1、第第3 3章章 金属材料金属材料合金钢的基础知识合金钢的基础知识p141碳钢碳钢合金结构钢合金结构钢合金工具钢合金工具钢特殊性能钢特殊性能钢 第第1节节 合金钢的基础知识合金钢的基础知识一一. .合金元素对钢的组织和性能的影响合金元素对钢的组织和性能的影响 合金元素与铁和碳的作用。合金元素与铁和碳的作用。 合金元素对合金元素对Fe-Fe3C相图的影响。相图的影响。 合金元素对钢的热处理的影响。合金元素对钢的热处理的影响。一一) )合金元素与铁和碳的作用合金元素与铁和碳的作用1.溶于基体中溶于基体中形成固溶体合金形成固溶体合金 F 或固溶体或固溶体合金合金 A 。2.与碳作用形成与碳作用形成合金
2、碳化物合金碳化物(Fe,Cr)3C。 也称合金渗碳体也称合金渗碳体3.单独形成单独形成特殊碳化物特殊碳化物 TiC、VC 。1.溶于基体中形成固溶体溶于基体中形成固溶体F或固溶体或固溶体A固溶强化固溶强化1.溶于基体中形成固溶体溶于基体中形成固溶体F或固溶体或固溶体A2.与碳作用形成合金碳化物与碳作用形成合金碳化物 Fe、Mn、Cr、Mo、W、V、Ti、Nb、Zr弱弱强强v 弱碳化物元素弱碳化物元素: : Fe、Mn。v 中强碳化物元素中强碳化物元素: : Cr、Mo、W。v 强碳化物元素强碳化物元素: : V、Ti、Nb、Zr。 碳化物形成元素在周期表中都是碳化物形成元素在周期表中都是位于位
3、于铁元素的左边的过渡族金属元素铁元素的左边的过渡族金属元素, ,它们都有它们都有一个未填满的一个未填满的d d电子亚层电子亚层, ,当当形成碳化物时形成碳化物时, ,碳原子首先将其价电子碳原子首先将其价电子填入金属原子未填满的填入金属原子未填满的d d电子亚层电子亚层, ,使使形成的碳化物具有形成的碳化物具有金属键金属键结合的性质结合的性质, ,金属原子的金属原子的d d电子亚层愈不满电子亚层愈不满( (周期表周期表中中, ,在铁左边离铁愈远在铁左边离铁愈远),),则其则其与碳的亲与碳的亲和力愈强和力愈强, ,形成碳化物的能力愈大形成碳化物的能力愈大, ,愈愈稳定稳定, ,而且不易分解。而且不
4、易分解。3.单独形成特殊碳化物单独形成特殊碳化物 熔点、硬度、耐磨性最高。熔点、硬度、耐磨性最高。 稳定性最高。稳定性最高。TiC、NbC、VC。二二) )合金元素对合金元素对Fe-Fe3C相图的影响相图的影响扩大奥氏体区扩大奥氏体区缩小奥氏体区缩小奥氏体区改变共晶点和共析点的参数改变共晶点和共析点的参数1.扩大奥氏体区的合金元素扩大奥氏体区的合金元素Mn、Ni、Co、C、N、Cu等元素。等元素。作用作用: 使使A3线温度下降线温度下降, A4线温度上升。线温度上升。 Mn 元素对奥氏体区的影响元素对奥氏体区的影响2.缩小奥氏体区的合金元素缩小奥氏体区的合金元素Cr、Mo、W、V、Ti、Si
5、等元素。等元素。作用作用: : 使使A3线温度上升线温度上升, A4线温度下降。线温度下降。 Cr 元素对奥氏体区的影响元素对奥氏体区的影响3.改变共晶点和改变共晶点和 共析点参数的元素共析点参数的元素v几乎所有的合金元素。几乎所有的合金元素。v作用作用: : 使使S点和点和E点的点的成分向左移成分向左移。 使使A1线线的的温度变化温度变化。 合金元素对合金元素对 S 点成分的影响点成分的影响合金元素对合金元素对A1线线的影响的影响三三) )合金元素对钢的热处理的影响合金元素对钢的热处理的影响加热时对加热时对奥氏体形成奥氏体形成的影响的影响对对过冷奥氏体转变过冷奥氏体转变的影响的影响对对回火转
6、变回火转变的影响的影响1.合金元素对加热时合金元素对加热时 奥氏体形成的影响奥氏体形成的影响除除Mn 元素外元素外, ,所有合金元素的加所有合金元素的加 入入, ,均使奥氏体的形成速度减慢。均使奥氏体的形成速度减慢。强碳化物形成元素强碳化物形成元素能强烈的阻止奥能强烈的阻止奥 氏体晶粒长大氏体晶粒长大( Ti、V、Zr、Nb 等等)。非碳化物形成元素非碳化物形成元素能轻微的阻止奥能轻微的阻止奥 氏体晶粒长大氏体晶粒长大( Si、Ni、Cu、Co 等等)。2.合金元素对合金元素对 过冷奥氏体转变的影响过冷奥氏体转变的影响v 除除 Co 元素外元素外, 所有的合金元素均使所有的合金元素均使 钢的钢
