第二章 金属材料 第三节合金钢分析

2020/2/16合金钢乐都职业技术学校祝增美合金钢合金钢概述随着科学技术和工业的发展，对材料提出了更高的要求，如更高的强度，抗高温、高压、低温，耐腐蚀、磨损以及其它特殊物理、化学性能的要求。碳钢已不能完全满足要求。乐都职业技术学校一、合金钢分类1、按合金元素的含量分1）低合金钢合金元素总含量小于等于5%；2）中合金钢合金元素总含量在5%~10%之间；3）高合金钢合金元素总含量大于等于10%；2、按合金元素的种类分有铬钢、锰钢、铬镍钢、硅锰钼钒钢等。一、合金钢分类3、按主要用途分合金结构钢低合金结构钢(也称普通低合金钢)合金渗碳钢、合金调质钢、合金弹簧钢滚珠轴承钢合金工具钢合金刃具钢(含低合金刃具钢、高速钢)合金模具钢(含冷模具钢、热模具钢)量具用钢特殊性能钢不锈钢、耐热钢、耐磨钢2020/2/16四合金钢碳钢：价格低，但是，力学性能低，淬透性低，回火抗力差，耐热、耐低温、耐蚀等特殊性能差。合金钢：在碳钢中加入某些合金元素,改善组织与性能.(硅、锰、铬、镍、钼、钨、钒、钛、硼、铝、锆)合金结构钢结构钢：用于制造机械零件和工程结构的钢合金结构钢分为：低合金钢结构钢、合金渗碳钢、合金调质钢等钢种一、低合金结构钢用于制造桥梁、车辆、船舶、输油管道、压力容器和工程结构一、低合金结构钢1、性能特点较高的强度，足够的塑性和韧性、良好的焊接性能。广泛应用建筑、桥梁等。2、化学成分特点低碳钢（含碳量＜0.2%)；主要合金元素为Mn(含量为1.25~1.5%)。3、热处理特点一般不进行热处理。4、常用钢种16Mn、15MnTi等。2020/2/16普通低合金结构钢牌号Q345C质量等级345MPa屈服强度2020/2/16典型普低合金钢应用Q460钢含Mo、B，正火组织为B，强度高，用于石化中温高压容器。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，用于中等压力的容器。2020/2/16热处理、组织——热轧空冷，S＋F高压容器桥梁船舶车辆应用1.性能要求①具有较高的屈服强度300MPa级→12Mn350MPa级→16Mn400MPa级→16MnNb450MPa级→14MnVTiRE500MPa级→18MnMoNb650MPa级→14CrMnMoVB合金结构钢编号首部用数字标明碳质量分数:结构钢以万分之一为单位的数字（两位数),工具钢和特殊性能钢以千分之一为单位的数字（一位数）来表示碳质量分数,而工具钢的碳质量分数超过1%时，碳质量分数不标出。在表明碳质量分数数字之后，用元素的化学符号表明钢中主要合金元素，质量分数由其后面的数字标明:平均质量分数少于1.5%时不标数,平均质量分数为1.5%～2.49%、2.5%～3.49%……时,相应地标以2、3……。专用钢用其用途的汉语拼音字首来标明.如GCr15表示碳质量分数约1.0%、铬质量分数约1.5%(特例)的滚珠轴承钢.Y40Mn,表示碳质量分数为0.4%、锰质量分数少于1.5%的易切削钢.二、合金渗碳钢1、性能特点用于制造表面硬而耐磨，心部韧性好而耐冲击的零件，如齿轮、凸轮等。（具有良好的渗碳能力和淬透性）2、化学成分特点低碳钢（含碳量0.1~0.25%)；主要合金元素有Cr、Mn、Ti、V等，其主要作用是提高淬透性和防止过热。二、合金渗碳钢1.性能要求①有一定的韧性和足够的强度②有较高的淬透性2.成分特点含碳量：0.10～0.25%加入Cr、Ni、Mn、B的作用：①提高钢的淬透性②提高渗碳层的强韧性工件经渗碳淬火、200℃回火后：表层组织：细针状高碳回火M+粒状Fe3C+少量残余A硬度：58～64HRC心部组织：低碳回火M（或F+T）硬度：35～45HRC（或10～15HRC）典型用钢：20CrMnTi典型用途：汽车、拖拉机变速齿轮2020/2/16合金渗碳钢的牌号20Mn2TiA等级:高级优质含钛量WTi≤1.5%含锰量WMn2%含碳量WC20%002020/2/16典型合金渗碳钢应用低淬透性合金渗碳钢钢含合金元素总量＜3%15Cr、20Cr、20Mn2。