发挥材料的作用，材料要有高的弹性极限或屈强比，即ss/sb值；弹簧往往受交变应力作用，要有较高的疲劳抗力；足够的韧性，防止冲击脆断，硬度适中，一般在39-50HRC。 成分特点： 含碳量0.45-0.70%C之间，中偏高含碳量可提高屈服强度，若超过共析则韧性不足；主合金元素Si可有效提高钢的比例极限，Si、Mn的加入可提高
19、淬透性，Si、V的使用可提高回火稳定性，让弹簧用到较高的温度；加入少量Cr、V、W、Mo可克服因Si、Mn造成的钢易脱碳、过热的弱点。,热处理 热成型弹簧 用于尺寸较大的弹簧，材料加热到奥氏体进行成型，即成型后再热处理。由于含碳量小于0.77，加热到Ac3以上淬火，合金钢可以用油冷，再进行中温(450-550)回火，得到的组织为回火屈氏体，尺寸较大的还进行喷丸，起到清理表面和表面加工硬化的目的。 冷成型弹簧 大多是尺寸较小的钢丝，为了能连续生产，采用铅淬，钢丝在冷拔一定的变形量后，穿过900950炉内加热，再通过450-550的铅浴，直接得到屈氏体，最后经过230400进行去应力回火，屈服强度
20、可保证在1000MPa以上。(以承受拉力为主的钢丝绳因不以弹性考核，它的考核指标是断裂强度，用料和热处理与此不同，例如可用T10钢正火，进行大的冷拔。) 常用钢号： 65、70、65Mn、60Si2Mn、50CrMo、55SiMnMoV等。60Si2Mn是用来制造汽车的钢板弹簧。,四、弹簧钢,第三节 合金结构钢,常用的钢号：,4.4 滚动轴承用钢,用途：用于制造滚动轴承，简称轴承钢。 性能要求：使用受力是点(滚珠)或线(滚柱)接触，接触处承受高的压应力，高强度和硬度，要求HRC6062；高的接触疲劳抗力，因为其接触应力可达30003500MPa，在表面一定层深处都要求高硬度；高的耐磨损能力，也
21、是要求高硬度。 成分特点：含碳量高(0.951.15%C)，可以确保淬火后的硬度；主合金元素Cr可有效提高淬透性，并在钢中形成细小的合金渗碳体，有效提高耐磨性和接触疲劳性能；钢中加入少量Mn、Mo、V可进一步提高淬透性，可用于制造较大尺寸的轴承；S、P、H、O、N等杂质含量应低，以减少它们的夹杂物，保证接触疲劳性能，优质的轴承钢还需进行真空重溶，去夹杂物和脱气处理。此外，特大型轴承采用高清洁度的高淬透性渗碳钢来制造，原理和方向方法同渗碳钢。,流程：毛坯成型球化退火机械加工淬火、低温回火磨削精加工产品。 预先热处理为球化退火，小尺寸可以直接用钢厂的型材，出厂就是球状珠光体组织，稍大的经过锻造成型
22、则要进行球化退火，保证便于加工，以及均匀组织来进行最终热处理。轴承钢淬火加热一般在840-860加热，用油冷淬火；大尺寸的钢球因形状简单也有可以用碱水冷却，回火温度常用180回火2小时。为保证精密轴承尺寸和形状的稳定性，减少残余奥氏体量，还需要进行冷处理：淬火时在180进行等温分级，冷却到室温后继续冷冻到-60-80以下(用干冰或工业冷冻机)，取出后回升到室温再回火，并且在进行回火后和机械加工后，在130-150保温(低温长时间回火)6-24小时进行时效处理。经过精密处理的轴承钢可制造针阀、喷油嘴等精密另件。,热处理,热处理举例,常用的钢号,GCr6、GCr9、GCr9SiMn、GCr15、G
23、Cr15SiMn等。第一个字母G表示滚动轴承用钢，碳含量通常在1.0左右，不用标注，元素符号Cr后的数字为其含量的千分数(比一般标准合金牌号扩大10倍)。标有Mn的含量在0.91.2%(一般为0.2-0.4%)；标有Si的含量比不标的高0.3%左右。,五、滚动轴承用钢,常用的钢号：,4.5 其它合金结构钢,微合金非调质钢：在碳素结构钢或低合金钢中加入微量合金元素使之无须经调质处理便可达到性能要求的专用结构钢，称为非调质机械结构钢，简称非调质钢。一般在热锻后直接使用，应用对象范围同调质钢，详细标准参看GB/T15712-95与ISO11692。 易切削钢：钢中加入某些合金元素，使其切削加工性能得
