第2章 合金钢

1、第二章 合金钢由于碳钢存在着强度低、淬透性低、热硬性差和不能满足某些特殊的物理化学性能等缺点，因而其应用受到一定限制。为了提高钢的力学性能，改善工艺性能和得到某些特殊的物理化学性能，炼钢时有目的的向钢中加入某些合金元素，就得到了低合金钢和合金钢。习惯上把低合金钢和合金钢统称为合金钢。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)、硼(B)、铝(Al)、铌(Nb)、锆(Zr)、稀土(Re)等。第一节 合金元素在钢中的作用合金元素对钢的相变、组织和性能的影响取决于它们与钢中的铁或碳的相互作用。一、合金元素对钢中基本相的影响铁素体和渗碳

2、体是碳钢中的两个基本相，合金元素加入钢中时，可以溶于铁素体内，也可以溶于渗碳体内。非碳化物形成元素如镍、硅、铝、钴等及与碳亲和力较弱的碳化物形成元素如锰，主要溶于铁素体中，形成合金铁素体。碳化物形成元素如锆、铌、钛、钒、钨、钼、铬等，可以溶于渗碳体形成合金渗碳体，也可以和碳直接结合形成特殊合金碳化物。1、合金铁素体图7-1 合金元素对铁素体硬度的影响 图7-2 合金元素对铁素体冲击韧性的影响合金元素溶于铁素体中，由于与铁的晶格类型和原子半径不同而造成晶格畸变，从而提高塑性变形抗力，产生固溶强化效果。图7-1和7-2为几种合金元素对铁素体的硬度和韧性的影响。由图可见，硅、锰显著提高铁素体的硬度，

3、当Si<0.6%、Mn<1.5%时，对韧性的影响不大。铬、镍这两个元素，在适当的含量范围内（Cr<2%、Ni<5%），不但提高铁素体的硬度，而且能提高其韧性。为此，在合金结构钢中，为了获得良好的强化效果，对铬、镍、硅、锰等合金元素要控制在一定的含量范围内。2、形成碳化物作为碳化物形成元素，在元素周期表中都是位于铁以左的过渡族金属，越靠左，则d层电子数越少，形成碳化物的倾向越强。按形成碳化物的稳定程度，可将合金元素按由强至弱的顺序排列成钛、锆、铌、钒、钨、钼、铬、锰、铁。锰是弱碳化物形成元素，与碳的亲和力比铁强，溶于渗碳体中，形成合金渗碳体 (Fe,Mn)3C，这种碳化物

4、的熔点较低、硬度较低、稳定性较差。铬、钼、钨属于中强碳化物形成元素，既能形成合金渗碳体，如(Fe,Mn)3C等，又能形成各自的特殊碳化物，如Cr7C3、Cr23C6、MoC、WC等，这些碳化物的熔点、硬度、耐磨性以及稳定性都比渗碳体高。铌、钒、钛是强碳化物形成元素，它们在钢中优先形成特殊碳化物，如NbC、VC、TiC等。它们的稳定性最高，熔点、硬度和耐磨性也最高。二、合金元素对铁碳合金相图的影响合金元素的加入对铁碳合金相图的相区、相变温度、共析成分等都有影响。a) b) 图7-3 Mn、Cr对铁碳合金相图的影响合金元素会使奥氏体相区扩大或缩小。镍、锰、碳、氮等元素的加入都会使奥氏体相区扩大，是

5、奥氏体形成元素，特别以镍、锰的影响更大。图7-3a)为Mn对铁碳合金相图的影响。铬、钼、硅、钨等元素使奥氏体相区缩小，是铁素体形成元素。图7-3b)为Cr对相图的影响。由图7-3可见，随着Mn含量的增加，共析转变温度和共析成分向低温、低碳方向移动。因此，当Mn含量相当高时，由于扩大奥氏体区的结果，又可能在室温下形成单相奥氏体钢；而随着Cr含量的增加其共析温度和共析成分向高温、低碳方向移动，因此，当含Cr量相当高时，由于缩小奥氏体区的结果，有可能在室温下形成单相铁素体钢。此外，由于上述合金元素的作用，而使铁碳合金相图的S点和E点的含碳量降低，从而使钢中的组织与含碳量之间的关系发生变化。三、合金元

6、素对钢热处理的影响如第六章所述，合金元素对钢在加热时奥氏体化及过冷奥氏体分解过程都有着重要的影响。此外，合金元素对回火转变也产生一定的影响。将淬火后的合金钢进行回火时，其回火过程的组织转变与碳钢相似，但由于合金元素的加入，使其在回火转变时具有如下特点：1、提高钢的回火稳定性淬火钢件在回火时，组织分解和转变快慢的程度称为回火稳定性。不同的钢在相同温度回火后，强度、硬度下降少的其回火稳定性较高。由于合金元素阻碍马氏体分解和碳化物聚集长大过程，使回火的硬度降低过程变缓，从而提高钢的回火稳定性。由于合金钢的回火稳定性比碳钢高，若要求得到同样的回火硬度时，则合金钢的回火温度就比同样含碳量的碳钢来得高，回

