3合金钢

合金钢所谓合金钢就是在化学成分上特别添加合金元素用以保证一定的生产、加工工艺和所要求的组织与性能的铁基合金。碳钢虽然价格低廉，容易加工。但是碳钢具有淬透性低、回火稳定性差、基本组成相强度低等缺点，使其应用受到了一定的限制。合金钢性能虽好，但也存在不足之处，例如，在钢中加入合金元素会使其冶炼、铸造、锻造、焊接及热处理等工艺趋于复杂，成本提高。在合金钢中，经常加入的合金元素有锰(Mn)、硅(Si)、铬(Cr)、镍(Ni)、钼（Mo）、钨(W)、钒(V)、钛(Ti)、铌(Nb)、锆（Zr）、稀土元素（RE）等。第一节合金钢的分类与编号一、合金钢的分类合金钢种类繁多，为了便于生产、选材、管理及研究，根据某些特性，从不同角度出发可以将其分成若干种类。1．按用途分类（1）合金结构钢：可分为机械制造用钢和工程结构用钢等，主要用于制造各种机械零件、工程结构件等。（2）合金工具钢：可分为刃具钢、模具钢、量具钢三类，主要用于制造刃具、模具、量具等。（3）特殊性能钢：可分为抗氧化用钢、不锈钢、耐磨钢、易切削钢等。2．按合金元素含量分类（1）低合金钢：合金元素的总含量在5%以下。（2）中合金钢：合金元素的总含量在5%～10%之间。（3）高合金钢：合金元素的总含量在10%以上。3．按金相组织分类（1）按平衡组织或退火组织分类，可以分为亚共析钢、共析钢、过共析钢和莱氏体钢。（2）按正火组织分类，可以分为珠光体钢、贝氏体钢、马氏体和奥氏体钢。4．其它分类方法除上述分类方法外，还有许多其它的分类方法，如按工艺特点可分为铸钢、渗碳钢、易切削钢等；按质量可以分为普通质量钢、优质钢和高级质量钢，其区别主要在于钢中所含有害杂质（S、P）的多少。二、合金钢的编号我国的合金钢编号，常采用数字+化学元素+数字的方法，化学元素采用元素中文名称或化学符号。化学成分的表示方法如下：（1）碳的质量分数：一般以平均碳含量的万分之几表示。如平均碳含量为0.50%，则表示为50；不锈钢、耐热钢、高速钢等高合金钢，其碳含量一般不标出，但如果几个钢的合金元素相同，仅碳含量不同，则将碳含量用千分之几表示。合金工具钢平均碳含量≥1.00%时，其碳含量不标出，碳含量＜1.00%时，用千分之几表示。（2）合金元素的质量分数：除铬轴承钢和低铬工具钢外，合金元素含量一般按以下原则表示：含量小于1.5%时，钢号中仅表明元素种类，一般不表明含量；平均含量在1.50～2.49%，2.50～3.49%，…22.50～23.49%…等时，分别表示为2，3，…23…等；为避免铬轴承钢与其它合金钢表示方法的重复，含碳量不予标出，铬含量以千分之几表示，并冠以用途名称，如平均铬含量为1.5%的铬轴承钢，其牌号写为“滚铬15”或“GCr15”，低铬工具钢的铬含量也以千分之几表示，但在含量前加个“0”，如平均含铬量为0.6%的低铬工具钢，其牌号写为“铬06”或“Cr06”；易切削钢前冠以汉字“易”或符号“Y”；各种高级优质钢在钢号之后叫“高”或“A”。第二节合金结构钢用于制造各类机械零件以及建筑工程结构的钢称之为结构钢。合金结构钢主要包括低合金结构钢、易切削钢、调质钢、渗碳钢、弹簧钢、滚动轴承钢等。合金结构钢的成分特点，是在碳素结构钢的基础上适当地加入一种或多种合金元素，例如Cr、Mn、Si、Ni、Mo、W、V、Ti等。合金元素除了保证有较高的强度或较好的韧性外，另一重要作用是提高钢的淬透性，使机械零件在整个截面上得到均匀一致的、良好的综合力学性能，在具有高强度的同时又有足够的韧性。一、低合金结构钢低合金结构钢是一种低碳结构用钢，合金元素含量较少，一般在3%以下，主要起细化晶粒和提高强度的作用。这类钢的强度显著高于相同碳含量的碳素钢，所以常称其为低合金高强度钢。它还具有较好的韧性、塑性以及良好的焊接性和耐蚀性。采用低合金结构钢的目的主要是为了减轻结构重量，保证使用可靠、耐久。低合金结构钢一般是在热轧退火（或正火）状态下使用，焊接后不再进行热处理。