24、到明显改善，可简称易切削钢。常用的合金元素有S、Ca等，切削摩擦力小，易断屑，但力学性能并不高，用于受力不大、批量生产、精密构件。 低淬透性钢：含Ti优质碳素结构钢，碳量中偏高，如55Ti、60Ti、70Ti等。用于感应加热达到表面高硬度，心部因不能淬透而保持强韧状态。部分代替渗碳钢。,第五节 合金工具钢,一、刃具钢,用来制造各类刀具、模具、量具等工具的合金钢统称为合金工具钢。,用途：制造车刀、铣刀、钻头、丝锥、板牙等切削刀具。,性能要求：切削时刀具受到工件的压力，刃部与切屑之间发生相对摩擦，产生热量，使温度升高，切削速度愈大，温度愈高有时可达到500600；此外还承受一定的冲击和震动。要求：
25、高硬度，只有大大高于被切削加工材料的硬度，才能顺利进行切削，一般都在HRC60以上；高耐磨性，也要求硬度高，如硬度由HRC6263降到HRC60时，其耐磨性减弱2530；高的热硬性，热硬性也称为红硬性，指刃部受热升温后，刃具钢仍能维持高硬度；为防止崩刃，还要求具有一定的强度、韧性和塑性。,1）碳素刃具钢,常用的钢号：常用钢有T7A、T8A、T10A、T12A等。碳钢的自身加工性能良好，价格低廉，常用来制作木工刃具和其它手工工具。 成分特点：高碳，0.651.3%C之间；杂质量比一般普通钢高一些。 热处理：淬火、低温回火。碳钢的淬透性低，直径或厚度在520mm以下在水中才能淬透，刃部工作温度不宜
26、超过200，只能用于低速切削。,2）低合金刃具钢,常用钢号：常用钢有9SiCr、9Mn2V、CrWMn等。 主要可用来制造板牙、丝锥、铰刀、搓丝板，还有中小模具或量具。 成分特点： 高碳(0.851.05%C) ，保证淬火后得到高硬度的透镜状隐针马氏体； Si只能溶入奥氏体或铁素体中，固溶强化并能显著提高过冷奥氏体在珠光体特别是在贝氏体区域的稳定性; Cr数量不算多，只能形成合金渗碳体，比普通渗碳体稳定，加热时不易聚集和溶解，阻止奥氏体晶粒长大。 9CrSi(C:0.85% Cr:0.95-1.25% Si:1.2-1.6%) 9Mn2V(C:0.85-0.95% Mn:1.7-2.0% V:
27、0.01-0.25%) CrWMn (C:0.9-1.05% Cr:0.9-1.2% W:1.2-1.6% Mn:0.8-1.1%),热处理：9CrSi为例，600预热、860加热、油淬(200硝盐浴分级)、190低温回火。该刚的第一类回火脆性温度区在250左右，回火温度不宜超过200，硬度可达到HRC60-63。,例：低合金刃具钢CrWMn,成分：CrWMn (C:0.9-1.05% Cr:0.9-1.2% W:1.2-1.6% Mn:0.8-1.1%) 合金元素：C：高碳量提高马氏体的硬度，形成合金碳化物。 Cr，Mn 提高淬透性，固溶强化以及提高马氏体的回火稳定性。W：细化晶粒，弥散强化
28、，提高耐磨性和回火稳定性。 Ac1=750 oC，Accm = 940 oC。预热温度：580-630 oC，最终淬火加热温度选在800-830 oC为宜，油冷，回火温度200 oC ，HRC60-62。 若淬火加热温度过高(960 oC)，加热时碳化物完全溶解，使淬火组织有以下缺陷： 无碳化物，耐磨性下降；因过冷奥氏体内碳含量增加，其稳定性提高，增加了组织中的残余奥氏体量，使硬度下降；马氏体针片粗大，韧性大大降低。 为减小淬火引起的变形开裂，淬火加热采用预热，淬火采用200 oC硝盐分级油淬。再在200 oC低温回火60-90min。 最终组织：回火马氏体+残余奥氏体+碳化物颗粒,3）高速钢
