合金钢行业分析报告

1、第五章 合 金 钢5.1 概述占钢总产量80左右的碳素钢，是基本的工业用钢。它种类齐全，生产简单，价格低廉，通过不同的热处理后，可获得不同的力学性能，因此得到了极广泛的应用。但碳素钢的强度及淬透性低、热硬性差，耐磨、耐蚀和耐热等性能也都比较低。况且，工业的发展特别是国防、交通运输、石油和化工等工业的发展，对材料提出了更高的要求，因而使用领域受到限制。为了改善碳素钢的力学性能、工艺性能或某些特殊的物理、化学性能，在冶炼时，有选择地向钢液中加入一些合金元素，如锰、硅、铬、镍、铝、钨、钒、钛、铌、锆、稀土元素等，这类钢就称为合金钢。5.1.1 碳钢用途的局限性淬透性低 一般情况下，碳钢淬火要求水冷，

2、它水淬的最大淬透直径为1520，因此在制造大尺寸和形状复杂的零件时，不能保证性能的均匀性和几何形状不变。强度和屈强比较低 强度低使工程结构和设备笨重。钢的240，而低合金结构钢16的360。屈强比低说明强度的有效利用率低。40碳钢的为0.43，而合金钢的可达0.74。回火稳定性差 由于回火稳定性差，碳钢在进行调质处理时，为了保证较高强度而回火温度应低些时,韧性又偏低；为了保证较好韧性而回火温度应高些时强度又偏低，所以碳钢的综合机械性能很难提高上去。不能满足某些特殊性能的要求 碳钢在抗氧化、耐腐蚀、耐热、耐低温、耐磨以及特殊电磁性能等方面往往较差，不能满足特殊使用要求。为了解决上述问题，在碳钢中

3、特意加入合金元素，以弥补以上不足之处。5.1.2 合金元素在钢中的作用合金元素在钢中的作用非常复杂，到目前为止对它的认识还很不全面。下面着重分析合金元素与铁和碳的作用、对铁碳相图的影响以及对热处理的影响规律。5.1.2.1 合金元素与铁和碳的作用合金元素加入钢中，主要与铁形成固溶体，或者与碳形成碳化物，少量存在于夹杂物（如氧化物、氮化物、硫化物及硅酸盐等）中，在高合金钢中还可能形成金属间化合物。溶入铁中 几乎所有合金元素（除外）都可与铁形成合金铁素体或合金奥氏体。按照合金元素对或的作用，可将它们分为两大类。扩大相区元素 亦称奥氏体稳定化元素，主要是、等。它们使相图中点下降，点上升，从而扩大相的

4、存在范围。其中、等元素加入到一定量后，可使点降到室温以下，使相完全消失，它们称为完全扩大区的元素。另外一些元素如、和等，虽扩大相区，但不能将其扩大到室温，所以它们称为部分扩大区的元素。缩小相区元素 亦称稳定化元素，主要有、等。它们使点上升，点下降（例外，含量小于7时，点下降；大于7后点迅速上升），从而缩小相存在范围，使稳定区域扩大。其中、等元素超过一定含量时，点与点重合，使相区被封闭，这时合金在固态范围内一直处于单相相状态，它们称为完全封闭区的元素。另外一些元素，如、等，虽然也使相区温度范围缩小，但不能使其封闭，称为部分缩小区的元素。上述元素中，只有、与铁形成间隙固溶体，其它均与铁形成置换固溶

5、体。形成碳化物 合金元素按其与钢中碳亲合力大小，分为碳化物形成元素和非碳化物形成元素两大类。常用非碳化物形成元素有；、等。它们不与碳形成化合物，除了在少数高合金钢中可形成金属间化合物外，基本上都溶于和中。常用碳化物形成元素有：、等（按形成的碳化物的稳定性程度由弱到强的次序排列）。它们都是元素周期表中位于铁左方的过渡族元素。与碳的亲合力较弱，少部分溶于渗碳体中，大部分溶于或中。与碳的亲和力较强的、等，含量较低时基本上与铁一起形成合金渗碳体；含量较高时可形成新的合金碳化物。而与碳的亲合力很强的元素、等，几乎都是形成特殊碳化物。此外，总还有一部分强碳化物形成元素会溶于或中。合金渗碳体是部分铁原子被碳

6、化物形成元素置换后的渗碳体，如、等，其晶体结构与渗碳体相同，但比渗碳体略稳定些，硬度也略高些，这对提高钢的耐磨性更有利。合金碳化物、等，比合金渗碳体的稳定性更高，而特殊碳化物、等的稳定性最高。稳定性愈高的碳化物，其熔点和硬度也愈高，加热时也愈难溶于奥氏体中，因此对钢的机械性能和工艺性能的影响很大。 5.1.2.2 合金元素对铁碳相图的影响合金元素对铁碳相图的影响,与对纯铁的影响类似，但更复杂一些、影响主要分两方面：对和存在范围的影响扩大相区元素均扩大铁碳相图中存在的区域，其中完全扩大区的元素或的含量较多时，可使钢在室温下得到单相组织，例如高镍不锈钢和高锰耐磨钢等。缩小相区元素均缩小铁碳相图中存