7、的 TTT 曲线向右移。曲线向右移。v 除除 Co、Al 元素外元素外, 所有的合金元素所有的合金元素 都使都使马氏体转变温度马氏体转变温度下降。下降。v 提高钢的淬透性提高钢的淬透性, 常用的元素有常用的元素有: Cr、Mn、Mo、Si、Ni、B等。等。3.合金元素对回火转变的影响合金元素对回火转变的影响回火抗力回火抗力的增加的增加 ( temper resistance )二次硬化二次硬化的产生的产生 ( secondary hardening ) 产生产生回火脆性回火脆性 ( temper brittleness ) W、Mo、V 等碳化物在等碳化物在550时时,使钢使钢达到最高硬度达到
8、最高硬度, 产生产生二次硬化二次硬化。 Cr-Ni 钢的回火脆性示意图钢的回火脆性示意图 防止第二类回火脆性的产生的方法防止第二类回火脆性的产生的方法:v在在500600 快速冷却。快速冷却。v加入合金元素加入合金元素W、Mo。二.合金元素在钢中的作用合金元素在钢中的作用1.主加元素主加元素: 对提高钢的性能起主要作对提高钢的性能起主要作 用。用。 Si、Mn、Cr、Ni、B。2.辅加元素辅加元素: 配合主加元素进一步提高配合主加元素进一步提高 钢的性能钢的性能,弥补主加元素的弥补主加元素的 不足与缺陷。不足与缺陷。 W、Mo、V、Ti、Nb。第第2 2节节 碳钢碳钢碳素钢的分类碳素钢的分类碳
9、素钢的编号及用途碳素钢的编号及用途一一) )碳素钢的分类碳素钢的分类1.按碳的质量分数分类按碳的质量分数分类: : * * 低碳钢低碳钢: : Wc 0.25% * * 中碳钢中碳钢: : 0.25% Wc 0.6% * * 高碳钢高碳钢: : Wc 0.6%2.按钢的质量分类按钢的质量分类: :* * 碳素钢碳素钢: : Wp = (0.035% 0.045%) Ws = (0.035% 0.050%)* * 优质碳素钢优质碳素钢: : Wp = 0.035% Ws = (0.030% 0.035%)* * 高级优质碳素钢高级优质碳素钢: : Wp 0.030% Ws = ( 0.020%0
10、.025% )3.按钢的用途分类按钢的用途分类: 碳素结构钢碳素结构钢 ( carbon structural steel ) 用于制造各种机械零件用于制造各种机械零件( (如齿轮、轴、如齿轮、轴、连杆）连杆） 、工程构件。一般为、工程构件。一般为低、中碳钢低、中碳钢。（如桥梁、船舶、建筑构件等）（如桥梁、船舶、建筑构件等）碳素工具钢碳素工具钢 ( carbon tool steel ) 用于制造各种工具。一般为用于制造各种工具。一般为高碳钢高碳钢。（如刃具、量具、模具）（如刃具、量具、模具）二二) )碳素钢的编号及用途碳素钢的编号及用途 1.碳素结构钢碳素结构钢: : Q 235 A F沸腾
11、钢沸腾钢A等级等级235 MPa屈服强度屈服强度2.优质碳素结构钢优质碳素结构钢* * 45 - Wc = 45%00* * 较高锰质量分数的优质碳素结构钢较高锰质量分数的优质碳素结构钢 45Mn - Wc = 45%00 ; WMn = 0.7%1.0%（即含碳（即含碳0.45）3.碳素工具钢碳素工具钢T 12 A高级优质高级优质 Wc = 12%0 （1.2%C)碳素工具钢碳素工具钢4.铸造碳钢铸造碳钢ZG 200 - 400b 400MPas 200MPa铸钢铸钢第第3 3节节 合金结构钢合金结构钢 ( Alloy Constructional Steel )普通低合金钢普通低合金钢合金
12、渗碳钢合金渗碳钢 合金调质钢合金调质钢弹簧钢弹簧钢滚动轴承钢滚动轴承钢易切削钢易切削钢一一. .普通低合金钢普通低合金钢 ( common low alloyed steel )1.化学成分化学成分: 碳素结构钢碳素结构钢 + 合金元素合金元素主加合金元素主加合金元素: Mn 1.8 %以内。以内。辅加合金元素辅加合金元素:V、Ti、Nb、B。2.2.普通低合金钢性能要求普通低合金钢性能要求高强度高强度高韧性高韧性良好的焊接性能和冷成型性能良好的焊接性能和冷成型性能低的冷脆转变温度低的冷脆转变温度良好的耐腐蚀性能良好的耐腐蚀性能3 3、普通低合金钢、普通低合金钢热处理特点热处理特点热轧后空冷热
