1、合金钢及硬质合金简介碳素钢不特意加入合金元素的钢.1. 按钢的碳质量分数分按钢的碳质量分数分 低碳钢低碳钢w w(C)(C) 0.25% 0.25% 中碳钢中碳钢0.25 w(0.25 w(C C) 0.6% ) 0.6% ) 0.6% 2按钢的质量分按钢的质量分 普通碳素钢普通碳素钢WsWs、 Wp 0.45% Wp 0.45% 优质碳素钢优质碳素钢WsWs、 Wp 0.35% Wp 0.35% 高级优质钢（标高级优质钢（标A A） Ws 0.20% Wp 0.30% Ws 0.20% Wp 0.30% 特级优质钢（标特级优质钢（标E E） Ws 0.15% Wp 0.25% Ws 0.15
2、% Wp 0.25% 0.0218%-2.11%碳素钢的分类多边型角钢多边型角钢螺钉、铆钉螺钉、铆钉钢筋、螺纹钢钢筋、螺纹钢建筑构件建筑构件钢桥梁钢桥梁合金钢 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。数种合金元素的钢。 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
3、抗拉强度。弹簧钢41 合金钢的分类及牌号合金钢的分类合金钢的分类合金工具钢合金钢不锈钢耐磨钢特殊性能钢合金结构钢普通低合金钢滚动轴承钢弹簧钢合金渗碳钢合金调质钢模具钢刃具钢量具钢耐热钢合金钢的牌号及表示方法 数字数字 + 化学元素化学元素 + 数字数字 合金元素含量的百分之几，合金元素含量的百分之几， 1.5% 不标出不标出 合金元素合金元素平均含平均含C量的万分之几量的万分之几 如：如：40Cr 表示表示 含含C量：量：0.40% （0.37-0.45%） 含含Cr量：量：0.8-1.1%60Si2Mn 表示表示 含含C量：量：0.57-0.65% 含含Si 量：量：1.5-2.0% 含含M
4、n 量：量：0.6-0.9% 若为高级优质钢，则在钢号后加若为高级优质钢，则在钢号后加“A” 如：如： 20Cr2Ni4A、45CrNiMoVA合金钢分类编号原则钢种举例合金结构钢低合金高强钢Q表示屈服点的字母，用最低屈服强度数值表示Q345C渗碳钢数字表示含碳量的万分数，化学元素符号表示主加元素，后面的数字表示所加元素的百分数20CrMnTi调质钢40Cr弹簧钢60Si2Mn滚动轴承钢G表示滚动轴承钢，数字表示含铬量的千分数GCr15合金工具钢刃具钢数字表示含碳量的千分数，化学元素符号表示主加元素，后面的数字表示所加元素的百分数W18Cr4V模具钢Cr12量具钢9SiCr特殊性能钢不锈钢数字
5、表示含碳量的千分数，化学元素符号表示主加元素，后面的数字表示所加元素的百分数1Cr17耐热钢1Cr11MoV耐磨钢ZGMn131、低合金结构钢2、机械制造用钢广泛应用于机械制造、交广泛应用于机械制造、交通运输、石油化工及工程通运输、石油化工及工程建筑等行业。建筑等行业。n成分成分：WcWc0.2%0.2%，Me%3%Me%3%，主加元素，主加元素MnMnn用途用途：桥梁、船舶、车辆、锅炉、高压容器、输油：桥梁、船舶、车辆、锅炉、高压容器、输油输气管道、大型钢结构等。输气管道、大型钢结构等。n性能性能：较高的强度、屈强比、塑、韧性（：较高的强度、屈强比、塑、韧性（MeMe） 良好的焊接性和冷塑性
6、加工性（低碳）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（含有耐大气和海水腐蚀的元素（CuCu、P 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。东风号远洋轮船东风号远洋轮船Q345Q345南京长江大桥南京长江大桥Q345Q345高压容器高压容器北京鸟巢体育馆 Q460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412、机械制造用钢 用途用途：主要用于制造各种机器零件、如轴类、齿轮、弹簧和轴承等。 分类分类：
7、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。l热处理渗碳淬火 + 低温回火（180200）成分成分：低低 碳碳：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
8、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 )柴油机曲轴柴油机凸轮轴20 CrMnTi齿轮制造工艺工艺路线：工艺路线： 下料下料锻造锻造
9、正火正火齿形加工齿形加工渗碳渗碳预冷淬火预冷淬火 低温回火低温回火喷丸喷丸精磨精磨热处理工艺曲线预先热处理预先热处理：正火，改善锻造组织，：正火，改善锻造组织，利于切削加工利于切削加工最终热处理最终热处理：淬火低回：淬火低回最终组织：最终组织：表层：高碳表层：高碳M回回+Cm+A残残心部：低碳心部：低碳M回回 +F2、合金调质钢定义定义采用调质处理，即淬火加高温回火后使用的合金结构钢。用途用途：制造受力复杂（交变应力、冲击载荷等）的重要零件，：制造受力复杂（交变应力、冲击载荷等）的重要零件，如发动如发动 机连杆、曲轴、机床主轴等。机连杆、曲轴、机床主轴等。性能性能：具有优良的综合力学性能，即既