7、在的区域，其中完全封闭区的元素（例如、等）超过一定含量后，可使钢在包括室温在内的广大温度范围内获得单相组织，例如高铬不锈钢等。对铁碳相图临界点（点和点）的影响扩大相区的元素使铁碳合金相图中的共析转变温度下降。缩小相区的元素则使其上升并都使共析反应在二个温度范围内进行。合金元素还对共析点和共晶点的成分产生影响。几乎所有合金元素都使共析点碳含量降低；共晶点也有类似的规律，尤以强碳化物形成元素的作用最强烈。点及点的左移，使合金钢的平衡组织发生变化（不能完全用铁碳相图来分析）。例如，含0.3的热模具钢已为过共桥钢，而碳含量不超过1.0的高速钢，在铸态下已具有莱氏体组织。5.1.3 合金元素对热处理的影

8、响合金元素对热处理的影响主要表现在对加热、冷却和回火过程中相变的影响上。5.1.3.1 合金元素对加热时转变的影响合金元素影响加热时奥氏体形成的速度和奥氏体晶粒的大小。对奥氏体形成速度的影响、等强碳化物形成元素与碳的亲合力大，形成难溶于中的合金碳化物显著阻碍碳的扩散，大大减慢形成速度。为了加速碳化物的溶解和成分的均匀化，必须提高加热温度并保温更长的时间。、等部分非碳化物形成元素，因增大碳的扩散速度，使的形成速度加快。、等合金元素对形成速度影响不大。对奥氏体晶粒大小的影响大多数合金元素有阻止晶粒长大的作用，但影响程度不同。碳化物形成元素的作用最明显，因形成的碳化物在高温下较稳定，不易溶于中，能阻

9、碍其晶界外移，显著细化晶粒。按照对晶粒长大作用的影响，合金元素可分为：强烈阻止晶粒长大的元素：、等。在钢中易形成高熔点、细质点，也强烈阻止晶粒长大。中等阻碍晶粒长大的元素：、。对晶粒长大影响不大的元素：、。促进晶粒长大的元素：、也略有此倾向。由于锰钢有较强的过热倾向，其加热温度不应过高，保温时间应较短。5.1.3.2 合金元素对过冷奥氏体分解转变的影响除外，几乎所有合金元素都增大过冷的稳定性，推迟类型转变，使曲线右移，即提高钢的淬透性。这是钢中加入合金元素的主要目的之一。常用提高淬透性的元素有：、等。微量（0.00050.003）即能明显提高淬透性，但其作用不稳定。的价格较贵，不单纯作提高淬透

10、性的元素使用。必须指出，加入的合金元素，只有完全溶于中时才能提高淬透性，如果未完全溶解，则碳化物会成为形成的核心，反而使钢的淬透性降低。另外，两种或多种合金元素的同时加入对淬透性的影响，比单元素的影响总和还强得多，例如铬锰钢、铬镍钢等。除、外，多数合金元素使、点下降。其作用强度的次序是；、。其中的作用最强，实际上无影响。、点的下降，使钢中残余量增多，许多高碳高合金钢中的残余量可高达3040以上。残余量过多时钢的硬度和疲劳抗力下降，因此须进行冷处理（将钢冷至点以下）以使其转变为；或进行多次回火，使残余因析出合金碳化物而使、点上升，并在冷却过程中转变为或 (即发生所谓二次淬火)。此外，合金元素还影

11、响的形态，、等均增大片状形成的倾向。5.1.3.3 合金元素对回火转变的影响提高回火稳定性 合金元素在回火过程中推迟的分解和残余的转变（即将其推向较高温度）；提高的再结晶温度；使碳化物难以聚集长大而保持较大的弥散度，因此提高了钢对回火软化的抗力，即提高了钢的回火稳定性。使得合金钢在相同温度下回火时，比同样碳含量的碳钢具有更高的硬度和强度（对工具钢和耐热钢特别重要），或者在保证相同强度的条件下，可在更高的温度下回火，而使韧性更好些（对结构钢很重要）。提高回火稳定性作用较强的合金元素有；、等。 产生二次硬化 一些、含量较高的钢回火时，硬度不是随回火温度的升高单调降低，而是到某一温度（约 图5.1

12、含碳0.35%钼钢的回火400）后反而开始增大，并在另一更高温度（一般为550 温度与硬度的关系左右）达到峰值，如图5.1所示。这是回火过程的二次硬化现象，与回火析出物的性质有关。当回火温度低于约450时，钢中析出渗碳体；在450以上渗碳体溶解，钢中开始沉淀出弥散稳定的难熔碳化物、，使硬度重新升高，而在550左右沉淀过程完成时，硬度达到峰值。称为沉淀硬化。此类合金元素有、。二次硬化也可以由回火时冷却过程中残余转变为的二次淬火所引起。产生此类二次硬化效应的合金元素有、。 图5.2镍铬钢的韧性与回火温度的关系增大回火脆性 和碳钢一样，合金钢也产生回火脆性，而且更显著，这是合金元素的不利影响。图5.

