金屬材料熱處理-第五章合金鋼

1、第五章 合金鋼51 合金元素在鋼中的主要作用52 合金鋼的分類和牌號53 合金結(jié)構(gòu)鋼54 合金工具鋼55 特殊性能鋼*56 鋼的火花鑒別（實驗）導言 合金鋼合金鋼在碳素鋼的基礎上，為了改善鋼的性能，在冶煉時有目的地加入一種或數(shù)種合金元素的鋼。 性能：性能：較高的力學性能、淬透性和回火穩(wěn)定性等，有的還具有耐熱、耐酸、耐蝕等特殊性能。 51 合金元素在鋼中的主要作用一、強化鐵素體二、形成合金碳化物三、細化晶粒四、提高鋼的淬透性五、提高鋼的回火穩(wěn)定性一、強化鐵素體一、強化鐵素體 大多數(shù)合金元素（除鉛外）都能溶于鐵素體，形成合金鐵素體。 對性能的影響對性能的影響；鐵素體的強度、硬度增加，鐵素體的強度、

2、硬度增加，塑性、韌性有所下降，即產(chǎn)生固溶強化作用；塑性、韌性有所下降，即產(chǎn)生固溶強化作用； 固溶強化（固溶強化（ Solid solution strengthening ） 融入固溶體中的溶質(zhì)原子造成晶格畸變，晶格畸變增大了位錯運動的阻力，使滑移難以進行，從而使合金固溶體的強度與硬度增加。二、形成合金碳化物二、形成合金碳化物1 1合金滲碳體合金滲碳體 錳、鉻、鉬、鎢等弱、中強碳化物形成元素一般傾向于形成合金滲碳體，合金滲碳體較滲碳體略為穩(wěn)定，硬度也略高，可明顯提高低合金鋼的強度。 2 2特殊碳化物特殊碳化物 釩、鈮、鈦等強碳化物形成元素能與碳形成特殊碳化物，特殊碳化物比合金滲碳體具有更高的熔

3、點、硬度和耐磨性，而且更穩(wěn)定、不易分解。 合金元素溶入合金元素溶入Fe3C內(nèi)，增強了內(nèi)，增強了Fe與與C之之間的親和力，從而提高了滲碳體的穩(wěn)定間的親和力，從而提高了滲碳體的穩(wěn)定性，性，使之較難溶于奧氏體，較難聚集長使之較難溶于奧氏體，較難聚集長大大；其它類型的碳化物也較難溶于奧氏體，其它類型的碳化物也較難溶于奧氏體，較難聚集長大，并且熔點、硬度較高；較難聚集長大，并且熔點、硬度較高；總之：總之：這些碳化物的增多，將使鋼的這些碳化物的增多，將使鋼的強度、硬度增強度、硬度增高，耐磨性增高，但塑性、韌性下降高，耐磨性增高，但塑性、韌性下降；對性能的影響對性能的影響三、細化晶粒三、細化晶粒 幾乎所有的

4、合金元素都有抑制鋼在加熱時奧氏體晶粒長大的作用，達到細化晶粒的目的。強碳化物形成元素鈮、釩、鈦等形成的碳化物、鋁（Al）在鋼中形成的AlN和Al2O3細小質(zhì)點，均能強烈地阻礙奧氏體晶粒長大，使合金鋼在熱處理后獲得比碳鋼更細的晶粒。 合金鋼熱處理時加熱的目的：合金鋼熱處理時加熱的目的： 獲得成分均勻的奧氏體，使合金元素盡可能獲得成分均勻的奧氏體，使合金元素盡可能多的溶入奧氏體中，提高淬透性，大多數(shù)合多的溶入奧氏體中，提高淬透性，大多數(shù)合金元素（除少數(shù)金元素（除少數(shù)Ni、Co，主要是碳化物形成，主要是碳化物形成元素）會減慢奧氏體的形成過程。所以合金元素）會減慢奧氏體的形成過程。所以合金鋼的奧氏體化

