第3章電子課件(工業(yè)用鋼)資料

第3章電子課件(工業(yè)用鋼)資料第一頁，共63頁。本章學習重點和難點【學習重點】各類金屬材料的成分、組織狀態(tài)、熱處理工藝、性能及其應用?！緦W習難點】常用機械零件的選材及其熱處理工藝的確定。第一頁第二頁，共63頁。3.1工業(yè)用鋼工業(yè)用鋼主要是指碳素鋼和合金鋼，是應用最廣泛的機械工程材料，在工業(yè)生產中起著十分重要的作用。第二頁第三頁，共63頁。3.1.1碳素鋼碳的質量分數小于2.11%的鐵碳合金稱為碳素鋼，簡稱碳鋼。碳鋼容易冶煉，價格低廉，易于加工，能滿足一般機械零件的使用要求，因此是工業(yè)中用量最大的金屬材料。第三頁第四頁，共63頁。1.鋼中的常存雜質元素鋼中最常見的雜質元素有Si、Mn、P、S等，都是在鋼鐵冶煉過程中進入的，它們對鋼的性能有一定影響。通常少量的Si和Mn在鋼中是有益元素，而P和S是有害元素，應嚴格控制。第四頁第五頁，共63頁。2.碳鋼的分類鋼的分類方法很多，通常按鋼的用途分：

碳素結構鋼主要用于制造各種機械零件和工程結構件。這類鋼一般屬于低、中碳鋼；碳素工具鋼主要用于制造各種刃具、量具和模具。這類鋼一般屬于高碳鋼；碳素鑄鋼主要用于制作形狀復雜，難以用鍛壓等方法成形的鑄鋼件。第五頁第六頁，共63頁。按碳的含量分：小于等于0.25%低碳鋼大于0.25%小于等于0.6%中碳鋼大于0.6%高碳鋼第六頁第七頁，共63頁。３.碳鋼的牌號、性能和用途

下表為碳素結構鋼的牌號、化學成分和力學性能（摘自GB/T700-2006）第七頁第八頁，共63頁。牌號等級化學成分(%)脫氧方法力學性能CMnSiSPσs/MPaσb/MPaδ(%)不大于Q195-0.120.500.300.0400.035F、Z185～195315～43033Q215A0.151.20.350.0500.045F、Z165～215335～45026～31B0.045Q235A0.220.0350.350.0500.045F、Z185～235370～50021～26B0.200.045C0.170.0400.040ZD0.035TZQ275A0.240.0350.350.0500.045F、Z215～275410～54017～22B0.210.0450.045Z0.22C0.200.0400.040ZD0.035TZ第八頁第九頁，共63頁。優(yōu)質碳素結構鋼的牌號下表為優(yōu)質碳素結構鋼的牌號、化學成分和力學性能（摘自GB/T699-1999）第九頁第十頁，共63頁。表3-2優(yōu)質碳素結構鋼的牌號、化學成分和力學性能（摘自GB/T699-1999）牌號化學成分（質量分數）（%）力學性能（正火態(tài)）交貨狀態(tài)硬度（HBW）CSiMnPSσbMPaδ%未熱處理退火鋼不大于不小于不大于08F0.05～0.11≤0.030.25～0.500.0350.0352953513110F0.07～0.13≤0.070.25～0.500.0350.03531533137080.05～0.110.17～0.370.35～0.650.0350.03532533131100.07～0.130.17～0.370.35～0.650.0350.03533531137150.12～0.180.17～0.370.35～0.650.0350.03537527143200.17～0.230.17～0.370.35～0.650.0350.03541025156250.22～0.290.17～0.370.50～0.800.0350.03545023170第十頁第十一頁，共63頁。碳素工具鋼的牌號下表為碳素工具鋼的牌號、化學成分和力學性能（摘自GB/T1298-1986）