13、轧后空冷使用状态下组织：使用状态下组织：F+S4.4.普通低合金钢牌号普通低合金钢牌号 牌号牌号: Q 345 C 质量等级质量等级345 MPa屈服强度屈服强度5.5.普通低合金钢应用普通低合金钢应用 Q345钢钢(16Mn)综合性能好综合性能好， 用于船舶、桥梁、车辆等大用于船舶、桥梁、车辆等大 型钢结构。型钢结构。 万吨远洋轮万吨远洋轮Q345DQ345D（V V、NbNb、TiTi微合金微合金化）高层建筑用钢化）高层建筑用钢Q390钢含钢含V、Ti、Nb，强度强度 高高，用于中等压力的容器。，用于中等压力的容器。南京长江大桥南京长江大桥Q460钢含钢含Mo、B，正火组织，正火组织 为贝
14、氏体（为贝氏体（B），强度高强度高，用，用于石化中温高压容器。于石化中温高压容器。压力容器压力容器二二.碳素渗碳钢及合金渗碳钢碳素渗碳钢及合金渗碳钢( carbon case-hardened steel and alloy case-hardened steel )1.对渗碳钢的性能要求对渗碳钢的性能要求:2.对渗碳钢的含碳量的要求对渗碳钢的含碳量的要求: 低低碳碳3.渗碳钢的热处理特点渗碳钢的热处理特点:渗碳渗碳 淬火淬火 + 低温回火低温回火(180200)表硬里韧表硬里韧Wc 0.25 %Wc = 0.150.25 %合金元素合金元素:Cr、Mn、 Ni、B、V、W、 Mo、Ti等。等
15、。表层表层:M回回+Fe3C+A残残心部心部:F+P表层表层:M回回+Cm+A残残心部心部:低碳低碳M回回 +F碳素渗碳钢碳素渗碳钢合金渗碳钢合金渗碳钢化学成分化学成分热处理后的组织热处理后的组织4.合金渗碳钢的牌号合金渗碳钢的牌号20 Mn2 Ti A等级等级:高级优质高级优质含钛量含钛量WTi1.5 %含锰量含锰量WMn 2 %含碳量含碳量WC 20 %005.典型合金渗碳钢种介绍典型合金渗碳钢种介绍 低淬透性合金渗碳钢低淬透性合金渗碳钢 钢含合金元素总量钢含合金元素总量3 % 15Cr、20Cr、20Mn2。用用 于受力小的耐磨件，如柴于受力小的耐磨件，如柴 油机的活塞销、凸轮轴等。油机
16、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 钢含合金元素总量在钢含合金元素总量在4 %左左 右。右。20 CrMn、20CrMnTi、 20Mn2TiB。用于中等载荷。用于中等载荷 的耐磨件，如的耐磨件，如变速箱齿轮变速箱齿轮。柴油机凸轮轴柴油机凸轮轴活塞销活塞销( 20Cr )5.典型合金渗碳钢种介绍典型合金渗碳钢种介绍高淬透性合金渗碳钢高淬透性合金渗碳钢 钢含合金元素总量在钢含合金元素总量在 4 % 6 %。18Cr2NiWA、 20Cr2Ni4A等。用于大载荷等。用于大载荷 的耐磨件，如的耐磨件，如柴油机曲轴柴油机曲轴。 柴油机曲轴柴油机曲轴 20 CrMnTi 钢制造齿轮
17、的钢制造齿轮的 热处理工艺曲线热处理工艺曲线三三.碳素调质钢及合金调质钢碳素调质钢及合金调质钢 ( carbon hardened tempered steel and alloy hardened tempered steel ) 1.对调质钢的性能要求对调质钢的性能要求: 既强又韧既强又韧2.对调质钢的含碳量的要求对调质钢的含碳量的要求:中碳中碳3.调质钢的热处理特点调质钢的热处理特点:淬火淬火 + 高温回火高温回火( 500650 )Wc = 0.250.6 %Wc = 0.250.5 %合金元素合金元素: Cr、Mn、 Ni、B、Si、V、 W、Mo、Ti等。等。表层表层: S回回碳素
18、调质钢碳素调质钢合金调质钢合金调质钢化学成分化学成分热处理后的组织热处理后的组织心部心部: P + F表层表层: S回回心部心部: S回回4.合金调质钢的牌号合金调质钢的牌号38 Cr Mo Al A5.典型合金调质钢种介绍典型合金调质钢种介绍 低淬透性调质钢低淬透性调质钢钢含合金元素总量钢含合金元素总量3 %。40Cr、40MnB等。等。 中淬透性调质钢中淬透性调质钢钢含合金元素总量在钢含合金元素总量在4 %左右。左右。38 CrSi、35 CrMo 等。等。圆锥齿轮圆锥齿轮柴油机凸轮轴柴油机凸轮轴常用于制造较小的齿轮、常用于制造较小的齿轮、轴、螺栓等零件。轴、螺栓等零件。5.典型合金调质钢
19、种介绍典型合金调质钢种介绍 高淬透性调质钢高淬透性调质钢钢含合金元素总量在钢含合金元素总量在4 % 10 %。 制造大截面重载荷零件，如制造大截面重载荷零件，如曲轴曲轴等用高淬透性的零件等等用高淬透性的零件等 。38 Cr Mo Al A、40 Cr Mn Mo、25 Cr2 Ni4 W A等。等。 40Cr钢制造连杆螺栓的钢制造连杆螺栓的 热处理工艺曲线热处理工艺曲线四四. .碳素弹簧钢及合金弹簧钢碳素弹簧钢及合金弹簧钢 ( carbon spring steel and alloy spring steel ) 1.对弹簧钢的性能要求对弹簧钢的性能要求:高的高的e、高的、高的s/ b、高的
