金属工艺学第六章合金钢

第六章合金钢合金钢：是指为了提高钢的性能(机械性能、工艺性能或物理、化学性能），在碳钢基础上有意加入一定量合金元素所获得的铁基合金。第六章合金钢本课学习目的:了解常用的合金钢和铸铁学习重点:合金元素对钢的性能的影响.第一节合金元素对钢的影响一.合金元素对钢的基本影响.1、溶于铁素体,起固溶强化作用非碳化物形成元素及过剩的碳化物形成元素都溶于铁素体，形成合金铁素体.Si、Mn对强度、硬度提高显著。Cr、Ni在适当范围内提高韧性。合金元素对铁素体性能的影响(退火状态)(a)对硬度的影响(b)对韧性的影响到2、形成碳化物，起强化相作用合金元素与碳的亲和力从大到小的顺序为：Ti、Zr、Nb、V、W、Mo、Cr、Mn、Fe。⑴Ti、Nb、V为强碳化物形成元素，碳化物的稳定性、熔点、硬度、耐磨性高，如TiC、VC等。⑵W、Mo、Cr为中碳化物形成元素，碳化物的稳定性、熔点、硬度、耐磨性较高，如W2C等。⑶Mn、Fe为弱碳化物形成元素，碳化物的稳定性、熔点、硬度、耐磨性较低，如Fe3C等。二、对Fe-Fe3C相图的影响1、对奥氏体相区的影响⑴Ni、Mn等是扩大奥氏体相区的元素，使A3点下降，A4点上升。当Mn13%或Ni9%时，S点降到0℃以下，室温下为单相奥氏体组织，称奥氏体钢。锰对奥氏体相区的影响⑵Cr、Mo、Si、Ti、W、Al等是缩小奥氏体相区的元素，使A3点上升，A4点下降。当Cr13%时，奥氏体相区消失，室温下为单相铁素体组织，称铁素体钢.铬对奥氏体相区的影响2、对E点和S点位置的影响所有合金元素均使E点和S点左移，即这两点的含碳量下降，使碳含量比较低的钢出现过共析组织（如4Cr13）或共晶组织（如W18Cr4V）。三、对钢的热处理的影响1、对奥氏体化的影响⑴对奥氏体形成速度的影响：除Ni(镍)、Co(钴)外，都减缓奥氏体化过程。⑵对奥氏体晶粒长大倾向的影响：碳、氮化物形成元素阻碍奥氏体晶粒长大。Mn、P促进长大。淬火碳钢回火时的硬度变化2、对回火转变的影响⑴提高回火稳定性：淬火钢在回火过程中抵抗硬度下降的能力称回火稳定性。合金元素能阻碍马氏体分解及碳化物的析出与聚集。当回火硬度相同时，合金钢比同含碳量碳钢回火温度高。如果同温度回火，合金钢硬度比碳钢高。⑵产生二次硬化含高W(钨)、Mo(钼)、Cr(铬)、V(钒)钢淬火后回火时，由于析出细小弥散的特殊碳化物及回火冷却时A’转变为M回,使硬度不仅不下降，反而升高的现象称二次硬化。高速钢第二节合金结构钢合金钢的分类(主要讲如下两种)1、钢的分类按化学成分分中碳钢0.25~0.6%C高碳钢0.6%C低碳钢0.25%C低合金钢合金元素总量5%中合金钢合金元素总量5~10%高合金钢合金元素总量10%碳素钢合金钢2、按用途分工程用钢建筑、桥梁、船舶、车辆普低合金钢易切削钢渗碳钢调质钢弹簧钢滚动轴承钢机器用钢结构钢刃具钢模具钢量具钢工具钢不锈钢耐热钢耐磨钢特殊性能钢挤压模具结构钢：工业上凡是用于制造各种机械零件以及用于建筑工程结构的钢。当形状复杂、截面较大、要求淬透性较好以及机性要求较高时，就必须采用合金结构钢。合金结构钢的分类及编号1、分类：主要包括：普通低合金钢、易切削钢、调质钢、渗碳钢、弹簧钢、滚动轴承钢等。