13、2为镍铬钢的韧性与回火温度的关系。250400间的第一类回火脆性，是由相变机制本身决定的，无法消除，只能避开，但加入13，可使其温区移向较高温度。450600间发生的第二类回火脆性，主要与某些杂质元素以及合金元素本身在原奥氏体晶界上的严重偏聚有关，多发生在含、等元素的合金钢中，这是一种可逆回火脆性，回火后快冷，抑制杂质元素向晶界偏聚，可防止其发生。钢中加入适当的或（0.5，1），因强烈阻碍和延迟杂质元素等往晶界的扩散偏聚，也可基本上消除这类脆性。5.1.4 合全元素对钢的性能的影响5.1.4.1 合金元素对钢的强度的影响强化机制 强化就是强度增高的现象。强度一般指对塑性变形的抗力。金属的塑性变

14、形是位错运动引起的，所以阻碍位错运动都会使金属的强度提高，造成强化。由前面已经阐述过的金属结构中能阻碍位错运动的障碍可以主要归纳为四种，因而强化机制也有四种：溶质原子-固溶强化；晶界-细晶强化；第二相粒子-第二相强化；位错-位错强化。固溶强化 合金形成固溶体时，由于溶质原子与溶剂金属原子大小不同，溶剂晶格发生畸变，并在周围造成一个弹性应力场。此应力场与运动位错的应力场发生交互作用，使位错的运动受阻。不同合金元素溶于中所产生的固溶强化效应不同。其中、的强化效果最大；的强化效果也很显著，但它增大钢的冷脆性；一般以、等为强化元素较适宜。细晶强化 晶界分大角度晶界（如、的晶粒边界等）和小角度晶界（如板

15、条间的界面、亚晶粒之间的界面等）两类。晶界能有效地阻碍位错运动，使金属强化。晶粒愈细，强化作用愈大。钢中常用细化晶粒的元素有、等。细化晶粒在提高钢强度的同时也改善韧性，这是其它强化机制不可能做到的。第二相强化 运动位错通过位于滑移面上的第二相粒子时，需要消耗额外的能量，使合金发生强化。位错通过第二相粒子的机制有两种：当粒子间距或粒子直径很小时，位错切割粒子而通过图5.3（），强化效应随粒子间距的增大而增强；当粒子间距大于某临界值时（例如一般工业合金的情况），位错则绕过粒子图5.3（）。因此，要求第二相粒子有很高的弥散 度。获得高弥散度粒子的方法有两种。一种是依靠热处理从过饱和固溶体中沉淀析 图

16、5.3 位错通过第二相粒子的示意图出第二相（称为析出强化或沉淀硬化）；另一种是利用机械、化学等方法引入极细的第二相粒子（称为分散硬化）。钢中内渗碳体片所起的强化作用也属于第二相强化，其强化量与片间距的平方根成反比。片愈细，间距愈小，强化作用愈大。 位错强化 运动位错碰上与滑移面相交的其它位错时，发生交割而使运动受阻。一般说，面心立方金属中的位错强化效应比体心立方金属的大。面心立方金属（例如、）利用位错强化是很有利的。金属的冷变形能产生大量位错，所以强化效果显著。合金中的相变，特别是低温下伴随有容积变化的相变，如相变等，都会造成大量的位错，也能使合金显著强化。实际金属中，都是几种强化机制同时起作

17、用，很少只有一种强化机制起作用的。 钢的强化 提高钢强度最重要的方法是淬火和随后回火。钢淬火得到：中溶有过饱和的碳及合金元素，产生很强的固溶强化效应；形成时产生高密度位错，位错强化效应很大；转变为时，形成许多极细小的、取向不同的束，产生细晶强化效应。因此淬火具有很高的硬度，但脆性极大。淬火后回火，中析出细碳化物粒子，间隙固溶强化效应大大减小，但产生强烈的析出强化效应。由于基本上保持了淬火态的细小晶粒，较高密度的位错及一定的固溶强化作用，所以回火仍具有很高的强度，并且因间隙固溶引起的脆性减轻，韧性还大大改善。由此可知，强化充分而合理地利用了全部四种强化机制，是钢的最经济和最有效的强化方法。合金元

18、素加入钢中，首要的目的是提高淬透性，保证在淬火时容易获得。合金元素通过置换固溶强化机制，能够直接提高钢的强度，但作用有限。在完全获得的条件下，碳钢和合金钢的强度水平是一样的。合金元素加入的第二目的是提高钢的回火稳定性，使钢回火时析出的碳化物更细小、均匀和稳定；并使的微细晶粒及高密度位错保持到较高温度。这样，在相同韧性的条件下，合金钢比碳钢具有更高的强度。此外有些合金元素还可使钢产生二次硬化，得到良好的高温性能。由上可见，合金元素对钢的强度的影响，主要是通过对钢的相变过程的影响起作用的，合金元素的良好作用，也只有经过适当的热处理才能充分发挥出来。5.1.4.2 合金元素对钢的韧性的影响韧性的概念

