第六章合金鋼及其熱處理習題解答

第六章合金鋼及其熱處理習題解答6-1什么是合金元素?按其與碳的作用如何分類?答：1、為了改善鋼的組織和性能，在碳鋼的基礎上，有目的地加入一些元素而制成的鋼，加入的元素稱為合金元素。常用的合金元素有錳、鉻、鎳、硅、鉬、鎢、釩、鈦、鋯、鈷、鈮、銅、鋁、硼、稀土(RE)等。2、合金元素按其與鋼中碳的親和力的大小，可分為碳化物形成元素和非碳化物形成元素兩大類。常見的非碳化物形成元素有：鎳、鈷、銅、硅、鋁、氮、硼等。它們不與碳形成碳化物而固溶于鐵的晶格中，或形成其它化合物，如氮可在鋼中與鐵或其它元素形成氮化物。常見的碳化物形成元素有：鐵、錳、鉻、鉬、鎢、釩、鈮、鋯、鈦等(按照與碳親和力由弱到強排列)。通常釩、鈮、鋯、鈦為強碳化物形成元素；錳為弱碳化物形成元素；鉻、鉬、鎢為中強碳化物形成元素。鋼中形成的合金碳化物主要有合金滲碳體和特殊碳化物兩類。6-2合金元素在鋼中的基本作用有哪些?答：合金元素在鋼中的基本作用有：強化鐵素體、形成合金碳化物、阻礙奧氏體晶粒長大、提高鋼的淬透性和提高淬火鋼的回火穩(wěn)定性。6-3低合金結構鋼的性能有哪些特點?主要用途有哪些?答：低合金結構鋼的性能特點是：①具有高的屈服強度與良好的塑性和韌性；②良好的焊接性；③較好的耐蝕性。低合金結構鋼—般在熱軋空冷狀態(tài)下使用，被廣泛用于制造橋梁、船舶、車輛、建筑、鍋爐、高壓容器、輸油輸氣管道等。6-4合金結構鋼按其用途和熱處理特點可分為哪幾種?試說明它們的碳含量范圍及主要用途。答：合金結構鋼是指用于制造各種機械零件和工程結構的鋼。主要包括低合金結構鋼、合金滲碳鋼、合金調質鋼、合金彈簧鋼、滾動軸承鋼等。1、低合金結構鋼的成分特點是低碳(wC<0.20％)，—般在熱軋空冷或正火狀態(tài)下使用，用于制造橋梁、船舶、車輛、建筑、鍋爐、高壓容器、輸油輸氣管道等。2、合金滲碳鋼的平均wC一般在0.1％～0.25％之間，以保證滲碳件心部有足夠高的塑性與韌性。合金滲碳鋼的熱處理，一般是滲碳后直接淬火和低溫回火。合金滲碳鋼主要用于制造表面承受強烈摩擦和磨損，同時承受動載荷特別是沖擊載荷的機器零件，如汽車、飛機的齒輪，內燃機的凸輪等。3、合金調質鋼的平均wC一般在0.25％～0.50％之間。合金調質鋼的最終熱處理一般為淬火后高溫回火(即調質處理)，組織為回火索氏體，具有高的綜合力學性能。若零件表層要求有很高的耐磨性，可在調質后再進行表面淬火或化學熱處理等。它主要用于制造承受多種載荷、受力復雜的零件，如機床主軸、連桿、汽車半軸、重要的螺栓和齒輪等。4、合金彈簧鋼的平均wC一般在0.45％～0.70％之間，以保證高的彈性極限與疲勞強度。彈簧鋼根據(jù)彈簧尺寸和成形方法的不同，其熱處理方法也不同。(1)熱成形彈簧。當彈簧絲直徑或鋼板厚度大于10～15mm時，一般采用熱成形。其熱處理是在成形后進行淬火和中溫回火，獲得回火托氏體組織，具有高的彈性極限與疲勞強度，硬度為40～45HRC。(2)冷成形彈簧。對于直徑小于8～10mm的彈簧，一般采用冷拔鋼絲冷卷而成。