2、编号：数字+化学元素符号+数字所加合金元素合金元素的百分之几C含量的万分之几高级优质钢后加“A”/“高”；表明用途时前面附加字母，如GCr15。对结构钢的性能要求为：使用性能以强韧性为主。工艺性能以可焊性、淬透性为主。热轧钢板螺纹钢黄河小浪底枢纽工程1、性能要求⑴高强度及足够韧性。⑵良好的焊接性能。⑶良好的耐蚀性及低的韧脆转变温度。2、成分特点⑴低碳：≤0.2%C.⑵合金元素：主要是Mn，还有少量V、Ti、Nb等。一、普通低合金钢（低合金高强度结构钢）3、用途：P68表6-1Q345钢(16Mn)综合性能好，用于船舶、桥梁、车辆等大型钢结构。Q390钢含V、Ti、Nb，强度高，用于中等压力的压力容器。Q460钢含Mo、B，正火组织为贝氏体，强度高,用于石化中温高压容器.南京长江大桥制造渗碳零件的钢种。1、性能要求⑴表面具有高硬度、高耐磨性，心部具有足够的韧性和强度，即表硬里韧。⑵良好的热处理性能,如淬透性和渗碳能力。二、合金渗碳钢渗碳炉渗碳件—传动齿轮2、成分特点⑴低碳：0.1~0.25%C⑵合金元素作用：①提高淬透性：Cr、Mn、Ni、B②强化铁素体：Cr、Mn、Ni③细化晶粒：W、Mo、Ti、V渗碳件高精密独立导柱3、常用钢号及用途:P71表6-2低淬透性钢：20、20Cr。柴油机凸轮轴活塞销(20Cr)用于受力小的耐磨件，如柴油机的活塞销、凸轮轴等。增压柴油机曲轴汽车变速箱齿轮调质件（螺杆）调质后使用的钢种。1、性能要求⑴良好的综合力学性能.⑵良好的淬透性。三、调质钢2、成分特点⑴中碳：0.3~0.5%C⑵合金元素作用：①提高淬透性:Mn、Si、Cr、Ni、B②强化铁素体:Mn、Si、Cr、Ni③细化晶粒:Ti、V④防止第二类回火脆性:W、Mo调质件（冷却轮）破碎机主轴柴油机凸轮轴3、常用钢号及用途:P72表6-3低淬透性钢：D0油30~40mm,常用45、40Cr,用于制造较小的齿轮、轴、螺栓等。中淬透性钢：D0油≈40~60mm，常用40CrNi，用于制造大中型零件。高淬透性钢：D0油60mm,常用40CrNiMo,用于制造大截面重载荷零件，如曲轴等。合金结构钢曲轴单缸汽车曲轴制造弹簧或类似性能零件的钢种。1、性能要求弹簧是利用弹性变形储存能量或缓和冲击的零件。⑴高的σs，σs/σb；高的σ-1；足够的韧性⑵高的淬透性。四、合金弹簧钢2、弹簧的表面质量弹簧的表面质量对其寿命影响很大。提高表面质量的方法:①防止表面脱碳；②避免表面缺陷；③进行喷丸处理，使表面产生压应力。板簧喷丸处理示意图3、常用钢号及用途:P74表6-4Si、Mn弹簧钢，如65Mn、60Si2Mn，用于制造较大截面弹簧。Cr、V弹簧钢，如50CrV，用于大截面、大载荷、耐热的弹簧。大型热卷弹簧汽车板簧载荷(频率达数万次/分)和摩擦。⑴高而均匀的硬度和耐磨性。⑵高的b和接触疲劳强度。⑶足够的韧性、淬透性和耐蚀性.五、滚动轴承钢用于制造轴承套和滚动体的专用钢种。1、性能要求轴承工作时,承受接触应力(达3000~3500MPa)、周期性交变圆柱滚子轴承自动调心球轴承2、成分特点⑴高碳：0.95~1.10%C⑵合金元素：以Cr为主,加入Mn、Si。Cr、Mn、Si的主要作用是提高淬透性推力球轴承滚针轴承Cr还提高耐磨性（形成合金渗碳体）和耐蚀性。当1.65%Cr时,会因A’增加而使硬度和稳定性下降。