20、、高的-1、良好、良好的韧性。的韧性。2.对弹簧钢含碳量的要求对弹簧钢含碳量的要求: 中、高碳。中、高碳。3.热成型弹簧钢的热处理特点热成型弹簧钢的热处理特点:淬火淬火 + 中温回火中温回火( 450550 )碳素弹簧钢碳素弹簧钢合金弹簧钢合金弹簧钢化学成分化学成分热处理后的组织热处理后的组织Wc = 0.60.9 %Wc = 0.50.7 %合金元素合金元素: Si、Mn、Cr、V、W、Mo等。等。T回回制造尺寸小于制造尺寸小于815mm的的小型弹簧。小型弹簧。T回回制造尺寸在制造尺寸在2025mm左右的弹簧。左右的弹簧。4.合金弹簧钢的牌号合金弹簧钢的牌号6565 Mn60 Si 2 Mn
21、50 Cr V A50 Cr Mn A55 Si Mn Mo V Nb5.冷成形弹簧生产工艺特点冷成形弹簧生产工艺特点 用于生产尺寸小于用于生产尺寸小于815mm的小型的小型弹簧弹簧,常用弹簧钢丝常用弹簧钢丝(片片)冷绕成形冷绕成形,其制造方其制造方法有法有:v T组织冷成型组织冷成型+200300去应力去应力 退火。退火。60、75、85、65 Mn。v T回组织冷成型回组织冷成型+去应力退火。去应力退火。v 退火组织冷成型退火组织冷成型+淬火淬火+中温回火。中温回火。 55Si2Mn、60Si2MnA、50CrVA。汽车板簧汽车板簧大型热卷弹簧大型热卷弹簧热卷大弹簧热卷大弹簧弹簧丝弹簧丝五
22、五.滚动轴承滚动轴承钢钢 ( bearing steel )1.性能要求性能要求:v高的硬度强度和耐磨性高的硬度强度和耐磨性;v高的接触疲劳强度高的接触疲劳强度;v足够的韧性和耐蚀性足够的韧性和耐蚀性;v高的纯净度高的纯净度;滚珠轴承滚珠轴承滚针轴承滚针轴承滚柱轴承滚柱轴承五五.滚动轴承钢滚动轴承钢 ( bearing steel )2.化学成分特点化学成分特点:高碳高碳, Wc = 0.91.1%。主加主加Cr, 0.41.65 % 辅加辅加Si、Mn。优质钢材优质钢材。五五.滚动轴承钢滚动轴承钢 ( bearing steel )3.热处理特点热处理特点:球化退火球化退火+ 淬火淬火+ 低
23、温回火低温回火极细回火马氏体极细回火马氏体+ +细粒状碳化物细粒状碳化物+ +少量残余奥氏体少量残余奥氏体4.滚动轴承钢的牌号滚动轴承钢的牌号G Cr9 Si Mn 含含Mn量量WMn1.5 % 含含Si量量WSi1.5 % 含含Cr量量WCr 0.9 % 滚动轴承钢滚动轴承钢5.铬轴承钢制造轴承的工艺路线铬轴承钢制造轴承的工艺路线锻造锻造 球化退火球化退火 机加工机加工 淬火淬火 + 冷处理冷处理 ( 60 80;1h ) 低温回火低温回火 磨削加工磨削加工 稳定稳定化处理化处理 ( 120 130；5 10h ) 六六.易切削钢易切削钢( fee cutting steel )2.性能要求
24、性能要求: 降低切削力和切削热降低切削力和切削热,减少减少刀具磨损刀具磨损,延长刀具寿命延长刀具寿命,改改排屑性能排屑性能,提高切削速度。提高切削速度。3.化学成分特点化学成分特点:1.用途用途:适用于高速切削和在自动加工机适用于高速切削和在自动加工机床上加工的材料。床上加工的材料。S:Ws = 0.080.3%Pb:WPb=0.150.25%Ca:微量微量4.易切削钢的牌号易切削钢的牌号Y 40 Mn 含含锰量锰量WMn 1.5 % 含碳量含碳量WC 0.4 % 易切削钢易切削钢5.易切削钢的热处理工艺特点易切削钢的热处理工艺特点 低碳易切削钢低碳易切削钢 ( Y12、Y15、Y20 ) 渗
25、碳渗碳或或淬火淬火成成低碳马氏体低碳马氏体。 中碳易切削钢中碳易切削钢 ( Y40 ) 调质调质及及表面淬火表面淬火。 第第4节节 合金工具钢合金工具钢 ( Alloy tool steel )合金刃具钢合金刃具钢 ( alloy cutting steel )合金模具钢合金模具钢 ( alloy die steel )合金量具钢合金量具钢( alloy measuring steel )量量 具具刃刃 具具模模 具具一一.碳素刃具钢碳素刃具钢 ( carbon cutting steel )1.性能要求性能要求:高硬度、高耐磨性高硬度、高耐磨性,有一有一定的强度和韧性。定的强度和韧性。2.化