19、 韧性是指材料对断裂的抗力。金属的断裂为裂纹的形成和扩展的过程。按照断裂的性质分，它可分为两类：脆性断裂 ，断裂时不发生明显的塑性变形；韧性断裂，断裂时发生显著的塑性变形。实际金属存在三种基本形式的断裂，第一种是解理断裂，金属沿特定的晶面（钢的解理面为100）断开，为典型的和最重要的脆性断裂形式，多发生在温度低、加载速度大、金属塑性差的情况下；第二种是韧窝断裂，以金属中某些第二相粒子或夹杂物为中心形成孔洞，然后孔洞长大、汇合而导致断裂，在断口上有大量窝坑，是一种韧性断裂形式；第三种是沿晶断裂，裂纹由晶界产生并沿晶界传播而发生断裂，是很脆的断裂形式，主要由于晶界上元素富集，析出第二相特别是脆性相

20、引起。三种断裂形式如图5.4所示。图5.4 三种基本断裂示意图 图5.5 中、低、高强钢的冲击韧性的温度转变材料实际断裂的形式主要与温度和应力状态有关。中、低强钢(600和高强钢（1000）的冲击韧性随温度变化的关系如图5.5所示。低温下发生的是解理断裂，高温下发生的则是韧窝断裂，中间存在一个从脆性（解理）到韧性（韧窝）断裂的转变，转变的温度（其实为温区）称为韧脆转变温度（），它实际上用钢的解理断裂抗力来决定。低、中强钢的较高，而且在以下解理断裂时韧性非常低，在以上韧窝断裂时韧性较高，所以只要不发生解理断裂，它们一般都有足够高的韧性。这样，判断其韧性大小的标准，不是冲击韧性的绝对值，而是的高低

21、。高强钢的解理断裂抗力一般较高，往往很低，但其韧窝断裂抗力比低、中强钢低得多（韧性随温度的变化较平稳），因此决定韧性的是韧窝断裂抗力，钢的韧性用使用温度下的冲击韧性或断裂韧性值来衡量。提高钢韧性的途径 与强度比较，韧性对组织更敏感，影响强度的因素，对韧性的影响更大。各种强化机制对有不同的影响。细晶强化和部分元素的置换固溶强化能降低，可用来提高钢的韧性；间隙固溶强化和位错强化降低韧性，应该控制；析出强化对韧性的影响较小，所以提高钢的韧性有以下途径。细化晶粒 钢中加人少量、等元素，形成、等细小稳定的化合物粒子，阻碍奥氏体晶粒长大，使钢晶粒细化，增多晶界的总面积，这不仅于强度有利，而且因增大了裂纹扩

22、展的阻力，能显著提高钢的韧性特别是低温韧性。改善基体的韧性 合金元素置换固溶于中，一般都提高钢的强度，并且按照韧性的强度转化规律（即强度愈高，韧性愈低，或强度愈低，韧性愈高）要降低钢的韧性。但是某些置换元素例如，溶入中能改变位错运动的特点，使其容易绕过某些障碍，避免产生大的应力集中，而不至导致解理断裂，所以可大大改善基体的韧性。含量超过13时，甚至能消除韧脆转变现象。大多数低温钢都是高镍钢。也能有效地降低钢的，改善钢的韧性。提高回火稳定性 钢的间隙固溶强化和位错强化是最有效的强化方法，但它们带来较大脆性。加入合金元素提高钢的回火稳定性，可以保证钢在达到相同强度的条件下提高回火温度。回火温度的提

23、高，能更充分地降低间隙固溶程度和位错密度，更多地减轻其脆化作用，而使钢的韧性显著改善。细化碳化物 钢中的碳化物和脆性相可能自身断裂，或与基体脱开，成为解理裂纹的核心；或者成为韧窝断裂时孔洞形成的中心，从而使韧性下降。粗大的碳化物对强度和韧性没有任何好处。在考虑耐磨性而必须含有碳化物时，它们的粒子应尽量细小并分布均匀，这同时对强度和韧性都有利。在组织为铁素体和珠光体的钢中，对碳化物的细化作用最有效。一般，含的渗碳体和、的碳化物都很细小，分布也最均匀，所以常用于韧性不高的过共析钢中。控制非全属夹杂和杂质元素 非金属夹杂、氢及其它杂质元素在合金钢中的有害作用表现得最强烈，对它们要严格控制。、因能抑制