7、火的时间也长，内应力消除得好，钢的塑性和韧性指标就高。而当回火温度相同时，合金钢的强度、硬度都比碳钢高。如图7-4所示为含0.35%C的钢中加入不同的钼，经淬火后回火时的硬度变化情况。2、产生二次硬化图7-4 含0.35%C加入不同Mo量的钢对回火硬度的影响图7-5 合金钢回火脆性示意图当含钨、钼、钒、钛量较高的淬火钢，在500600温度范围回火时，其硬度并不降低，反而升高，把这种在回火时硬度升高的现象称为二次硬化。图7-4表明含Mo量大于2%的钢产生二次硬化的情况。这是因为含上述合金元素较多的合金钢，在该温度范围内回火时，将析出细小、弥散的特殊碳化物，如Mo2C、W2C、VC、TiC等，这类

8、碳化物硬度很高，在高温下也非常稳定，难以聚集长大，能有效地阻碍位错运动，具有高温强度。如具有高热硬性的高速钢就是靠这种特性来实现的。另外，将淬火合金钢加热至500600回火，在冷却过程中由部分残余奥氏体转变为马氏体，从而增加钢的硬度，这种现象称为“二次淬火”（或也称二次硬化）。3、回火脆性淬火钢在某些温度区间回火或从回火温度缓慢冷却通过该温度区间的脆化现象，称为回火脆性。图7-5为镍铬钢回火后的冲击韧度与回火温度的关系。 钢淬火后在300左右回火时产生的回火脆性称为第一类回火脆性。无论碳钢或合金钢，都可能发生这种脆性，并且它与回火后的冷却方式无关。这种回火脆性产生后无法消除。 为了避免第一类回

9、火脆性的发生，一般不在250350温度范围内回火。含有铬、锰、铬-镍等元素的合金钢淬火后，在脆化温度区（400550）回火，或经更高温度回火后缓慢冷却通过脆化温度区所产生的脆性，成为第二类回火脆性。它与某些杂质元素在原奥氏体晶界上偏聚有关。这种偏聚容易发生在回火后缓慢冷却的过程中，最容易发生在含铬、锰、镍等合金元素的合金钢中。如果回火后快冷，杂质元素便来不及在晶界上偏聚，就不易发生这类回火脆性。当出现第二类回火脆性时，可将其加热至500600经保温后快冷，即可消除回火脆性。对于不能快冷的大型结构件或不允许快冷的精密零件，应选用含有适量钼和钨的合金钢，能有效防止第二类回火脆性的发生。第二节 低合

10、金钢和合金钢的分类与编号一、分类国家标准规定的非合金钢、低合金钢和合金钢中合金元素规定含量见表7-1。非合金钢已在第四章中介绍，以下主要介绍低合金钢和合金钢。表7-1 合金元素规定含量界限值（摘自GB/T13304-1991）合金元素合金元素规定含量值/%合金元素合金元素规定含量值/%非合金钢低合金钢合金钢非合金钢低合金钢合金钢AL<0.100.10Nb<0.020.020.060.06B<0.00030.0005Si<0.500.500.900.90Cr<0.300.300.500.50Ti<0.050.050.130.13Cu<0.100.100.

11、500.50W<0.100.10Mn<1.001.001.401.40V<0.040.040.120.12Mo<0.050.050.100.10Zr<0.050.020.050.05Ni<0.300.300.500.501、低合金钢低合金钢是指合金元素的种类和含量低于国家标准规定范围的钢。与非合金钢的分类相似，低合金钢按质量等级可分为三类：普通质量低合金钢（如一般低合金高强度结构钢、低合金钢筋钢等）；优质低合金钢（如通用低合金高强度结构钢、锅炉和压力容器用低合金钢、造船用低合金钢）；特殊质量低合金钢（如核能用低合金钢、低温压力容器用钢等）。2、合金钢合金钢是

12、指合金元素的种类和含量高于国家标准规定范围的钢。按质量等级，合金钢可分为优质合金钢（如一般工程结构用合金钢、耐磨钢、硅锰弹簧钢）；特殊质量合金钢（如合金结构钢、轴承钢、合金工具钢、高速工具钢、不锈钢、耐热钢）。另外，合金钢按用途分有结构钢、工具钢、不锈钢及耐热钢；按合金元素种类分有铬钢、锰钢、铬镍钢、铬钼钢、铬锰钢、硅锰钢、硅锰钼钒钢、铬镍钼钢等；按正火后的金相组织分有珠光体钢、马氏体钢、奥氏体钢和莱氏体钢（最典型的是高速工具钢）。二、编号我国合金钢编号是由含碳量数字、合金元素符号及合金元素含量数字按顺序及汉语拼音字母组成的。1、含碳量数字 当含碳量数字为两位数时，表示钢中平均含碳量的万分数；