29、,常用钢号：高速钢广泛用来制造车刀、铣刀、钻头、拉刀等切削刀具。常用的牌号有W18Cr4V、W9Mo3Cr4V、W6Mo5Cr4V2。还有一些采用高V或含Co或含Al高速钢。 成分特点：高碳(0.701.50%C)，足够的碳形成硬的碳化物并保证淬火时奥氏体的溶碳量。W、Mo可以造成二次硬化效果，保证红硬性，在560回火时析出W2C或Mo2C，在500600不发生聚集长大，大量的碳化物可以提高材料的硬度，但超过20后会出现碳化物不均匀影响性能，W量一般为18，而每1的Mo可代替2的W。Cr提高淬透性，抗氧化、脱碳和耐腐蚀能力。一般都为4左右。V提高耐磨性，VC的硬度极高，颗粒细小，也有二次硬化的
30、作用。,典型工艺过程：下料锻造球化退火机械加工淬火、多次高温回火喷砂磨刃成品。,预先热处理：,高速钢的铸锭中碳化物粗大，极不均匀，必需经过良好的锻造。锻造不是简单的成型，要求反复镦拔；终锻温度太高会造成晶粒长大不均匀，过低在锻造时可能开裂。锻造后进行球化退火，工艺如图，组织为索氏体及其上分布的细小颗粒状碳化物。达到消除应力，硬度控制在HB207-255之间，便于机械加工，并为最终热处理作好组织准备。,最终热处理(淬火)：850预热，发生奥氏体转变，均匀内外材料的组织和温度；1200-1280高温加热，合金碳化物充分溶解，保证奥氏体的含碳量在0.7%以上，Mo含量多的加热温度低一些。600分级，
31、这里在珠光体转变和贝氏体转变的分界温度，奥氏体可稳定,存在，分级温度高会有早期碳化物析出而降低奥氏体中的含碳量，分级时间在2-5分钟。小零件分级后空气中冷却就能保证马氏体转变；大尺寸零件还需要在280硝盐浴分级，再到空气中冷却。,最终热处理(回火)：淬火硬度仅HRC58-60，这时的残余奥氏体数量可达40，在540-560进行回火，回火过程中析出细小的合金渗碳体，组织依然为回火马氏体。回火后的冷却中，残余奥氏体可以继续发生马氏,体转变，材料的硬度进一步提高，这就是二次硬化。对生成的马氏体还要进行回火，一次回火冷却后残余奥氏体量降低到10左右，第二次回火，转变过程同前一次，经过两次回火后，残余奥
32、氏体的数量降到3左右，再经过第三次回火，组织基本稳定，再回火变化不明显。最后的硬度可以保证在HRC62-64，并且在使用过程中，温度直到600附近，材料的组织都不会发生变化，即保证了高温使用下的硬度，这就是高速钢的红硬性。,回火组织回火马氏体(黑色基体)碳化物(白色)少量残余奥氏体。一般硬度可以保证在HRC62-64，含Co高速钢硬度可以达到HRC65-67。,一、刃具钢,第四节 合金结构钢,3高速钢,专门用来制造各种模具的钢材称为模具钢，大致可分为冷作模具钢和热作模具钢两大类。,用途：在接近室温状态对金属进行变形的模具，如冷冲模、冷镦、冷挤压、拉丝、滚丝轮、搓丝板等。 性能要求：高硬度，能加
33、工其它金属材料；高耐磨性；足够的韧性和耐疲劳抗力。,1）冷作模具钢,二、模具钢,成分特点：高碳，1.0%C，有的甚至可达到2，保证热处理后的硬度在HRC60以上；加入较多能形成难熔碳化物的强碳化物形成元素，如Cr、Mo、W、V等，用来提高材料的耐磨性，其中Cr含量较高，一方面可以大幅度提供钢的淬透性，另一方面形成的碳化物Cr7C3也是高硬度的耐磨质点；Mo、V可一提高回火稳定性，并能细化晶粒。 常用钢号：尺寸较小、轻载的模具可以采用T10A、9SiCr、9Mn2V等刃具用钢来制作；尺寸较大、重载和要求较精密、热处理变形小的模具一般采用Cr12型钢如Cr12、Cr12MoV等钢制作。,1. 冷作