10、强又韧。：具有优良的综合力学性能，即既强又韧。l主加元素主加元素Mn、Si、Cr、Ni、B等，主要作等，主要作用提高淬透性；次要作用溶入铁素体起固溶强化用提高淬透性；次要作用溶入铁素体起固溶强化作用。作用。l辅加元素辅加元素Mo、W、V等强碳化物形成元素，等强碳化物形成元素，其中其中Mo、W的主要作用是抑制含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，次要作用是改等合金调质钢的高温回火脆性，次要作用是改善淬透性；善淬透性；V主要作用形成碳化物阻碍奥氏体晶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。粒长大，起细晶强化和弥散强化作用。连杆40Cr钢制造连
11、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。 汽车板簧火车螺旋弹簧用途用途：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
12、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2004
13、00）。 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
14、;热处理热处理预先热处理：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。组织组织 ： MM回回细碳化物少量细碳化物少量A A残残 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 量具钢按用途按用途分分水淬钢水淬钢油淬钢油淬钢空硬钢空硬钢淬火介淬火介质质合金工具钢的分类一、合金刃具钢性能要求性能要求 高的硬度（高的硬度（606066HRC66HRC）和耐磨性。）和耐磨性。 高的热硬性，即钢在高温下（高的热硬性，即钢在高温下（50
15、0500600600）保持高硬度）保持高硬度（60HRC60HRC左右）的能力，这是高速切削加工刀具必备的性左右）的能力，这是高速切削加工刀具必备的性能。能。 适当的韧性。适当的韧性。 1、低合金刃具钢 成分成分： 高碳，含高碳，含 0.90.91.5 % C 1.5 % C ，添加，添加SiSi、MnMn、CrCr、等合金元素，提高钢的淬透性和回火稳定性，进一步改等合金元素，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；强碳化物形成元素善刀具的硬度和耐磨性；强碳化物形成元素( (如如WW、V V等等) )所形成的碳化物除对耐磨性有提高作用外，还可提高钢所形成的碳化物除对耐磨性有提
16、高作用外，还可提高钢的热硬性。的热硬性。 性能性能：低合金工具钢的淬透性和综合力学性能好，但由：低合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的强碳化物形成元素(W(W、MoMo、V V等等) )，故仍不具备热硬性，故仍不具备热硬性特点，刀具刃部的工作温度一般不超过特点，刀具刃部的工作温度一般不超过250250，否则硬，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。属于低速切削刃具钢。 板牙2、高速钢高速钢是一
17、种高合金钢，高速钢是一种高合金钢，俗称白钢、锋钢、风钢等。俗称白钢、锋钢、风钢等。其强度、冲击韧度、工艺其强度、冲击韧度、工艺性很好，是制造复杂形状性很好，是制造复杂形状刀具的主要材料。如：成刀具的主要材料。如：成形车刀、麻花钻头、铣刀、形车刀、麻花钻头、铣刀、齿轮刀具等。高速钢的耐齿轮刀具等。高速钢的耐热性不高，约在热性不高，约在640640左左右其硬度下降，不能进行右其硬度下降，不能进行高速切削。高速切削。W18Cr4VW18Cr4V钢的生产工艺及热处理特点钢的生产工艺及热处理特点 工艺路线工艺路线：下料：下料 锻造锻造 退火退火 机加工机加工 淬火淬火 三三次回火次回火 喷砂喷砂 磨削磨
18、削 锻造锻造：高速钢属于莱氏体钢，铸态组织中含有大量呈鱼：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。处理来消除，只能依靠反复多次锻打来击碎。 退火退火：消除应力，调整组织，便于机加工，为淬火作好：消除应力，调整组织，便于机加工，为淬火作好组织准备。退火后的组织组织准备。退火后的组织 : S + 粒状碳化物粒状碳化物 淬火淬火 : 1280；淬火后的组织：；淬火后的组织：M+Cm+A残残(2025%) 三次回火三次回火 ：消除：消除A残残；并产生二次硬化；并产生