26、学成分特点化学成分特点:高碳。高碳。3.热处理特点热处理特点:淬火淬火 + 低温回火低温回火4.组织组织: M回回 + Fe3C + A残残5.用途用途:用于低速、低温用于低速、低温(200）、）、 低冲击、硬度在低冲击、硬度在HRC62左右的左右的 刃具。刃具。一一.碳素刃具钢碳素刃具钢 ( carbon cutting steel )锉锉 刀刀手手 锤锤二.合金刃具钢合金刃具钢( alloy cutting steel )种类种类 : 低合金刃具钢低合金刃具钢 ; 高速钢。高速钢。牌号牌号 :合金元素及含量合金元素及含量千分之几的含碳量千分之几的含碳量 9 Si Cr W18 Cr4 V1
27、.低合金刃具钢低合金刃具钢1.性能要求性能要求: 高硬度、高耐磨性、有一高硬度、高耐磨性、有一定的红硬性、强度和韧性定的红硬性、强度和韧性,工作温度不超过工作温度不超过300。2.化学成分特点化学成分特点: *高碳高碳*加入加入Cr、Mn、Si、 W、V 等合金元素。等合金元素。3.热处理特点热处理特点:球化退火球化退火 淬火淬火 + 低温回火低温回火 9 SiCr 钢板牙热处理工艺曲线钢板牙热处理工艺曲线板牙板牙2.高速钢高速钢 ( high speed steel )(1) 性能要求性能要求:高硬度、高耐磨性、高的红高硬度、高耐磨性、高的红硬性硬性(600时时,HRC63以上以上) 、有一
28、定的强度和韧性。有一定的强度和韧性。高速钢高速钢 - 锋钢、风钢锋钢、风钢 ; 18 4 1 钢钢车刀车刀铣刀铣刀钻头钻头(2) 化学成分特点化学成分特点:v高碳高碳 0.71.5%:v钨钨 18%:v钼钼 5%:v铬铬 4%:v钒钒1.5%: 保证高硬度保证高硬度退火状态下形成退火状态下形成M6C碳化物碳化物,在在560左右回火时左右回火时, 弥散析弥散析出出W2C, 造成二次硬化造成二次硬化, 提高提高钢的红硬性钢的红硬性。1%Mo的作用等同于的作用等同于2%W。形成形成Cr23C6碳化物碳化物;提高钢的提高钢的淬透性淬透性。形成形成VC, 硬度极高硬度极高, 提高钢的提高钢的硬度和耐磨性
29、硬度和耐磨性, 产生二次硬化。产生二次硬化。(3) W18Cr4V钢的生产工艺及钢的生产工艺及 热处理特点热处理特点铸造铸造 锻造锻造 球化退火球化退火 机加工机加工 淬火淬火+三次三次570回火回火 磨削加工磨削加工 铸造铸造:高速钢属于高速钢属于莱氏体钢莱氏体钢,铸态组织铸态组织 中含有中含有大量呈鱼骨状分布的粗大量呈鱼骨状分布的粗 大共晶碳化物大共晶碳化物M6C,钢的韧性大钢的韧性大 幅下降。幅下降。 W18Cr4V钢的铸态组织钢的铸态组织W18Cr4V铸造组织 130 W18Cr4V钢的铸态组织钢的铸态组织W18Cr4V铸态组织 420 锻造锻造:鱼骨状碳化物不能用热处理来消除鱼骨状碳
30、化物不能用热处理来消除,只能依只能依 靠反复多次锻打来击碎。靠反复多次锻打来击碎。W18Cr4V锻造组织 210 球化退火球化退火:消除应力消除应力,调整组织调整组织,便于机加工便于机加工, 为淬火作好组织准备。为淬火作好组织准备。球化退火后的组织球化退火后的组织 : S + 粒状粒状 Cm W18Cr4V球化退火组织 420 W18Cr4V钢的热处理过程示意图钢的热处理过程示意图淬火淬火 : 1280; 淬火后的组织淬火后的组织:M+Cm+A残残(2025%) W18Cr4V钢淬火组织钢淬火组织 W18Cr4V淬火组织 300 三次三次570回火回火在在570回火时回火时 , 产生产生二次硬
31、化。二次硬化。三次三次570回火回火*淬火后淬火后A残残约约2025 %。*第一次回火后第一次回火后A残残约剩约剩1518 %。*第二次回火后第二次回火后A残残约剩约剩35 %。*第三次回火后第三次回火后A残残约剩约剩12 %。回火后的组织回火后的组织: M回回 + Cm + A残残 ( 1 2 % )组织硬度组织硬度为为HRC65以上。以上。 W18Cr4V淬火淬火+ 一次回火组织一次回火组织W18Cr4V淬火+一次回火组织 105 W18Cr4V淬火淬火+ 三次回火组织三次回火组织W18Cr4V淬火+ 三次回火组织 420 三三.合金模具钢合金模具钢( alloy die steel )v
