第七章 合金鋼

第七章合金鋼

§7–1合金鋼的基本知識(shí)

一、什么是合金鋼？

為提高鋼的性能，特意在鋼中加入一定量的合金元素，則形成合金鋼。碳鋼的缺點(diǎn)：●基本相(F、Fe3C)性能差；●淬透性低；●回火穩(wěn)定性差，使用溫度不能超過200℃；●沒有特殊性能，如耐腐蝕、抗氧化、高耐磨……。第七章合金鋼第一節(jié)、合金鋼的基本知識(shí)1、分類：二、合金鋼的分類及編號(hào)合金鋼合金結(jié)構(gòu)鋼合金工具鋼特殊性能鋼工程構(gòu)件用鋼（低合金高強(qiáng)度鋼）機(jī)器零件用鋼滲碳鋼調(diào)質(zhì)鋼彈簧鋼軸承鋼易切鋼刃具鋼模具鋼量具鋼低合金刃具鋼高速鋼冷作模具鋼熱作模具鋼（包括塑料模具鋼）不銹鋼耐熱鋼（包括高溫合金）耐磨鋼低溫鋼第一節(jié)、合金鋼的基本知識(shí)2、編號(hào)1）合金結(jié)構(gòu)鋼2)合金工具鋼3）特殊性能鋼“兩位數(shù)字＋元素符號(hào)＋數(shù)字＋…….”18CrNi4W,38CrMoAlA“一位數(shù)字（或無數(shù)字）＋元素符號(hào)＋數(shù)字＋…….”9SiCr,Cr12MoV“一位數(shù)字（或無數(shù)字）＋元素符號(hào)＋數(shù)字＋…….”1Cr18Ni9Ti，0Cr18Ni12Mo2Cu2,00Cr12第一節(jié)、合金鋼的基本知識(shí)2、編號(hào)4）編號(hào)例外的鋼合金結(jié)構(gòu)的滾動(dòng)軸承鋼：在鋼號(hào)前加G，如GCr15合金工具鋼中的高速鋼：W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2，它們的碳量小于1.0%,但不標(biāo)明數(shù)字。三、合金元素在鋼中的主要作用㈠對鋼的力學(xué)性能的影響1。溶入固溶體（鐵素體、奧氏體），固溶強(qiáng)化。2。溶入奧氏體，提高淬透性，形成更多馬氏體，提高強(qiáng)度。3。形成穩(wěn)定碳化物，加熱時(shí)阻礙A晶粒長大，細(xì)化晶粒。4。形成穩(wěn)定碳化物，具有高硬度，提高耐磨性。5。形成穩(wěn)定碳化物，彌散分布，彌散強(qiáng)化。6。擴(kuò)散慢，推遲回火轉(zhuǎn)變，提高回火穩(wěn)定性，在某些高合金鋼中產(chǎn)生二次硬化。㈡對鋼的工藝性能的影響合金鋼在壓力加工、焊接、熱處理及切削加工的工藝性能方面比碳鋼差。第一節(jié)、合金鋼的基本知識(shí)三、合金元素在鋼中的作用1、強(qiáng)化作用形成合金鐵素體

鋼中非碳化物形成元素如Si、Mn、Al、Ni、Co等，基本上都能溶入基體相鐵素體中形成合金鐵素體，使鋼的強(qiáng)度、硬度升高而韌性降低。PSiMnNiMoVWCr溶入鐵素體的合金元素，wt%硬度第一節(jié)、合金鋼的基本知識(shí)三、合金元素在鋼中的作用1、強(qiáng)化作用形成合金滲碳體

鋼中含有強(qiáng)碳化物形成元素（如Cr、Mo、W、V、Nb、Ti等）時(shí)，其中一部分溶入Fe3C中形成合金滲碳體，如（Fe，Cr）3C、（Fe，Mn）3C。另一部分形成特殊的碳化物，如Cr23C6，Cr7C3、WC、VC、NbC、TiC等金屬化合物，此外也有少部分溶入鐵素體。合金元素，wt%沖擊韌性NiCrMnMoWSi第一節(jié)、合金鋼的基本知識(shí)二、合金元素在鋼中的作用2、改變Fe－C相圖擴(kuò)大g

區(qū):

Ni,Mn,Co,C,N,Cu等合金元素與Fe作用能擴(kuò)大g相區(qū)，使A3線下降；特別是鋼中加入一定量的Ni、Mn元素時(shí)，可使相圖中的g區(qū)擴(kuò)大，到室溫以下仍能獲得正常的奧氏體組織。Mn13，1Cr18Ni9Ti。擴(kuò)大a區(qū):

