第三節(jié) 特殊性能鋼及合金

第三節(jié)特殊性能鋼及合金特殊性能鋼是指不銹鋼、耐熱鋼、耐磨鋼等具有特殊物理、化學(xué)和力學(xué)性能的鋼。一、不銹鋼二、耐熱鋼三、耐磨鋼四、硬質(zhì)合金五、其它新型合金一、不銹鋼2.防止金屬腐蝕的措施：形成保護(hù)膜——如形成致密的Al2O3、Cr2O3薄膜使金屬呈單相組織，避免形成原電池——不銹鋼

提高基體電極電位，減小電極電位差——鋼中加入>13Cr％，F(xiàn)的電極電位由-0.56V提高至0.2V。（一）概述1.金屬的腐蝕形式：化學(xué)腐蝕——金屬和周圍介質(zhì)直接發(fā)生化學(xué)作用。如金屬加熱時生成的氧化皮等。

電化學(xué)腐蝕——金屬在電解質(zhì)中由于原電池作用而引起的腐蝕。如金相試樣制備過程中的化學(xué)浸蝕過程。不銹鋼是指某些在大氣和一般介質(zhì)中具有較高化學(xué)穩(wěn)定性的鋼。補(bǔ)充資料1形成保護(hù)膜形成單相組織王水（濃硝酸與濃鹽酸比為1：3）

Cr：提高抗蝕能力的基本元素、能在鋼表面形成一層保護(hù)性的Cr2O3薄膜；提高鋼基體的電極電位；形成單相的鐵素體組織。Ni：使鋼呈單相奧氏體組織，提高鋼的塑性和韌性，改善鋼的焊接性能Cu和Mo：提高鋼的耐腐蝕作用C：

對提高鋼的抗腐蝕作用不利，但能提高鋼的強(qiáng)度和硬度3.不銹鋼所含元素及作用：性能：具有較高的強(qiáng)度、硬度、耐磨性。應(yīng)用于要求力學(xué)性能要求較高，抗蝕性能一般的零件。如彈簧、軸、水壓機(jī)閥、汽輪機(jī)葉片、軸承、刃具等。按室溫組織分為：M不銹鋼、F不銹鋼、

A不銹鋼等（二）不銹鋼的種類與特點(diǎn)

常用的馬氏體不銹鋼：1Cr13、2Cr13、3Cr13、4Cr13、9Cr181.馬氏體不銹鋼成分：含較高的Cr、較高的C

WCr12%~18%，WC0.1%~0.45%熱處理：1Cr13、2Cr13淬火+高溫回火→S回3Cr13、4Cr13淬火+低溫回火→M回1000~1100℃油淬200~300℃500~790℃用途：1Cr13、2Cr13等鋼

在力學(xué)性能上與調(diào)質(zhì)鋼相似，主要用作在腐蝕介質(zhì)中受沖擊載荷的汽輪機(jī)葉片、鍋爐管附件、水壓機(jī)閥等。溫度時間3Cr13、4Cr13

等鋼常用于弱腐蝕條件下工作且要求高硬度的醫(yī)療器械、彈簧、刃具、熱油泵軸等。2.鐵素體不銹鋼成分及性能：含Cr較高(12~32%

)含C較低(<0.15%)耐蝕、抗高溫氧化能力優(yōu)于M不銹鋼常用的鋼號：1Cr17、1Cr25、1Cr28、0Cr17Ti、1Cr25Ti成分：

WCr17~19%、WNi8~

11%性能：具有良好的韌性、塑性、焊接性、抗腐蝕性能3.奧氏體不銹鋼用途：強(qiáng)度要求不高，耐蝕性較高的場合，如硝酸、氮肥工業(yè)設(shè)備、容器、管道和食品工廠設(shè)備等。奧氏體不銹鋼的晶間腐蝕及其防止晶間腐蝕：奧氏體不銹鋼500-700℃保溫時，晶界處析出碳化物(Cr23C6)使晶界附近Cr含量降低，使晶界容易引起腐蝕。（3）熱處理消除晶間腐蝕傾向：850~900℃保溫2~3小時，空冷防止晶間腐蝕的方法：（1）

降低C含量WC0.06%以下，使鋼不易形成Cr23C6，但其強(qiáng)度較低。0Cr18Ni9（2）

加入強(qiáng)碳化物形成元素Ti或Nb，使形成TiC或NbC，而不形成Cr23C6。1Cr18Ni9Ti常用不銹鋼的成分、牌號、熱處理及性能特點(diǎn)見表6-18（P168-169）c)a)b)不銹鋼的原始組織補(bǔ)充資料21Cr18Ni9Ti304316L1Cr18Ni9Ti316L在30%硫酸溶液中宏觀腐蝕照片在10%硫酸溶液中宏觀腐蝕照片a)1Cr18Ni9Ti304b)c)在含5%FeCl3的10%硫酸溶液中宏觀腐蝕照片a)b)c)在30%硫酸溶液中微觀腐蝕形貌二、耐熱鋼