32、热作模钢热作模钢:工作温度为工作温度为600以上。以上。v冷作模钢冷作模钢:工作温度为工作温度为200300。一一) 热作模钢热作模钢 ( hot die steel )1.性能要求性能要求:高的热硬性、高温耐磨性高的热硬性、高温耐磨性;高的抗氧化能力高的抗氧化能力;高的热强性和足够高的韧性高的热强性和足够高的韧性;高的热疲劳抗力高的热疲劳抗力( 防止龟裂防止龟裂 );高的淬透性和导热性高的淬透性和导热性; 2.化学成分特点化学成分特点: 中碳中碳 0.30.6 %;合金元素合金元素:Cr、Ni、Mn、 Si、Mo、W、V。曲轴模具曲轴模具3.热处理特点热处理特点: *热锻模钢热锻模钢: 5
33、CrMnMo 热处理工艺热处理工艺: 淬火淬火 + 550回火回火 热处理后的组织热处理后的组织: S回回或或T回回 温度时间500820850预冷预冷油冷油冷530550回火回火3.热处理特点热处理特点: *热压模钢热压模钢: 3 Cr2W8V 热处理工艺热处理工艺: 淬火淬火 + 600三次回火三次回火 热处理后的组织热处理后的组织: M回回 + Cm粒状粒状二二) 冷作模钢冷作模钢 ( cold die steel )1.性能要求性能要求:高的硬度高的硬度,HRC62;高的耐磨性高的耐磨性;足够高的韧性与疲劳抗力足够高的韧性与疲劳抗力;热处理变形小热处理变形小;2.化学成分特点化学成分特
34、点:高碳高碳 12 %;合金元素合金元素:Cr, Mo、W、V。汽车冲压模具汽车冲压模具3.热处理特点热处理特点: *一次硬化法一次硬化法: 淬火淬火 + 低温回火低温回火 ( 9501000 ) ( 150180 ) *二次硬化法二次硬化法: 淬火淬火 + 三次回火三次回火 ( 11001000 ) ( 510520 )热处理后的组织热处理后的组织: M回回 + Cm + A残残牌号牌号: Cr12、Cr12MoV四四.合金量具钢合金量具钢 ( alloy measuring steel )1.性能要求性能要求: 高的硬度高的硬度, HRC62;高的耐磨性高的耐磨性;高的尺寸稳定性高的尺寸稳
35、定性;足够高的心部韧性足够高的心部韧性;热处理变形小热处理变形小; 尺寸稳定尺寸稳定;良好的耐蚀性良好的耐蚀性;卡卡 尺尺量量 规规千分尺千分尺3.热处理特点热处理特点:4.热处理后的组织热处理后的组织: M回回 + Cm淬火淬火 冷处理冷处理 ( - 70 - 80 ) 低温回火低温回火 时效处理时效处理 ( 120130,几十小时几十小时 ) 5.牌号牌号: CrWMn、4Cr13、GCr15、 9SiCr、T12A、60等。等。2.化学成分特点化学成分特点:高碳高碳 0.91.5 %;合金元素合金元素:Cr, Mn、W。 CrWMn钢制造块规退火后的钢制造块规退火后的 热处理工艺热处理工
36、艺650820840油冷油冷3h-70-80 冷处理冷处理1401603h11012036h时效处理时效处理精磨精磨3h研磨研磨温度时间 第第5节节 特殊性能钢特殊性能钢 ( special performance steel )不锈钢不锈钢 ( stainless steel )耐热钢耐热钢 ( heat resistant steel )耐磨钢耐磨钢 ( wear resistant steel ) 一一.不锈钢不锈钢 ( stainless steel )1.定义定义: 在腐蚀介质中具有很高的抗腐在腐蚀介质中具有很高的抗腐 蚀能力的钢。蚀能力的钢。2.概念概念:*在在空气空气中的年腐蚀量
37、为中的年腐蚀量为0.01mm 以内的钢以内的钢, 称为在空气中使用的称为在空气中使用的 不锈钢。不锈钢。 *在在强酸、强碱强酸、强碱介质中的年腐蚀介质中的年腐蚀 量为量为0.1mm以内的钢以内的钢,称为在强称为在强 酸、强碱介质中使用的不锈钢。酸、强碱介质中使用的不锈钢。3.金属腐蚀的机理金属腐蚀的机理金属腐蚀的种类金属腐蚀的种类:1)化学腐蚀化学腐蚀: 金属与介质金属与介质 ( 干燥气体和干燥气体和 非电解质溶液非电解质溶液 ) 发生化学发生化学 反应而产生的腐蚀。反应而产生的腐蚀。 例如例如:高温氧化、脱碳等。高温氧化、脱碳等。2)电化学腐蚀电化学腐蚀:金属与介质金属与介质 ( 电解质溶电
