工業(yè)用鋼概念、分類和主要類型

1、工業(yè)用鋼概念、分類和主要類型本章目的： 1 介紹合金鋼的概念及其分類、編號的方法； 2 揭示合金元素在鋼中的作用，即合金化原理； 3 分別介紹各種主要類型的合金鋼。本章重點: (1) 合金元素對鋼的組織與性能影響規(guī)律； (2) 各類鋼主要的性能要求、成分及合金化特點，合金元素的主要作用，主要的熱處理方法、應(yīng)用;(3) 各類鋼的典型鋼種。10-1 概述一 多鋼種原因 碳鋼優(yōu)點：價廉、實用； 力性隨碳含量顯著變化。 碳鋼的性能缺點：（1）淬透性低；水淬，D臨 =1020mm（2）強(qiáng)度、屈強(qiáng)比較低； 20鋼與16Mn的s： 240、360MN/m2； 40鋼與35CrNi3Mo的s/b：(3) 回火

2、穩(wěn)定性差， 綜合機(jī)性不高； 碳素工具鋼T使200, V切5m/min;(4) 不能滿足特殊性能要求 -合金鋼的產(chǎn)生 二 鋼分類及編號1 鋼分類（1）按化學(xué)成分： 碳 鋼 高、中、低碳鋼：0.25%；0.6% 合金鋼 高、中、低合金鋼：5%；10%） 為改善鋼的性能，冶煉時在碳鋼的基礎(chǔ)上 特意加入一定的合金元素所獲得的鋼。（2）按用途： 結(jié)構(gòu)鋼：工程構(gòu)件、機(jī)器零件 工具鋼：刃、量、模 特殊性能鋼：耐熱、耐蝕、磁性（3）按質(zhì)量等級： 優(yōu)質(zhì)、高級優(yōu)質(zhì)、普通； 實際中往往采取綜合法： 高級優(yōu)質(zhì)合金工具鋼2 鋼編號 反映：成分、用途 （1）碳鋼（碳素結(jié)構(gòu)鋼、碳素工具鋼） 普通碳素結(jié)構(gòu)鋼 （0.06%0.

3、4%）力性要求 Q195、Q215、Q235 -AF 、Q255、Q275； Q295、Q345、Q345、Q390、Q420、Q460 與舊標(biāo)準(zhǔn)的對比： Q235A3 -為構(gòu)件用鋼: 建筑、橋梁、船舶、壓力容器、管道等 優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼(0.06%0.70%) 08F、10、20 : 塑韌性、焊接性好 冷沖、焊接、滲碳件調(diào)質(zhì)后綜合機(jī)性好 調(diào)質(zhì)件強(qiáng)度高、彈性極限高彈性元件 25、30、35、40、45 : 50、60、65 : 碳素工具鋼（0.65%1.35%） T7、T8：一定韌性 沖頭、錘子、鑿子T9、T10：硬度高、韌性適中； 鉆頭、手鋸條、刨刀T12(A)、T13： 硬度高、韌性低 銼、

4、刮刀、量具 低速運轉(zhuǎn)的工具（2） 合金鋼 C% Me% 合金結(jié)構(gòu)鋼： 1/萬 1/百 合金工具鋼： 1/千 特殊性能鋼： 1/千 例： 40Cr 合金結(jié)構(gòu)鋼； 9CrSi 合金工具鋼 CrWMo合金工具鋼；1Cr18Ni9 不銹鋼 特殊： GCr15 1.5%Cr 0Cr18Ni9 0.08% 00Cr18Ni9 0.6%; Mn1.5%; Cr2%; Ni5%時韌性明顯下降 限量使用 但過多則降低韌性 2 形成合金碳化物根據(jù)與碳的親和力，合金元素分為兩類：非碳化物形成元素： Ni、Co、Cu、Al、Si、N、B碳化物形成元素： Mn、Cr、Mo、W、V、Nb、Zr、Ti 以上由弱至強(qiáng) 弱碳化

5、物形成元素、中強(qiáng)碳化物形成元素可置換滲碳體中的鐵原子 (Fe、Mn)3C 、 (Fe、Cr)3C （1）形成合金滲碳體意義： 合金滲碳體較滲碳體穩(wěn)定，熔點和硬度更高 低合金鋼中的主要強(qiáng)化相 （2）形成特殊碳化物 強(qiáng)碳化物形成元素、或較高含量的中強(qiáng)碳化物形成元素（5%）： VC、TiC、WC、Mo2C、Cr23C6、Cr7C3 形成特殊碳化物 特殊碳化物較合金滲碳體穩(wěn)定性更高，熔點與硬度也更高耐較高溫度強(qiáng)化相 高合金鋼中的主要強(qiáng)化相 碳及合金元素在鋼中存在形式及作用： (1)固溶于鐵基體中； (2)形成各類碳化物固溶強(qiáng)化、 第二相強(qiáng)化，提高耐磨性小結(jié)：二 合金元素對鐵碳相圖的影響 1 影響奧氏體