5、溫度高，保溫時間長。鋼的奧氏體化溫度高，保溫時間長。四、提高鋼的淬透性四、提高鋼的淬透性 除鈷外，所有的合金元素溶解于奧氏體后，均可增加過冷奧氏體的穩(wěn)定性，推遲其向珠光體的轉(zhuǎn)變，使C曲線右移，從而減小鋼的臨界冷卻速度，提高鋼的淬透性。 常用提高淬透性的合金元素有：鉬、錳、鉻、鎳（Ni）和硼（B）等。五、提高鋼的回火穩(wěn)定性五、提高鋼的回火穩(wěn)定性 回火穩(wěn)定性回火穩(wěn)定性淬火鋼在回火時，抵抗軟化的能力。（淬火鋼在回火時抵抗強度、硬度下降的能淬火鋼在回火時抵抗強度、硬度下降的能力；力； ）如圖 52 合金鋼的分類和牌號一、合金鋼的分類二、合金鋼的牌號一、合金鋼的分類一、合金鋼的分類1 1按用途分類按用途

6、分類 l 合金結(jié)構(gòu)鋼；普通低合金鋼（低合金高強普通低合金鋼（低合金高強鋼）、滲碳鋼、調(diào)質(zhì)鋼、彈簧鋼、滾動軸承鋼、鋼）、滲碳鋼、調(diào)質(zhì)鋼、彈簧鋼、滾動軸承鋼、易切削鋼、超高強度鋼；（易切削鋼、超高強度鋼；（如圖如圖）l 合金工具鋼；刃具鋼、模具鋼、量具鋼。刃具鋼、模具鋼、量具鋼。（如圖如圖）l 特殊性能鋼；不銹鋼、耐熱鋼、耐磨鋼、不銹鋼、耐熱鋼、耐磨鋼、電工用鋼。電工用鋼。1.構(gòu)件用鋼：制造各種大型金屬結(jié)構(gòu)-橋梁、船舶、屋架、容器-又叫做工程用鋼。車輛儲氣罐船舶橋梁銼刀量規(guī)鉆頭2 2按合金元素總含量分類按合金元素總含量分類 l 低合金鋼：合金元素總含量5。l 中合金鋼：合金元素總含量510l 高合

7、金鋼：合金元素總含量10二、合金鋼的牌號二、合金鋼的牌號 兩位數(shù)字（碳含量）元素符號（或漢字）數(shù)字表示。l 前面兩位數(shù)字表示鋼的平均含碳量的萬分數(shù)。l 元素符號（或漢字）表明鋼中含有的主要合金元素。l 后面的數(shù)字表示該元素的含量。合金元素含量小于1.5時不標，平均含量為1.52.5，2.53.5%時，則相應地標以2，31 1合金結(jié)構(gòu)鋼合金結(jié)構(gòu)鋼 40 Cr（合金結(jié)構(gòu)鋼）主要合金元素為鉻，含量在1.5以下平均含碳量為0.4060 Si2 Mn（合金結(jié)構(gòu)鋼）平均含硅量為2左右平均含碳量為0.60主要合金元素為錳，含量小于1.52 2合金鋼多為優(yōu)質(zhì)鋼，無需特殊表示。當合金鋼合金鋼多為優(yōu)質(zhì)鋼，無需特殊

8、表示。當合金鋼為高級優(yōu)質(zhì)鋼或特級優(yōu)質(zhì)鋼時，分別在牌號尾為高級優(yōu)質(zhì)鋼或特級優(yōu)質(zhì)鋼時，分別在牌號尾加加A A、E E表示。必要時可將表示產(chǎn)品用途、特性表示。必要時可將表示產(chǎn)品用途、特性或工藝方法的字符加在牌號尾部?；蚬に嚪椒ǖ淖址釉谂铺栁膊?。 3 3合金工具鋼合金工具鋼 與合金結(jié)構(gòu)鋼的區(qū)別僅在于碳含量的表示方法，它用1位數(shù)字表示平均含碳量的千分數(shù)，當碳含量1.0時，則不予標出。合金元素含量表示方法與合金結(jié)構(gòu)鋼相同，當平均含鉻量小于1%時，在鉻含量（以千分數(shù)計）前加數(shù)字“0”。 4 4高速鋼高速鋼 含碳量均不標出，如W18Cr4V鋼的平均含碳量為0.70.8。 5 5特殊性能鋼特殊性能鋼 不銹鋼或

