第六章++合金钢与粉末冶金

第六章合金钢与粉末冶金第一节概述1、碳钢的优缺点碳钢的价格低廉，便于获得，容易加工；碳钢通过含碳量的增减和不同的热处理，它的性能可以得到改善，能满足很多生产上的要求。但是由于碳钢还存在着以下几个主要缺点，使它的应用受到一定限制。（1）碳钢的淬透性低碳钢制成的零件尺寸不能太大，否则淬不透，出现内外性能不均，对于一些大型的机械零件，（要求内外性能均匀），就不能采用碳钢制作，如发电机转子，汽轮机叶片，汽车、拖拉机的连杆螺栓等。（2）回火抗力差碳钢淬火后，只有经低温回火才能保持高硬度，若其回火温度超过200℃，其硬度就显著下降。即回火抗力差，不能在较高的温度下保持高硬度，因此对于要求耐磨，切削速度较高，刃部受热超过200℃的刀具就不能采用碳钢制作。（3）碳钢不能满足一些特殊性能的要求如耐热性、耐腐蚀性、耐低温性（低温下高韧性）为了弥补碳钢的不足，满足上述条件的要求，目前工业上广泛发展和使用了合金钢材料。2、合金钢的概念所谓的合金钢，就是为了改善钢的性能，特意地加入一些合金元素的钢。目前常用的合金元素：Cr、Mn、Ni、Co、Cu、Si、Al、B、W、M。V、Ti、Nb、Zn及稀土Re。钢中所含合金元素不同，其组织和性能也不同。第二节钢中合金元素的作用一、合金元素对钢中基本相的影响在退火、正火或调质状态，碳钢中的基本相是铁素体和渗碳体，当钢中加入少量合金元素时，有可能一部分溶于铁素体内形成合金铁素体，而另一部分溶于渗碳体内形成合金渗碳体。合金元素在钢中的存在形式有三种：形成固溶体，形成化合物和呈游离状态。1通常与碳的亲和力很弱，不形成碳化物的元素主要固溶于铁素体、奥氏体、马氏体中，而不形成碳化物，如：Ni、Si、Al、Co……。碳化物形成元素可形成合金渗碳体和特殊碳化物，如：Mn、Cr、Mo、W、V、Ti、Nb、Zr等，其中Mn与碳的亲合力较弱，它的大部分是固溶于铁素体、奥氏体、马氏体中，而少部分固溶于渗碳体中形成合金渗碳体，（Fe，Mn）3C。V、Ti、Nb、Zn与碳的亲合力很强，主要以特殊碳化物形式存在。而Cr、Mo、W与碳的亲和力较强，当含量较少时，它们主要固溶于渗碳体中，而含量较高时，才能形成特殊碳化物如：Cr23C6、WC、MoC、Cr7C6。对于固态下不溶于铁或在铁中溶解度很小的少数元素，如Pb、Cu、（＞0.8)等，常以游离态存在。钢中存在的合金元素对钢的性能有明显的影响。1、形成固溶体：产生固溶强化，使钢的强度提高，而且合金元素的原子半径及晶格类型与铁原子相差愈大，强化作便愈大。如Ni、Mn、Si（f、c、c，复杂立方，金刚石晶格）对铁素体（b、c、c）的强化作用大于Cr、Mo、W（b、c、c）。图6-1合金元素对缓慢冷却后铁素体硬度的影响而且这种固溶于铁素体中的合金元素，除少量的Mn、Cr、Ni、Si（≤1.5%Mn，≤2%Cr，≤5%Ni，≤0.6%Si）能使铁素体的塑性、韧性提高外，都降低其塑性、韧性。（据此，通常使用的结构钢中各合金元素的含量都有一定限度）2、形成合金渗碳体：合金元素固溶于渗碳体中，部分替代了渗碳体中的Fe原子而形成的，如（Fe，Cr）3C。2使渗碳体的硬度和稳定性提高，因为和碳化物形成元素相比，铁和碳的亲合力最弱，故渗碳体是稳定性最差的碳化物。合金元素溶于渗碳体内增加了铁与碳的亲合力，从而提高了其稳定性，且这种稳定性较高的合金渗碳体较难溶于奥氏体，较难聚集长大，可提高钢的强度、硬度、耐磨性。3、形成特殊碳化物：（VC、TiC、WC、MoC……）因其稳定性很高，具有高熔点和高硬度，更难溶于奥氏体，难以聚集长大。随特殊碳化物数量增多，钢的硬度增大，耐磨性增加，但塑性、韧性下降，特别是当这类碳化物大小不一，分布不均匀时，钢的脆性显著增加。4、游离态存在：显著降低钢的强度、塑性和韧性，但可提高切削加工性。