13、当含碳量为一位数时，表示钢中平均含碳量的千分数。例如20CrMnTi钢，平均w（C）为万分之二十，即0.2%；3Cr13钢平均w（C）为千分之二，即0.3%。2、合金元素符号与含量数字 表示该合金元素平均含量的百分数。当合金元素平均含量小于1.5%时不标数字。例如60Si2Mn钢平均w（Si）为2%、w（Mn）<1.5%。3、当采用汉语拼音字母表示产品名称、用途、特性和工艺方法时，一般从代表产品名称的汉语拼音中选取第一个字母，加在牌号首部或尾部。如GCr15（G表示滚动轴承）、SM3Cr3Mo（SM表示塑料模具）。上面介绍的是一般情况。合金钢的牌号表示中还有一些特例，如有的钢不标含碳量数

14、值（如CrWMn）；有的钢含碳量数字为“0”或“00”（如0Cr19Ni9、00Cr12）；有的牌号中合金元素为千分数（如GCr15）等，这些将在后面遇到时详细介绍。第三节 低合金钢一、低合金高强度结构钢1、用途广泛用于桥梁、车辆、船舶、锅炉、高压容器、输油管、大型钢结构以及汽车、拖拉机、挖土机械等产品方面。在某些场合用低合金高强度结构钢代替碳素结构钢可减轻构件重量，保证使用可靠、耐久。2、性能特点这类钢具有较高的强度，良好的塑性、韧性，良好的焊接性、耐蚀性和冷成形性，低的韧脆转变温度，适于冷弯和焊接。其强度显著高于相同碳量的碳素结构钢，若用低合金高强度结构钢来代替碳素结构钢，就可在相同受载条

15、件下重量减轻2030%。此外，它还具有更低的韧脆转变温度，这对在北方高寒地区使用的构件及运输工具（例如车辆、容器、桥梁），具有十分重要的意义。3、化学成分特点（1）含碳量 一般Wc0.20%，以保证其韧性、焊接性能及冷成形性能。（2）合金元素 主加元素 Mn、Si能固溶强化铁素体。辅加元素Ti、V、Nb等形成微细碳化物，起细化晶粒和弥散强化的作用，从而提高钢的强韧性。4、常用钢种低合金高强度钢的牌号与碳素结构钢相同，有Q295、Q345、Q390、Q420、Q460，其中Q345应用最广泛。5、热处理特点常在热轧退火（或正火）状态下使用，组织为铁素体加珠光体。焊接后一般不再热处理。常用低合金高

16、强度结构钢的牌号、成分、力学性能及用途见表7-2。表7-2 常用低合金高强度结构钢的牌号、化学成分、力学性能及用途（摘自GB/T15911994）牌号质量等级化学成分（）/ %力学性能（）用途举例含C量含Mn量含Si量含S量含P量/MPa/MPa/MPaAk/JQ295A0.160.801.500.550.0450.045295390 57023桥梁、车辆、锅炉、容器、建筑金属结构B0.160.801.500.550.0400.040292390 5702334（20）Q345A0.201.001.600.550.0450.04534547063021桥梁、车辆、中低压力容器、化工容器、船舶、

17、建筑构件、低压锅炉、薄板冲压件、输油管道、储油罐等B0.201.001.600.550.0400.0403454706302134（20）C0.201.001.600.550.0350.0353454706302234（0）D0.181.001.600.550.0300.0303454706302234（-20）E0.181.001.600.550.0250.0253454706302227（-40）Q390A0.201.001.600.550.0450.04539049065019桥梁、压力容器、船舶、电站设备、起重设备、各种大中型钢结构、重型机械等B0.201.001.600.550.04

18、00.0403904606501934（20）C0.201.001.600.550.0350.0353904606502034（0）D0.201.001.600.550.0300.0303904606502034（-20）E0.201.001.600.550.0250.0253904606502027（-40）Q420A0.201.001.700.550.0450.04542052058018大型重要桥梁、大型船舶、高压容器、重型机械设备及其它大型焊接结构件B0.201.001.700.550.0400.0404204706301834（20）C0.201.001.700.550.0350.0

19、354204706301934（0）D0.201.001.700.550.0300.0304204706301934（-20）E0.201.001.700.550.0250.0254204706301927（-40）Q460C0.201.001.700.550.0350.0354605507201734（0） 大型重要桥梁、大型船舶D0.201.001.700.550.0300.0304605507201734（-20）E0.201.001.700.550.0250.0254605507201727（-40）注：1、试样厚度（直径）16mm，若试样厚度增加，则性能5和5会相应降低。2、Q460

20、级钢和各牌号D、E级钢一般不供应型钢、钢棒。二、易切削结构钢在钢中加入S、Mn、P等合金元素，或加入微量的Pb、Ca能显著改善其切削加工性能，这类钢称为易切钢。易切削结构钢具有切削抗力小，对刀具的磨损小，切削易碎，便于排除等特点，主要用于成批大量生产的螺栓、螺母、螺钉等标准件，也可用于轻型机械，如自行车、缝纫机、计算机零件等。易切削结构钢常用牌号有：Y12、Y12Pb、Y15、Y30 、Y40Mn、Y45Ca等，钢号中首位字母“Y”表示钢的类别为易切削结构钢，其后的数字为含碳量的万分之几，末位元素符号表示主要加入的合金元素（无此项符号的钢表示为非合金易切削钢）。三 、低合金耐候钢低合金耐候钢具

