工業(yè)用鋼類型和作用

1、工業(yè)用鋼類型和作用退火、正火、淬火、回火工藝介紹、目的、組織、性能與應用。各種工藝的優(yōu)缺點。淬透性和淬硬性第十章 內容回顧本章主要內容：11.1 概述11.2 合金元素在鋼中的作用11.3 合金結構鋼11.4 工具鋼11.5 特殊性能鋼第十一章 工業(yè)用鋼本章重點: 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、應用; 3 各類鋼的典型鋼種。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。第十一章 工業(yè)用鋼一 多鋼種原因 碳鋼優(yōu)點：價廉

2、、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）強度、屈強比較低； 20鋼與16Mn的s：240、360MN/m2； 40鋼與35CrNi3Mo的s/b11.1 概述(3) 回火穩(wěn)定性差， 綜合機性不高； 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11.1 概述 二 鋼分類及編號1 鋼分類（1）按化學成分： 碳 鋼 低、中、高碳鋼：0.25%；0.6% 合金鋼 低、中、高合金鋼：5%；10%） 為改善鋼的性能，冶煉時在碳鋼的基礎上 特意加入一定的合金元素所獲得的鋼。11.1 概述（2）按用途： 結構鋼

3、：工程構件、機器零件 工具鋼：刃、量、模 特殊性能鋼：耐熱、耐蝕、磁性（3）按質量等級： 普通、優(yōu)質、高級優(yōu)質； 實際中往往采取綜合法： 高級優(yōu)質合金工具鋼11.1 概述2 鋼編號 反映：成分、用途 （1）碳鋼（碳素結構鋼、碳素工具鋼） 普通碳素結構鋼 （0.06%0.4%）力性要求 Q195、Q215、Q235 -AF 、Q255、Q275； Q295、Q345、Q345、Q390、Q420、Q460 -為構件用鋼: 建筑、橋梁、船舶、壓力容器、管道等11.1 概述 優(yōu)質碳素結構鋼(0.06%0.70%)成分 08F、10、20 : 塑韌性、焊接性好 冷沖、焊接、滲碳件調質后綜合性能好 調質

4、件強度高、彈性極限高彈性元件 25、30、35、40、45 : 50、60、65 : 11.1 概述 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、刮刀、量具 低速運轉的工具11.1 概述（2） 合金鋼 C% Me% 合金結構鋼： 1/萬 1/百 合金工具鋼： 1/千 特殊性能鋼： 1/千 例： 40Cr 合金結構鋼； 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% 06 00Cr18

5、Ni9 0.03% 022 0.6%; Mn1.5%; Cr2%; Ni5%時韌性明顯下降 限量使用11.2 合金元素在鋼中的作用 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11.2 合金元素在鋼中的作用 弱碳化物形成元素、中強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化相 11.2 合金元素在鋼中的作用（2）形成特殊碳化物 強碳化

6、物形成元素、或較高含量的中強碳化物形成元素（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的強化相 高合金鋼中的主要強化相11.2 合金元素在鋼中的作用小結： 碳在鋼中的存在形式及作用： (1)固溶于鐵基體中； (2)形成各類碳化物固溶強化、 第二相強化，提高耐磨性11.2 合金元素在鋼中的作用二 合金元素對鐵碳相圖的影響 1 影響奧氏體、鐵素體存在范圍LL+ +Fe3C+Fe3CL +Fe3CCESPQGC%6.69FeT JNA111.2 合金元素在鋼中的作用意義：在室溫下可能獲得單相奧氏體組織

7、或單相鐵素體組織 奧氏體鋼 擴大相區(qū)，縮小相區(qū)使A3 ， A4 ： Cr、W、Mo、V、Ti、 Al、Si、B、Nb、Zr 擴大相區(qū)，使A3，A4： Ni、Mn、Co、Cu、C、N11.2 合金元素在鋼中的作用2 影響相圖臨界點（S、E)） *所有合金元素均使S、E點左移 40Cr13過共析鋼； W18Cr4V萊氏體鋼11.2 合金元素在鋼中的作用 三 對鋼熱處理的影響1 對加熱時相轉變的影響： 大多數(shù)合金元素（Ni、Co除外）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Mn鋼 11.2 合金元素在鋼中的作用2 對冷

8、卻轉變（C曲線）的影響： 實質為對C曲線的影響：(1) 使C曲線位置和形狀改變：典型應用：含Mo的貝氏體鋼的設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轉變分離11.2 合金元素在鋼中的作用11.2 合金元素在鋼中的作用(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11.2 合金元素在鋼中的作用(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：