若彈簧鋼絲是退火狀態(tài)的，則冷卷成形后還需淬火和中溫回火；若彈簧鋼絲是鉛浴索氏體化狀態(tài)或油淬回火狀態(tài)，則在冷卷成形后不需再進行淬火和回火處理，只需進行一次200～300℃的去應力退火，以消除內應力，并使彈簧定形。重要彈簧經熱處理后，一般還要進行噴丸處理，使表面強化，并在表面產生殘余壓應力，以提高彈簧的疲勞強度和壽命。60Si2Mn鋼是應用最廣的合金彈簧鋼，被廣泛用于制造汽車、拖拉機上的板簧、螺旋彈簧以及安全閥用彈簧等。彈簧鋼也可進行淬火及低溫回火處理，用以制造高強度的耐磨件，如彈簧夾頭、機床主軸等。5、滾動軸承鋼是用來制造滾動軸承的滾動體(滾針、、滾柱、滾珠)、內外套圈的專用鋼。滾動軸承鋼是高碳鉻鋼，其平均wC為0.95％～1.15％，以保證軸承鋼具有高的強度、硬度和形成足夠的碳化物以提高耐磨性。滾動軸承鋼的熱處理主要為球化退火、淬火和低溫回火，硬度為61～65HRC。對于精密軸承零件，為了保證尺寸的穩(wěn)定性，可在淬火后進行一次冷處理，以減少殘余奧氏體的量，然后低溫回火、磨削加工，最后再進行一次人工時效處理，消除磨削產生的內應力，進一步穩(wěn)定尺寸。6-5試比較碳素工具鋼、低合金刃具鋼和高速鋼的熱硬性，并說明高速鋼熱硬性高的主要原因。答：碳素工具鋼在溫度高于200℃時熱硬性變差；低合金刃具鋼熱硬性在300℃以下；用高速鋼熱硬性可達600℃。高速鋼熱硬性高的主要原因是高速鋼的含碳量較高，wc在0.75％～1.60％的范圍內，并含有大量的碳化物形成元素鎢、鉬、鉻、釩等。高的碳含量是為了在淬火后獲得高碳馬氏體，并保證形成足夠的碳化物，從而保證其高硬度、高的耐磨性和良好的熱硬性；鎢和鉬的作用相似(質量分數(shù)為1％的鉬相當于質量分數(shù)為2％的鎢)，都能提高鋼的熱硬性。含有大量鎢或鉬的馬氏體具有很高的回火穩(wěn)定性，在500～600℃的回火溫度下，因析出微細的特殊碳化物(W2C、Mo2C)而產生二次硬化，使鋼具有高的熱硬性，同時還提高鋼的耐磨性。6-6高速鋼經鑄造后為什么要反復鍛造?為什么選擇高的淬火溫度和三次560℃回火的最終熱處理工藝?這種熱處理是否為調質處理?答：因為高速鋼鑄態(tài)組織中含有大量的魚骨狀碳化物，降低了高速鋼的力學性能，特別是韌性，而且用熱處理方法不能根本改變碳化物的分布狀態(tài)，因此，只能用反復鍛造的方法將碳化物打碎，并使其盡可能均勻分布。鍛造比最好大于10，鍛后必須緩冷，以免開裂。高速鋼的淬火加熱溫度很高(1200～1300℃)的目的是為了使碳化物盡可能多地溶人奧氏體，從而提高淬透性、回火穩(wěn)定性和熱硬性。高速鋼淬火后應立即回火，一般在550～570℃回火三次。在此溫度范圍內回火時，鎢、鉬、釩的碳化物從馬氏體和殘余奧氏體中析出，呈彌散分布，使鋼的硬度明顯上升；進行多次回火，其目的是為了逐步減少殘余奧氏體的量和消除內應力。這種熱處理不是調質。6-7用Cr12鋼制造的冷沖模，其最終熱處理方法有幾種?各適用于什么條件下工作的模具?答：Cr12型鋼的最終熱處理有兩種方法。一種是低溫淬火和低溫回火法(也叫一次硬化法)。這種方法可使模具獲得高硬度和高耐磨性，淬火變形小。一般承受較大載荷和形狀復雜的模具采用此法處理。