低合金钢和合金钢

低合金钢和合金钢金属材料及热处理第七章第七章低合金钢和合金钢低合金钢与合金钢概述合金元素在钢中的作用低合金钢与合金钢的编号低合金钢机器零件用钢合金工具钢特殊性能钢工业用钢1.钢的分类按化学成分合金钢碳素钢低碳钢中碳钢高碳钢低合金钢（合金元素总量＜5%）中合金钢（合金元素总量为5%-10%）高合金钢（合金元素总量＞10%）（C%﹤0.25）（0.25≤C%≤0.6）（C%﹥0.6）合金钢在压力加工、切削加工、焊接工艺性等方面比碳钢稍差，且成本较高第一节低合金钢与合金钢概述4）不具备特殊的物理化学性能1）强度指标偏低导致机器设备笨重2）淬透性较低对大截面零件难获得高而均匀的力学性能3）高温强度低、热硬性差高碳刃具钢只能用于很低的切削速度碳钢淬火后的使用温度不能高于250℃碳钢在抗氧化、耐腐蚀、耐热、耐磨等方面较差碳钢冶炼工艺简单、易加工、价格低廉，能满足工业生产上的一般需求，因此应用广泛碳钢在工程上的应用有以下几方面的局限性按质量分类普通质量钢优质钢特级优质钢钢的质量是以磷、硫的含量来划分的按冶炼方法分类平炉钢转炉钢电炉钢根据冶炼所用炼钢炉不同钢的分类按退火组织分类亚共析钢共析钢过共析钢按正火组织分类珠光体钢贝氏体钢铁素体钢奥氏体钢莱氏体钢按用途分类特殊性能钢工程用钢机器用钢模具钢刃具钢量具钢不锈钢耐热钢结构钢工具钢按金相组织分类一、钢中常存杂质对性能的影响钢中常存杂质元素主要是指锰、硅、硫、磷及氮、氢、氧等1）硅和锰的影响有益元素溶于铁素体中固溶强化提高钢的强度和硬度含量应分别控制在0.5%和0.8%以下2）硫和磷的影响有害元素硫在钢中以FeS的形式存在，使钢变脆，产生热脆性。控制在0.05％以下，MnS对断屑有利磷可溶于铁素体中，使钢的强度、硬度显著增加但使钢脆化，产生冷脆性冷脆对高寒地带和其他低温下工作的钢结构具有严重的危害性在炼钢过程中加入硅铁和锰铁脱氧来源于矿石、燃料等炼钢原料第二节合金元素在钢中的作用1.合金元素对钢中基本相的影响①溶于铁素体，起固溶强化的作用合金元素溶于铁素体中造成晶格畸变，提高塑变抗力，强度和硬度提高。铁素体和渗碳体是碳钢中的两个基本相与碳亲和力弱的非碳化物形成元素，如镍、硅、铝、钴等②形成碳化物与碳亲和力强的碳化物形成元素，如锰、铬、钼、钨、钒、铌、锆、钛等合金元素与碳的亲和力越大，所形成化合物的稳定性、熔点、分解温度、硬度、耐磨性越高二、合金元素在钢中的作用①对奥氏体相区的影响扩大奥氏体区域扩大奥氏体区域的元素有镍、锰、碳、氮等，这些元素使A1和A3温度降低，从而使奥氏体区域扩大对ZGMnl3耐磨钢和1Crl8Ni9不锈钢由于有很高的Mn或Ni含量，其S点就能降到零点以下，在常温下仍能保持奥氏体状态，称为奥氏体钢2.合金元素对铁碳相图的影响缩小奥氏体区域缩小奥氏体区域的元素有铬、铝、硅、钨等，使A1和A3温度升高，使奥氏体区域缩小A1和A3温度升高钢的淬火温度相应地提高当Cr％13％时，奥氏体区域消失，在室温下得到单相铁素体，称为铁素体钢2.合金元素对铁碳相图的影响①合金元素对加热转变的影响对奥氏体形成速度的影响大多数合金元素（除镍、钴以外）都减缓钢的奥氏体化过程合金钢在热处理时要相应地提高加热温度或延长加热时间，才能保证奥氏体化过程的充分进行对奥氏体晶粒长大倾向的影响合金元素与碳和氮的亲和力越大阻碍奥氏体晶粒长大的作用越强烈Mn、P对奥氏体晶粒的长大起着促进作用，因而含锰钢加热时应严格控制加热温度和保温时间使得合金钢多为本质细晶粒钢3.