二、合金元素对Fe-Fe3C相图的影响实验表明，合金元素对Fe-Fe3C相图的影响，主要表现在对纯铁同素异构转变温度A4、A3，共析转变温度A1及对γ区的影响。1、扩大γ区Ni、Mn等元素是扩大γ区的元素，它们使A4和NJ线升高，A3和GS线降低，使γ区增大，当扩大γ区的元素含量很高时，可把A3点温度降至室温以下，这时钢在室温下就得到奥氏体组织——称为奥氏体钢、如含13%Mn的Mn13耐磨钢，含9%Ni的Cr18Ni9不锈钢等均属奥氏体钢。图6-2扩大γ相区的合金元素——Fe示意图2、缩小γ区Cr、W、Mo、V、Ti、Al、Si等是缩小γ区的元素，它们能使A4和NJ线下降，此时钢在冷却时便不发生组织转变，室温下组织铁素体组织—称为铁素体钢，如含17~28%Cr的Cr17、Cr25、Cr28等铬不锈钢均属铁素体钢。3图6-3缩小γ相区的合金元素——Fe示意图奥氏体钢和铁素体钢具有特殊性能如：耐热、耐腐蚀、耐低温等等。3、使E点和S点左移无论是扩大γ区的合金元素，还是缩小γ区的合金均使E点和S点左移，即降低共析点的含碳量及碳在奥氏体中的最大溶解度。因此使相同含碳量的碳钢和合金钢具有不同的显微组织，如含碳0.4%的碳钢具有亚共析组织，而含C0.4%，13%Cr的合金钢则具有过共析组织。因为此时的共析成分已不再是0.77%，而是变为0.3%C了，另外，由于E点的左移，使含碳量远低于2.11%C的合金钢中出现莱氏体。如18%W的高速工具钢，含0.70-0.80%C，其铸态组织中出现了莱氏体。a)Mn对Ｅ、Ｓ点的影响b)Cr对Ｅ、Ｓ点的影响图６-４合金元素对Ｅ、Ｓ点的影响三、合金元素对钢的热处理工艺的影响（一）对钢加热时奥氏体形成的影响4实验表明，合金元素对钢加热时奥氏体形成的影响，主要表现在对奥氏体的形成速度及奥氏体的晶粒大小的影响。1、对奥氏体形成速度的影响合金钢在室温的平衡组织大多是由合金铁素体和碳化物组成，在加热至Ac1或Ac3以上温度时将发生奥氏体化过程，同样此过程包括奥氏体的形成，剩余碳化物的溶解和奥氏体成分均匀化，均是由合金元素和碳的扩散所控制。非碳化物形成元素Co和Ni提高碳在奥氏体中扩散速度，加速奥氏体的形成。Si、Al、Mn等元素，对C的扩散速度影响不大。因而对奥氏体的形成速度影响不大。碳化物形成元素：Cr、W、Nb、Mo、Ti、V阻碍C的扩散，缓减奥氏体的形成速度。此外，奥氏体转变完成时，合金元素和碳的分布是不均匀的，必须通过C和合金元素的扩散，才能使奥氏体成分均匀化，且合金元素的扩散能力远比碳小，因此，要获得均匀的奥氏体，合金钢的加热温度应比碳钢高，保温时间应比碳钢长。2、对奥氏体晶粒大小的影响碳化物形成元素：Ti、V、Nb、Zr……强烈阻碍晶粒长大；W、Mo、Cr……一般阻止晶粒长大；非碳化物形成元素：Ni、Cu、Si、Co等影响不大；P、Mn促进晶粒长大。（二）对钢淬透性的影响（对C曲线的影响）图６-５合金元素对C曲线的影响1、对“C”曲线的影响除Co、Al以外，大多数溶入奥氏体中的合金元素都增加奥氏体的稳定性，使C曲线右移。且非碳化物形成元素Al、Ni、Si、Cu等不改变C曲线的形状，只使其右移，碳化物形成元素Mn、Cr、Mo、W等除使C曲线右移外，还改变其形状。5碳化物形成元素Mn、Cr、Mo、W等将C曲线分裂为珠光体转变和贝氏体转变两个C曲线，并在此二曲线之间出现一个过冷奥氏体的稳定区，其中Cr和Mn推迟贝氏体转变的作用大于珠光体转变；而Mo、W推迟珠光体转变的作用大于贝氏体。2、对Ms点的影响除钴、铝以外，大多数合金元素溶人奥氏体中会降低钢的Ms点，增加了钢中的残余奥氏体的数量，对钢的硬度和尺寸稳定性产生较大的影响。合金元素使C曲线位置和形状的改变，有重要的实际意义，由于合金元素使C曲线右移，因而使淬火的临界冷却速度降低，提高了钢的淬透性，这样就可采用较小的冷却速度，甚至在空气中冷却就能得到马氏体，从而避免了由于冷却速度过大而引起的变形和开裂，另一方面由于形状的改变，使某些钢28CrMoNiVB采取空冷便得贝氏体组织，具有良好的综合机械性能，就不用采取等温淬火。