21、有良好的耐大气腐蚀的能力，是近年来我国发展起来的新钢种。此类钢主要加入的合金元素有少量的铜、铬、磷、钼、钛、铌、钒等，使钢的表面生产致密的氧化膜，可提高耐候性。常用的牌号有：09CuP、09CuPCrNi等。这类钢可用于农业机械、运输机械、起重机械、铁路车辆、建筑、塔架等构件，也可制作铆接件和焊接件。第四节 合金结构钢采用合金结构钢来制造各类机械零件，除了因为它们有较高的强度或较好的韧性外，另一重要原因还在于合金元素的加入增大了钢的淬透性，有可能使零件在整个截面上得到均匀一致的良好的综合机械性能，即具有高强度的同时又有足够的韧性，从而保证零件的长期安全使用。一、合金渗碳钢用于制造渗碳零件的钢叫

22、做渗碳钢。1、用途主要用于制造变速齿轮、内燃机上凸轮轴、活塞销等工作条件较复杂的机械零件，它们一方面承受强烈的摩擦磨损和交变应力的作用，另一方面又经常承受较强烈的冲击载荷。2、性能特点钢件经渗碳、淬火和低温回火后，表面具有较高的硬度和耐磨性，心部具有足够的强度和韧性。3、化学成分特点（1） 含碳量 般Wc0.10.25，保证渗碳零件心部具有足够的韧性和塑性。（2） 合金元素 主要有Cr、Mn、Ni、Mo、W、Ti、B、V等。其中Cr、Mn、Ni、B的作用是提高钢的淬透性，Mo、W、V、Ti的作用是为了细化晶粒、抑制钢件在渗碳时发生过热。4、常用钢种 合金渗碳钢根据淬透性高低分为以下三类：（1）

23、低淬透性合金渗碳钢 典型钢种有20Cr、15Mn2、20MnV等。这类钢合金元素的总量2%，在水中的淬透层深度一般小于2035mm，经渗碳、淬火及低温回火后心部强度相对较低，强度和韧性配合较差，通常用于制造受力较小（b8001000MPa），截面尺寸不大的耐磨零件，如柴油机的凸轮轴、活塞销、滑块、小齿轮等。这类钢渗碳时心部晶粒易于长大，特别是锰钢。如性能要求较高时，这类钢在渗碳后经常采用两次淬火法。（2）中淬透性合金渗碳钢 典型钢种有20CrMnTi、20CrMnMo、20MnVB等。这类钢含合金元素总量约为25%，淬透性较好，在油中的最大淬透层深度为2560mm，零件淬火后心部强度可达100

24、0MPa1200MPa。这类钢可用作受中等动载荷的耐磨零件，如汽车变速齿轮、齿轮轴，花键轴套、气门座等。由于含有Ti、V、Mo，渗碳时奥氏体长大倾向较小，自渗碳温度预冷到870左右直接淬火，并经低温回火后具有较好的机械性能。（3）高淬透性合金渗碳钢 典型钢种有12Cr2Ni4A、20Cr2Ni4、18Cr2Ni4WA等。这类钢含有较多的铬、镍等合金元素，合金元素的总量5%。在这些合金元素的复合作用下，钢的淬透性很高，油中最大淬透直径大于100mm。经渗碳、淬火及低温回火后心部强度可达1300MPa以上，主要用于制造承受重载和强烈磨损的重要大型零件，如内燃机车的主动牵引齿轮、柴油机曲轴、连杆；涡

25、轮发动机的涡轮轴、压气机前轴与后轴等。这类钢由于含有较高的合金元素，其C曲线大大向右移，因而在空气中冷却也能得到马氏体组织；另外，其马氏体转变温度大为下降，渗碳表面在淬火后将保留大量的残余奥氏体。为了减少淬火后的残余奥氏体，可在淬火前先高温回火（650左右），使碳化物球化或在淬火后采用冷处理（-70-80）。表7-3 常用合金渗碳钢的牌号、成分、热处理、力学性能及用途（摘自GB/T 30771999）类别牌号化学成分试样尺寸/mm热处理力学性能用途举例CSiMnCr其它第一次淬火温度/第二次淬火温度/回火温度/s/MPab/MPa5/%/J不 小 于低淬透性15Cr0.120.180.170.