24、杂质元素的晶界富集，可消除或减轻钢的回火脆性。稀土元素具有强烈的脱氧和去硫能力，对氢的吸附能力也很大，另外还能改善非金属夹杂物的形态，使其在钢中呈粒状分布，所以可以显著改善钢的韧性，降低韧脆转变温度。5.1.5 合金钢的分类合金钢种类繁多，根据选材、生产和使用等要求不同，可采用不同的分类方法：5.1.5.1 按所含合金元素多少分类低合金钢 总量5；中合金钢 总量510高合金钢 总量10。5.1.5.2 按用途分类（主要分类方法）合金结构钢 主要用于制造各种工程结构件（船舶、桥梁、车辆等）和重要的机器零件（轴、齿轮、联接件等）。包括普通低合金结构钢、渗碳钢、调质钢、弹簧钢、滚动轴承钢、易切削钢和

25、低温钢等。合金工具钢 主要用于制造各种重要工具，包括刃具钢、模具钢、量具钢等。特殊性能钢 主要用于制造具有特殊物理、化学或力学性能的钢，包括不锈钢、耐热钢、耐磨钢及电工钢等。除此之外，还可根据化学成分、正火状态等进行分类。5.2 合金结构钢在碳素结构钢的基础上添加一些合金元素就形成了合金结构钢。与碳素结构钢相比，合金结构钢具有较高的淬透性，较高的强度和韧性。即用合金结构钢制造的各类机械零部件具有优良的综合机械性能，从而保证了零部件安全地使用。5.2.1 合金结构钢的牌号根据国标规定，合金结构钢的牌号用“两位数字+元素符号+数字”表示。如、，元素符号前两位数字18表示平均含碳量为。其后面的数字2

26、、4等表示及的含量为（l.52.4）、（）。当合金元素含量1.5时，只标明元素名称，不标明含量；即的含量1.5；又如15中 、的平均含量均小于1.5。末尾加上“”表示为高级优质钢。滚动轴承钢（属于合金结构钢类的）的表示方法是在牌号的首位用“滚”或拼音字头“”表示，后面紧跟的是滚动轴承的常用元素“”，其后数字则表示的含量（千分之一）。如，表示钢中的平均含量为 1.5。易切削钢牌号表示方法与上相似，如（易40锰或），表示含0.40，含1.5的易切削钢。5.2.2 普通低合金结构钢 普通低合金结构钢（简称普低钢）是在低碳素结构钢的基础上加入少量合金元素（含量3）得到的钢。这类钢比相同含碳量碳素钢的强

27、度约高1030，因此又常被称为“低合金高强度钢”。这类钢广泛应用于桥梁、船舶、管道、车辆、锅炉、建筑等方面，是一种常用的工程机械用钢。与低碳钢相比，普低钢不但具有良好的塑性和韧性以及焊接工艺性能，而且还具有较高的强度，较低的冷脆转变温度和良好的耐腐蚀能力。因此，用普低钢代替低碳钢，可以减少材料和能源的损耗，减轻工程结构件的自重，增加可靠性，还可以安全地使用在北方高寒地区和要求抵抗腐蚀的行业。为了保证较好的塑性和焊接性能，普低钢中平均含碳量一般不大于0.2。是普低钢的主加元素，平均含量在1.251.5之间，可以溶入铁素体起固溶强化作用，还可以通过对相图中点影响，增加组织中珠光体的量并使之细化，使

28、强度进一步提高。加入也是提高强度。加入、等强碳化物形成元素，主要为了在钢中形成稳定的碳化物，起到第二相弥散强化和阻碍奥氏体晶粒长大的作用。加入、等元素则是为了提高钢的抗腐蚀能力。普低钢通常是在热轧或正火状态下使用，一般不再进行热处理。常用普低钢的牌号及用途见表5.1。各种牌号普低钢的化学成分及力学性能参见GB1591-88。5.2.3 渗碳钢用来制造渗碳零件的钢称为渗碳钢。 表5.1 常用普低钢的牌号及用途钢号用 途09MnNb桥梁、车辆16Mn锅炉、船舶、车辆、压力容器、建筑结构等16MnNb桥梁、起重设备等15MnTi船舶、压力容器、电站设备等14MnVTiRe桥梁、高压容器、大型船舶、电

29、站设备等15MnVN大型焊接结构、大型桥梁、管道等14MnMoV中温高压容器（500）18MnMoBb锅炉、化工、石油高压厚壁容器（500）14CrMnMoVB中温高压容器（400500）5.2.3.1 工作条件和性能要求某些机械零件如汽车和拖拉机的齿轮、内燃机凸轮、活塞销等在工作时经常既承受强烈的摩擦磨损和交变应力的作用，又承受着较强烈的冲击载荷的作用，一般的低碳钢即使经渗碳处理也难以满足这样的工作条件。为此在低碳钢的基础上添加一些合金元素形成的合金渗碳钢，经渗碳和热处理后表面具有较高的硬度和耐磨性，心部则具有良好的塑性和韧性，同时达到了外硬内韧的效果，保证了比较重要的机械零件在复杂工作条件

