合金元素在钢中的作用.docx

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合金元素在钢中的作用

第六章合金钢

第七章

合金钢的优点：

高的强度和淬透性

第一节合金元素在钢中的作用

常用合金元素：

非碳化物形成元素——CoNiCuSiAl

碳化物形成元素——ZrNbVTiWMoCrMnFe

强中强弱

一、合金元素对钢中基本相的影响

1、形成合金铁素体

合金元素→溶入A→形成合金铁素体→固溶强化（Cr,Ni较好）

2、形成合金碳化物

弱碳化物形成元素形成合金渗碳体（Fe,Mn）3C

中强碳化物形成元素形成合金碳化物（Cr23C6，Fe3W3C）

强碳化物形成元素形成特殊碳化物（VC，TiC）

熔点、硬度和稳定性：

特殊碳化物>合金碳化物>合金渗碳体>Fe3C

二、合金元素对Fe-FeC相图的影响

合金元素对A相区影响

扩大A相区元素（Mn）——E、S点左下移

缩小A相区元素（Cr）——E、S点左上移

奥氏体钢：

1Cr18Ni9

铁素体钢：

1Cr17

莱氏体钢：

W18Cr4V

三、合金元素对热处理的影响

1、对加热的影响

多数元素减缓A形成，阻碍晶粒长大

2、对冷却的影响

多数元素溶入A后→过冷A稳定性↑→Vc↑→淬透性↑

→Ms点↓→残余A量↑

提高淬透性的意义：

①增加淬硬层深度

②减少工件变形、开裂倾向

3、对回火的影响

①回火稳定性→抗回火软化的能力

②产生二次硬化（析出特殊碳化物，产生弥散强化；A残→M或B下）

第二节低合金钢

一、低合金高强度钢

碳素结构钢：

Q195，Q215，Q235，Q255，Q275

低合金高强度钢：

Q295，Q345，Q390，Q420，Q460

Q235+Me（<3%）→Q345

1、成分：

0.1~0.2%C，合金元素2~3%

主加元素：

Mn——固溶强化

辅加元素：

Ti,Cr,Nb——弥散强化

使用状态：

热轧或正火（F+P），不需最终热处理

2、性能：

较高的σs，良好的塑性韧性，

焊接性，抗蚀性，冷脆转变温度低

3、常用钢号：

Q295（09Mn2），Q345（16Mn）

用途：

工程结构——桥梁，船舶，车辆外壳、支架、压力容器

二、易切削结构钢

牌号：

Y12，Y12Pb，Y30，Y40Mn

性能：

良好的切削加工性（170~240HBS，塑性低）

切削抗力小，刀具不易磨损，加工表面粗糙度低

应用：

成批、大量生产时，制作性能要求不高的紧固件和小型零件

第三节合金钢的分类与牌号

一、合金钢分类

低合金钢——低合金高强度钢、易切削结构钢

合金结构钢——渗碳钢、调质钢、弹簧钢、滚动轴承钢

合金工具钢——合金工具钢、高速钢

特殊性能钢——不锈钢、耐热钢、耐磨钢

二、合金钢牌号

1、合金结构钢——20CrMnTi，60Si2Mn，25Cr2Ni4WA

2、滚动轴承钢——GCr15

3、合金工具钢——9Mn2V，CrWMn

4、高速钢——W18Cr4V，W6Mo5Cr4V2

5、不锈、耐热钢——4Cr13，0Cr18Ni11Ti，00Cr17Ni14Mo2

6、高锰耐磨钢——ZGMn13

学习思路：

用途→工作条件→性能要求→成分特点→热处理特点→典型钢种应用

第四节合金结构钢

一、渗碳钢

1、用途：

受冲击和强烈磨损、摩擦的零件（各类齿轮、凸轮）

2、性能：

表面——高的硬度、耐磨性

心部——强而韧

3、成分：

0.1~0.25%C——低碳钢

主加元素：

Cr,Ni,Mn,B——↑淬透性（心部得M板条）

辅加元素：

W,Mo,V,Ti——细化晶粒（VC,TIC,耐磨性↑），

4、最终热处理：

渗碳+淬火+低温回火

组织：

表层：

高碳回火M+Fe3C或碳化物+残A

心部：

淬透：

低碳回火M

未淬透：

F+P

5、常用钢号：

20,20Cr,20CrMnTi,18Cr2Ni4W

淬透性：

低中高

适用：

机床齿轮汽车变速齿轮飞机齿轮

二、调质钢

1、用途：

受复合应力的重要结构件（齿轮、连杆、机床主轴）

2、性能：

良好的综合机械性能

3、成分：

0.3~0.5%C——中碳钢

主加元素：

Cr,Ni,Mn,Si——↑淬透性，强化基体

辅加元素：

W,Mo,V,Ti——细化晶粒,↑回火稳定性

4、热处理：

预备：

正火——S——改善组织，消除锻造应力，便于切削加工

最终：

调质——回火S——获得良好的综合机械性能