第十一頁第十二頁，共63頁。牌號化學成分（%）退火后硬度HBW不大于淬火溫度（℃）和淬火介質淬火后硬度HRC不小于CMnSiSP不大于T70.65～0.74≤0.400.350.0300.035187800～820水62T80.75～0.84≤0.400.350.0300.035187780～800水62T8Mn0.80～0.900.40～0.600.350.0300.035187780～800水62T90.85～0.94≤0.400.350.0300.035192760～780水62T100.95～1.04≤0.400.350.0300.035197760～780水62T111.05～1.14≤0.400.350.0300.035207760～780水62第十二頁第十三頁，共63頁。3.1.2合金鋼為改善鋼的組織和性能，在碳鋼的基礎上加入一種或幾種合金元素所形成的鋼稱為合金鋼。合金鋼與碳鋼相比具有許多優(yōu)良性能，如高的強度與韌性；高的淬透性和回火穩(wěn)定性；一定的抗氧化能力和低溫沖擊韌性；良好的耐磨耐蝕性等。第十三頁第十四頁，共63頁。合金鋼中常加入的合金元素在合金鋼中，經常加入的合金元素有:錳(Mn)、硅(Si)、鉻(Cr)、鎳(Ni)、鉬（Mo）、鎢(W)、釩(V)、鈦(Ti)、鈮(Nb)、鋯（Zr）、稀土元素（RE）等。第十四頁第十五頁，共63頁。合金鋼的分類①按用途分合金結構鋼：主要用于制造各種機械零件、工程結構件等；合金工具鋼：主要用于制造刃具、模具、量具等；②按合金元素含量分低合金鋼：合金元素的總含量在5%以下；中合金鋼：合金元素的總含量在5%～10%之間；高合金鋼：合金元素的總含量在10%以上。第十五頁第十六頁，共63頁。合金鋼的編號①低合金高強度結構鋼，其編號方法與碳素結構鋼的編號方法相同。例如，Q390表示σs≥390Mpa的低合金高強度結構鋼。②合金結構鋼采用兩位數字+化學元素符號+數字的方法。前面兩位數字表示碳的平均質量分數的萬分數；元素符號表示所含的合金元素；元素符號后面的數字表示該元素平均含量的百分數。如60Si2Mn、40Mn2、50CrVA等。③合金工具鋼平均碳含量≥1.00%時，其碳的質量分數不標出，碳含量＜1.00%時，用千分數表示，其他同合金結構鋼。如9SiCr、9Mn2V、Cr12等。第十六頁第十七頁，共63頁。低合金高強度結構鋼(工程結構用鋼)低合金高強度結構鋼是在低碳鋼的基礎上，加入少量合金元素而形成的鋼。鋼中碳的質量分數一般為0.16%～0.20%，常加入的合金元素有Mn、Si、Cr、Ni、V、Nb、Ti、Al等，合金元素總含量≤3%。這類鋼的強度顯著高于相同碳質量分數的碳鋼，所以常稱其為低合金高強度鋼。第十七頁第十八頁，共63頁。滲碳鋼用于制造滲碳零件的鋼稱為滲碳鋼。滲碳鋼廣泛用于制造汽車、機車及工程機械的傳動齒輪、凸輪軸、活塞銷等，即要求表面高硬度、高耐磨性，而心部具有良好的強韌性的機械零件。第十八頁第十九頁，共63頁。調質鋼調質鋼是指經過調質處理后的碳素結構鋼和合金結構鋼。多數調質鋼屬于中碳鋼，調質處理后，其組織為回火索氏體。調質鋼具有高的強度、良好的塑性與韌性，即良好的綜合力學性能，常用于制造汽車、拖拉機、機床的各種重要零件。第十九頁第二十頁，共63頁。下圖為40Cr鋼制連桿螺栓及調質熱處理工藝圖第二十頁第二十一頁，共63頁。彈簧鋼彈簧是各種機械和儀表中的重要零件，主要利用彈性變形時所儲存的能量來緩和機械上的震動和沖擊作用，因此要求彈簧鋼必須具有高的抗拉強度、高的屈強比，高的疲勞強度（尤其是缺口疲勞強度），并有足夠的塑性、韌性以及良好的表面質量，同時還要求有較好的淬透性和低的脫碳敏感性，在冷熱狀態(tài)下容易繞卷成型。第二十一頁第二十二頁，共63頁。滾動軸承鋼用于制造滾動軸承的鋼稱為滾動軸承鋼。滾動軸承在工作時，滾動體和套圈均受周期性的交變載荷作用。根據滾動軸承的工作條件，要求滾動軸承鋼具有高而均勻的硬度和耐磨性，高的彈性極限和接觸疲勞強度，足夠的韌性和淬透性，同時在大氣或潤滑劑中具有一定的抗蝕能力。第二十二頁第二十三頁，共63頁。易切削鋼在鋼中附加一種或幾種合金元素，以提高其切削加工性，這類鋼稱為易切削鋼。目前常用的附加元素有硫、鉛、鈣、磷等。易切鋼的常用鋼號有Y12、Y20，Y40Mn等。第二十三頁第二十四頁，共63頁。