30、下正常运行。5.2.3.2 化学成分渗碳钢含碳量较低，大致在0.10之间，可保证心部有良好的塑性和韧性。加入合金元素、等主要作用是提高淬透性，强化，改善表面和心部的组织与性能。在提高心部强度的同时还能提高韧性和淬透性。加入微量的、等合金元素主要是为了形成稳定的合金碳化物，防止渗碳时晶粒长大，提高渗碳层的硬度和耐磨性。5.2.3.3 热处理特点为了改善切削加工性，含碳量较低的渗碳钢的预先热处理一般采用正火工艺，渗碳后热处理一般是淬火加低温回火，或是渗碳后直接淬火。渗碳后工件表面含碳量可达到0.801.05，热处理后表面渗碳层的组织是回火马氏体+合金碳化物+残余奥氏体，硬度可达到6062。心部组织

31、与钢的淬透性和零件的截面尺寸有关，全部淬透时为低碳回火马氏体+铁素体，硬度为4048。未淬透时为索氏体+铁素体，硬度为2540。5.2.3.4 常用渗碳钢按淬透性的高低不同，合金渗碳钢可分为低、中、高淬透性钢三类。各种牌号渗碳钢的化学成分及力学性能参见GB3077-88。常用渗碳钢的牌号及用途见表5.2。低淬透性合金渗碳钢 有、等，这类钢碳和合金元素总含量（2）较低，淬透性较差，水淬临界直径约为2035，心部强度偏低。通常用来制造截面尺寸较小、受冲击载荷较小的耐磨件，如活塞销、小齿轮、滑块等。这类钢渗碳时心部晶粒粗化倾向大，尤其是锰钢，因此当它们的性能要求较高时，常常采用渗碳后再在较低的温度下

32、加热淬火。中淬透性合金渗碳钢 有、等。这类钢合金元素的含量（4）较高，淬透性较好，油淬临界直径约为2560，渗碳淬火后有较高的心部强度。可用来制作承受中等动载荷的耐磨件，如汽车变速齿轮、花键轴套、齿轮轴、联轴节等。这类钢含碳化物形成元素、等，渗碳时晶粒长大倾向较小，可采用渗碳后直接淬火工艺，提高了生产效率，并且节约了能源。高淬透性合金渗碳钢 有、等。这类钢的合金元素的含量（7.5）更高，在铬、镍等多种合金元素共同作用下，淬透性很高，油淬临界直径大于100，淬火和低温回火后心部有很高的强度。这类钢主要用来制作承受重载和强烈磨损的零件，如内燃机车的牵引齿轮、柴油机的曲轴和连杆等。表5.2 常用渗碳

33、钢的牌号及用途类别牌 号用 途低淬透性15Cr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20Cr截面在300mm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20CrV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20MnV锅炉、高压容器、大型高压管道等较高载荷的焊接结构件，使用温度上限450475，亦可用于冷拉、冷冲压零件，如活塞销、齿轮等中淬透性20Mn2代替20Cr钢制作渗碳的小齿轮、轴、低要求的活塞销、气门顶杆、变速箱操纵杆等

34、20CrNi3在高载荷条件下工作的齿轮、蜗杆、轴、螺杆、双头螺柱、销钉等20CrMnTi在汽车、拖拉机工业中用于截面在300mm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、爪形高合器、蜗杆等20Mn2B尺寸较大、形状较简单、受力不复杂的渗碳件，如机床上的轴套、齿轮、离合器，汽车上的转向轴、调整螺栓等20MnVB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20Cr2Ni4大截面渗碳件如大型齿轮、轴等18Cr2Ni4WA大截面、高强度、良好韧性以及缺口敏感性的重要渗碳件，如大截面的齿轮、传动轴、曲轴、花键轴、活塞销

35、、精密机床上控制进刀的蜗轮等下面以合金渗碳钢制造汽车变速齿轮为例，说明其工艺路线的安排和热处理工艺的选用。钢制作汽车变速齿轮的生产工艺流程如下：锻造正火加工齿形非渗碳部位镀铜保护渗碳预冷直接淬火+低温回火喷丸磨齿（精磨）。技术要求：渗碳层厚1.21.6，表面含碳量为1.0；齿顶硬度5860，心部硬度3045。根据热处理技术要求，制订热处理工艺为：950970正火920，6-8气体渗碳预冷后870880油淬200，23低温回火。预先热处理正火的目的是改善锻造不良组织和切削加工性。渗碳后预冷直接油淬+低温回火，为的是保证表面获得高硬度和高耐磨性，心部具有良好配合的强度和韧性。5.2.4 调质钢 经

36、调质处理后使用的钢称为调质钢，根据含否合金元素分为碳素调质钢和合金调质钢。5.2.4.1 工作条件和性能要求汽车、拖拉机、车床等其他机械上的重要零件如汽车底盘半轴、高强度螺栓、连杆等大多工作在受力复杂、负荷较重的条件下，要求具有较高水平的综合力学性能，即要求较高的强度与良好的塑性与韧性相配合。但是不同的零件受力状况不同，其对性能要求的侧重也有所不同。整个截面受力都比较均匀的零件如只受单向拉、压、剪切的连杆，要求截面处处强度与韧性都要有良好的配合。截面受力不均匀的零件如表层受拉应力较大心部受拉应力较小的螺栓，则表层强度比心部就要要求高一些。5.2.4.2 化学成分调质钢一般是中碳钢，钢中含碳量在