26、370.400.700.701.0015880水，油780820水，油200水，空4907351155截面不大、心部要求较高强度和韧性、表面承受磨损的零件，如齿轮、凸轮、活塞、活塞环、联轴器、轴等20Cr0.180.240.170.370.500.800.701.0015880水，油780820水，油200水，空5408351047截面在30mm以下形状复杂、心部要求较高强度、工作表面承受磨损的零件，如机床变速箱齿轮、凸轮、蜗杆、活塞销、爪形离合器等20CrV0.170.230.170.370.500.800.801.10V 0.100.2015880水，油800水，油200水，空590835

27、1255截面尺寸不大、心部具有较高强度、表面要求高硬度耐磨的零件，如齿轮、活塞销、小轴、传动齿轮、顶杆等20MnV0.170.240.170.371.301.60V0.070.1215880水，油200水，空5907851055锅炉、高压容器、大型高压管道等较高载荷的焊接构结件，使用温度上限450475，亦可用于冷压、冷冲压零件，如活塞销，齿轮等中淬透性20Mn20.170.240.170.371.401.8015850水，油200水，空5907851047代替20Cr钢制作渗碳小齿轮、小轴，低要求的活塞销、气门顶杆、变速箱操纵杆等20CrNi30.170.240.170.370.300.60

28、0.600.90Ni2.753.1525830水，油480水，油7359301178在高载荷条件下工作的齿轮、蜗轮、轴、螺杆、双头螺杆、销钉等20CrMnTi0.170.230.170.370.801.101.001.30Ti0.040.1015880油870油200水，空83510801055在汽车、拖拉机工业中用于截面在30mm以下，承受高速、中或重载荷以及受冲击、摩擦的重要渗碳件，如齿轮、轴、齿轮轴、爪形离合器、蜗杆等20Mn2B0.170.240.170.371.501.80B0.00050.003515880油200水，空7859801055尺寸较大、形状较简单、受力不复杂的渗碳件，

29、如机床上的轴套、齿轮、离合器，汽车上的转向轴、调整螺栓等20MnVB0.170.230.170.371.201.60V0.070.12B0.00050.003525860油200水，空88510801055模数较大、载荷较重的中小渗碳件，如重型机床上的齿轮、轴，汽车后桥主动、被动齿轮等淬透性件高淬透性20Cr2Ni40.170.230.170.370.300.601.251.65Ni3.253.6515880油780油200水，空108011751063大截面渗碳件如大型齿轮、轴等18Cr2Ni4WA0.130.190.170.370.300.601.351.65Ni4.004.50W0.80

30、1.2015950空850空200水，空83511751078大截面、高强度、良好韧性以及缺口敏感性低的重要渗碳件，如大截面的齿轮、传动轴、曲轴、花键轴、活塞销、精密机床上控制进刀的蜗轮等注：表中各牌号的试样毛坯尺寸均为15mm。5、热处理特点 合金渗碳钢碳含量低，生产中常将渗碳钢的锻件进行正火，以改善切削加工性能。渗碳钢常用热处理方式有：渗碳后直接淬火低温回火；渗碳后重新加热一次淬火低温回火；渗碳后重新加热两次（先高温后低温）低温回火等。具体淬火工艺根据钢种而定：碳素钢或低合金渗碳钢一般采用或，高合金渗碳钢则采用。渗碳后表层的碳质量分数要求达到0.801.05，经淬火和低温回火后，表层获得高

31、硬度和高耐磨性的回火马氏体十碳化物十少量残余奥氏体，硬度为5862HRC。而心部组织分两种情况，在淬透时为低碳回火马氏体，硬度在4048HRC；多数情况下是屈氏体、少量回火马氏体及少量铁素体的混合组织，硬度约为2540HRC。常用合金渗碳钢的牌号、成分、热处理、性能和用途见表7-3。6、举例以20CrMnTi合金渗碳钢制造的汽车变速齿轮为例，说明其生产工艺路线和热处理工艺方法。20CrMnTi钢制汽车变速齿轮生产工艺路线如下：下料毛坯锻造正火加工齿形局部镀铜（防渗碳）渗碳预冷淬火、低温回火喷丸磨齿（精磨）热处理技术要求：渗碳层厚度1.21.6mm，表面碳质量分数为1.0%；齿顶硬度5860HR

32、C，心部硬度3045HRC。根据技术要求，确定其热处理工艺如图7-6所示。图7-6 20CrMnTi钢制汽车变速齿轮热处理工艺曲线锻造的主要目的是为了齿轮毛坯内部获得正确的流线分布和提高组织致密度；正火目的是为了改善锻造组织和调整硬度（170210HB），以利切削加工。渗碳温度定为920左右，渗碳时间根据所要求的渗碳厚度1.21.6mm，查工艺手册确定为小时。渗碳后，自渗碳温度预冷到870880直接淬火，经200低温回火23小时后，其表层具有很高的硬度（5860HRC）和耐磨性，其心部具有高强度和足够的冲击韧性的良好配合。因此，20CrMnTi钢制汽车变速齿轮经上述冷热加工和热处理后，所获得的