另一種熱處理方法是高溫淬火和高溫(510～520℃)多次回火法(也叫二次硬化法)。這種方法能使模具獲得高的熱硬性和耐磨性，但韌性較差。一般承受強烈摩擦，在400～450℃條件下工作的模具適用此法。Cr12型鋼用于制造冷沖模沖頭、冷切剪刀、鉆套、量規(guī)、冶金粉模、拉絲模、車刀、鉸刀等。Cr12MoV用于制造截面較大，形狀復雜，工作條件繁重的模具，如圓鋸、搓絲板、切邊模、滾邊模、標準工具與量規(guī)等6-8說明下列鋼號的類別、用途及最終熱處理方法：Q345、ZGMn13、40Cr、20CrMnTi、60Si2Mn、9CrSi、GCr15、W6Mo5Cr4V2、Cr12MoV、1Cr13、0Cr19Ni9、0Cr13A1、5CrMnMo。答：列表回答如下：牌號類別用途最終熱處理Q345低合金高強度結構鋼大型鋼構、橋梁、船舶、鍋爐、壓力容器、重型機械、電站設備等熱軋空冷或正火ZGMn13高錳耐磨鋼車輛履帶、破碎機顎板、球磨機襯板、挖掘機鏟斗、鐵道道岔等水韌處理40Cr合金調質鋼重要的調質件，如，軸類、壓桿螺栓、汽車轉向節(jié)、齒輪等調質處理20CrMnTi合金滲碳鋼承受調整、中載或重載、摩擦的重要滲碳件，如，齒輪、凸輪等滲碳+淬火+低溫回火60Si2Mn合金彈簧鋼減振彈簧、螺旋彈簧等淬火+中溫回火9CrSi合金工具鋼耐磨性高、切削不劇烈的刀具，如，板牙、絲錐、鉆頭等淬火+低溫回火GCr15滾動軸承鋼滾動軸承的內、外圈及滾動體、量塊等淬火+低溫回火W6M05Cr4V2高速鋼要求耐磨性、韌性有較好配合的高速切削刀具，如，絲錐、鉆頭、滾刀、拉刀等。淬火+多次回火Crl2MoV冷作模具鋼用于制造冷沖模、擠壓模等淬火+低溫回火1Cr13馬氏體不銹鋼用于要求塑韌性較高的耐蝕件，如汽輪機葉片、水壓機閥、螺栓、螺母等淬火+回火0Cr19Ni9奧氏體不銹鋼食品設備、一般化工設備等固溶處理0Cr13A1鐵素體耐熱鋼工作溫度低于900℃，受力不大的爐用構件，如，退火爐罩等退火+空冷或緩冷5CrMnMo熱作模具鋼中型錘鍛模淬火+高溫回火6-9對量具鋼有何要求?量具通常采用何種最終熱處理工藝?答：1、量具鋼的性能要求有：高硬度和耐磨性、高的尺寸穩(wěn)定性、足夠的韌性。2、采用碳素工具鋼時，最終熱處理為淬火+低溫回火；采用滲碳鋼時，最終熱處理為滲碳+淬火+低溫回火；采用中碳鋼時，最終熱處理為高頻感應淬火；采用合金工具鋼或滾動軸承鋼時，最終熱處理為淬火+低溫回火。3、對于精度要求高的量具，為保證尺寸穩(wěn)定性，常在淬火后進行一次冷處理，在低溫回火后還應進行一次穩(wěn)定化處理(100～150℃、24～36h)，以進一步穩(wěn)定組織和尺寸，并消除淬火內應力。6-10奧氏體不銹鋼和耐磨鋼的淬火目的與一般合金鋼的淬火目的有何不同?答：奧氏體不銹鋼和耐磨鋼的淬火目的是為了獲得單相奧氏體，而一般合金鋼淬火的目的是為了獲得馬氏體。6-11高錳鋼的耐磨機理與一般淬火工具鋼的耐磨機理有何不同?它們的應用場合有何不同?答：高錳鋼受強烈沖擊或強大擠壓時，表面因塑性變形面產生強烈加工硬化，獲得高的耐磨性，心部保持原來的高韌狀態(tài)。