合金元素对热处理的影响对C曲线和淬透性的影响除Co外，凡溶入奥氏体的合金均使C曲线右移钢的临界冷却速度下降淬透性提高淬火冷却速度降低减少零件的淬火变形和开裂倾向对Ms和Mf的影响除Co、Al外，凡溶入奥氏体的合金都使Ms和Mf下降钢在淬火后的残余奥氏体量增加②合金元素对冷却转变的影响提高耐回火性耐回火性淬火钢在回火过程中抵抗硬度下降的能力合金元素阻碍马氏体分解和碳化物聚集长大过程回火时的硬度降低过程变缓提高钢的耐回火性产生二次硬化含有高W、Mo、Cr、V等元素的钢在淬火后回火加热时，由于析出细小弥散的这些元素碳化物以及回火冷却时残余奥氏体转变为马氏体，使钢的硬度不仅不下降，反而升高的现象称为二次硬化二次硬化使钢具有热硬性，这对于工具钢是非常重要的防止第二类回火脆性在高温下保持高硬度的能力③合金元素对淬火钢回火转变过程的影响1）钢铁产品牌号表示方法采用汉语拼音字母、化学元素和阿拉伯数字相组合一般从代表产品名称的汉字碳素结构钢和低合金高强度结构钢“Q”+屈服点数值+表6-2中规定的质量等级、脱氧方法等符号表示，按顺序组成牌号例：Q235AF、Q235BZ质量等级从A-Z，硫、磷含量降低，质量提高优质碳素结构钢优质碳素结构钢的牌号以两个数字表示，这两位数字表示钢的平均含碳量的万分之几。第三节低合金钢与合金钢的编号例：45、50Mn合金结构钢和合金弹簧钢两位数字+带有百分含量数字的合金元素符号组成表示平均含碳量的万分之几例：30CrMoSi、20CrNi3平均含量小于1.5%时，不标含量平均含量为2.5%-3.49%时，标3高级优质钢在牌号后加字母A：38CrMnSiA特级优质钢在牌号后加字母E：30CrMnSiE优质碳素结构钢A.碳素工具钢“T”+数字例：T9、T10AA表示高级优质钢B.合金工具钢和高速工具钢与合金结构钢相同，但一般不标明含碳量数字例：Cr12MoV、W6Mo5Cr4V2平均含碳量为1.6%平均含碳量为0.85%轴承钢“G”+Cr+数字含铬量的千分之几平均含碳量为0.9%工具钢不锈钢和耐热钢数字+合金元素符号+数字平均含碳量的千分之几含合金元素的百分之几例：11Cr17铸钢“ZG”+数字+数字最低屈服强度最低抗拉强度第四节低合金钢1、低合金钢的分类按质量等级分普通质量低合金钢优质低合金钢特殊质量低合金钢按性能分低合金高强度结构钢低合金耐候钢低合金钢筋钢铁道用低合金钢1.性能特点1）强度高于碳素结构钢，可降低结构自重、节约钢材；2）具有足够的塑性、韧性及良好的焊接性能；3）具有良好的耐蚀性和低的冷脆转变温度。在碳素结构钢的基础上，加入少量的合金元素发展起来的2.成份特点1）低碳：含碳量≤0.2%2）低和金：主加元素为锰对铁素体具有明显的固溶强化作用降低钢的冷脆转变温度，增加组织中的珠光体，提高强度二、低合金高强度结构钢在热轧状态下使用，组织为铁素体加珠光体5.典型钢种及用途广泛用于石油化工设备、船舶、桥梁、车辆等大型钢结构中Q345是应用最广、用量最大的低合金高强度结构钢Q×××[-□□]4.牌号屈服强度屈服强度值≥275MPa质量等级和脱氧方式3.热处理特点三、低合金高耐蚀性钢1.常用牌号：09CuPCrNi-A、09CuPCrNi-B、10MnPNbRE、12MoAIV等。2.用途：主要用于铁道车量、农业机械、起重运输机械、建筑、船舶等方面。四、低温用钢1.性能要求（1）足够的强度和充分的韧性（2）良好的焊接性和加工成型性（3）耐腐蚀性2.常用的低温用钢（1）铁素体低温用钢按成分可分为低碳锰钢、低温高强度钢和镍系低温钢（2）奥氏体低温用钢典型钢种：18-8型铬镍不锈钢、OCr21Ni6Mn9N等。1.成分含碳量0.10-0.25％的合金钢，主要加入能提高淬透性的Mn、Cr、Ni等元素2.性能特点经热处理后表硬里韧、耐磨性及抗疲劳性好预先热处理（正火）渗碳磨削下料锻造机加工淬火+低温回火3.渗碳件一般的工艺路线4.用途应用很广，主要用于制造渗碳零件，如变速齿轮、内燃机凸轮轴等各种表面耐磨件第五节机器零件用钢低淬透性渗碳钢15Cr、20Cr等，心部强度低，尺寸和载荷小的齿轮和滑块中淬透性渗碳钢20CrMnTi、20CrMn等，心部强度较高，用于制造中等强度的耐磨零件，如汽车、拖拉机的变速齿轮、齿轮轴等；高淬透性渗碳钢18Cr2Ni4WA、20Cr2Ni4A等，淬透性很高。用来制造承受重载荷和强烈磨损的重要零件，如飞机、坦克中的曲轴及重要齿轮等5.