33、性能基本满足技术要求。最后的喷丸处理不仅是为了清除氧化皮，使表面光洁，更重要的是作为一种强化手段，使零件表层压引力进一步增大，有利于提高疲劳强度。经喷丸处理后进行精磨，利于增加齿面的光洁度。二、合金调质钢通常将需经淬火和高温回火（即调质处理）强化而使用的钢种称为调质钢。1、 用途常用于制造飞机、汽车、拖拉机、机床及其它机械上要求具有良好综合机械性能的各种重要零件，如航空发动机压气机叶片、飞机起落架，柴油机连杆螺栓，汽车底盘上的半轴以及机床主轴等。2、 性能特点合金调质钢应具备较高淬透性，调质处理后具有高强度与良好的塑性及韧性的配合，即具有良好的综合力学性能。3、 化学成分特点 （1）含碳量 W

34、c0.30.5。碳量过低时，回火后硬度、强度不足；碳量过高则韧性和塑性降低。（2）合金元素 WMe37。主加合金元素为Cr、Mn、Ni、Si、B等，可提高淬透性，固溶强化铁素体；辅加元素W、Mo、V提高回火稳定性。此外，Mo、W还能减轻或防止第二类回火脆性，V能细化晶粒。4、 常用钢种合金渗碳钢根据淬透性高低分为以下三类：（1）低淬透性钢，如40Cr、40MnB等，其油淬的最大淬透直径为3040mm，广泛用于制造较小的零件，如连杆、螺栓、进气阀等。（2）中淬透性钢，如30CrMnSiA、35CrMo、42CrMo等，其油淬的最大淬透直径为4060mm，用于制造截面较大的零件，如飞机起落架作动筒

35、、重要螺栓以及汽车曲轴、连杆等。（3）高淬透性钢，多数为NiCr系钢，含合金元素多，典型钢种是40CrNiMo，其油淬直径可达60100mm，适于制造大截面，重负荷的零件，如航空发动机中的涡轮轴、压气机轴以及机床和气轮机主轴、叶轮等。5、热处理特点（1）预备热处理 为了降低硬度便于切削加工和改善组织，钢在热加工（轧压、锻造）后需进行预备热处理。对于低、中淬透性钢采用正火（零件尺寸很大时）或完全退火或等温退火。对于高淬透性钢则必须采用正火（或淬火）高温回火。（2）最终热处理 一般采用淬火高温回火。淬火及回火温度取决于钢种及技术条件要求，通常使油淬后在500650回火。对第二类回火脆性敏感的钢，回

36、火后必须快冷（水或油），防止高温回火脆性的产生。调质钢调质处理后的组织为回火索氏体，具有良好的综合力学性能。如果要求零件表面有较高耐磨性，在调质后还可以进行表面淬火或渗氮处理。这类钢有时也采用淬火低温回火的非调质状态使用。常用合金调质钢的牌号、成分、热处理、性能和用途见表7-4。6、举例以40Cr钢制作的丰收75拖拉机的连杆螺栓为例，说明其生产工艺路线和热处理工艺方法。连杆螺栓的生产工艺路线如下：下料锻造退火（或正火）机械加工（粗加工）调质机械加工（精加工）装配表7-4 常用合金调质钢的牌号、成分、热处理、力学性能及用途（摘自GB/T 30771999）种类钢号化学成分热处理力学性能用途举例C

37、SiMnCr其它淬火温度/回火温度/s/MPab/MPa5/%/%AUK/J低淬透性40Cr0.370.470.170.370.500.800.801.10850油520水，油78598094547制造承受中等载荷和中等速度工作下的零件，如汽车后半轴及机床上的齿轮、轴、花键轴、顶尖套等40MnB0.370.440.170.371.101.40B0.00050.0035850油500水，油785980104547代替40Cr钢制造中、小截面重要调质件，如汽车半轴、转向轴、蜗杆以及机床主轴、齿轮等中淬透性40CrNi0.370.440.170.370.500.800.450.75Ni1.001.4

38、0820油500水，油785980104555制造截面较大、载荷较重的零件，如轴、连杆、齿轮轴等30CrMnSi0.270.340.901.200.801.100.801.10880油520水，油8851080104539重要用途的调质件，如高速高载荷的砂轮轴、齿轮、轴、螺母、螺栓、轴套等35CrMo0.320.400.170.370.400.700.801.10Mo0.150.25850油550水，油835980124563通常用做调质件，也可在高，中频表面淬火或淬火，低温回火后用于高载荷下工作的重要结构件，特别是受冲击、振动、弯曲、扭转载荷的机件，如主轴，大电机轴、曲轴、锤杆等38CrMo

39、Al0.350.420.200.450.300.601.351.65Mo0.150.25Al0.701.10940水，油640水，油835980145071高级渗氮钢，常用于制造磨床主轴、自动车床主轴、精密丝杠、精密齿轮、高压阀门，压缩机活塞杆、橡胶及塑料挤压机上的各种耐磨件高淬透性40CrMnMo0.370.450.170.370.901.200.901.20Mo0.200.30850油600水，油785980104563截面较大、要求高强度和高韧性的调质件，如81卡车的后桥半轴、齿轮轴、偏心轴、齿轮、连杆等40CrNiMoA0.370.450.170.370.500.800.600.90M