Si,Cr,V,Ti,W,Mo等合金元素與Fe作用能擴(kuò)大a相區(qū)，使A3線升高；鋼中加入一定量的Cr、Si元素時(shí)，可使相圖中的g區(qū)消失。對S、E的影響

所有的合金元素使S和E點(diǎn)左移，致使共析和共晶成分中的碳含量減少。如4Cr13不銹鋼中含碳量為0.4%，但卻屬于過共析鋼。第二節(jié)合金結(jié)構(gòu)鋼一、普通低合金鋼（低合金高強(qiáng)度鋼）1。用途：用于工程構(gòu)件，橋梁、建筑、車輛、船舶……常用鋼種：Q295,Q345,Q390,Q420,Q460（Q275以下是普通碳素結(jié)構(gòu)鋼）2。成分特點(diǎn)：Wc＜0.25%，W合金元素＜

3%，以Mn為主。合金元素能固溶強(qiáng)化、細(xì)化晶粒、彌散強(qiáng)化。強(qiáng)度較高，韌性較好，壓加性能好，焊接性能好。3熱處理：熱軋狀態(tài)下使用，即出廠后不再進(jìn)行熱處理，使用狀態(tài)是正火組織：F+S。二、滲碳鋼1。用途：用于要求表硬里韌的零件，如汽車變速箱齒輪。2。成分特點(diǎn)：Wc＝0.1~0.25%，加入合金元素。提高淬透性，細(xì)化晶粒，提高耐磨性，提高回火穩(wěn)定性……3。常用鋼種15,20,20Cr,20CrV,20MnCr,20CrMnTi,18Cr2Ni4WA,20Cr2Ni4A等。4。預(yù)先熱處理：正火，最終熱處理：滲碳+淬火+低溫回火。組織：表面為過共析鋼：M回+A’+碳化物，約HRC60；心部為亞共析鋼：一般為混合組織，HRC30~50。

三、調(diào)質(zhì)鋼1。用途：用于要求強(qiáng)韌性配合的重要零件，如主軸、連桿、調(diào)質(zhì)齒輪、高強(qiáng)度螺栓……。2。成分特點(diǎn)：Wc＝0.3~0.50%，加入合金元素。提高淬透性，固溶強(qiáng)化，細(xì)化晶粒，提高回火穩(wěn)定性等3。常用鋼種：40,45,40Cr,35SiMn,40MnB,35CrNi,37CrNi3,40CrNiMo……4。預(yù)先熱處理：完全退火，最終熱處理：淬火+高溫回火（也稱調(diào)質(zhì)）。組織：回火索氏體（S回），HRC25~40。調(diào)質(zhì)一般安排在粗、精加工之間進(jìn)行。當(dāng)零件局部要求耐磨性時(shí)，調(diào)質(zhì)后應(yīng)進(jìn)行局部表面淬火。

四、彈簧鋼1。用途：用于各類彈簧。2。成分特點(diǎn)：Wc＝0.50~0.70%，主加Si,Mn。提高淬透性，細(xì)化晶粒，提高回火穩(wěn)定性等.3。常用鋼種：60,65,65Mn,60Si2Mn，60Si2CrVA……4。熱處理：⑴熱成形彈簧：熱成形后進(jìn)行淬火+中溫回火。組織：回火屈氏體（T回），HRC40~50。⑵冷成形彈簧：對小尺寸彈簧，用強(qiáng)化彈簧鋼絲冷繞成形，再去應(yīng)力退火。五、滾動(dòng)軸承鋼此鋼種本屬于結(jié)構(gòu)鋼，但其性能要求、成分工藝特點(diǎn)均與低合金刃具鋼相同，故放在工具鋼中一并討論。加合金元素第三節(jié)合金工具鋼一、分類1。刃具用鋼：低合金刃具鋼，高速工具鋼；2。模具用鋼：冷作模具鋼，熱作模具鋼；3。量具用鋼二、性能要求：●高硬度加高碳至0.6%以上●高耐磨性●高淬透性●高熱（紅）硬性●足夠的塑性韌性三、選材及熱處理的一般規(guī)律㈠250℃以下工作的工具如：手工工具、低速刃具、冷作模具、冷軋輥、量具等1。選用：如9SiCr,9Cr2,9Mn2V,CrWMn,GCr15……要求低的還可用碳素工具鋼：T8,T10,T12等2。熱處理：預(yù)先熱處理：球化退火最終熱處理：淬火+低溫回火組織：M回+A’+碳化物白亮的碳化物分布在暗色的回火馬氏體和殘余奧氏體基體上。例如9SiCr鋼制絲錐(Ac1770℃,Acm870℃)淬火加熱溫度為840℃（低合金工具鋼一般Ac1+70℃＜Acm），回火溫度為200℃。性能：高硬度，高耐磨性，適當(dāng)韌性，滿足絲錐的使用要求。凡是要求高硬度，高耐磨性，適當(dāng)韌性的工件都應(yīng)選用上述鋼種并進(jìn)行類似的熱處理。