表面要求高硬度,耐磨,↑σ-1，→表面淬火+低温回火（回火M）

5、常用钢号：

45，40Cr，40CrMnMo

三、弹簧钢

1、用途：

弹性元件

2、性能：

高的σe、σb、σ-1，一定的塑韧性

3、成分：

0.45~0.7%C（碳钢0.6~0.9%C）——保证↑σe

主加元素：

Mn,Si,Cr——↑淬透性，强化基体,↑回火稳定性

辅加元素：

Mo,W,V——防脱碳，细化,↑σe，

4、热处理：

热成型弹簧（尺寸大，60Si2Mn）：

加热成型→淬火+中温回火→喷丸（回火T）38~50HRc

冷成型弹簧（尺寸小，65Mn）：

冷拉钢丝→冷绕成型→去内应力退火（200~300℃）

5、常用钢号：

65，65Mn，小尺寸的沙发弹簧

60Si2Mn大尺寸的汽车板簧

四、滚动轴承钢

1、用途：

滚动轴承元件，冷冲模，量具（滚珠、滚柱、轴承套）

2、性能：

硬、耐磨，↑σ-1，一定的韧性

3、成分：

0.95~1.15%C——硬、耐磨

主加元素：

Cr——↑淬透性，硬，耐磨

4、热处理：

预备：

球化退火——球状P（180~270HBS），改善切削加工性

最终：

淬火+低温回火——回火M+合金碳化物+残A

5、常用钢号：

GCr15

第五节合金工具钢

一、刃具钢

性能：

高硬度、耐磨性，红硬性（热硬性），

足够的强度、韧性

1、合金刃具钢

⑴成分：

0.8~1.5%C——硬、耐磨

Cr,W,Mn,V——↑淬透性、回火稳定性，细化晶粒，

⑵热处理：

预备：

球化退火——改善切削加工性

最终：

淬火+低温回火——回火M+合金碳化物+残A↑HRC、耐磨性

⑶常用钢号：

9SiCr，CrWMn，9Mn2V

用于制作切削用量不大,形状复杂,精度较高的刀具：

丝锥，板牙，拉刀

2、高速钢

红硬性高（600℃），淬透性好——锋钢。

钢号：

W18Cr4V（红硬性↑），W6Mo5Cr4V2（韧性↑）

⑴成分特点：

含碳量0.7~1.2%C（不标）

合金元素W，Mo，Cr，V——产生二次硬化，热硬性↑

⑵锻造与热处理：

铸态：

莱氏体中的共晶碳化物呈鱼骨状

锻造：

使碳化物细化并均匀分布

预备：

球化退火——S+细粒状碳化物（HBS210~250）

最终：

淬火（1280℃）+三次回火（560℃）——回火M+合金碳化物+残A

（63~66HRc）

热处理特点：

预热次数多→防变形开裂

淬火温度高→使合金元素尽可能多地溶入A，保证红硬性

560℃回火→产生二次硬化（弥散强化+二次淬火）

回火次数多→消除残余A，及残余A→M产生的应力

二、模具钢

1、冷作模具钢

性能：

高硬度、耐磨性，足够的强度、韧性

模具钢：

T10，GCr15——尺寸小、形状简单的模具

9SiCr，9Mn2V，CrWMn——形状复杂模具

Cr12,Cr12MoV——大型复杂模具

热处理：

淬火+低温回火

2、热作模具钢

性能：

高温足够的强韧性、耐磨性，良好的抗疲劳性、导热性、淬透性

钢号：

5CrNiMo——中小型热锻模（亚共析钢）

5CrMnMo——中大型热锻模

3Cr2W8V——压铸模（过共析钢）

热处理：

淬火+高温回火（中温回火）——回火S（回火T）

三、量具钢

性能：

高硬度、耐磨性、尺寸稳定性

常用钢号：

T10A，T12A——简单量具

9SiCr，CrWMn，GCr15——高精度量具

提高尺寸稳定性方法：

淬火+冷处理+低温回火→精磨→人工时效120℃，2~3h

（消除残A）（稳定组织、尺寸）

第六节特殊性能钢

一、不锈钢

成分：

0.1~0.2%C——↑耐蚀性

主加元素Cr→↑基体电极电位

形成钝化膜（Cr2O3）

获得单相组织

常用钢种：

①铁素体不锈钢1Cr17——不能热处理强化

②马氏体不锈钢

1Cr13,2Cr13淬火+高温回火（回火S）耐蚀结构件

3Cr13,4Cr13淬火+低温回火（回火M）医疗器械、工具

③奥氏体不锈钢1Cr18Ni9Ti

热处理：

固溶处理（淬火）→单相A

区别于普通淬火：

无相变，淬火后硬度低

强化方式：

加工硬化

应用举例：

耐酸容器，餐具

二、耐热钢

性能：

抗氧化性，热强性

常用钢种：

15CrMo，25Cr2MoVA

1Cr13，1Cr17，1Cr18Ni9Ti

三、高锰耐磨钢

ZGMn13

成分：

0.9~1.4%C，13%Mn

水韧处理：

加热1100℃→水淬→单相A

冲击时：

表面A→M产生硬化

应用：

挖掘机铲斗、坦克履带、铁轨道岔、保险箱、防弹钢板等