Mn是强化基体元素，其含量一般在1.8%以下，Ti、V、Nb等元素在钢中能形成微细碳化物，起细化晶粒和弥散强化作用，提高钢的屈服极限、强度极限以及低温冲击韧性，Cu、P可提高钢对大气的抗蚀能力。常用的低合金结构钢有Q295、Q345、Q390、Q420、Q460等。二、渗碳钢1．渗碳钢的化学成分用于制造渗碳零件的钢称为渗碳钢。渗碳钢的碳含量一般在0.10～0.25%之间，属于低碳钢。低的碳含量可保证渗碳零件心部具有足够的韧性和塑性。碳素渗碳钢的淬透性低，零件心部的硬度和强度，在热处理前后差别不大。而合金渗碳钢则不然，因其淬透性高，零件心部的硬度和强度，在热处理前后差别较大，可通过热处理使渗碳件的心部达到较显著的强化效果。合金渗碳钢中所含的主要合金元素有铬（2%）、镍（4%）、锰（2%）和硼（0.005%）等，其主要作用是提高钢的淬透性，改善渗碳零件心部组织和性能，同时还能提高渗碳层的性能（如强度、韧性及塑性），其中镍的作用最为显著。除上述合金元素外，在合金渗碳钢中，还加入少量的钒（0.2%）、钨（1.2%）、钼（0.6%）、钛（0.1%）等碳化物形成元素，具有细化晶粒、抑制钢件在渗碳时产生过热的作用。当合金渗碳钢中所含的碳化物形成元素（如Cr，Mo、W、V、Ti等）愈多时，渗碳层的碳含量愈高，渗碳层碳浓度梯度愈高，同时还会使渗碳层中析出的块状碳化物愈多，从而降低了渗碳层的性能。因此，这类元素在合金渗碳钢中的含量应限制在一定的范围内。2．渗碳钢的热处理特点渗碳钢的一般热处理工艺规范是在渗碳之后进行淬火和低温回火。以获得“表硬里韧”的性能。但由于钢的成分和性能要求不同，其热处理规范在细节上稍有差异。低淬透性合金渗碳钢，如15Cr、20Cr、15Mn2、20Mn2等，经渗碳、淬火与低温回火后心部强度较低，强度与韧性配合较差。一般可用作受力不太大，不需要高强度的耐磨零件，如柴油机的凸轮轴、活塞销、滑块、小齿轮等。中淬透性合金渗碳钢，如200rMnTi、12CrNi3A、20CrMnMo、20MnVB等，合金元素的总含量≤4%，其淬透性和力学性能均较高。常用作承受中等动载荷的受磨零件，如变速齿轮、齿轮轴、十字销头、花键轴套、气门座、凸轮盘等。高淬透性合金渗碳钢，如12Cr2Ni4A，18Cr2Ni4W等，合金元素总含量约在4～6%之间，淬透性很大，经渗碳、淬火与低温回火后心部强度高，强度与韧性配合好。常用作承受重载和强烈磨损的大型、重要零件，如内燃机车的主动牵引齿轮、柴油机曲轴、连杆及缸头精密螺栓等。下面以20CrMnTi合金渗碳钢制造的汽车变速齿轮为例，说明其热处理工艺的确定和工艺路线的安排。图6.1020CrMnTi钢制汽车齿轮热处理工艺路线20CrMnTi钢制汽车变速齿轮的整个生产过程的工艺路线如下：锻造→正火→加工齿形→局部镀铜→渗碳→预冷淬火、低温回火→喷丸→磨齿（精磨）。齿轮毛坯在机械加工前需进行正火处理，其目的是改善锻造状态的不正常组织，以利于切削加工，保证齿形合格。20CrMnTi钢正火后的硬度为170～210HBS，切削加工性能良好；渗碳温度确定为920℃左右，渗碳时间根据所要求的渗碳层厚度（1.2~1.6mm）确定为6~8h；渗碳后，自渗碳温度预冷到870～880℃直接油淬，经200℃低温2～3h后，其力学性能为：σb≈1000MPa，ψ≈50%，AK≈64J；其表面层由于碳含量较高（渗碳后达1.0%左右），在淬火、低温回火后获得回火马氏体组织，具有很高的硬度（58～60HRC）和耐磨性；心部在淬火、低温回火后获得回火低碳马氏体组织，具有高的强度和足够的韧性。三、渗氮钢渗氮是用氮饱和钢的表面，提高工件的耐磨和耐蚀，渗氮工艺一般是在600℃以下进行。结构钢的氮化目的在于提高其硬度、耐磨性、热稳定性和耐蚀性，在氮化前需经过调质处理。渗氮钢扩散层的结构主要取决于氮化温度。当渗氮温度低于590℃时，扩散层的性能取决于钢的成分、加热温度和时间以及氮化后的冷却速度。