9、耐熱鋼的牌號用兩位或三位阿拉伯數(shù)字表示含碳量的最佳控制值（以萬分之幾或十萬分之幾計），合金元素含量的表示方法與合金結(jié)構(gòu)鋼相同，當材料只規(guī)定含碳量上限時，若含碳量上限0.10%，則以其上限值的3/4表示，若含碳量上限0.1%時，則以其上限值的4/5表示（兩位數(shù)，萬分數(shù)計）。如如: : 06Cr18Ni9表示含碳量不大于0.08%，平均含鉻量為18%，含鎳量為9%的鉻鎳不銹鋼；12Cr17表示含碳量不大于0.15%，含鉻量為17%的高碳鉻不銹鋼。當含碳量規(guī)定上下有限時，則采用平均含碳量表示（兩位數(shù)，萬分數(shù)計）。如20Cr13其含碳量為0.160.25%，平均含碳量為0.20%，含鉻量為13%。當不

10、銹鋼中有意加入鈮、鈦、鋯、氮等元素時，雖然含量很低也應在牌號中標出。如022Cr18Ti為一種含碳量不大于0.03%,最佳控制值為0.022%，含鉻量18%，含鈦量小于1.0%的不銹鋼。當含碳量上限0.03%，（超低碳），則以三位數(shù)表示含碳量最佳控制值（十萬分數(shù)計），如：015Cr19Ni11是一種含碳量上限為0.02%，最佳控制值為0.015%；平均含鉻量為19%，含鎳量為11%的極低碳不銹鋼。特殊專用鋼，為表示鋼的用途，在鋼的牌號前面冠以漢語拼音字母字頭，并不標含碳量，合金元素含量的標注也和上述有所不同。如：如：滾動軸承鋼中高鉻軸承鋼的前面標“G，（“滾”字的漢語拼音字母字頭）而不標含碳量

11、，如GCr15。而牌號中鉻元素后面的數(shù)字是表示含鉻量的千分數(shù)，其他元素仍按百分數(shù)表示，如GCrl5SiMn表示含鉻量為1.5，硅、錳含量均小于1.5的滾動軸承鋼。易切鋼也是在牌號前冠以拼音字母 “Y”，如“Y15”，表示含碳量0.15的易切鋼。6 6特殊專用鋼特殊專用鋼53 合金結(jié)構(gòu)鋼一、低合金結(jié)構(gòu)鋼二、合金滲碳鋼三、合金調(diào)質(zhì)鋼四、合金彈簧鋼五、滾動軸承鋼 合金結(jié)構(gòu)鋼合金結(jié)構(gòu)鋼用于各類工程結(jié)構(gòu)件和制造各種機器零件的鋼。一、低合金結(jié)構(gòu)鋼一、低合金結(jié)構(gòu)鋼 在碳素結(jié)構(gòu)鋼的基礎上加入少量合金元素就形成了低合金結(jié)構(gòu)鋼。 常加入的合金元素有錳（Mn）、硅（Si）、鈦（Ti）、鈮（Nb）、釩（V）等。 低合

12、金結(jié)構(gòu)鋼的含碳量較低，一般為0.100.25。 熱軋退火或正火狀態(tài)下使用，一般不再進行熱處理。 低合金結(jié)鋼的應用低合金結(jié)鋼的應用 二、合金滲碳鋼二、合金滲碳鋼 合金滲碳鋼在經(jīng)滲碳+淬火+低溫回火的處理后，具有外硬內(nèi)韌外硬內(nèi)韌的性能，用來制造既要有優(yōu)良的耐磨性和耐疲勞性、又能承受沖擊載荷作用的零件， 含碳量在0.100.25之間，加入合金元素主要是為了提高鋼的淬透性，并防止鋼因在長時間滲碳而造成晶粒粗大。 其典型熱處理工藝為：滲碳滲碳+ +淬火淬火+ +低溫回火低溫回火。 合金滲碳鋼的應用合金滲碳鋼的應用 三、合金調(diào)質(zhì)鋼三、合金調(diào)質(zhì)鋼 含碳量一般為0.250.50，屬于中碳合金鋼。 常加入少量鉻