38、解质溶 液液,即酸、碱、盐溶液即酸、碱、盐溶液 ) 发生电化学反应而产生发生电化学反应而产生 的腐蚀。的腐蚀。 电化学腐蚀过程示意图电化学腐蚀过程示意图 珠光体电化学腐蚀示意图珠光体电化学腐蚀示意图4.金属的防腐措施金属的防腐措施:1)覆盖层保护覆盖层保护: 涂漆、电镀、发蓝、磷涂漆、电镀、发蓝、磷 化等工艺。化等工艺。2)形成氧化层形成氧化层: 加入合金元素加入合金元素Cr、Al、 Si 等等,形成形成Cr2O3、SiO2、 Al2O3等氧化膜。等氧化膜。 3)提高金属的电极电位提高金属的电极电位: 加入合金元素加入合金元素 Cr、Ni、Si等等,提高金属提高金属 基体的电极电位。基体的电极
39、电位。4)使钢在室温下呈单相组织使钢在室温下呈单相组织:加入合金元素加入合金元素 Mn、Ni、Co等能扩大等能扩大 区区,可在室温获得可在室温获得奥氏体钢奥氏体钢。加入合金元素加入合金元素 Cr、Mo、W、V、Ti、 Si 等能扩大等能扩大区区,可在室温获得可在室温获得铁素体铁素体 钢。钢。5)减少与消除钢中的各种不均匀现象减少与消除钢中的各种不均匀现象: 偏析、应力、组织等。偏析、应力、组织等。6)牺牲阳极保护阴极牺牲阳极保护阴极 : 镶嵌一些比金属镶嵌一些比金属 或合金基体电极电位更低的金属块。或合金基体电极电位更低的金属块。5.化学成分特点化学成分特点: * 低碳低碳:耐蚀性要求愈高耐蚀
40、性要求愈高,碳含量愈低。碳含量愈低。 * 合金元素合金元素:主加主加Cr。 辅加辅加Ni、Mo、Cu、Ti、 Nb、Mn 等。等。6.常用的不锈钢常用的不锈钢: *马氏体型不锈钢马氏体型不锈钢 *铁素体型不锈钢铁素体型不锈钢 *奥氏体型不锈钢奥氏体型不锈钢1)马氏体型不锈钢马氏体型不锈钢 - Cr13型钢型钢 Martensitic stainless steel 化学成分特点化学成分特点: Wc = 0.1 0.4 % WCr = 13 %热处理特点热处理特点:正火正火后的组体是后的组体是马氏体马氏体。牌号牌号: 1Cr134Cr13用途用途: 医疗器械医疗器械医用镊子医用镊子 1Cr13金
41、相组织图金相组织图1Cr13供货状态组织 ( 化染 ) 580 2)铁素体型不锈钢铁素体型不锈钢 ( Ferritic stainless steel )化学成分特点化学成分特点: Wc = 0.1 %左右左右 WCr = 17 %热处理特点热处理特点: 不能进行热处理强化不能进行热处理强化。牌号牌号: 1Cr17、1Cr17Ti、1Cr28等。等。用途用途:化工设备中要求耐蚀性高、塑化工设备中要求耐蚀性高、塑 性好、强度低的容器、管道等。性好、强度低的容器、管道等。铁素体型不锈钢的用途铁素体型不锈钢的用途硝酸生产装置硝酸生产装置合成氨生产装置合成氨生产装置3)奥氏体型不锈钢奥氏体型不锈钢-1
42、8 8型钢型钢 ( Austenitic stainless steel )化学成分特点化学成分特点: Wc = 0.08 0.14 % WCr = 1719 % WNi = 811 % Cu、Ti、Mo等。等。加工特点加工特点:不能进行热处理强化不能进行热处理强化,只能只能 冷塑性变形强化。冷塑性变形强化。热处理特点热处理特点:固溶处理固溶处理;稳定化处理稳定化处理; 消除应力退火。消除应力退火。牌号牌号: 0Cr18Ni9、1Cr18Ni9、 0Cr18Ni9Ti、1Cr18Ni9Ti。用途用途: 化工容器、管道等。化工容器、管道等。大型化工储罐大型化工储罐(304)(304)管板换热器管
43、板换热器 ( 304 ) 1Cr18Ni9Ti固溶处理组织金相图固溶处理组织金相图1Cr18Ni9Ti固溶处理组织 580 二二.耐热钢耐热钢 ( heat-resisting steel )1.定义定义:在高温下具有抗氧化性和高温在高温下具有抗氧化性和高温 强度的特殊钢。强度的特殊钢。2.性能要求性能要求抗氧化性抗氧化性 ( 热稳定性热稳定性 )高温强度高温强度( 热强性热强性 )蠕变强度蠕变强度持久强度持久强度3.提高钢的耐热性的途径提高钢的耐热性的途径: 加入合金元素加入合金元素Cr、Si、Al等等,在在 钢的表面形成稳定、致密的氧化膜。钢的表面形成稳定、致密的氧化膜。4.提高钢的耐热性