合金工具鋼

用于制造刃具、模具、量具等工具的鋼稱為工具鋼。第二十四頁第二十五頁，共63頁。一、合金刃具鋼二、合金模具鋼三、合金量具鋼第二十五頁第二十六頁，共63頁。一、合金刃具鋼合金刃具鋼主要用來制造刀具，如車刀、銑刀、鉆頭、絲錐等。對刃具鋼的性能要求是：高的硬度和耐磨性，高的熱硬性，足夠的強度、塑性和韌性。合金刃具鋼又分為低合金刃具鋼和高速鋼兩類。第二十六頁第二十七頁，共63頁。（一）低合金刃具鋼1．化學成分和性能低合金刃具鋼是在碳素工具鋼的基礎上加入少量合金元素的鋼。其ωC

＝0.75％～1.5％的范圍內，以保證鋼的淬硬性和形成合金碳化物的需要。加入的合金元素主要有硅、錳、鉻、鎢、釩等。第二十七頁第二十八頁，共63頁。其中硅、錳、鉻的主要作用是提高鋼的淬透性，增加鋼的強度；鎢和釩形成碳化物，細化晶粒并提高鋼的硬度、耐磨性和熱硬性。因此，低合金工具鋼的淬透性比碳素工具鋼好，淬火冷卻可在油中進行，使變形和開裂傾向減小。但由于合金元素的加入量不大，故鋼的熱硬性仍不太高，一般工作溫度不得高于300℃。第二十八頁第二十九頁，共63頁。2．熱處理和應用刃具毛坯鍛造后的預先熱處理采用球化退火，切削加工后的最終熱處理采用淬火和低溫回火。最終熱處理后的組織為細回火馬氏體、粒狀合金碳化物及少量的殘余奧氏體，一般硬度可達60～65HRC。9SiCr是最常用的低合金刃具鋼，被廣泛用來制造各種薄刃工具，如板牙、絲錐、鉸刀等。第二十九頁第三十頁，共63頁。第三十頁第三十一頁，共63頁。（二）高速鋼用高速鋼制作的刃具在使用時，能以比低合金刃具鋼刀具更高的切削速度進行切削，因而被稱為高速鋼。它的特點是熱硬性高達600℃，切削時能長時間保持刃口鋒利，故又稱為“鋒鋼”，并且還具有高的強度、硬度和淬透性。淬火時在空氣中冷卻即可得馬氏體組織，因此，又俗稱為“風鋼”、“白鋼”第三十一頁第三十二頁，共63頁。1．高速鋼的成分特點高速鋼的含碳量較高，ωC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。鉬和鎢提高熱硬性，鉻提高淬透性，釩提高硬度耐磨性未溶的VC阻礙奧氏體晶粒長大.第三十二頁第三十三頁，共63頁。2．高速鋼的鍛造高速鋼鑄態(tài)組織中含有大量的魚骨狀碳化物（見圖6-4），分布很不均勻，顯著降低了鋼的力學性能，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)，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。第三十三頁第三十四頁，共63頁。圖6-4高速鋼的鑄態(tài)組織第三十四頁第三十五頁，共63頁。3．高速鋼的熱處理高速鋼的熱處理包括退火、淬火和回火，其特點是退火溫度低，淬火溫度高，回火溫度高且次數多。（1）退火。為了消除坯料在鍛造時產生的內應力，降低硬度，細化晶粒，為切削加工和淬火作準備，高速鋼在鍛后必須及時進行球化退火。退火溫度為Ac1＋30～50℃，退火后的組織為索氏體和粒狀合金碳化物，硬度為207~255HBS。第三十五頁第三十六頁，共63頁。（2）淬火。高速鋼的淬火加熱溫度很高（1200～1300℃），目的是為了使碳化物盡可能多地溶入奧氏體，從而提高淬透性、回火穩(wěn)定性和熱硬性。由于高速鋼的導熱性較差，故淬火加熱時必須進行一至二次預熱。如圖6-5所示。高速鋼淬火后的組織是隱晶馬氏體、粒狀碳化物及25％左右的殘余奧氏體，如圖6-6所示。第三十六頁第三十七頁，共63頁。圖6-5W18Cr4V鋼的淬火、回火工藝曲線第三十七頁第三十八頁，共63頁。圖6-6W18Cr4V鋼淬火后的組織（400×）第三十八頁第三十九頁，共63頁。（3）回火。高速鋼淬火后應立即回火，一般性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；同時由于殘余奧氏體轉變成馬氏體，也使硬度上升，從而形成二次硬化，保證了鋼的高硬度、高耐磨性及熱硬性。第三十九頁第四十頁，共63頁。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。高速鋼回火后的組織為回火馬氏體、粒狀碳化物和少量（體積分數為1％～2％）殘余奧氏體，如圖6-7所示，硬度可達63～66HRC。第四十頁第四十一頁，共63頁。圖6-7W18Cr4V鋼淬火回火后的組織（400×）第四十一頁第四十二頁，共63頁。4．常用的高速鋼高速鋼的種類很多，應用最多的有W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2和W9Mo3Cr4V三種。