40、o0.150.25Ni1.251.65850油600水，油835980125578要求韧性好、强度高及大尺寸的重要调质件，如重型机械中高载荷的轴类，直径大于250mm的汽轮机轴、叶片、曲轴等25Cr2Ni4WA0.210.280.170.370.300.601.351.65W0.801.20Ni4.004.50850油550水，油9301080114571200mm以下要求淬透性的零件注：力学性能试验用试样毛坯尺寸直径除38CrMoAlA为30mm以外，其余直径均为25mm。退火（或正火）作为预先热处理，其主要目的是为了改善锻造组织，细化晶粒，有利于切削加工，并为随后调质处理做好组织准备。图7

41、-7为连杆螺栓及调质处理工艺曲线。调质处理采用840±10加热、油冷淬火，获得马氏体组织，然后在525±25回火，为防止第二类回火脆性在回火后水冷。经调质热处理后金相组织为回火索氏体，硬度大约为HRC3038（HB263322）。a) b)图7-7 连杆螺栓及其热处理工艺三、合金弹簧钢1、用途主要用于制造各种弹簧和弹性元件。2、性能特点具有高的弹性极限和屈强比，以避免在高负荷下产生永久变形；具有高的疲劳极限，以防止产生疲劳破坏；具有一定塑性和韧性，以防止在冲击载荷下发生突然破坏。3、 化学成分特点（1）含碳量 Wc0.50.7，保证高的弹性极限及疲劳极限。（2）合金元素 常

42、加合金元素有Si、Mn、Cr、V等，它们的主要作用是提高淬透性和回火稳定性，强化铁素体和细化晶粒，从而有效地改善弹簧钢的机械性能，提高弹性极限和屈强比。其中Cr和V还有利于提高钢的高温强度。4、常用钢种常用弹簧钢的牌号、化学成分和用途见表7-5。大致可分为两类：含Si、Mn的弹簧钢，如60Si2Mn，其淬透性高于碳素弹簧钢（如65、65 Mn），价廉，应用广。含Cr、V、W等的弹簧钢，如50CrVA，其淬透性高，有较高的热强性，适于工作温度在350400下的重载大型弹簧。5、热处理特点（1）热成形弹簧 对丝径或板厚8mm的大型弹簧钢丝或钢板常用热成形，即加热到比正常淬火温度高出5080进行热成

43、形，然后利用余热立即淬火并中温回火，获得回火屈氏体组织，硬度为4048HRC，有高的屈服强度，尤其是弹性极限高，同时又有一定的塑性、韧性。（2）冷成形弹簧 对丝径或板厚<8mm的小型弹簧，常用冷拔钢丝冷卷成形。成形后不需进行淬火处理，只进行去应力退火（一般200300）即可，因为这类弹簧钢丝（片）在成形前已有很高的强度和足够的韧性。但对于用退火钢丝（片）绕制的弹簧，则要进行淬火、回火处理，工艺同于热成型弹簧。表7-5 常用合金弹簧钢的牌号、成分、热处理、力学性能及用途（摘自GB/T 12221984）牌号化学成分（）热处理/力学性能（）用途举例CSiMnCrV(W)淬火回火b/MPas/

44、MPa/% /%55Si2Mn0.520.601.502.000.600.90870油480127511776(10)30工作低于250，直径2030mm汽车、拖拉机、机车上的减振板簧和螺旋弹簧，气缸安全阀簧，电力机车用升弓钩弹簧，止回弹簧 60Si2Mn0.560.641.502.000.600.90870油480127511775(10)2550CrVA0.460.540.170.370.500.800.801.100.100.20850油5001275112810(5)40用作较大截面（直径3050mm）的高载荷重要弹簧及工作温度小于400的阀门弹簧、活塞弹簧、安全阀弹簧等60Si2Cr

45、A0.560.641.401.800.400.700.701.00870油420176515696(5)20用于直径小于50mm，工作温度低于250的重载板簧与螺旋弹簧30W4Cr2VA0.260.340.170.370.402.002.50V0.500.80（W 4.004.50）10501100油600147113247(5)40用于500以下工作的耐热弹簧，如锅炉安全阀弹簧、汽轮机汽封弹簧注：表列性能适用于截面单边尺寸80mm的钢材。6、举例热轧弹簧钢采取加热成形制造板簧工艺路线大致如下：扁钢剪断加热压弯成形后淬火中温回火喷丸装配弹簧钢的淬火温度一般为830880，温度过高易发生晶粒粗大