9、 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 例如：W18Cr4V11.2 合金元素在鋼中的作用 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11.2 合金元素在鋼中的作用意義： （1）在相同溫度下回火，合金鋼比碳鋼有更高的強硬度；（2）相同強度下合金鋼比碳鋼可在更高溫度下回火，有更好韌性。 11.2 合金元素在鋼中的作用（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

10、高單調下降，而是到某一溫度后反而開始增大（400），并在另一更高溫度（550）達到峰值。 回火溫度，HRC 200 400 600604020+5%Mo+2%Mo0.35C%11.2 合金元素在鋼中的作用原因： 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 共格強化與彌散強化 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 碳當量0.2% 焊接性較好構件用鋼只能微合金化、低合金化 11.3 合金結構鋼(2) Me(3%) 微合金化或低合金化 Mn（0.81.7%）元素作用： 固溶強化、增加珠光體量、細化珠光體 V、Ti、Nb：彌散強化、細化

11、晶粒 Cu、P：耐蝕11.3 合金結構鋼4 典型鋼種： Q295、Q345、Q390、Q420、Q460 新標準GB/T1591-94 舊標準GB/1591-88 16Mn、 15MnV、14MnNb等 AE ：代表質量等級（由低到高）， 主要是S、P含量的差異11.3 合金結構鋼新舊標準低合金結構鋼牌號對照11.3 合金結構鋼11.3 合金結構鋼 C Mn Si P S Cr NiQ460(C、D、E) 0.7 0.711.3 合金結構鋼5 熱處理：正火 使用狀態(tài)： 熱軋（組織：細鐵素體索氏體） 與相同碳含量碳鋼相比，低合金高強度鋼綜合性能更佳： 強度更高：25150 塑韌性更好：1525，

12、 ak 6080%; 脆性轉變溫度(TK)更低； TaKTK11.3 合金結構鋼二 滲碳鋼 滲碳定義：在增碳的活性介質中，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、耐磨性和疲勞強度。 滲碳鋼用作整體受沖擊或交變應力，表面受磨損的零件，這些零件要求表面硬、心部韌，如機床、汽車、拖拉機的變速齒輪等。11.3 合金結構鋼 1 成分特點： Me： Cr、Ni、Mn、B、Mo、W、Si； V、Ti、Nb淬透性，強韌性阻礙A晶粒長大 低C（0.1%0.25%）11.3 合金結構鋼2 典型滲碳鋼種 (1) 低淬透性 20Cr、 20Mn2 、 20MnV 、 20CrV 合

13、金總量 100mm高載荷、重要耐磨件中等載荷件11.3 合金結構鋼3 熱處理及使用狀態(tài)的組織： 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。11.3 合金結構鋼二、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)11.3 合金結構鋼11.3 合金結構鋼三 調質鋼 調質工藝：淬火+高溫回火， 1 用途： 汽車、拖拉機、機床等的重要零件如： 軸類、連桿、齒輪、螺栓等 2 性能要求 受力復雜：較大的循環(huán)載荷、復合應力 高強度、良好塑韌性、高的疲勞強度 要求高的綜合機械

14、性能。11.3 合金結構鋼（1） 中C（0.25%0.5%） C過低：淬硬性不夠回火后強度不夠 C過高：韌性不夠（2） 加入提高淬透性合金元素 Cr、Ni、Mn、Si、B； 3 成分特點：（3）加入防第二類回火脆性元素 W、Mo等（4）細化奧氏體晶粒元素 W、Mo、V、Al11.3 合金結構鋼 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水淬臨界大于60mm D水淬臨界6010

15、0mm, 5 熱處理工藝： 淬火+高溫回火 使用態(tài)組織：回火索氏體11.3 合金結構鋼11.3 合金結構鋼11.3 合金結構鋼11.3 合金結構鋼 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，屈強比、疲勞強度、塑性和韌性11.3 合金結構鋼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，固溶強化 Si ：S/ b (屈強比) W、Mo ：防第二類回火脆性1%2%11.3 合金結構鋼 4 典型鋼種：65Mn、60Si2Mn、

16、60Si2MnWA鋼號CSiMn其它65Mn0.620.700.170.370.91.255Si2Mn0.520.601.52.00.60.960Si2Mn0.560.641.52.00.60.960Si2CrVA0.560.641.41.80.40.7Cr:0.71.060Si2MnWA0.610.691.502.000.701.00W: 0.81.211.3 合金結構鋼 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，強度高但不均