用于受力小的耐磨件，如柴油机的活塞销、凸轮轴等。中淬透性合金渗碳钢钢含合金元素总量在4%左右。20CrMn、20CrMnTi、20Mn2TiB。用于中等载荷的耐磨件，如变速箱齿轮。柴油机凸轮轴活塞销(20Cr)2020/2/16典型合金渗碳钢应用高淬透性合金渗碳钢钢含合金元素总量在4%～6%。18Cr2NiWA、20Cr2Ni4A等。用于大载荷的耐磨件，如柴油机曲轴。柴油机曲轴主要化学成分wt%热处理℃机械性能（≥）毛坯尺寸mmCMnSiCr渗碳预备处理淬火回火σbMPaσsMPaδ5%ψ%AkvJ0.17～0.240.5～0.80.20～0.400.7～1.0930880水油780～820水,油200835540104047＜15合金渗碳钢(低淬透性)20CrGB/T3077-1999用途：可制造汽车、拖拉机中的变速齿轮,内燃机上的凸轮轴、活塞销等机器零件.能同时承受强烈的摩擦磨损,较大的交变载荷,特别是冲击载荷0.17～0.230.80～1.100.17～0.371.0～1.30.04～0.10930880油770油200108085010455515主要化学成分wt%热处理℃机械性能（≥）毛坯尺寸mmCMnSiCrTi渗碳预备处理淬火回火σbMPaσsMPaδ%ψ%Akv20℃J合金渗碳钢(中淬透性)20CrMnTiGB/T3077-1999三、合金调质钢1、性能特点调质处理后具有高强度与很好塑性及韧性的配合，即具有良好的综合力学性能。2、化学成分特点中碳钢（0.3~0.5%),合金元素主要有Cr、Mn、Ti、Mo等，主要作用是提高淬透性、细化晶粒和防止过热。3、热处理特点预先热处理为退火或正火，最终热处理为淬火+高温回火。三、合金调质钢4、常用钢种40Cr、40CrMn等。以40Cr制作拖拉机连杆螺栓的生产工艺路线如下：锻造正火粗加工调质精加工装配三、合金调质钢合金调质钢：经调质处理后使用的中碳合金结构钢1.性能要求具有优良的综合机械性能（指钢的强度和塑韧性能够达到较佳的配合）2.成分特点含碳量：0.25～0.50%合金元素：Cr、Mn、Si、Ni、B、V、Mo、W典型用钢：40Cr、35CrMo、38CrMoAlA40Cr淬油，最大淬透直径：30～40mm35CrMo淬油，最大淬透直径：40～60mm38CrMoAlA淬油，最大淬透直径：60～100mm40Cr：制作齿轮、轴、曲轴、连杆螺栓等零件35CrMo：制造截面尺寸较大、负荷较重的轴、和齿轮等零件38CrMoAlA：制造镗床的镗杆、蜗杆、车床和磨床的主轴等零件曲轴：调质后，轴颈需进行感应淬火强化机床主轴:调质后需进行渗氮处理渗氮：向工件表面渗入氮原子的过程优点：①工件能获得比渗碳更高的表层硬度、耐磨性、疲劳强度和红硬性显微硬度：1000～1100HV（69～72HRC）红硬性：钢在高温下能够保持高硬度的能力对高温下工作的零件，红硬性是很重要的性能指标2020/2/16热处理组织——表层：回火S应用:轴类、连杆、齿轮40Cr，一般尺寸重要零件，如齿轮、主轴。35CrMo，较大截面零件，如曲轴、连杆。40CrNiMo，大截面重载零件，如汽轮机主轴和叶轮。调质，可附加表面淬火或氮化(38CrMoAl)。2020/2/16应用:汽车曲轴圆锥齿轮主要化学成分wt%热处理毛坯尺寸＜25mm机械性能（≥）退火态HBCMnSiCrMo淬火℃回火℃σbMPaσsMPaδ5%ψ%AkvJ0.37～0.440.5～0.80.17～0.370.8～1.10.07～0.12850油520水油98078594547207合金调质钢(低淬透性)40Cr用途：用于制造汽车、拖拉机、机床和其它机器上的各种重要零件,如机床齿轮、主轴、汽车发动机曲轴、连杆、螺栓、进气阀（GB/T3077－1999）四、合金弹簧钢1、性能特点制造各种弹性元件如常圈簧、板簧等。