㈡250℃~600℃工作的刃具應(yīng)選用高速工具鋼：W6Mo5Cr4V2,W18Cr4V。1。高速鋼的鑄態(tài)組織與鍛造因大量合金元素的作用，高速鋼結(jié)晶過程中發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變，產(chǎn)生萊氏體，故高速鋼屬萊氏體鋼。鑄態(tài)組織中存在大量粗大魚骨狀共晶碳化物，脆性很大，不能直接使用。此缺陷不能用熱處理方法消除，只能通過反復(fù)多向的鍛造，擊碎粗大碳化物，并使之分布均勻。凡是萊氏體鋼（除高速鋼外，還有Cr12型鋼等）都必須進(jìn)行這樣的鍛造。2。高速鋼的熱處理為使高速鋼刃具具有紅硬性，其最終熱處理的特點(diǎn)是：●高溫加熱淬火●560℃多次回火⑴高溫加熱淬火W6Mo5Cr4V2:1220

℃,W18Cr4V:1280℃

使大量合金元素在加熱時(shí)溶入奧氏體，淬火后形成高合金度

的馬氏體，為二次硬化作準(zhǔn)備。

加熱時(shí)未溶的碳化物阻礙奧氏體晶粒長大。

淬火組織：高合金度M+大量A’+未溶碳化物

⑵560℃多次回火，硬度再次升高，產(chǎn)生二次硬化。原因：①300℃后從M內(nèi)析出大量的穩(wěn)定的合金碳化物，彌散分布，因彌散強(qiáng)化使硬度升高，至560℃時(shí)硬度達(dá)到峰值。②回火冷卻時(shí)，發(fā)生殘余奧氏體向馬氏體的轉(zhuǎn)變，即二次淬火，冷卻后硬度進(jìn)一步升高。多次回火可使A’繼續(xù)減少，硬度提高2~4個(gè)HRC單位，獲得紅硬性。最終組織：M回+少量A’+碳化物

㈢模具用鋼簡介模具：在不同溫度下對材料施力使之按要求成形的工具。1。冷作模具的選材（冷沖模、冷擠模、冷鐓模、拉絲模等）⑴一般選用碳素工具鋼、低合金刃具鋼、滾動(dòng)軸承鋼。熱處理：球化退火；淬火+低溫回火。存在問題：皆為過共析鋼，韌性往往不足，尤其二次碳化物易成網(wǎng)狀，脆性大，易開裂、崩刃。新鋼種：高強(qiáng)韌性低合金冷模具鋼6CrMnNiMoVSi（GD鋼）特點(diǎn)：●降碳，提高韌性；

●合金元素多元少量，提高淬透性、固溶強(qiáng)化、細(xì)化晶粒、提高耐磨性、回火穩(wěn)定性，彌補(bǔ)了因降碳帶來的強(qiáng)度損失。⑵重負(fù)荷、大尺寸、形狀復(fù)雜者用高/中合金鋼

高速鋼、Cr12型鋼（Cr12、Cr12Mo、Cr12MoV等）

存在問題：皆為萊氏體鋼，碳化物易不均勻分布，脆性大。

新鋼種：高耐磨高強(qiáng)韌性模具鋼9Cr6W3Mo2V2（GM鋼）

改變了碳化物類型，使其分布更均勻、細(xì)小，鋼的硬度、耐磨性、韌性都比Cr12型鋼提高。

2。熱作模具的選材（錘鍛模、熱擠壓模、精鍛模等）⑴性能要求：高回火穩(wěn)定性、高淬透性、高熱疲勞抗力、熱磨損抗力、較好的韌性。必須使用合金鋼。

⑵成分：中碳加合金元素，Wc=0.3~0.6%

合金元素:Cr、W、Mo、Ni、Si等

⑶典型鋼種鋼種適宜的使用溫度5CrMnMo~500℃5CrNiMo~500℃4Cr5MoSiV1(H13)500℃~600℃3Cr2W8