19、二次硬化 u弥散硬化：弥散硬化：W2C、VC 弥散析出；弥散析出； u二次淬火：二次淬火： A残残中析出合金碳化物，使中析出合金碳化物，使A残残中合金中合金的浓度下降，的浓度下降，MS 上升，在随后的冷却过程中转变上升，在随后的冷却过程中转变为为M。W18Cr4V铸态组织 420 W18Cr4V锻造组织 210 W18Cr4V淬火+ 三次回火组织 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
20、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：成分：高碳高碳合金元素：合金元素：Cr， Mo、W、V汽车车门模具汽车车门模具（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。汽车曲轴模具汽车曲轴模具 成分成分：中碳中碳 0.30.6 %；合金元素合金元素:Cr、Ni、Mn、Si、Mo、W、V。三、合金
21、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+ 合金碳化物千分尺温度650820-840油冷冷处理140-160110-120110-120时效处理精磨研磨CrWMn钢制块规退火后的热处理工艺3h3h30h-75-7844 特殊性能钢（一）不锈钢 金属腐蚀的种类金属腐蚀的种类: :化学腐蚀 金属表面与周围介质直接发生化学反应而引起的腐蚀。如金属高温时的氧化，钢的脱碳 。 电化学腐
22、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。 金属的防腐金属的防腐1.“多相”易腐蚀，“单相”不易腐蚀2. 两相若电极电位接近耐腐蚀(Cr、Ni提高基体电极电位)3. 表面致密的氧化膜也耐腐蚀(Al2O3、Cr2O3)化学成分特点:1.低碳：耐蚀性要求愈高，碳含量愈低。2. 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12%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（
23、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
24、的抗力；以 表示在500下经10000h发生断裂的应力值。7001000/2 . 0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3
25、Cr18Ni25Si2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航空发动机汽轮机叶片汽轮机叶片（三）耐磨钢 定义：在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
26、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。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硬度高、热硬性好、耐磨性优良。切削速度可比高速钢提高提高4747倍，刀具寿命可提高倍，刀具寿命可提高580580倍。倍。二、硬质合金的分类：二、硬质合金的分类：1. 金属陶瓷硬质合金金属陶瓷硬质合金 将难熔的金属碳化物粉末（如将难熔的金属碳化物粉末（如WCWC、TiCTiC等等) )与粘结剂与粘结剂CoCo混合后加压成型，再经烧结而成
27、。混合后加压成型，再经烧结而成。一、硬质合金的特点：一、硬质合金的特点：金属陶瓷硬质合金金属陶瓷硬质合金 和钢结硬质合金和钢结硬质合金（1）钨钴类）钨钴类 ：YG3、 YG6、YG8等等（2）钨钴钛类）钨钴钛类 ：YT5、YT15、YT30等等应用：应用： 目前金属陶瓷硬质合金被广泛用作切削刀具，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。造凿岩机钎头和钻头等。可转位铣削刀具系列可转位铣削刀具系列钻头钻头刀头刀头2.2.钢结硬质合金钢结硬质合金 钢结硬质合金是性能介于高速钢和硬质合金之钢结
28、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。烧结而成的粉末冶金材料。特点特点退火后可进行一般的切削加工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淬火回火后有高的硬度和耐磨性可进行焊接后锻造可进行焊接后锻造有耐热、耐蚀、抗氧化等性能有耐热、耐蚀、抗氧化等性能应用应用制造各种形状复杂的刀具、较高温度下工作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。的模具和耐磨零件。