34、模具钢,热处理：Cr12系列钢中最有代表性的是Cr12MoV钢，既有普通钢的特点，也可以出现二次硬化，典型热处理工艺有两种。其一称是低淬低回，工艺为1000-1050加热，油淬，180-240回火，硬度58-60 HRC；其二称是高淬高回，工艺为1100-1120加热油淬，510回火三次，硬度58-60HRC。二者处理后的硬度差不多，后者工艺复杂，但使用温度可以提高。为了保证工件精密度和表面质量，利用它的高淬透性，广泛采用真空加热，高纯氮气冷却，可以得到高质量的光亮淬火。,工艺流程： 下料 锻造球化退火机加工淬火、低回精磨或电火花加工产品。,组织：回火马氏体颗粒状碳化物残余奥氏体,2. 热作模
35、具钢,用途：对金属进行热变形的模具，如热锻模、热镦、热挤压、精密锻造模等。 性能要求：高的热硬度和高温耐磨性；高热稳定性，工作时模具表面不易氧化和本身不发生组织转变；足够的韧性和耐疲劳抗力，很多模具承受的是冲击力；高热疲劳抗力，模具在工作急热急冷的温度变化，膨胀收缩循环作用下的产生的疲劳裂纹，表现为工作表面的龟裂。 成分特点：中碳，0.3-0.6%C，保证热处理后的硬度在HRC3552之间；加入较多能提高钢的淬透性元素，如Cr、Ni、Mn等；加入Mo、W、V等能产生二次硬化效果，形成的碳化物是高硬度的耐磨质点；Mo、V可提高回火稳定性，并能细化晶粒。,常用钢号：5CrMnMo、5CrNiMo、
36、5Cr2NiMoVSi等。第一个用于普通模具，第二种用于要求较高的模具，后者性能更优，如东汽的12000吨曲柄锻压机加工汽车前桥的热锻模，当时有一组实验数据，5CrNiMo模具加工5500件已经损坏，5Cr2NiMoVSi加工8828件还能使用。 热处理： 锻造毛坯退火机械加工淬火、带温回火精加工产品。 5CrMnMo钢加热到820850奥氏体化，防止开裂出炉预冷至750-780，油冷到210(马氏体点附近,出油冒烟不着火)取出，立即进行回火，不容许冷到室温，以防开裂，回火温度为500-540，得到的组织是回火屈氏体或回火索氏体，硬度为HRC41-44。,二、模具钢,第四节 合金结构钢,华中科
37、技大学材料系开发研制的部分模具钢,三、量具钢,用途：制造各种测量工具，如卡尺、千分尺、块规、卡板、塞规、螺旋测微仪等等。 性能要求： 受力较小，但要求高硬度(62HRC)和高耐磨性；高的尺寸稳定性，存放和使用中不允许有尺寸的变化。 常用的钢号：没有专门的钢种。简单量具可用T10A、T12A或65Mn等。复杂、高精度量具采用低合金刃具钢CrWMn。 热处理： 锻造球化退火机械加工淬火冷处理低温回火粗磨低温人工时效精磨去应力回火研磨。 冷处理降温至-70 -80(干冰或冷冻)消除残余奥氏体的影响，硬度可达HRC66。 回火温度较低，常用 140160时间加到3hr，目的减小淬火的应力，回火后硬度在
38、HRC6265。 后期120时效36hr，用来消除粗磨产生的应力。再在120去应力回火3hr。,工艺举例：,第六节 特殊钢,一、不锈钢,特殊性能钢是指具有特殊物理、化学性能的专用钢，如不锈钢、耐热钢、耐磨钢、低温用钢、电工钢等。这些钢往往用在特殊工况条件下，故应具有某些特殊的性能。,1金属的腐蚀,腐蚀：金属表面和周围介质发生化学或电化学作用引起的损坏现象叫做腐蚀。腐蚀时有化学反应的叫做化学腐蚀如高温氧化。腐蚀时有电流产生的叫做电化学腐蚀。 腐蚀介质： 大气 化学介质,化学腐蚀与防腐：化学腐蚀主要是氧化，温度提高会加速氧化过程。防腐措施是钢中加入Al、Cr、Si等元素，在高温时形成致密氧化物阻止
39、氧进一步向内扩散；也可将钢进行表面处理，如发蓝、发黑等在表面形成保护层。,电化学腐蚀：是由于金属在电解质溶液中形成原电池或微电池。当不同的材料处于同一电解质中时，若二者的电极电位不同时，它们之间存在电势差即电压。如果两电极之间可以形成通路就有电流通过，电极电位较低的阳极上金属原子失去电子，变成离子溶如电解质中，即造成腐蚀。珠光体就是一例。,防电化学腐蚀原理产生电化学腐蚀必须具备三个条件：要构成阳极和阴极；有电解质存在；阳极和阴极形成通路。防腐原理就是阻断其中一环，为适应某工作环境，电解质的存在是无法改变的事实。防止金属材料电化学腐蚀，对自身形成的原电池可以采取采取相应措施。,防电化学腐蚀措施,