金屬材料的耐熱性包含高溫抗氧化性和高溫強(qiáng)度耐熱鋼是指具有良好的高溫抗氧化性和高溫強(qiáng)度的鋼。（一）金屬耐熱性的基本概念金屬的高溫抗氧化性是指鋼在高溫條件下對氧化作用的抗力，是鋼能否持久地工作在高溫下的重要保證條件。金屬的高溫強(qiáng)度是指金屬材料在高溫下對機(jī)械載荷作用的抗力，即高溫下金屬材料抵抗塑性變形和破壞的能力。1.）馬氏體型耐熱鋼主要含Cr、Mo、Si等元素。熱處理：淬火＋回火，組織為：M回或S回Cr13

+W、Mo(強(qiáng)化基體的合金元素）

+V、Ti、Nb(強(qiáng)碳化物形成元素）牌號：4Cr9Si24Cr10SiMo1Cr131Cr11MoV（二）常用耐熱鋼根據(jù)成分、性能和用途耐熱鋼分為抗氧化鋼和熱強(qiáng)鋼1、抗氧化鋼在Cr鋼、Ni鋼、CrMnN鋼基礎(chǔ)上添加Si、Al、稀土元素等形成的鋼。如3Cr18Mn12SiN、2Cr20MN9Ni2Si2N、3Cr18Ni25Si2等。常用于工作溫度達(dá)1000℃的零件，如加熱爐受熱零件、鍋爐吊鉤等2、熱強(qiáng)鋼常用于600以下承受較大載荷的汽輪機(jī)葉片、增壓器葉片等2）奧氏體型耐熱鋼高溫抗蝕性能、抗氧化性能比馬氏體型耐熱鋼好；還具有良好的塑性變形性能和焊接性能，但切削加工性能不好。1Cr18Ni9Ti4Cr14Ni14W2Mo等鋼常用作內(nèi)燃機(jī)排氣閥、燃?xì)廨啓C(jī)輪盤和葉片等。根據(jù)工作溫度選材的原則：<

300℃選普通結(jié)構(gòu)鋼；300~600℃

選馬氏體型耐熱鋼；600~800℃

選奧氏體型耐熱鋼；800~1000℃

選鎳基合金1000℃以上選用鉬基合金和金屬陶瓷。

含碳量較低，合金元素總量<3~5％。如12CRMoV、15CrMo等鋼，常用于600以下的高、中壓蒸汽鍋爐的鍋爐管、過濾器等。3）珠光體型耐熱鋼爐用加熱元件耐熱鋼管耐熱料盤燃燒器噴嘴三、耐磨鋼

主要指在沖擊載荷作用下發(fā)生加工硬化的高錳鋼，主要應(yīng)用于使用過程中經(jīng)受強(qiáng)烈沖擊和嚴(yán)重磨損的零件。這種鋼機(jī)加工比較困難，基本上都是鑄造成型的，牌號為ZGMn13（一）化學(xué)成分

WC1.0~1.3%WMn11.0%~14.0%由于冷速很快，碳化物來不及析出，得到單相奧氏體組織，此時鋼的硬度很低(180~220HBS)，而塑性、韌性很高。當(dāng)受到強(qiáng)烈沖擊載荷和較大壓力時，表面產(chǎn)生加工硬化并伴隨有相變A→M，使鋼的硬度升高到500~550HBS，故耐磨性增加。高錳鋼水韌處理后不再回火（否則碳化物會重新沿晶界析出）。水韌處理：將鑄造后的高錳鋼加熱到1000~1100℃，并保持一定時間，使碳化物完全溶入奧氏體中，然后水中冷卻。（二）熱處理——水韌處理

在1290~1350℃直接澆注，隨后冷卻過程中，大量的碳化物沿奧氏體晶界析出，使鋼變脆。應(yīng)用高錳鋼廣泛應(yīng)用于既要求耐磨又要求耐沖擊的一些零件：鐵路道岔、挖掘機(jī)鏟斗、拖拉機(jī)和坦克的履帶板、碎石機(jī)的顎板、襯板等。磨環(huán)與磨球落煤管三叉管送粉管道耐磨彎頭錐斗四、硬質(zhì)合金

硬質(zhì)合金是將一些難熔的化合物粉末和粘結(jié)劑混合，加壓成型，再經(jīng)燒結(jié)而成的一種粉末冶金材料。硬度高、熱硬性好、耐磨性優(yōu)良。切削速度可比高速鋼提高4~7倍，刀具壽命可提高5~80倍。（二）硬質(zhì)合金的分類：1.金屬陶瓷硬質(zhì)合金

將難熔的金屬碳化物粉末（如WC、TiC等)與粘結(jié)劑Co混合后加壓成型，再經(jīng)燒結(jié)而成。（一）硬質(zhì)合金的特點(diǎn)：金屬陶瓷硬質(zhì)合金和鋼結(jié)硬質(zhì)合金（1）鎢鈷類：YG3、YG6、YG8等（2）鎢鈷鈦類：YT5、YT15、YT30等應(yīng)用：目前金屬陶瓷硬質(zhì)合金被廣泛用作切削刀具，此外可用來制造量具、模具等耐磨零件，還用來制造鑿巖機(jī)釬頭和鉆頭等。2.鋼結(jié)硬質(zhì)合金