6、、鐵素體存在范圍LL+ +Fe3C+Fe3CL +Fe3CCESPQGC%6.69FeT JNA1意義：在室溫下可能獲得單相奧氏體組織或單相鐵素體組織 奧氏體鋼 擴(kuò)大相區(qū)，使A3 ， A4 ： Cr、W、Mo、V、Ti、 Al、Si、B、Nb、Zr 擴(kuò)大相區(qū)，使A3，A4： Ni、Mn、Cu、Co、C、N2 影響相圖臨界點（S、E)） *所有合金元素均使S、E點左移 4Cr13過共析鋼； W18Cr4V萊氏體鋼 三 對鋼熱處理的影響1 對加熱時相轉(zhuǎn)變的影響： 大多數(shù)合金元素都使奧氏體的長大減慢，成分均勻化難度加大 大多數(shù)合金鋼比碳鋼加熱溫度高，保溫時間長； 但須考慮合金元素對A3的影響， 例含

7、Mn鋼 2 對冷卻轉(zhuǎn)變（C曲線）的影響： 實質(zhì)為對C曲線的影響：典型應(yīng)用：含Mo的貝氏體鋼的設(shè)計原理非碳化物形成元素改變位置，不改變形狀碳化物形成元素 改變位置與形狀，使P、B轉(zhuǎn)變分離(1) 使C曲線位置和形狀改變：(2) 大部分合金元素使C曲線右移意義：提高淬透性 合金元素提高淬透性的順序(由強(qiáng)至弱)： Mo、Mn、W、Cr、Ni、Cu、Si、V 另 B 元素：添加0.0005%0.0035%量 顯著提高淬透性(3) 大部分合金元素Ms、Mf, ,AR%; 高碳、高合金鋼的多次回火工藝，目的之一是減少AR%。注： 合金元素需溶入奧氏體中； 含較多提高淬透性元素的鋼可能在空冷條件下獲馬氏體 例

8、如：W18Cr4V 3 合金元素對回火過程的影響(1) 提高鋼的回火穩(wěn)定性 回火穩(wěn)定性定義： 鋼在回火過程中抵抗軟化的能力。原因：合金元素推遲回火各個階段，增強(qiáng)鋼抵抗軟化能力提高鋼的回火穩(wěn)定性。 合金碳化物穩(wěn)定性高意義： （1）在相同溫度下回火，合金鋼比碳鋼有更高的強(qiáng)硬度；（2）相同強(qiáng)度下合金鋼比碳鋼可在更高溫度下回火，有更好韌性。 （2）產(chǎn)生二次硬化二次硬化：含較多W、Mo、V、Ti及較高C%的鋼回火時，硬度不是隨回火溫度升高單調(diào)下降，而是到某一溫度后反而開始增大（400），并在另一更高溫度（550）達(dá)到峰值。 回火溫度，HRC 200 400 600604020+5%Mo+2%MoC%原因

9、： 馬氏體中析出Mo2C 、VC、TiC 即特殊碳化物在相的位錯區(qū)沉淀析出，與相共格 共格強(qiáng)化與彌散強(qiáng)化 二次淬火：回火中未分解的AR在隨后冷卻到T0.4%時，焊接性差 碳當(dāng)量0.2% 焊接性較好構(gòu)件用鋼只能微合金化、低合金化 (2) Me(3%) 微合金化或低合金化 Mn（0.81.7%）元素作用： 固溶強(qiáng)化、增加珠光體量、細(xì)化珠光體 V、Ti、Nb：彌散強(qiáng)化、細(xì)化晶粒 Cu、P：耐蝕4 典型鋼種： Q295、Q345、Q345、Q390、Q420、Q460 新標(biāo)準(zhǔn)GB/T1591-94 舊標(biāo)準(zhǔn)GB/1591-88 16Mn、 15MnV、14MnNb等 AE ：代表質(zhì)量等級（由低到高），