舊表面磨損后新露出的表面又在力的作用下形成新的耐磨層。高錳鋼主要用于制造車輛履帶、破碎機顎板、球磨機襯板、挖掘機鏟斗、鐵路道岔、防彈鋼板等有強烈沖擊或強大擠壓力作用下的耐磨件。一般淬火工具鋼通過淬火+低溫回火整體得到硬而耐磨的馬氏體。工具鋼通常用于制造刀具、刃具、模具等。6-12解釋下列現(xiàn)象：(1)在相同含碳量的情況下，大多數(shù)合金鋼的熱處理加熱溫度都比碳鋼高，保溫時間長；(2)高速鋼需經高溫淬火和多次回火；(3)在砂輪上磨各種鋼制刀具時，需經常用水冷卻；(4)用ZGMn13鋼制造的零件，只有在強烈沖擊或擠壓條件下才耐磨。答：(1)合金元素的加入使碳化物比較穩(wěn)定，不易分解溶入奧氏體，為了得到更均勻的奧氏體，就要提高加熱溫度和保溫時間；(2)高速鋼的淬火加熱溫度很高(1200～1300℃)的目的是為了使碳化物盡可能多地溶人奧氏體，從而提高淬透性、回火穩(wěn)定性和熱硬性。在550～570℃回火，使鎢、鉬、釩的碳化物從馬氏體和殘余奧氏體中析出，呈彌散分布，使鋼的硬度明顯上升；進行多次回火，其目的是為了逐步減少殘余奧氏體的量和消除內應力。(3)若砂輪磨刀具產生的溫度過高，會使刀具回火，故需用水冷卻；(4)用ZGMn13鋼制造的零件，受強烈沖擊或強大擠壓時，表面因塑性變形面產生強烈加工硬化，才能獲得高的耐磨性。9CrSi合金工具鋼耐磨性高、切削不劇烈的刀具，如，板牙、絲錐、鉆頭等淬火+低溫回火GCr15滾動軸承鋼滾動軸承的內、外圈及滾動體、量塊等淬火+低溫回火W6M05Cr4V2高速鋼要求耐磨性、韌性有較好配合的高速切削刀具，如，絲錐、鉆頭、滾刀、拉刀等。淬火+多次回火Crl2MoV冷作模具鋼用于制造冷沖模、擠壓模等淬火+低溫回火1Cr13馬氏體不銹鋼用于要求塑韌性較高的耐蝕件，如汽輪機葉片、水壓機閥、螺栓、螺母等淬火+回火0Cr19Ni9奧氏體不銹鋼食品設備、一般化工設備等固溶處理0Cr13A1鐵素體耐熱鋼工作溫度低于900℃，受力不大的爐用構件，如，退火爐罩等退火+空冷或緩冷5CrMnMo熱作模具鋼中型錘鍛模淬火+高溫回火6-9對量具鋼有何要求?量具通常采用何種最終熱處理工藝？答：量具鋼的性能要求有：高硬度和耐磨性、高的尺寸穩(wěn)定性、足夠的韌性。采用的熱處理方法為下限溫度淬火及冷處理。6-10奧氏體不銹鋼和耐磨鋼的淬火目的與一般合金鋼的淬火目的有何不同?答：奧氏體不銹鋼和耐磨鋼的淬火目的是為了獲得單相奧氏體，而一般合金鋼淬火的目的是為了獲得馬氏體。6-11高錳鋼的耐磨機理與一般淬火工具鋼的耐磨機理有何不同?它們的應用場合有何不同?答：高錳件受強烈沖擊或強大擠壓時，表面因塑性變形面產生強烈加工硬化，獲得高的耐磨性，心部保持原來的高韌狀態(tài)。舊表面磨損后新露出的表面又在力的作用下形成新的耐磨層。應用于有強烈沖擊或強大擠壓力作用下的耐磨件。6-12解釋下列現(xiàn)象：(1)在相同含碳量的情況下，大多數(shù)合金鋼的熱處理加熱溫度都比碳鋼高，保溫時間長；(2)高速鋼需經高溫淬火和多次回火；(3)在砂輪上磨各種鋼制刀具時，需經常用水冷卻；(4)用ZGMn13鋼制造的零件，只有在強烈沖擊或擠壓條件下才耐磨。答