40、尽量为单相组织，减少自己内部构成原电池的可能性； 加入合金元素，使两相的电极电位相近，减少电流； 减少或阻隔电流，可以想法增加电阻，例如生产致密不导电的保护膜，即进行“钝化”处理。 阴极保护。当一种材料与另一种材料形成宏观电池，也出现电化学腐蚀，防止的途径就是抬高其电极电位，让腐蚀发生在不重要的部分或专门为保护而放置的材料上。,一、不锈钢,2.不锈钢的成分特点,1.性能要求耐腐蚀；工件要求的力学性能，如高硬度的可以做耐腐蚀工具，高强度的作耐腐蚀构件。,降低钢的含碳量，减少双相珠光体数量； 加入元素Cr，可以提高材料的电极电位及钝化能力，特别是含量达到12处，电极电位突然增加(n/8原理)，所以
41、一般不锈钢中的Cr含量都大于12；,加入足够Cr、Ni，改变相图使钢成为单相组织，避免形成双相组织的原电池。 加入Mo、Cu，提高对非氧化性酸的腐蚀抗力。 加入Ti、V，消除碳的晶间偏析，与钢中的碳优先形成化合物，避免晶界由于生成Cr的碳化物而出现贫铬，减轻了材料晶间腐蚀倾向。 加入Mn、N，可以代替Ni扩大奥氏体区，可以提高在有机酸中的耐腐蚀性。,2.不锈钢的成分特点,3.常用不锈钢,1）马氏体型：,Cr13系列：包括1Cr13、2Cr13、3Cr13、4Cr13，Cr的含量一般在13左右，充分利用Cr对电极电位提高的作用。第一位数字表示钢的含碳量从0.1%-0.4%，数值越大，含碳量越高，
42、热处理后的强度和硬度越高，耐腐蚀则下降。 1Cr13、2Cr13不锈钢主要用来制造耐腐蚀构件，如汽轮机叶片、水压机的阀、结构架等。在调质状态下使用，组织为回火索氏体。常规热处理工艺为1000-1050加热淬火，700-790回火。 3Cr13、4Cr13淬火后能保证一定的硬度，它们的热处理方法为1000-1050加热淬火，200-300回火，所得到的组织为回火马氏体，有好的硬度和弹性，广泛用在医疗器械上。3Cr13的弹性好，可以旨在医疗用钳子、镊子，以及日常餐具等。4Cr13的回火马氏体有相当的硬度，常用来制造手术剪子、手术刀等。,2）铁素体型,Cr17系列 常用牌号是1Cr17。当Cr的含量
43、大于17后，在加热过程中没有奥氏体化转变，始终保持单相的铁素体，故成为铁素体不锈钢。这类钢的耐腐蚀性好，但不能利用淬火得到马氏体来强化，所以材料的强度较低，塑性非常好。通常不需进行热处理，在对塑性要求不苛刻时，可以进行冷加工的加工硬化来提高强度。铁素体型可以用来制造化工设备中的容器、管道等。,3）奥氏体型,常称为189型，常用牌号0Cr18Ni9、1Cr18Ni9、0Cr18Ni9Ti、1Cr18Ni9Ti。这类钢为一直都是单相奥氏体组织，故称为奥氏体不锈钢。 当Cr的含量大于18.5%后能产生钝化，阻碍阳极反应；含Ni达到9主要是扩大相区，降低钢的 S 点到室温以下，从高温降到室温也不发生f
44、ccbcc转变。奥氏体不锈钢是单相组织，电化学作用小，对硝酸、冷磷酸、有机酸、碱类、盐等溶液表现出化的耐腐蚀性，广泛用来制造要求耐酸、碱、盐腐蚀的容器和器械。此外，奥氏体不锈钢是没有磁性的，所以经常用来制造防磁性的仪表构件。,奥氏体型不锈钢的晶间腐蚀,在189型不锈钢中，随着碳的含量增加，钢的耐腐蚀性下降。碳经常在奥氏体晶界处有聚集，聚集的碳和铬形成碳化物，降低了晶界出铬的含量，表现为晶界的耐腐蚀性低，而出现晶间腐蚀。 加入Ti的主要作用是为了抑制(Cr,Fe)23C6在晶界上的析出，消除晶间腐蚀。Ti的含量要大于5*(C%0.02)以得到要求的效果，但其含量不要大于0.8%，过多Ti会使钢出
