机械工程材料（钢铁材料——合金钢）

第四章机械工程材料【教学内容】1、合金元素对钢组织和性能的影响2、低合金钢，合金钢的分类和编号3、低合金钢、合金结构的牌号、性能及应用【教学要求】初步了解合金元素对钢组织和性能的影响；一般了解低合金钢、合金钢的分类和编号；较熟练掌握常用低合金钢、合金结构的牌号、性能及用途，并具有初步运用的能力。第一节钢铁材料二、合金钢第四章机械工程材料合金钢就是在碳钢的基础上加入其他元素的钢，加入的其他元素就叫做合金元素。常用的合金元素有硅（Ｓｉ）、锰（Ｍｎ）、铬（Ｃｒ）、镍（Ｎｉ）、钨（W）、钼（Ｍｏ）、钒（V）、钛（Ｔｉ）、铝（Ａｌ）、硼（B）及稀土元素（Ｒｅ）等。合金元素在钢中的作用，是通过与钢中的铁和碳发生作用、合金元素之间的相互作用提高了钢的力学性能，改善钢的热处理工艺性能。第一节钢铁材料二、合金钢第四章机械工程材料1、低合金钢的分类合金钢的分类方法很多，按主要用途一般分为：合金结构钢：主要用于制造重要的机械零件和工程结构。合金工具钢：主要用于制造重要的刃具、量具和模具。特殊性能钢：具有特殊的物理、化学性能的钢。第一节钢铁材料二、合金钢第四章机械工程材料（２）合金钢牌号表示方法合金结构钢的牌号采用两位数字加元素符号加数字表示。前面的两位数字表示钢的平均碳含量的万分数，元素符号表示钢中所含的合金元素，而后面数字表示该元素平均含量的质量分数。当合金元素含量小于15%时，牌号中只标明元素符号，而不标明含量，如果含量大于1.5%、2.5%、3.5%等，则相应地在元素符号后面标出2、3、4等。例如60Si2Mn，表示平均碳含量为0.6%；含硅量约为2%，含锰量小于1.5%。第一节钢铁材料二、合金钢（２）合金钢牌号表示方法合金工具钢的牌号表示方法与合金结构钢相似，其区别在于用一位数字表示平均碳含量的千分数，当碳含量大于或等于100%时则不予标出。如：9SiCr，其中平均碳含量为09%，Si、Cr的含量都小于15%；Cr12MoV，表示平均碳含量大于100%，铬含量约为12%，钼和钒的含量都小于15%的合金工具钢。除此之外，还有一些特殊专用钢，为表示钢的用途在钢号前面冠以汉语拼音，而不标出含碳量。如GCr15为滚珠轴承钢，“G”为“滚”的汉语拼音字首。还应注意，在滚珠轴承钢中，铬元素符号后面的数字表示铬含量的千分数，其他元素仍用百分数表示。如GCr15SiMn，表示铬含量为15%，硅、锰含量均小于15%的滚珠轴承钢。第一节钢铁材料二、合金钢2、合金钢结构钢(1)工程结构用钢工程结构用钢主要用于制造各种工程结构，如桥梁、建筑、船舶、车辆、高压容器等。这类钢是在普通碳素结构钢的基础上加入少量合金元素制成的钢，故名普通低合金结构钢（简称普低钢）。由于合金元素的作用，普低钢比相同含量的普通碳素结构钢强度高得多，而且还具有良好的塑性、韧性、焊接性和较好的耐磨性。因此，采用普低钢代替普通碳素结构钢可减轻结构重量，保证使用可靠，节约钢材。如用普低钢16Mn代替Q235钢，一般可节约钢材25%～30%以上。普低钢大多数是在热轧状态下使用。加工过程中经常采用冷弯、冷卷和焊接成构件后不再进行热处理。主加元素为锰（08%～18%），为了某些需要，还加入钒、钛、铌、铜或铬、钼、硼等元素，合金元素总量一般不超过3%。常用普低钢的性能和用途见表4-5。第一节钢铁材料二、合金钢2、合金钢结构钢(2)机械制造用钢机械制造用钢主要用于制造各种机械零件。它是在优质或高级优质碳素钢结构钢的基础上加入合金元素制成的合金结构钢。这类钢一般都要经过热处理才能发挥其性能。因此，这类钢的性能与使用都与热处理相关。机械制造用合金结构钢按用途和热处理特点，可以分为合金渗碳钢、合金调质钢、合金弹簧钢等。第一节钢铁材料二、合金钢2、合金钢结构钢(2)机械制造用钢1)合金渗碳钢在机械制造中有许多零件是在高速、重载、较强烈的冲击和受磨损条件下工作的，如汽车、拖拉机的变速齿轮、十字轴以及内燃机凸轮轴等，要求零件的表面具有高硬度、高耐磨性，而心部有足够的韧性，为了满足这样的性能要求，可采用合金渗碳钢。