10、主要是S、P含量的差異新舊標(biāo)準(zhǔn)低合金結(jié)構(gòu)鋼牌號對照 C Mn Si P S Cr NiQ420(C、D、E)5 熱處理：正火 使用狀態(tài)： 熱軋（組織：細(xì)鐵素體索氏體） 與相同碳含量碳鋼相比，低合金高強(qiáng)度鋼綜合性能更佳： 強(qiáng)度更高：25150 塑韌性更好：1525， ak 6080%; 脆性轉(zhuǎn)變溫度(TK)更低； TaKTK二 滲碳鋼 滲碳定義：在增碳的活性介質(zhì)中，鋼的表面為碳所飽和而獲得高碳的滲層組織，稱為滲碳。 目的：提高零件表面硬度、耐磨性和疲勞強(qiáng)度。 滲碳鋼用作整體受沖擊或交變應(yīng)力，表面受磨損的零件，這些零件要求表面硬、心部韌，如機(jī)床、汽車、拖拉機(jī)的變速齒輪等。 1 成分特點： Me：

11、Cr、Ni、Mn、B； V、Ti、Nb淬透性，強(qiáng)韌性阻礙A晶粒長大 低C（0.1%0.25%）2 典型滲碳鋼種 (1) 低淬透性 20Cr、 20Mn2 、 20MnV 、 20CrV 合金總量 100mm高載荷、重要耐磨件中等載荷件熱處理前滲層組織： （1）熱處理工藝： 滲碳 + 淬火 + 低溫回火 （2）組 織： 表面：高碳回火馬氏體 心部：低碳回火馬氏體4 性能： 表面硬耐磨； 心部韌抗沖擊。3 熱處理及使用狀態(tài)的組織：二、滲碳后緩冷的組織1C0.2C心部亞共析區(qū) 共析區(qū) 過共析區(qū)三 調(diào)質(zhì)鋼 調(diào)質(zhì)工藝：淬火+高溫回火， 1 用途： 汽車、拖拉機(jī)、機(jī)床等的重要零件如： 軸類、連桿、齒輪、螺

12、栓等 2 性能要求 受力復(fù)雜：較大的循環(huán)載荷、復(fù)合應(yīng)力 高強(qiáng)度、良好塑韌性、高的疲勞強(qiáng)度 要求高的綜合機(jī)械性能。（1） 中C（0.25%0.5%） C過低：淬硬性不夠回火后強(qiáng)度不夠 C過高：韌性不夠（2） 加入提高淬透性合金元素 Cr、Ni、Mn、Si； 3 成分特點：（3）加入防第二類回火脆性元素 W、Mo等 4 典型鋼種：(1) 低淬透性 40Cr、 40MnB 、 40MnVB D水淬臨界大約2040mm,（2）中淬透性 40CrMn、40CrNi、 40CrMnTi、 35CrMo D水淬臨界大約4060mm,（3）高淬透性 40CrNiMo、30CrNi3 D水淬臨界60100mm,

13、 5 熱處理工藝： 淬火+高溫回火 使用態(tài)組織：回火索氏體 四 彈簧鋼 1 用途： 制作各種彈性元件以產(chǎn)生較大彈性變形，起緩和沖擊、吸收振動等作用。 2 性能要求： 高的彈性極限，屈強(qiáng)比、疲勞強(qiáng)度3 成分特點 (1) 中高碳: 合金彈簧鋼: 0.4%0.7%C ; 碳素彈簧鋼：0.60.9%C (2) Me： Mn、Cr、 Si ：淬透性，固溶強(qiáng)化 Si ：S/ b (屈強(qiáng)比) W、Mo ：防第二類回火脆性1%2%4 典型鋼種：65、60Si2Mn、60Si2MnWA鋼號CSiMn其它65Mn0.620.700.170.370.91.255Si2Mn0.520.601.52.00.60.960

14、Si2Mn0.560.641.52.00.60.960Si2CrVA0.560.641.41.80.40.7Cr: 0.71.060Si2MnWA0.610.691.502.000.701.00W: 0.81.2 5 成型與熱處理工藝： （1）冷成型彈簧 小型 (d1015mm) 熱軋鋼絲或鋼板 淬火+中溫回火 彈簧鋼使用態(tài)組織： 回火屈氏體或屈氏體c. 鉛浴淬火冷拉鋼絲 鉛浴等溫淬火獲屈氏體冷拔、成卷 1600MPa，強(qiáng)度高但不均勻五 滾動軸承鋼 1 用途： 滾動軸承的滾動體、內(nèi)外套圈等。 2 性能要求： 點、線接觸 高的壓應(yīng)力： 15005000MPa 交變應(yīng)力 高的接觸疲勞 摩擦 高硬度