44、的途径提高钢的耐热性的途径: 1)固溶强化固溶强化:加入加入W、Mo、 Nb、Ti、 V等元素强化基体等元素强化基体;提高再结晶温度。提高再结晶温度。 2)弥散强化弥散强化:加入加入Nb、V、Ti等元素形等元素形 成碳化物成碳化物,在晶内弥散析出在晶内弥散析出,阻碍位错阻碍位错 的滑移的滑移,提高塑变抗力。提高塑变抗力。3)晶界强化晶界强化:加入加入Mo、V、B、Zr 等元等元 素素,形成粗晶形成粗晶,减少晶界减少晶界,使晶界强化。使晶界强化。5.钢种及钢种及 用途用途 抗氧化钢抗氧化钢 ( 不起皮钢不起皮钢 ) :奥氏体型钢奥氏体型钢1Cr18Ni9Ti等等,工作温度工作温度 850。热强钢
45、热强钢珠光体型珠光体型 16Mo，工作温度工作温度 600。马氏体型马氏体型1Cr13，工作温度工作温度 600。奥氏体型奥氏体型18-8型，型，工作温度工作温度 850。耐耐 热热 钢钢 的的 用用 途途发动机叶片发动机叶片航空发动机航空发动机汽轮机叶片汽轮机叶片汽车阀门汽车阀门三三.耐磨钢耐磨钢( wear-resistant steel )1.定义定义:在强烈冲击载荷作用下发生冲击在强烈冲击载荷作用下发生冲击 形变硬化的高锰钢。形变硬化的高锰钢。球磨机球磨机挖掘机挖掘机颚式破碎机颚式破碎机三三.耐磨钢耐磨钢( wear-resistant steel )2.性能要求性能要求:高硬度、耐磨
46、性、韧性。高硬度、耐磨性、韧性。3.化学成分特点化学成分特点: 高碳高碳 Wc = 11.3 %高锰高锰 WMn = 1114 % 4.热处理特点热处理特点: 水韧处理。水韧处理。5.室温组织室温组织: :过饱和单相奥氏体。过饱和单相奥氏体。水韧处理的工艺特征水韧处理的工艺特征铸态组织高锰钢铸态组织高锰钢加热到加热到10501100A水淬水淬A受到剧烈冲击或较大压力受到剧烈冲击或较大压力表层表层MHB500心部心部AHB220 A + Cm 高锰钢铸态组织高锰钢铸态组织高锰钢铸态组织 ( 化染 ) 58 高锰钢水韧淬火组织金相图高锰钢水韧淬火组织金相图高锰钢水韧淬火组织 ( 化染 ) 58 高
47、锰钢水韧淬火高锰钢水韧淬火+回火组织金相图回火组织金相图高锰钢水韧淬火+回火组织 ( 化染 ) 105 5.牌号牌号ZG Mn13 - 1一号铸造高锰钢一号铸造高锰钢锰含量锰含量WMn 13 %铸钢铸钢铁路道岔铁路道岔履带履带球磨机衬板球磨机衬板挖掘机铲齿挖掘机铲齿 高锰钢广泛用于既要求耐高锰钢广泛用于既要求耐磨又要求耐冲击的零件。磨又要求耐冲击的零件。如拖如拖拉机的履带板、球磨机的衬板、拉机的履带板、球磨机的衬板、破碎机的牙板、挖掘机的铲齿破碎机的牙板、挖掘机的铲齿和铁路的道岔等。和铁路的道岔等。钢钢 号号钢钢 种种合金元素的主要作用合金元素的主要作用热处理特点热处理特点使用状态下组织使用状
48、态下组织Q345低合金高强低合金高强度结构钢度结构钢Mn:强化强化F，增加，增加P量，降量，降低冷脆转变温度低冷脆转变温度热轧空冷热轧空冷F+P65Mn弹簧钢弹簧钢Mn:提高淬透性，强化提高淬透性，强化F淬火淬火+中温回火中温回火T回回ZGMn13耐磨钢耐磨钢Mn:获得单相获得单相A组织组织水韧处理水韧处理表表:M+碳化物碳化物 心心:A20Cr渗碳钢渗碳钢Cr:提高淬透性，强化提高淬透性，强化F渗碳渗碳+淬火淬火+低低温回火温回火表表: M回回+颗粒状碳化物颗粒状碳化物+A心心: M回回+F40Cr调质钢调质钢Cr:提高淬透性，强化提高淬透性，强化F调质处理调质处理S回回9SiCr低合金工具
49、钢低合金工具钢Cr:提高淬透性提高淬透性淬火淬火+低温回火低温回火M回回+颗粒状碳化物颗粒状碳化物+A (少量少量)GCr15滚动轴承钢滚动轴承钢Cr:提高淬透性，耐磨性、提高淬透性，耐磨性、耐蚀性耐蚀性淬火淬火+低温回火低温回火M回回+颗粒状碳化物颗粒状碳化物+A (少量少量)1Cr13马氏体不锈钢马氏体不锈钢Cr:提高耐蚀性提高耐蚀性淬火淬火+高温回火高温回火S回回5CrNiMo热作模具钢热作模具钢Cr、Ni:提高淬透性，强化提高淬透性，强化F淬火淬火+高温回火高温回火S回回Mo:防止高温回火脆性防止高温回火脆性Cr12MoV冷作模具钢冷作模具钢Mo:细化晶粒，提高耐磨性细化晶粒，提高耐磨性淬火淬火+低温回火低温回火M回回+颗粒状碳化物颗粒状碳化物+A (少量少量)W18Cr4V高速钢高速钢V:提高耐磨性、热硬性提高耐磨性、热硬性淬火淬火+低温回火低温回火M回回+颗粒状碳化物颗粒状碳化物+A (少量少量)1Cr18Ni9Ti不锈钢不锈钢Ti:防止晶间腐蚀防止晶间腐蚀固溶处理固溶处理A本章的作业本章的作业 P212，填空，填空34、（1.3.5.7.12）