要求具有高的弹性极限、高的屈强比、高的疲劳强度以及足够的韧性。2、化学成分特点含碳量（0.5~0.7%),合金元素主要有Mn、Si、Cr、V、Mo等，主要作用是提高淬透性和回火稳定性，防止回火脆性。四、合金弹簧钢热轧钢：用于制作大型弹簧产品形态：圆钢、方钢和扁钢圆钢和方钢用于制造大型螺旋弹簧扁钢用于制造板式弹簧冷拉钢：用于制作小型弹簧产品形态：冷拉钢丝、冷轧钢带冷拉钢丝用于制造小型螺旋弹簧冷轧钢带用于制造各种弹簧片弹簧通常是在交变应力作用下工作的，常见的破坏形式是疲劳断裂①具有高的弹性极限②具有高的疲劳极限③对冷拉钢，在冷卷成型前要有一定的塑性变形能力2.成分特点碳素弹簧钢的含碳量：0.6～0.7%合金弹簧钢的含碳量：0.45～0.70%加入Si、Mn、Cr、W、Mo、V、Nb的作用：①提高钢的淬透性1.性能要求2020/2/16汽车板簧火车螺旋弹簧应用65Mn、60Si2Mn：汽车，拖拉机，机车的板簧和螺旋弹簧。热处理热轧弹簧：热成型→淬火+中温回火→喷丸冷轧弹簧：淬火+中温回火→冷成型→去应力→喷丸组织——回火T2020/2/16汽车板簧大型热卷弹簧热卷大弹簧弹簧丝2020/2/164．弹簧钢钢号主要成分,%淬火油℃回火℃机械性能CMnSi,CrbMPasMPa10%akkJ/m2650.62~0.700.50~0.800.17~0.37840油50010008009450850.82~0.900.50~0.800.17~0.37820油48011501000660065Mn0.62~0.700.90~1.200.17~0.37830油5401000800880060Si2Mn0.56~0.640.60~0.901.50~2.00870油48013001200580050CrVA0.46~0.540.50~0.80Cr0.8~1.10850油5001300115059800（摘自GB/T1222－1985）五、滚动轴承钢1、性能特点要求具有很高的强度和硬度、很高的弹性极限和接触疲劳强度，足够的韧性和淬透性，很高的耐磨性，而且还应有一定的抗腐蚀能力。2、化学成分特点高碳（0.95%Wc1.1%）；加入的合金元素主要是Cr,以提高其淬透性和耐磨性。五、滚动轴承钢滚动轴承是由内外套圈、滚动体（滚珠、滚柱）和保持器所组成作用：对轴进行准确定位，支撑轴的转动1.性能要求①要具有高硬度和高耐磨性②要具有高的接触疲劳强度③要具有一定的韧性和耐蚀性2.成份特点含碳量：0.95～1.10%Cr含量：0.35～1.95%：作用：提高钢的淬透性和回火稳定性，通过形成弥散分布的合金渗碳体，提高钢的耐磨性和接触疲劳强度2020/2/16滚动轴承钢的牌号GCr9SiMn含Mn量WMn≤1.5%含Si量WSi≤1.5%含Cr量WCr≈0.9%滚动轴承钢2020/2/16应用GCr15：中小型轴承，冷冲模，量具，丝锥。热处理球化退火+淬火+低温回火冷处理，时效（120～140℃,10～20h）：稳定尺寸，去应力。组织——回火M＋细碳化物＋少量A'滚珠轴承钢GCr15主要化学成分wt%热处理规范性能主要用途CCrSiMn淬火℃回火℃回火后HRC0.95～1.051.40～1.650.15～0.350.25～0.45820～840150～16062～66壁厚14mm,外径250mm的套圈.直径25～200mm的钢球.直径约25mm的滚柱.（GB/T18254-2002）用途：制造滚动轴承的滚动体(滚珠、滚柱、滚针),内外套圈等.或制造精密量具、冷冲模、机床丝杠等耐磨件.合金工具钢一、合金刃具钢二、合金模具钢三、合金量具钢2020/2/16量具刃具模具合金工具钢一、合金刃具钢（P129）刃具钢应具有下列性能要求（1）高硬度（60HRC以上）（2）高的耐磨性（3）高的热硬性（红硬性）（4）具有一定的强度、韧性和塑性合金工具钢按用途分类：可分为刃具钢、模具钢及量具钢一、刃具钢1.性能要求①