13、、錳、硅、鎳、硼等合金元素以增加鋼的淬透性，使鐵素體強化并提高韌性。加入少量鉬、釩、鎢、鈦等碳化物形成元素，可阻止奧氏體晶粒長大和提高鋼的回火穩(wěn)定性，以進一步改善鋼的性能。 熱處理工藝是調(diào)質(zhì)（淬火調(diào)質(zhì)（淬火+ +高溫回火）。高溫回火）。 合金調(diào)制鋼的應用合金調(diào)制鋼的應用 四、合金彈簧鋼四、合金彈簧鋼 含碳量一般為0.450.70。 可加入的合金元素有錳、硅、鉻、釩和鎢等。彈簧鋼的性能特點：（1）高的彈性極限或屈服極限和高的屈強比，以保證彈簧有足夠高的彈性變形能力，并能承受大的載荷。（2）高的疲勞極限，以保證彈簧在長期的振動和交變應力作用下不產(chǎn)生疲勞破壞。（3）為了滿足成形的需要和可能承受的沖擊

14、載荷，彈簧鋼應具有一定的塑性和韌性。 此外，一些在高溫及易蝕條件下工作的彈簧，還應具有良好的耐熱性和抗蝕性。 合金彈簧鋼的應用合金彈簧鋼的應用 五、滾動軸承鋼五、滾動軸承鋼 主要用來制造各種滾動軸承的內(nèi)外圈及滾動體（滾珠、滾柱、滾針），也可用來制造各種工具和耐磨零件。 滾動軸承鋼必須具有高的硬度和耐磨性、高的彈性極限和接觸疲勞強度、足夠的韌性和一定的耐蝕性。 軸承鋼都是高級優(yōu)質(zhì)鋼。 滾動軸承鋼的熱處理包括預先熱處理和最終熱處理。預先熱處理采用球化退火球化退火，最終熱處理為淬火淬火+ +低溫回火低溫回火。 滾動軸承鋼的應用滾動軸承鋼的應用 54 合金工具鋼一、合金刃具鋼二、合金模具鋼三、合金量具

15、鋼一、合金刃具鋼一、合金刃具鋼 合金刃具鋼主要用來制造車刀、銑刀、鉆頭等各種金屬切削刀具。刃具鋼要求高硬度、耐磨、高熱硬性及足夠的強度和韌性等。 1 1低合金刃具鋼低合金刃具鋼 低合金刃具鋼是在碳素工具鋼的基礎上加入少量合金元素的鋼。l 加入鉻、錳、硅等元素，目的是提高鋼的淬透性，同時還能提高鋼的強度。l 加入鎢、釩等強碳化物形成元素，目的是為了提高鋼的硬度和耐磨性，并防止加熱時過熱，保持晶粒細小。 低合金刃具鋼的預備熱處理是球化退火球化退火，最終熱處理為：淬火淬火+ +低溫回火低溫回火。 低合金刃具鋼的應用低合金刃具鋼的應用2 2高速鋼高速鋼 高紅硬性、高耐磨性的高合金工具鋼。 鋼中含有較多

16、的碳（0.71.50）和大量的鎢、鉻、釩、鉬等強碳化物形成元素。l 高的含碳量：保證形成足夠量的合金碳化物，并使高速鋼具有高的硬度和耐磨性。l W、Mo：提高鋼紅硬性的主要元素。l 鉻：提高鋼的淬透性。l 釩：提高鋼的硬度、耐磨性和紅硬性，并能細化晶粒。 高速合金鋼的應用高速合金鋼的應用2 2熱作模具鋼熱作模具鋼 熱作模具鋼是用來制造使金屬在高溫下成形的模具，如熱鍛模、熱擠壓模、壓鑄模等。 熱作模具鋼要具備較高的強度、韌性、高溫耐磨性及熱穩(wěn)定性，并具有較好的抗熱疲勞性能。 熱作模具鋼的最終熱處理是淬火淬火+ +中溫回火中溫回火（或高溫回火），以保證其具有足夠的韌性。 二、合金模具鋼二、合金模具