17、勻11.3 合金結構鋼五 滾動軸承鋼 1 用途： 滾動軸承的滾動體、內外套圈等。 2 性能要求： 點、線接觸 高的壓應力： 15005000MPa 交變應力 高的接觸疲勞 摩擦 高硬度與耐磨性： HRC6264 大氣、潤滑油介質 耐蝕性11.3 合金結構鋼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) 高的冶金質量： *夾雜物與碳化物的控制11.3 合金結構鋼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

18、小碳化物可用作工具鋼11.3 合金結構鋼11.3 合金結構鋼11.3 合金結構鋼11.3 合金結構鋼11.4 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、剪切、沖擊、 震動、磨擦 失效形式：磨損、崩刃、卷刃、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

19、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11.4 工具鋼(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 作用機理： 、固溶于基體； 、形成Fe3C11.4 工具鋼 (2) 熱處理及使用態(tài)組織： a. 預備熱處理：球化退火 目的： 、軟化組織； 、細化、均勻化組織 b. 最終熱處理： 淬火低溫回火 使用態(tài)組織： 細針狀高碳回火馬氏體 粒狀Fe3CAR11.4 工具鋼T12鋼淬火態(tài)組織T12鋼鑄態(tài)組織 T12鋼球化退火

20、組織11.4 工具鋼(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11.4 工具鋼(4) 碳素刃具鋼的應用優(yōu)點： 加工工藝簡單； 成本低； 常溫下硬度足夠。11.4 工具鋼缺點： 熱穩(wěn)定性較差：T200, HRC15mm時：水淬下僅表面淬硬 工件尺寸受限，內應力及變形大 應用 ：手動工具或低速運轉的工具； 尺寸較小、對變形要求不高的工具 切削軟金屬或木工工具11.4 工具鋼2 低合金刃具鋼 (1) 化學成分特點 a. 高碳： 0.9%1.5%C; 進一步提高硬度與耐磨性 b. 加入淬

21、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%, 添加了大量碳化物形成元素 W、Mo、 Cr、 V等 Cr: 淬透性；回火后形成細小碳化物 W、Mo：高的紅硬性；二次硬化 V：紅硬性；細化晶粒11.4 工具鋼(3) 熱處理特點： 萊氏體鋼 粗大的共晶碳化物 a. 反復鍛造； 打碎粗大的魚骨狀共晶碳化物(2) 典型鋼種： W18Cr4V； Mo8Cr4V2; W6Mo5Cr4V211.4 工具鋼11.4 工具鋼 b. 分級預熱（600、800）； c. 高溫淬火（12501300）； d. 分級淬火

22、（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。11.4 工具鋼11.4 工具鋼11.4 工具鋼(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： 極細回火馬氏體+大量粒狀碳化物 +少量（12%）AR 性能： HRC6365 600 ： HRC60；11.4 工具鋼鑄態(tài)組織鍛造態(tài)組織淬回火態(tài)組織11.4 工具鋼高速鋼的發(fā)展： (1) 合金化： 加Co：W6Mo5Cr4V2Co12 加Al：W6Mo5Cr4V2Al 硬度可達HRC6

23、870(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11.4 工具鋼11.4 工具鋼 二、模具鋼 包括： 1 熱作模具鋼：要求高溫下的硬度和強度，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。11.4 工具鋼 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。

24、 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。 11.4 工具鋼 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、負荷小模具可用低合金刃具鋼代替；11.4 工具鋼（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; 5Cr4W3Mo2VNb 低C高速鋼 50Cr4Mo3W2V, 60Cr4Mo3Ni2WV 基體鋼

25、11.4 工具鋼其中： 高鉻模具鋼Cr12及Cr12MoV 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。 11.4 工具鋼（3） 新型冷作模具鋼 材質上：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化，顯著改善燒結后鋼的韌性?？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

26、鋼。使鋼中含有更多的硬質碳化物VC，具有更高的耐磨性。 11.4 工具鋼（二）熱作模具 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600； 韌性、熱穩(wěn)定性要求高 具體： 高溫硬度、高溫強度、 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。11.4 工具鋼 1 錘鍛模鋼中碳 ：13%1/8 2/8 3/8 n/8腐蝕速度11.5 特殊性能鋼11.5 特殊性能鋼（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11.5 特殊性能鋼（3） 可形成致密氧化物元素： 要求：結構致密、不溶于腐介、高電阻 Cr Cr2O3; Al Al2O3; Si SiO2 ； MoO3;