（三）对淬火钢回火的影响1、提高钢的回火稳定性合金元素固溶于马氏体中，减慢了碳的扩散，从而减慢了马氏体及残余奥氏体的分解过程和阻碍碳化物析出，聚集长大，因而在回火过程中合金钢的软化速度比碳钢慢，即合金钢具有较高的回火抗力，在较高的回火温度下仍保持较高的硬度，即在回火温度相同时，合金钢的硬度及强度比相同含碳量的碳钢高，而回火至相同硬度时，合金钢的回火温度高，内应力的消除比较彻底，因此，其塑性和韧性比碳钢好。图6-6对含碳0.35%钢淬火回火后硬度的影响2、产生二次硬化若钢中Cr、W、Mo、V等元素超过一定量时，除了提高回火抗力外，在400℃以上还会形成弥散分布的特殊碳化物，使硬度重新升高，直到500～600℃硬度达最高值，6出现所谓的二次硬化现象。600℃以后硬度下降是由于这些弥散分布的碳化物聚集长大的结果。二次硬化现象对高合金工具钢十分重要，通过500～600℃回火可使其硬度比淬火态硬度高5HRC以上。3、回火脆性合金元素对淬火钢回火后的机械性能的不利方面是回火脆性问题。回火脆性一般是在250-400℃与500-650℃这两个温度范围内回火出现的，它使钢的韧性显著降低。（1）第一类回火脆性结构钢回火时在250-400℃出现的冲击韧性下降的现象称为“第一类回火脆性”。这类回火脆性无论是在碳钢还是合金钢中均会出现，它与钢的成分和冷却速度无关，即使加入合金元素及回火后快冷或重新加热到脆性回火温度范围内回火，都无法避免，故又称“不可逆回火脆性”。但合金元素可使第一类回火脆性的温度范围移向较高的温度。一般认为这类回火脆性的产生与马氏体，残余奥氏体的分解及Fe3C析出有关，防止方法就是避开这一温度范围回火。（2）第二类回火脆性500-650℃回火后缓慢冷却出现的冲击韧性下降现象称为“第二类回火脆性”。这类回火脆性如果在回火时快冷就不会出现，另外，如果脆性已经发生，只要再加热到原来的回火温度重新回火并快冷，则可完全消除，因这类回火脆性又称为“可逆回火脆性”。图6-7回火温度对合金钢冲击韧性的影响而且并非所有的钢都有第二类回火脆性，它只在含Cr、Mn或Cr-Ni、Cr-Si的合金钢中出现，发生了这类回火脆性的钢不仅室温下的冲击韧性低，而且韧脆转化温度高，7因此必须设法防止或避免。产生原因是P、Mn、S、Si等元素在晶界偏聚。消除方法：自回火温度快冷；消除P、Mn、S、Si元素的偏聚；在钢中加入0.2-0.3%Mo或0.4-0.8%W来减缓偏聚过程发生，从而消除或减轻回火脆性。四、合金元素使合金钢具有某些特殊性能加入元素Cr、Si、Al等，在高温下在钢的表面形成致密的高熔点的氧化膜，可防止钢件继续氧化；加入W、Mo、V等元素可提高钢的高温强度，使钢具有耐热性。总之，不同合金元素在钢中的作用不同，同一种合金元素，其含量不同，对钢的组织和性能影响不同，因此就形成了不同类型的合金钢。五、合金钢的分类合金钢的种类繁多，为了便于生产，选材、管理及研究，常按用途将合金钢分为三大类：合金结构钢、合金工具钢、特殊性能钢。第三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。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。一、合金结构钢的编号用数字+化学元素+数字的方法表示前面的数字表示钢的平均含碳量的万分数，合金元素用汉字或化学符号表示，其后面的数字表示合金元素含量，一般以平均含量的百分数表示，当合金元素含量小于1.5%时，牌号中只标明元素而不标明含量，如果平均含量等于或大于1.5%、2.5%、3.5%……时，相应地以2、3、4等表示，如含0.37～0.44%C，0.8～1.10%Cr的钢40Cr，含0.5