46、和脱碳现象。弹簧钢最忌脱碳，它会使其疲劳强度大为降低。因此在淬火加热时，炉气要严格控制，并尽量缩短弹簧在炉中的停留时间，也可在脱氧较好的盐浴炉中加热。淬火加热后在5080油中冷却，冷至100150时即可取出进行中温回火。回火温度根据对弹簧的使用性能要求加以选择，一般是在480550范围内回火。弹簧的表面质量对使用寿命影响很大，因为微小的表面缺陷（例如脱碳、裂纹、夹杂、斑痕等）即可造成应力集中，使钢的疲劳强度降低。因此，弹簧在热处理后还要用喷丸处理来进行表面强化，使弹簧表面层产生残余应力，以提高其疲劳强度。试验表明，采用60Si2Mn钢制作的汽车板簧经喷丸处理后，使用寿命可提高56倍。目前在弹簧

47、钢热处理方面应用的等温淬火、形变热处理等工艺，对其性能的进一步提高，取得了一定的成效。四、高碳铬轴承钢1、用途主要用于制造各种滚动轴承的零件，如滚珠、滚柱、轴承内外套圈等。此外，它的化学成分类似于低合金工具钢，因而，也可以制造某些刃具、量具、模具及精密构件。2、性能特点具有高而均匀的的硬度（6165HRC）和耐磨性；高的接触疲劳强度，轴承元件工作时受很大的交变接触应力（30003500MPa），往往发生接触疲劳破坏，易产生麻点或剥落；一定的韧性、淬透性，及耐腐蚀性（对大气或润滑剂）。3、化学成分特点（1）含碳量 Wc0.951.10，高含碳量以保证轴承钢高的强度、硬度及耐磨性。（2）合金元素

48、主加合金元素Cr（0.401.65），可提高淬透性，形成合金渗体，提高耐磨性。辅加元素Si、Mn，进一步提高淬透性，用于大型轴承。（3）杂质含量 一般规定含硫量应小于0.02%，含磷量应小于0.027%；非金属夹杂物（氧化物、硫化物、硅酸盐等）的含量必须很低，而且在钢中的分布状况要在一定的级别范围之内。4、常用钢种最常用铬轴承钢有GCrl5和GCrl5SiMn。其中用量最大的是GCrl5，主要用于制造中、小轴承和精密量具、冷冲模、机床丝杠等。制造大型和特大型轴承常用GCrl5SiMn钢。5、热处理特点（1）预备热处理 采用（正火+）球化退火。球化退火后得到粒状珠光体，这样可降低硬度（17021

49、0HBS），便于切削加工，且为淬火作组织准备。如果热加工后的组织中存在较严重的网状碳化物，则需在球化退火之前先进行正火处理。（2）最终热处理 采用淬火+低温回火。显微组织为回火马氏体+均匀细小的碳化物+少量残余奥氏体，硬度为>61HRC。对于精密轴承，为稳定尺寸，可在淬火后应立即进行冷处理（-60-80），以尽量减少残余奥氏体，避免在以后使用中由于残余奥氏体的分解而造成尺寸变化。冷处理后进行低温回火和粗磨，然后进行人工时效处理（120130，1020h)，以进一步消除内应力，提高尺寸稳定性，最后进行精磨。综上所述，铬轴承钢制造轴承的生产工艺路线一般如下：轧制、锻造预先热处理（球化退火）机

50、械加工淬火和低温回火磨加工成品常用滚动轴承钢的牌号、成分，热处理及用途见表7-6。表7-6 常用滚动轴承钢牌号、化学成分、热处理及用途（摘自GB/T 182542000）牌号化学成分（）热处理用途举例CCrSiMn淬火温度/回火温度/回火硬度/HRCGCr91.001.100.901.250.150.350.250.458108301501706266一般工作条件下小尺寸的滚动体和内、外套圈GCr9SiMn1.001.100.901.250.450.750.951.258108301501806165一般工作条件下的滚动体和内外套圈，广泛用于汽车、拖拉机、内燃机、机床及其它工业设备上的轴承GC

51、r150.951.051.401.650.150.350.250.458258451501706266GCr15SiMn0.951.051.401.650.450.750.951.25825845150180>62大型轴承或特大型轴承（外径>440mm）的滚动体和内外套圈注：S、P含量不大于0.025%。五、高锰耐磨钢耐磨钢主要是指在冲击载荷下发生冲击硬化的高锰钢。它的主要成分是含0.91.5C、1114Mn。由于这种钢极易加工硬化，切削加工困难，所以大多数高锰钢零件是铸造成型后直接使用或少许加工。耐磨钢铸件的牌号前冠以“ZG”（代表铸钢），其后是化学元素符号“Mn”，最后为锰的平均质量分数百倍值。如ZGMn131表示平均锰质量分数为13%，“1”表示序号。在铸态高锰钢组织存在大量碳化物沿奥氏体晶界分布，故其性质硬而脆，耐磨性也差，实际应用时必须用“水韧处理”获得全部奥氏体组织。 “水韧处理”是一种淬火处理的操作，其方法是把钢加热至临界点温度以上（约在10501100）保温一段时间，使钢中碳化物能全部溶解到奥氏体中去，然后迅速浸淬于水中冷却。水韧处理后，高锰钢组织全是单一的奥氏体，它的硬度并不高，约在180220HB范围。当它受到剧烈