渗氮钢的高硬度和高耐磨性主要由合金氮化物（MoN、AlN）来保证。合金元素对渗氮层深度和表面硬度有较大的影响，合金元素在降低C在铁素体中的扩散系数的同时，将减少渗氮层的深度。各国广泛使用的渗氮钢主要有38Cr2MoAlA（相当我国的38CrMoAlA），近年还开发了一系列渗氮用钢，如38Cr2WVAlA、30CrNi2WVA、30Cr3WA等。在500～600℃温度范围内渗氮时，扩散层的宽度不大，表层的力学性能较高，从表层开始迅速下降。一般情况下，钢中的合金元素种类越多，其渗氮层的硬度越高。在Cr-Mo钢中添加Al的38Cr2MoAlA钢，其渗氮层的表面硬度最高。有些渗氮工件并不需要过高的表面硬度，因为脆性的表层会给研磨造成困难。此时可选用低Al钢或无铝钢，如38Cr2WVAlA、40CrV、40Cr等。如果把渗氮层的表面硬度从900～1000HV降低到650～900HV，则可提高其耐磨性和脆性破断抗力，此工艺可用于机床的主轴、滚动支架、丝杆等零件。对于在循环弯曲或接触载荷下工作的零件，可使用30Cr3WA钢制造。四、调质钢1．调质钢的一般特点调质钢是指经过调质处理后使用的碳素结构钢和合金结构钢。多数调质钢属于中碳钢，调质处理后，其组织为回火索氏体。调质钢具有高的强度、良好的塑性与韧性，即具有良好的综合力学性能，常用于制造汽车、拖拉机、机床及其它要求具有良好综合力学性能的各种重要零件，如柴油机连杆螺栓、汽车底盘上的半轴以及机床主轴等。2．调质钢的化学成分特点调质钢的碳含量介于0.27～0.50%之间。常用的碳素调质钢，其碳含量接近上限，如40、45、50钢等；而合金调质钢则比较接近下限，如40Cr，30CrMnTi钢等。合金调质钢中含有Cr、Ni、Mn、Ti等的合金元素，其主要作用是提高钢的淬透性，并使调质后的回火索氏体组织得到强化。调质钢中合金元素的含量能使铁素体得到强化而不明显降低其韧性，甚至有的还能同时提高其韧性。调质钢中的Mo、V、Al、B等合金元素，其含量一般是较少，特别是B的含量极微。Mo所起的主要作用是防止合金调质钢在高温回火时产生第二类向火脆性；V的作用是阻碍高温奥氏体晶粒长大；Al的主要作用是能加速合金调质钢的氮化过程；微量的B能强烈地使等温转变曲线向右移，显著提高合金调质钢的淬透性。3．调质钢的热处理特点调质钢热处理的第一步是淬火，即将钢件加热至约850℃左右的温度然后进行淬火。具体的加热温度需由钢的成分来决定。调质钢零件一般采用500～650℃高温回火，回火的具体温度则由钢的成分及对性能的要求而定。图6.1140Cr钢在不同温度回火后的力学性能一般的调质钢零件，除了要求有良好的综合力学性能外，往往还要求表层具有良好的耐磨性能。所以经过调质处理的零件一般还要进行感应加热表面淬火，如果对耐磨性能的要求极高，则需要选用专门的调质钢进行特殊的化学热处理，如38CrMoAlA钢的渗氮处理等。根据实际需要，调质钢也可在中、低温回火状态下使用，其组织为回火屈氏体、回火马氏体，比回火索氏钵组织具有更高的强度，但冲击韧度值较低。例如模锻锤杆、套轴等采用中温回火；凿岩机活塞、球头销等采用低温回火。为了保证必需的韧性和减少残余应力，一般仅使用碳含量≤0.30%的合金调质钢进行低温回火。4．常用调质钢的性能特点及用途40、45钢等中碳钢经调质热处理后，其力学性能大致为σb＝620～700MPa，σs=450～500MPa，δ=20%～17%，ψ=50%～45%，AK=72～64J。碳素调质钢的力学性能不高，只适用于尺寸较小、负荷较轻的零件；合金调质钢适用于尺寸较大、负荷较重的零件，以42CrMo、37CrNi3钢的综合力学性能较为良好，尤其是强度较高，比相同碳含量的碳素调质钢高出30%左右，其原因主要是由于这两种钢中合金元素对铁素体的强化效果较为显著所致。连杆螺栓是发动机中一个重要的连接零件，工作时承受冲击性的周期性拉应力和装配时的预应力，在发动机运转中，连杆螺栓如果破断，就会引起严重事故。因