15、與耐磨性： HRC6264 大氣、潤滑油介質(zhì) 耐蝕性3 成分特點： (1) 高碳: 0.951.15%C (2) 低鉻(0.41.65%Cr): 提高淬透性；形成碳化物 (3) 其它元素： Mn、Si ：淬透性 (4) 高的冶金質(zhì)量： *夾雜物與碳化物的控制4 典型鋼種 5 熱處理及使用態(tài)組織： 熱處理工藝：球化退火 + 淬火 + 低溫回火使用態(tài)組織：高碳回火馬氏體+彌散細(xì)小碳化物可用作工具鋼10-4 工具鋼工具鋼分類： 刃具鋼、模具鋼、量具鋼。一、 刃具鋼 (一) 用途： 切削刀具：車刀、銑刀、鉆頭、 鋸、絲錐、板牙等 受 力：彎曲、扭轉(zhuǎn)、剪切、沖擊、 震動、擦 失效形式：磨損、崩刃、卷刃、

16、折斷等(二) 性能要求： （1）高硬度( HRC60) （2）高耐磨性 （3）高的熱穩(wěn)定性或紅硬性 熱穩(wěn)定性：鋼在使用變熱過程中保持其原金相組織與性能的能力。 紅硬性：鋼在高溫條件下保持足夠高硬度的能力?？捎枚啻胃邷鼗鼗鸷笤谑覝貤l件下測得的硬度表示。 (4) 一定的韌性：抗拉壓彎扭，抗沖擊 刃具鋼共性要求不同刃具的性能要求有一定差異基體組織：高碳馬氏體(三)典型刃具鋼種及成分、組織、熱處理特點 刃具鋼按成分分為： 碳素刃具鋼、低合金刃具鋼、 高合金刃具鋼 高速鋼1 碳素工具鋼 (1) 成分特點： 高碳（0.65%1.35%C ） 碳的作用：提高硬度與耐磨性 作用機(jī)理： 、固溶于基體； 、形成F

17、e3C (2) 熱處理及使用態(tài)組織： a. 預(yù)備熱處理：球化退火 目的： 、軟化組織； 、細(xì)化、均勻化組織 b. 最終熱處理： 淬火低溫回火 使用態(tài)組織： 細(xì)針狀高碳回火馬氏體 粒狀Fe3CART12鋼淬火態(tài)組織T12鋼鑄態(tài)組織T12鋼球化退火組織(3) 典型鋼種 T7、 T8： T9、 T10： T12、T13：一定韌性的 沖頭、錘子、鑿子硬度高、韌性適中的鉆頭、手鋸條、刨刀硬度高、韌性低的銼、刮刀等(4) 碳素刃具鋼的應(yīng)用優(yōu)點： 加工工藝簡單； 成本低； 常溫下硬度足夠。缺點： 熱穩(wěn)定性較差：T200, HRC15mm時：水淬下僅表面淬硬 工件尺寸受限，內(nèi)應(yīng)力及變形大 應(yīng)用 ：手動工具或低

18、速運轉(zhuǎn)的工具； 尺寸較小、對變形要求不高的工具 切削軟金屬或木工工具2 低合金刃具鋼 (1) 化學(xué)成分特點 a. 高碳： 0.9%1.5%C; 進(jìn)一步提高硬度與耐磨性 b. 加入淬透性元素: Cr、Mn、Si； c. 加入硬度與耐磨性元素: W、V d. 加入回火穩(wěn)定性元素： Si 注意：合金元素的綜合作用 合金總量15%, 添加大量碳化物形成元素 W、Mo、 Cr、 V等 Cr: 淬透性；回火后形成細(xì)小碳化物 W、Mo：高的紅硬性；二次硬化 V：紅硬性；細(xì)化晶粒(3) 熱處理特點： 萊氏體鋼 粗大的共晶碳化物 a. 反復(fù)鍛造； 打碎粗大的魚骨狀共晶碳化物(2) 典型鋼種： W18Cr4V；