第四十二頁第四十三頁，共63頁。二、合金模具鋼（－）冷作模具鋼冷作模具鋼用于制造使金屬在冷態(tài)下產生變形的模具，如冷沖模、冷擠壓模、冷鐓模、拉絲模等。這些模具在工作中要承受很大的壓力、彎曲力、沖擊力和強烈的摩擦。因此，冷作模具鋼的性能要求與刃具鋼相似，要求具有高的硬度（58～62HRC）和耐磨性，足夠的強度和韌性，同時要求熱處理變形小。第四十三頁第四十四頁，共63頁。1．小型冷作模具鋼冷作模具鋼的化學成分、熱處理特點也基本上與刃具鋼相似。對于小型冷作模具，可用碳素工具鋼和低合金刃具鋼制造。如T10A、9SiCr、CrWMn、9Mn2V等。其熱處理一般是球化退火、淬火和低溫回火.第四十四頁第四十五頁，共63頁。２．大型冷作模具鋼（Cr12型鋼）（1）成分對于大型模具常用Cr12型鋼制造。Cr12型鋼是最常用的冷作模具鋼，牌號有Cr12和Cr12MoV等。其成分特點是高碳高鉻（ωC

=1.45％~2.3％、ωCr＝11％～13％），具有高硬度、高強度和極高的耐磨性，并具有極好的淬透性（油淬直徑達200mm），淬火變形小。但淬火后殘余奧氏體量較多。第四十五頁第四十六頁，共63頁。（2）鍛造Cr12型鋼屬于萊氏體鋼，網狀共晶碳化物的不均勻分布將使模具變脆。因此，要通過反復鍛造來消除碳化物的不均勻性。鍛造后應緩冷，然后進行預先熱處理——球化退火，以消除鍛造內應力、降低硬度，為后續(xù)工序做準備。第四十六頁第四十七頁，共63頁。（3）熱處理Cr12型鋼的最終熱處理有兩種方法。一種是低溫淬火（980℃）和低溫回火法（170℃）（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。第四十七頁第四十八頁，共63頁。另一種熱處理方法是高溫淬火（1100℃）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型鋼經淬火及回火后的組織為回火馬氏體、粒狀碳化物和少量殘余奧氏體。第四十八頁第四十九頁，共63頁。第四十九頁第五十頁，共63頁。（二）熱作模具鋼熱作模具鋼用于制造在受熱狀態(tài)下對金屬進行變形加工的模具，如熱鍛模、熱擠壓模、壓鑄模等。這類模具在工作中除承受較大的沖擊載荷、很大的壓力、彎曲力外，還受到熾熱金屬在模腔中流動所產生的強烈摩擦力，同時還受到反復的加熱和冷卻。因此，要求熱作模具鋼應具有高的熱硬性和高溫耐磨性，良好的綜合力學性能，高的熱疲勞強度和較好的抗氧化能力，同時還要求具有高的淬透性、導熱性。第五十頁第五十一頁，共63頁。（1）成分熱作模具鋼一般是中碳合金鋼，其ωC

＝0.3％～0.6％，以保證鋼具有高強度、高韌性、較高的硬度（35~52HRC）和較高的熱疲勞強度。加入的合金元素有錳、鉻、鎳、鎢、釩等，主要是提高鋼的淬透性、回火穩(wěn)定性和熱硬性．細化晶粒，同時還提高鋼的強度和熱疲勞強度。第五十一頁第五十二頁，共63頁。（2）熱處理熱鍛模具鋼的最終熱處理與調質鋼相似，淬火后高溫（550℃左右）回火，以獲得回火索氏體—回火托氏體組織。鋼種5CrMnMo、5CrNiMo第五十二頁第五十三頁，共63頁。熱壓模具鋼的熱處理是淬火后在略高于二次硬化峰值的溫度（600℃左右）回火2～3次，獲得的組織為回火馬氏體和粒狀碳化物，以保證模具的熱硬性。鋼種3Cr2W8V第五十三頁第五十四頁，共63頁。第五十四頁第五十五頁，共63頁。三、合金量具鋼量具是用來測量和檢驗零件尺寸的工具，如千分尺、游標卡尺、量塊、樣板等。量具在使用過程中經常受到磨損和碰撞。因此，要求