37、0.300.50之间，含碳量过低，强度、硬度得不到保证；含碳量过高，塑性、韧性不够，而且使用时也会发生脆断现象。合金调质钢的主加元素是、，它们的主要作用是提高淬透性，并能够溶入铁素体中使之强化，还能使韧性保持在较理想的水平。、等能细化晶粒，提高钢的回火稳定性。、还可以减轻和防止钢的第二类回火脆性，微量对曲线有较大的影响，能明显提高淬透性。铝则可以加速钢的氮化过程。5.2.4.3 热处理特点调质钢的预先热处理采用退火或正火工艺，目的是改善锻造组织，细化晶粒，为最终热处理作组织上的准备，最终热处理是淬火+高温回火，淬火、回火的温度受钢的化学成分和对性能的要求所控制。一般，淬火加热温度在850左右，

38、回火温度在500650之间。合金调质钢的淬透性较高，一般都在油中淬火，合金元素含量较高的钢甚至在空气中冷却也可以得到马氏体组织。为了避开第二类回火脆性发生区域，回火后通常进行快速冷却。5.2.4.4 常用调质钢合金调质钢可按其淬透性的高低分为三类，各种牌号调质钢的化学成分及力学性能参见GB3077-88。低淬透性合金调质钢 多为锰钢、硅锰钢、铬钢、硼钢，有、等。这类钢合金元素总含量（2.5）较低，淬透性不高，油淬临界直径约为2040，常用来制作中等截面的零件如柴油机曲轴、连杆、螺栓等。 中淬透性合金调质钢 多为铬锰钢、铬钼钢、镍铬钢，有、等。这类钢合金元素含量较高，油淬临界直径大于4060，常

39、用来制作大截面、重负荷的重要零件如内燃机曲轴、变速箱主动轴等。高淬透性合金调质钢 多为铬镍钼钢、铬锰钼钢、铬镍钨钢，有、等。这类钢合金元素的含量最高，淬透性也很高，油淬临界直径大于60100。和的适当配合，使此类钢的力学性能更加优异。主要用来制造截面尺寸更大、承受更重载荷的重要零件如汽轮机主轴、叶轮、航空发动机轴等。下面是钢制作拖拉机连杆螺栓的生产工艺路线的安排和热处理工艺的选用。连杆螺栓的生产工艺路线如下：下料锻造退火（或正火）粗加工调质精加工装配。技术要求：调质处理后组织为回火索氏体，硬度为3038。 图5.6 连杆螺栓热处理工艺根据热处理技术要求，制订热处理工艺如图5.6所示。预先热处理

40、采用退火或正火，目的是改善锻造组织，细化晶粒，改善切削加工性，为调质处理作组织上的准备。调质处理是在840±10加热、油淬，然后在525±25回火，水冷（防止第二类回火脆性），最后得到强度、冲击韧性、疲劳强度良好配合的回火组织。5.2.5 弹簧钢用来制造各种弹性零件如板簧、螺旋弹簧、钟表发条等的钢称为弹簧钢。5.2.5.l 工作条件和性能要求弹簧是广泛应用于交通、机械、国防、仪表等行业及日常生活中的重要零件，主要工作在冲击、振动、扭转、弯曲等交变应力下，利用其较高的弹性变形能力来贮存能量，以驱动某些装置或减缓震动和冲击作用。因此：弹簧必须有较高的弹性极限和强度，防止工作时产

41、生塑性变形；弹簧还应有较高的疲劳强度和屈强比，避免疲劳破坏；弹簧应该具有较高的塑性和韧性，保证在承受冲击载荷条件下正常工作；弹簧应具有较好的耐热性和耐腐蚀性，以便适应高温及腐蚀的工作环境；为了进一步提高弹簧的力学性能，它还应该具有较高的淬透性和较低的脱碳敏感性。5.2.5.2 化学成分弹簧钢的含碳量在0.400.70之间，以保证其有较高弹性极限和疲劳强度，含碳量过低，强度不够，易产生塑性变形；碳含量过高，塑性和韧性会降低。耐冲击载荷能力下降，碳素钢制成的弹簧件力学性能较差，只能做一些工作在不太重要场合的小弹簧。合金弹簧钢中的主加合金元素和，主要是为了提高淬透性和屈强比，的作用比较明显，但是会使