17、鋼 用于制作模具的鋼稱為模具鋼模具鋼。 1 1冷作模具鋼冷作模具鋼 冷作模具鋼用于制造使金屬在冷狀態(tài)下變形的模具，如沖裁模、拉絲模、彎曲模、拉深模等。 小型沖裁模熱鍛模、壓鑄模和擠壓模 3 3塑料模具鋼塑料模具鋼 我國目前在生產(chǎn)中推廣應用十多種新型塑料模具鋼，初步形成了我國塑料模具用鋼體系。塑料模具對材料在強度和韌度上的要求低于冷作模和熱作模, 由于注塑零件形狀往往比較復雜,塑料模具在淬硬后很難加工,有時甚至無法加工。所以應選用熱處理變形小的材料。 塑料模具的型腔復雜，切削加工量大，所以應具有優(yōu)良的切削加工性能。 塑料模具型腔表面質(zhì)量要求很高，材料必需具有良好的拋光性能和刻蝕性。 塑料模具使用

18、時型腔中往往要添加各種化學添加劑，所以模具材料需要有良好的耐腐蝕性能。 塑料制品與塑料模具 三、合金量具鋼三、合金量具鋼 量具是測量工件尺寸的工具，其工作部分所用鋼材一般要求高硬度、高耐磨性、高的尺寸穩(wěn)定性和足夠的韌性。55 特殊性能鋼一、不銹鋼二、耐熱鋼三、耐磨鋼一、不銹鋼一、不銹鋼 不銹鋼不銹鋼主要是指在空氣、水、鹽的水溶液、酸及其他腐蝕性介質(zhì)中具有高度化學穩(wěn)定性的鋼。 不銹鋼是不銹鋼和耐酸鋼的統(tǒng)稱，能抵抗大氣腐蝕的鋼稱為不銹鋼不銹鋼，而在一些化學介質(zhì)（如酸類）中能抵抗腐蝕的鋼稱為耐酸鋼耐酸鋼。 常用不銹鋼按化學成分分為鉻不銹鋼、鉻鎳不銹鋼和鉻錳不銹鋼等。按金相組織特點分為馬氏體不銹鋼、鐵

19、素體不銹鋼和奧氏體不銹鋼等。 1 1奧氏體不銹鋼奧氏體不銹鋼 含碳量很低（0.15），含鉻量為18，鎳為9，這種不銹鋼習慣上稱為188型不銹鋼，屬于鎳鉻不銹鋼。常用的奧氏體不銹鋼有12Cr18Ni9、06Cr18Ni9N等。 2 2馬氏體不銹鋼馬氏體不銹鋼 鋼中含碳量為0.101.20，淬火后能得到馬氏體，屬于鉻不銹鋼。 淬火、回火后使用。馬氏體不銹鋼的耐蝕性、塑性和焊接性都不如奧氏體不銹鋼和鐵素體不銹鋼，但由于它具有較好的力學性能與一般的耐蝕性相結(jié)合，故應用廣泛。 馬氏體不銹鋼鍛造后需退火，以降低硬度、改善切削加工性能。在沖壓后也需進行退火，以消除硬化、提高塑性，便于進一步加工。 3 3鐵素體不銹鋼鐵素體不銹鋼 含碳量0.12，含鉻量在11.5030之間，屬于鉻不銹鋼。 鉻是縮小奧氏體相區(qū)的元素，可使這類鋼獲得單相鐵素體組織。 抗大氣與耐酸能力強，具有良好的高溫抗氧化性，特別是抗應力腐蝕性較好，但力學性能不如馬氏體不銹鋼，塑性不及奧氏體不銹鋼。 二、耐熱鋼二、耐熱鋼 耐熱鋼耐熱鋼在高溫下具有良好的化學穩(wěn)定性和較高強度，能較好適應高溫條件的特殊性能鋼。 鋼的耐熱性包含高溫抗氧化性和高溫強度兩個