所谓合金渗碳钢，就是用于制造渗碳零件的合金钢。合金渗碳钢的碳含量一般在01%～025%之间，加入的主要合金元素是铬、镍、锰、硼等，还加入少量的钒、钛等元素。经过渗碳处理后，再进行淬火和低温回火处理，达到表面高硬度、高耐磨性和心部高强度并有足够韧性。20CrMnTi是应用最广泛的合金渗碳钢。第一节钢铁材料二、合金钢2、合金钢结构钢(2)机械制造用钢2)合金调质钢合金调质钢一般指经过调质处理（淬火后高温回火）后使用的合金结构钢。这种钢经调质处理后具有高强度和高韧性相结合的良好的综合力学性能。为了获得综合力学性能，必须具有合理的化学成分。合金调质钢的碳含量在025%～050%之间，主加合金元素为锰、铬、硅、镍、硼等，还加入少量的钼、钨、钒、钛等元素。合金调质钢主要用于那些在重载荷、受冲击条件下工作的零件，如机床主轴、汽车后桥半轴、连杆等。40Cr钢是合金调质钢中最常用的一种，其强度比40钢高20%，并有良好的韧性。第一节钢铁材料二、合金钢2、合金钢结构钢(2)机械制造用钢3)合金弹簧钢合金弹簧钢是用于制造各种弹簧的专用合金结构钢。弹簧是各种机构和仪表的重要零件。它是利用在工作时产生弹性变形，在各种机械中起缓和冲击和吸收振动的作用，并可利用其储存能量，使机件完成规定动作。弹簧一般是在动载荷下工作，要求合金弹簧钢具有高的弹性极限、高疲劳强度、足够的塑性和韧性、良好的表面质量。因此，合金弹簧钢具有合理的化学成分，并进行适当的热处理。合金弹簧钢碳含量一般在045%～075%之间，加入主要元素有锰、硅、铬等，有些弹簧钢还加入钼、钨、钒等元素。合金弹簧钢经淬火后进行中温回火处理。常用合金渗碳钢、合金调质钢和合金弹簧钢的性能和用途见表4-6。第一节钢铁材料二、合金钢3、滚珠轴承钢滚珠轴承钢是制造各种滚动轴承的滚动体和内、外套圈的专用钢。滚动轴承在工作时，承受着高而集中的交变应力，还有强烈的摩擦，因此滚珠轴承钢必须具有高而均匀的硬度和耐磨性，高的疲劳强度，足够的韧性和淬透性，以及一定的耐蚀性等。目前应用最广的是高碳铬钢，其碳含量在095%～115%之间，铬含量在06%～165%之间，其中GCr15和GCr15SiMn应用最多。由于滚珠轴承钢的化学成分和主要性能特点与低合金工具钢相近，生产中常用它制造刃具、冷冲模具、量具以及性能要求与滚动轴承相似的零件。第一节钢铁材料二、合金钢3、滚珠轴承钢滚珠轴承钢是制造各种滚动轴承的滚动体和内、外套圈的专用钢。滚动轴承在工作时，承受着高而集中的交变应力，还有强烈的摩擦，因此滚珠轴承钢必须具有高而均匀的硬度和耐磨性，高的疲劳强度，足够的韧性和淬透性，以及一定的耐蚀性等。目前应用最广的是高碳铬钢，其碳含量在095%～115%之间，铬含量在06%～165%之间，其中GCr15和GCr15SiMn应用最多。由于滚珠轴承钢的化学成分和主要性能特点与低合金工具钢相近，生产中常用它制造刃具、冷冲模具、量具以及性能要求与滚动轴承相似的零件。第一节钢铁材料二、合金钢4、合金工具钢碳素工具钢淬火后，虽能达到高的硬度和耐磨性，但因它的淬透性差、红硬性差（只能在200℃以下保持高硬度），因此模具、量具及刃具大多都要采用合金工具钢制造。合金工具钢按用途可分为刃具钢、模具钢和量具钢。第一节钢铁材料二、合金钢4、合金工具钢（１）合金刃具钢合金刃具钢分为低合金刃具钢和高速钢。1)低合金刃具钢低合金刃具钢是在碳素工具钢的基础上加入少量合金元素（一般为3%～5%）形成的一类钢。这类钢中常加入铬、锰、硅等元素，此外还加入钨、钒等元素，硬度、耐磨性、强度、淬透性均比碳素工具钢好。但其红硬性略高于碳素工具钢，一般仅在250℃以下保持高硬度。常用的低合金刃具钢是9CrSi和CrWMn，主要用于制造丝锥、板牙、铰刀等。第一节钢铁材料二、合金钢4、合金工具钢（１）合金刃具钢2)高速钢高速钢是一种含钨、铬、钒等多种元素的高合金刃具钢。