45、现铁素体和产生TiN夹杂物，降低了钢的耐腐蚀性，还可能导致产生发纹(细小裂纹)。,奥氏体型不锈钢的热处理, 固溶处理 将钢加热到10501100，让所有碳化物全部溶解，各元素均匀溶解分布，水淬得到过饱和而来不及析出碳化物，达到均匀组织，提高耐腐蚀性。 稳定化处理 用于含Ti、Nb的188钢，加热温度高于Fe、Cr碳化物溶解温度，而低于碳化钛的溶解温度，部分的碳化钛被保留，缓慢冷却，溶入奥氏体中的碳充分以碳化钛形式析出，得到消除晶间腐蚀的目的，常规工艺为加热温度850880，保温6小时，空冷或炉冷。 消除应力处理 不锈钢中有应力的存在，可以引起应力腐蚀，降低性能甚至造成早期断裂，对于冷加工的应力
46、一般加热到300350，而焊接应力则要加热到850以上，这时还有稳定化处理的效果。,一、不锈钢,第五节 特殊钢,二、耐热钢,用途：多用来制造炉用零件，如燃气轮机燃烧室、锅炉吊钩、加热炉底版、辊道以及炉管、连接螺栓等。 性能要求：热稳定钢在高温下具有较好的抗氧化性，而有一定强度的钢种，也称为抗氧化钢，又叫不起皮钢。尽管有些零件加了氧化富裕量，为保证一定的寿命，防止高温螺纹的咬死，必须减少高温氧化量。 典型牌号：早期用3Cr18Ni25Si2，现在主要用3Cr18Mn12Si2N、2Cr20Mn9Ni2Si2N。后着抗氧化性稍差，但其他各方面的性能均优于前者。它们都属于奥氏体型钢，不仅有良好的抗氧
47、化性，而且有抗硫腐蚀和抗渗碳能力，可以进行剪切、冲压、焊接加工。,1）热稳定钢,成分特点,高铬，铬是一种钝化元素，含铬钢能在表面形成一层致密的Cr2O3氧化膜，有效阻挡氧原子继续向内扩散，所以钢中铬含量常大于20，如达到22在1100以下是稳定的。 加入Si，在高温下，可以形成SiO2薄膜，也能提高抗氧化性，但过量的硅会恶化钢的热加工性能。 加入Al，铝是比较经济的提高抗氧化行元素，形成的Al2O3薄膜与铬相似，含铝5的奥氏体铁锰铝钢可在800以下长期使用，含铝6可使钢到980有好的抗氧化性。 Ni和Re，Ni是稳定奥氏体元素，稀土元素的加入能稳定铬的氧化膜。,用途：汽轮机和燃气轮机的涡轮盘、
48、叶片、高压锅炉过热器管道、热处理炉的传输带、过温工作螺栓、弹簧等。,性能要求：高温下有一定抗氧化能力和较高强度以及良好组织稳定性的钢中叫热强钢。与热稳定钢相比，都用在高温下，都要求抗氧化能力和高温强度，而热稳定重点强调抗氧化能力，热强钢的重点则是强调高温强度。,高的高温强度，在应用状态不应断裂、大的塑性变形； 持久热强性，材料在高温下发生塑性变形出常规方式外，在低于屈服应力下还可以发生蠕变。 组织稳定行则要求在长期的使用温度下，不发生组织变化，否则可能出现软化降低强度或脆化而导致脆性破坏。,2.热强钢,常用钢种,珠光体型钢 如15CrMo、12Cr1MoV等。用于600以下，合金元素总量不超过
49、35。 马氏体钢 Cr13型，1Cr13可用到450475，2Cr13只能用到400450。在此基础上加入W、Mo、V可以提高使用温度，1Cr11MoV可用到540，1Cr12WMoV可用到580，它们在1050加热720740快冷，强度由于珠光体型。为提高耐磨性而增加热强钢的碳含量，4Cr9Si2可用到650，4Cr10Si2Mo可用到800。 贝氏体钢 这类钢的正火态组织有部分贝氏体组成，这是大量合金元素加入造成TTT曲线右移，空冷时发生贝氏体转变，如12MoVWBSiRe、12Cr2MoWVTiB及12Cr3MoVSiTiB等，使用温度在580620。 奥氏体钢 这类热强钢用在600-700，且组织为奥氏体的钢种，其中合金元素的含量大大超过10以上。600使用1Cr18Ni9Ti有足够的抗氧化性和热强度。组织稳定，广泛用在锅炉和汽轮机制造方面。650以上可采用4Cr14Ni14W2Mo，用在航空、船舶、汽车的排气阀等。,