19、Mo8Cr4V2; W6Mo5Cr4V2 b. 分級預(yù)熱（600、800）； c. 高溫淬火（12501300）； d. 分級淬火（600、400）； e. 多次回火（550，三次以上） 目的：產(chǎn)生二次硬化； 消除殘余奧氏體 淬 火：2030AR 一次回火：15 AR 二次回火：57 AR 三次回火：12 AR。(4) 高速鋼組織 淬火組織： 隱晶馬氏體+粒狀碳化物+2030AR 回火組織： 極細(xì)回火馬氏體+大量粒狀碳化物 +少量（12%）AR 性能： HRC6365 600 ： HRC60；鑄態(tài)組織鍛造態(tài)組織淬回火態(tài)組織高速鋼的發(fā)展： (1) 合金化： 加Co：W6Mo5Cr4V2Co12

20、加Al：W6Mo5Cr4V2Al 硬度可達(dá)HRC6870(2) 粉末冶金法：消除萊氏體共晶組織(3) 表面處理工藝：蒸汽處理等(4) 低碳高速鋼： 0.2%C含Co超硬高速鋼成分 滲碳處理 二、模具鋼 包括： 1 熱作模具鋼：要求高溫下的硬度和強(qiáng)度，抗熱疲勞和良好的韌性。 如錘鍛模，擠壓模，壓鑄模。 2 冷作模具鋼：高硬度，耐磨性和一定的韌性。 如沖切模、搓絲模、拉絲模、剪刀片。 3 量具鋼：要求高硬度，高耐磨性和尺寸穩(wěn)定性。 如量規(guī)、樣板、卡尺。 二、模具鋼 包括：熱作模具鋼、 冷作模具鋼、 量具鋼。（一）冷作模具鋼 1 用途：用來制作使金屬冷變形的模具，如冷沖、冷鐓、冷擠壓、沖裁拉絲等模具

21、。 2 工作狀況：變形抗力大；沖擊較大；工作溫度低于200300 3 性能要求：高硬度和耐磨性，一定韌性。 4 常用冷作模具鋼（1）中小型模具 高碳、低合金 如T12、Mn2V、Cr2、CrWMn等。 尺寸小、形狀簡單、負(fù)荷小模具可用低合金刃具鋼代替；（2）大型模具 主要包括高淬透性、高耐磨的高碳高鉻鋼、高碳中鉻鋼、低C高速鋼 或基體鋼。如：Cr12, Cr12MoV高碳高鉻鋼 Cr6WV, Cr4W2MoV, Cr5Mo1V 高碳中鉻鋼 6W6Mo5Cr4V2; Cr4W3Mo2VNb 低C高速鋼 50Cr4Mo3W2V, 0Cr4Mo3Ni2WV 基體鋼其中： 高鉻模具鋼Cr12及Cr12

22、MoV 屬于高C亞共晶萊氏體鋼， 含Cr7C3型化合物（HV2100） 具有高淬透性。 可用兩種熱處理工藝： 1）低溫淬火和低溫回火, M+Ar(少) HRC 61-63； 2）高溫淬火與高溫回火，M+Ar(多) 多次回火，提高硬度。 （3） 新型冷作模具鋼 材質(zhì)上：高韌性、高耐磨性模具鋼 如：8Cr8Mo2VSi、Cr8Mo2V2WSi等 加工工藝上：粉末冶金冷作模具鋼 用水霧化法將鋼水霧化成細(xì)小鋼粉末，通過快速凝固，每顆粉末中的高合金萊氏體得到細(xì)化，顯著改善燒結(jié)后鋼的韌性?？梢陨a(chǎn)用傳統(tǒng)冶金方法難以生產(chǎn)的高碳高合金冷作模具鋼。使鋼中含有更多的硬質(zhì)碳化物VC，具有更高的耐磨性。 （二）熱作模

23、具 金屬的熱成型有兩種途徑： 錘鍛、擠壓壓鑄 熱作模具鋼的特殊要求： 工作溫度可達(dá)600； 韌性、熱穩(wěn)定性要求高 具體： 高溫硬度、高溫強(qiáng)度、 高抗熱塑性變形能力、高韌性、 高抗熱疲勞、良好的抗熱燒蝕性。 1 錘鍛模鋼中碳 ：13%1/8 2/8 3/8 n/8腐蝕速度3 不銹鋼的合金化原理（2）添加形成單相固溶體元素 Ni 、Mn、Cu; 單相奧氏體 Cr12.7%單相鐵素體（3） 可形成致密氧化物元素： 要求：結(jié)構(gòu)致密、不溶于腐介、高電阻 Cr Cr2O3; Al Al2O3; Si SiO2 ； MoO3; 不銹鋼中不可缺的元素： Cr13%Cr的作用：提高基體電極電位； 形成致密氧化膜； 一定條件下形成單相鐵素