轴承生产车间滚针轴承滚柱轴承滚珠轴承大型轴承3、常用钢号及用途:P75表6-5应用最广的是GCr15，大量用于大中型轴承；大型轴承用GCr15SiMn。这类钢还可用于制造模具、量具等.向心球轴承第三节工具钢一班按用途分为:刃具钢模具钢量具钢模具刃具量具用来制造各种切削刀具的钢种。一、刃具钢切削加工㈠性能要求1、高硬度(≥HRC60),主要取决于含碳量。2、高耐磨性靠高硬度和析出细小均匀硬碳化物来达到。3、高热硬性即高温下保持高硬度的能力。4、足够的韧性以防止脆断和崩刃。切削加工的基本形式1、性能特点:高热硬性(600℃)、高淬透性2、成分特点⑴高碳:0.70~1.5%C⑵合金元素作用①提高淬透性：Cr②提高热硬性、耐磨性:W、Mo、V二、高速钢（俗称锋钢/白钢）制造高速切削刃具用钢。高速钢冷轧钢带高速钢形材W18Cr4V钢热处理工艺示意图3、常用钢号及用途常用钢号为W18Cr4V(18-4-1)和W6Mo5Cr4V2(6-5-4-2)。用于高速切削刃具，如车刀、刨刀、铣刀、钻头等。车刀铣刀高速钢铣刀钻头汽车冲压模具用以制造冷热模具的钢种.㈠冷作模具钢制造金属冷成型模具钢种.1、性能要求⑴高硬度和耐磨性。⑵足够的强度和韧性。⑶良好的工艺性能（淬透性、切削加工性等）三、模具钢㈡热作模具钢制造使加热金属或液态金属成型模具钢种.1、性能要求⑴高温下良好的综合力学性能。⑵抗热疲劳性能。⑶高的淬透性和良好的导热性。曲轴模具热模锻曲轴毛坯制造各种量具用钢。如千分尺、卡尺、块规、塞规等。四、量具钢卡尺塞规千分尺1、性能要求量具在使用过程中与被测零件接触，承受摩擦和冲击。⑴高硬度和耐磨性。⑵高的尺寸稳定性。⑶足够的韧性。渐开线花键环规、塞规矩形花键环规、塞规光面量规2、量具用钢⑴低碳钢渗碳、中碳钢表面淬火⑵碳素工具钢、低合金工具钢两者用于尺寸小、形状简单、精度要求不高的量具。⑶滚动轴承钢、冷作模具钢。用于制造精密量具.⑷不锈钢用于制造接触腐蚀介质的量具。量块電子卡尺第四节特殊性能钢二班特殊性能钢是指具有特殊物理、化学性能的钢。本节只介绍不锈钢、耐磨钢和耐热钢。化工管道的腐蚀裂解管内壁的高温腐蚀减薄化学腐蚀是指金属在非电解质中的腐蚀。电化学腐蚀是指金属在电解质溶液中的腐蚀，是有电流参与作用的腐蚀。一、不锈钢在腐蚀介质中具有耐蚀性能的钢。㈠金属的腐蚀金属的腐蚀分化学腐蚀和电化学腐蚀。二.耐热钢1.定义:在高温下具有抗氧化性和高温强度的特殊钢。2.性能要求抗氧化性(热稳定性)高温强度(热强性)蠕变强度持久强度耐热钢的用途发动机叶片航空发动机汽轮机叶片汽车阀门三.耐磨钢(wear-resistantsteel)1.性能要求:高硬度、耐磨性、韧性。2.化学成分特点:高碳Wc=1～1.3%高锰WMn=11～14%3.热处理特点:水韧处理。4.室温组织:过饱和单相奥氏体。5、使用及用途水韧处理后，韧性高，硬度低.使用时必须伴随着压力和冲击作用。在压力及冲击作用下，表面奥氏体迅速加工硬化，形成马氏体并析出碳化物，使表面硬度提高到HB500~550，获得高耐磨性。而心部仍为奥氏体组织,具有高耐冲击能力。颚式破碎机挖掘机高锰钢广泛用于既要求耐磨又要求耐冲击的零件。如拖拉机的履带板、球磨机衬板、破碎机牙板、挖掘机铲齿和铁路辙岔等.履带球磨机衬板挖掘机铲齿铁路辙岔破碎机牙板