经过适当热处理后，具有高的硬度、红硬性和耐磨性。当其切削刃的温度高达600℃时，仍能保持其高硬度和高耐磨性。高速钢主要合金元素总量达到10%～25%，具有较高的淬透性。常用的高速钢有：钨系高速钢，其代表为W18Gr4V；钼系高速钢，其代表为W6Mo5Cr4V2。高速钢主要用于制造切削速度较高的刃具（车刀、钻头等）和形状复杂、负荷较重的成形刀具（铣刀、拉刀等）。此外，高速钢还可用于制造冷冲模、冷挤压模以及某些耐磨零件。为了使高速钢具有良好性能，必须经过正确锻造和热处理。第一节钢铁材料二、合金钢4、合金工具钢（２）合金模具钢模具钢是指用于制造冲压、热锻、压铸等成形模具的钢。根据工作条件不同，可分为冷变形模具钢和热变形模具钢。1)冷变形模具钢冷变形模具钢是用于制造使金属在冷态下变形的模具，如冷冲模、冷压模等。2)热变形模具钢热变形模具钢是用来制造使金属在高温下成形的模具，如热锻模、压铸模等。热模具在高温下工作并承受很大的冲击力，因此要求热模具钢要在高温下能保持足够的强度、韧性和耐磨性，以及较高的抗热疲劳性和导热性。目前常采用５CrMnMo和5CiNiMo制作热锻模，采用3Cr2W8制作热挤压模和热铸模。第一节钢铁材料二、合金钢4、合金工具钢（３）合金量具钢合金量具钢是用于制造测量工具的钢。测量尺寸的工具即量具，如千分尺等。它们的工作部分要求高硬度、高耐磨性和高的尺寸稳定性，一般采用微变形合金工具钢制造，如CrWMn、GCr15等。常用合金工具钢的特性用途见表4-7。第一节钢铁材料二、合金钢5、特殊性能钢特殊性能钢是指具有特殊物理、化学性能的钢。特殊性能钢的种类很多，在机械制造中常用的有不锈耐酸钢、耐热钢和耐磨钢。刃具钢9CrSiCrMnCrWMn高硬度，高耐磨性，高淬透性，变形小要求较高的量具及一般模具刃具，如块规、丝锥等高速钢W18Cr4VW6Mo5Cr4V2高热硬性，高硬度，高耐磨性、高强度中速切削刃具及复杂刃具，如车刀、铣刀等冷变形模具钢Cr12Cr12MoV高硬度耐磨性，高淬透性，强度韧性好，变形小尺寸大、变形小的冷模具，如冲模热变形模具钢5CrNiMo3Cr2W8V高温下强度韧性高，耐磨性及抗热疲劳性好尺寸大的热锻模及热挤压模第一节钢铁材料二、合金钢5、特殊性能钢（１）不锈耐酸钢不锈耐酸钢是指在腐蚀介质中具有高的抗腐蚀能力的钢，一般称不锈钢。常用不锈钢有铬不锈钢和铬镍不锈钢。铬不锈钢可抗大气、海水、蒸气等的锈蚀。常用铬不锈钢为Cr13型不锈钢，牌号有1Cr13、2Cr13、3Cr13和4Cr13，钢中的铬含量约为13%，碳含量为0.1%～0.4%。其中1Cr13、2Cr13用于制造汽轮机叶片、水压机阀等，3Cr13、4Cr13用于制造弹簧、轴承、医疗器械及在弱腐蚀条件下工作而要求高强度的耐蚀零件。铬镍不锈钢主要用于制造在强腐蚀介质（硝酸、磷酸、有机酸及碱水溶液等）中工作的设备，如吸收塔、贮槽、管道及容器等。这些钢的化学成分为平均铬含量为18%、镍含量为8%～11%，其牌号为0Cr18Ni9、1Cr18Ni9，这些钢含碳量很低，前一牌号碳含量ｗC≤0.08%，后一牌号碳含量ｗＣ≤0.14%。第一节钢铁材料二、合金钢5、特殊性能钢（２）耐热钢钢的耐热性是高温抗氧化性和高温强度（热强性）的总称。耐热钢通常分为抗氧化钢和热强钢。1)抗氧化钢抗氧化钢又称不起皮钢，其特点是高温下有较好的抗氧化能力并有一定强度。这类钢主要用于制造长期工作在高温下的零件，如各种加热炉底板、渗碳箱等。常用的抗氧化钢有4Cr9Si2、1Cr13SiAl等。2)热强钢热强钢的特点是在高温下有良好的抗氧化能力并具较高的高温强度。常用的热强度钢有15CrMo、4Cr14Ni4WMo。前者是典型的锅炉用钢，可以制造在300℃～500℃下长期工作的零件；后者可以制造在600℃以下工作的零件，如汽轮机叶片，大型发电机排气阀等。耐热钢中加入合金元素铬、硅、铝等可提高抗高温氧化性，加入合金元素钨、钼、钒等可提高高温强度。第一节钢铁材料二、合金钢5、