鋼結(jié)硬質(zhì)合金是性能介于高速鋼和硬質(zhì)合金之間的新型工具材料，它是以一種或幾種碳化物（如TiC、WC等）為硬質(zhì)相，以合金鋼（如高速鋼，鉻鉬鋼等）粉末為粘結(jié)劑，經(jīng)配料，混料，壓制，和燒結(jié)而成的粉末冶金材料。特點(diǎn)退火后可進(jìn)行一般的切削加工淬火回火后有高的硬度和耐磨性可進(jìn)行焊接后鍛造有耐熱、耐蝕、抗氧化等性能應(yīng)用制造各種形狀復(fù)雜的刀具、較高溫度下工作的模具和耐磨零件。硬質(zhì)合金鉆頭硬質(zhì)合金刀片硬質(zhì)合金沖壓模具硬質(zhì)合金拔絲模1．蒸汽閥門的閥桿對力學(xué)性能要求較高，同時要求具有一定的耐腐蝕性，其合適的材料和熱處理工藝是（）(a)1Cr18Ni9Ti固溶處理(b)2Cr13淬火+高溫回火(c)45鋼調(diào)質(zhì)(d)20CrMnTi滲碳2．加工餐具用的鋼板可以選用（）(a)1Cr18Ni9Ti(b)1Cr13(c)20鋼(d)工業(yè)純鐵3．長期在700℃溫度下使用的構(gòu)件，承受一定的應(yīng)力作用，可選用的材料是（）(a)45(b)5CrMnMo(c)1Cr18Ni9Ti(d)42CrMo隨堂思考題4．拖拉機(jī)履帶板可以選用（）(a)45(b)ZGMn13(c)ZG45(d)CrWMn5．用W6Mo5Cr4V2高速鋼制刀具加工不銹鋼時壽命比較短，換用材料（）能提高刀具的壽命(a)42CrMo(b)W18Cr4V(c)40Cr(d)YG6X6．要求強(qiáng)度高，同時要求耐腐蝕的零件可以選用（）（a）Cr12MoV（b）42CrMo（c）4Cr13（d）40Cr1．不銹鋼中都含有較高含量的Cr元素，這是因為Cr與O2反應(yīng)生成Cr2O3具有很高的耐磨性而防止了氧化磨損（）2．因為耐磨鋼（高錳鋼）不經(jīng)過淬火處理在室溫就可以得到馬氏體組織，所以具有很高的耐磨性（）3．奧氏體具有大的加工硬化能力，所以在室溫是奧氏體的鋼切削加工困難（）4．拔絲模用Cr12制造壽命比較短，改用硬質(zhì)合金能提高其壽命（）5．在固溶體基體上均勻分布一定量的第二相硬質(zhì)點(diǎn)不僅能提高其強(qiáng)度和耐磨性，而且也能提高其耐蝕性（）6．奧氏體不銹鋼的價格比馬氏體和鐵素體的價格低（）蒸汽閥門的閥桿對綜合力學(xué)性能要求較高，同時要求具有一定的耐腐蝕性。（1）在1Cr18Ni9Ti、2Cr13、45和20CrMnTi四種鋼中選擇一種合適的材料；（2）畫出最終熱處理工藝曲線（注明溫度范圍）。

五、其它新型合金（一）非晶態(tài)合金非晶態(tài)合金也稱“金屬玻璃”，它是由熔融態(tài)的合金以極高速度冷卻，使其凝固后仍保持液態(tài)結(jié)構(gòu)而得到的。性能：非晶態(tài)合金與金屬相比，具有高的強(qiáng)度、硬度和斷裂韌性，良好的軟磁性及耐蝕性等。類型：根據(jù)非晶態(tài)合金的原子排列模型可分為不連續(xù)型和連續(xù)無規(guī)則網(wǎng)絡(luò)型兩種。制取方法：1.由氣相直接凝聚成非晶態(tài)固體2.由液態(tài)快速冷卻獲得非晶固體3.由結(jié)晶材料通過輻射、離子注入、沖擊波等方法制得非晶體材料。（二）納米材料納米材料是指尺寸在1~100nm之間的超細(xì)微粒。納米材料三個效應(yīng)

1.小尺寸效應(yīng)當(dāng)超微粒子尺寸與光波波長相當(dāng)或更小時，材料的聲、光、電磁、熱力學(xué)等特性均呈現(xiàn)尺寸效應(yīng)。2.表面與界面效應(yīng)隨粒子直徑減小，表面積急劇增大，增加了納米粒子的活性。

3.量子尺寸效應(yīng)該效應(yīng)將導(dǎo)致納米顆粒的磁、光、聲、熱、電及超導(dǎo)電性與宏觀物體顯著不同。制備方法惰性氣體淀積法、還原法、化學(xué)氣相沉積法。（三）梯度材料梯度材料是依據(jù)使用要求，選擇兩種不同性能的材料，采用先進(jìn)的材料復(fù)合技術(shù)，使中間部分的組成和結(jié)構(gòu)連續(xù)的呈梯度變化，內(nèi)部不存在明顯的界面