常用钢种下料--毛坯锻造--正火--加工齿形--局部镀铜--渗碳(930℃)--预冷淬火(830℃)--低温回火(200℃)--喷丸--磨齿以20CrMnTi渗碳钢制造汽车变速齿轮为例调质件一般的工艺路线在调质处理后使用的钢种，主要用于制造受力复杂的汽车、拖拉机、机床及其他各种重要零件齿轮、连杆、螺栓、轴类件性能要求良好的综合力学性能良好的淬透性成分特点中碳：含碳量为0.25%-0.50%主加合金元素为Mn、Si、Cr、Ni、B提高淬透性，强化铁素体基体精机加工下料锻造退火粗机加工调质二、合金调质钢低淬透性调质钢45、40Cr用于制造尺寸较小的齿轮、轴、螺栓等中淬透性调质钢40CrNi用于制造截面较大的零件，如曲轴、齿轮等高淬透性调质钢40CrNiMo用于制造大截面、重载荷的零件，如汽轮机主轴、叶轮、航空发动机等典型钢种1.成分3.组织含碳量在0.40～0.70％的合金钢。主要加入元素是硅和锰，提高淬透性和屈强比2.热处理淬火+中温回火回火屈氏体4.热处理特点冷成形弹簧对于钢丝直径小于10mm的弹簧，通过冷拔(或冷拉)、冷卷成型冷卷后的弹簧不必进行淬火处理，只需进行一次消除内应力和稳定尺寸的定型处理，即加热到250～300℃，保温一段时间，从炉内取出空冷即可使用据尺寸和加工方法不同，分为热成形和冷成形弹簧两种三、合金弹簧钢热成形弹簧5.典型钢种Si、Mn弹簧钢代表性钢种65Mn、60SiMn，主要用于制造较大截面的弹簧，如汽车、拖拉机的板簧、螺旋弹簧等Cr、V弹簧钢代表性钢种50CrV，主要用于大截面、大载荷、耐热的弹簧，如阀门弹簧、高速柴油机的气门弹簧等直径大于10-15mm在高于淬火温度热卷成形淬火+中温回火(350—500℃)回火屈氏体HRC40～45高的屈服强度的条件下具有足够的韧性指标1.用途主要用来制造滚动轴承的内外圈，滚动体等2.牌号GCr×[-□□]Cr的千分之几除Cr外其它合金元素的元素符号3.化学成分含碳量0.95-1.10%，含铬量0.4-1.65%4.热处理及组织预先热处理球化退火最终热处理淬火+低温回火提高淬透性和回火稳定性四、滚动轴承钢5.使用状态下组织回火马氏体＋细小碳化物＋残余奥氏体6.典型钢种应用最广的GCr15钢，大量用于制造中大型轴承，还可用于制造冷冲模、量具、丝锥等。工具钢是用来制造各种工具的钢种工具钢量具钢低合金刃具钢模具钢第六节合金工具钢高速工具钢1.性能要求用于制造各种金属切削刀具的钢种高的硬度HRC＞60高耐磨性耐磨性取决于硬度、韧性和碳化物高的热硬性钢在高温下保持高硬度的能力足够的韧性和塑性以免刀具在使用过程中崩刃、折断2.常用刃具钢碳素工具钢、低合金工具钢、高速钢一、低合金刃具钢牌号T×[×][A]×[×]——含碳千分之几[A]：高级T7、T7A、T8、T8A、……、T13A典型钢种热处理和组织①预备热处理球化退火降低硬度便于切削加工组织为铁素体基体十细小均布的粒状渗碳体②最终热处理淬火＋低温回火组织为回火马氏体十粒状渗碳体十少量残余奥氏体碳素工具钢用途冲头、凿子要选用T7、T8等车刀、钻头可选用T10精车刀、锉刀则选用T12,T13优点成本低，耐磨性和加工性较好，在手用工具和机用低速工具上广泛应用缺点热硬性差，淬透性低，只适于制作尺寸不大、形状简单的低速刀具牌号热处理和组织[×]□[×]□[×][□×]含碳量的千分之几，超过10不写含合金元素及含量[百分之几，平均小于1.5%不写]化学成分在碳素工具钢的基础上加入少量合金元素，在保持高碳的同时，加入Cr、Mn、Si、W、V等合金元素提高淬透性提高耐磨性，并细化晶粒预备热处理球化退火降低硬度便于切削加工加入了合金元素，钢的淬透性提高，采用油淬火低合金工具钢用途优点淬火后的硬度与碳素工具钢处于同一范围，但淬火变形小、开裂倾向小广泛用于制造形状复杂、要求变形小的低速切削刃具，如丝锥、板牙等，也常用作冷冲模典型钢种9SiCr最终热处理淬火