42、弹簧钢热处理表面脱碳倾向增大，则会使钢易于过热。5.2.5.3 热处理特点根据弹簧的尺寸和加工方法不同，可分为热成型弹簧和冷成形弹簧两大类。其热处理工艺有所不同。热成型弹簧的热处理 直径或板厚大于1015的大型弹簧件，多用热轧钢丝或钢板制成。先把弹簧加热到高于正常淬火温度5080的条件下热卷成形，然后进行淬火+中温回火，获得具有良好弹性极限和疲劳强度的回火屈氏体，硬度为4048。热轧弹簧钢采用热成形制造板簧的工艺路线如下：扁钢剪断加热压弯成形后余热淬火+中温回火喷丸装配冷成型弹簧的热处理 直径小于8的小尺寸弹簧件，常用冷拔钢丝冷卷成形。根据拉拔工艺不同，冷成形弹簧可以只进行去应力处理或进行常规

43、的弹簧热处理。冷拉钢丝制造工艺及后续热处理方法有三种：铅浴处理冷拉钢丝油淬回火钢丝退火状态钢丝。5.2.5.4 常用弹簧钢合金弹簧钢根据合金元素不同主要有两大类：、为主要合金元素的弹簧钢 有、等，淬透性明显高于碳素弹簧钢，常用来制作大截面的弹簧。、等为主要合金元素的弹簧钢 有、等，碳化物形成元素、的加入，能细化晶粒，提高淬透性，提高塑性和韧性，降低过热敏感性，常用来制作在较高温度下使用的承受重载荷的弹簧。弹簧钢的化学成分、热处理、力学性能参见GB3077-88。各种牌号弹簧钢的用途见表5.4。表5.4 常用弹簧钢的牌号及用途牌号应用范围60、75、85截面（1215）的小弹簧65Mn、50Si

44、2Mn、60Si2Mn，70SiMnA、55MnSi、60MnSi截面25的弹簧，例如车厢板簧，机车板簧，缓冲卷簧等50CrVA、60Si2CrA、50CrMnVA，60Si2CrVA、65Si2MnWA截面35的重要弹簧，例如小型汽车、载重卡车板簧，扭杆簧，低于350的耐热弹簧5.2.6 滚动轴承钢 用来制作各种滚动轴承零件如轴承内外套圈，滚动体（滚珠、滚柱、滚针等）的专用钢称为滚动轴承钢。5.2.6.1 工作条件和性能要求滚动轴承在工作时，滚动体与套圈处于点或线接触方式，接触应力在15005000以上。而且是周期性交变承载，每分钟的循环受力次数达上万次，经常会发生疲劳破坏使局部产生小块的剥

45、落。除滚动摩擦外，滚动体和套圈还存在滑动摩擦，所以轴承的磨损失效也是十分常见的。因此，滚动轴承必须具有较高的淬透性，高且均匀的硬度和耐磨性，良好的韧性、弹性极限和接触疲劳强度，在大气及润滑介质下有良好的耐蚀性和尺寸稳定性。5.2.6.2 化学成分含碳量较高，一般在0.951.10之间，以保证其获得高强度、高硬度和高耐磨性。是滚动轴承钢的基本合金元素，其含量为0.41.05。的主要作用是提高淬透性和回火稳定性，能与作用形成细小弥散分布的合金渗碳体，可以使晶粒细化，减轻钢的过热敏感性，提高耐磨性，并能使钢在淬火时得到细针状或隐晶，使钢在保持高强度的基础上增加韧性。但的含量不易过高，否则淬火后残余的

46、量会增加，碳化物呈不均匀分布，导致钢的硬度、疲劳强度和尺寸稳定性等降低。对大型轴承（如钢珠直径超过3050的滚动轴承）而言，还可以加入、，进一步提高淬透性、强度、耐磨性和回火稳定性。滚动轴承钢的接触疲劳强度等对杂质和非金属夹杂物的含量和分布比较敏感，因此，必须将硫、磷的含量控制在0.02之内，氧化物、硫化物、硅酸盐等非金属夹杂物含量和分布控制在规定的级别之内。5.2.6.3 热处理特点滚动轴承的预先热处理采用球化退火，目的是得到细粒状组织，降低锻造后钢的硬度，使其不高于210，提高切削加工性能，并为零件的最终热处理作组织上的准备。滚动轴承钢的最终热处理一般是淬火+低温回火，它直接决定了钢的强度

47、、硬度、耐磨性和韧性等。首先要把淬火加热温度严格控制在820840内，温度过高，晶粒粗大，淬火时残余和针状的量增加，接触疲劳强度、韧性和尺寸稳定性会下降；温度过低，硬度不足。为减轻淬火应力和变形开裂几率，滚动轴承钢采用油淬并立即在150160回火。使用状态的组织应为回火+细小粒状碳化物+少量残余体，硬度为6165。对于尺寸稳定性要求很高的精密轴承，可在淬火后于6080进行冷处理，消除应力和减少残余奥氏体的量，然后再进行回火和磨削加工，为进一步稳定尺寸，最后采用低温时效处理120130保温510。5.2.6.4 常用滚动轴承钢滚动轴承钢大致可分为两类：轴承钢 目前我国的轴承钢多属此类钢，其中最常

48、见的是，除用作中、小轴承外，还可制成精密量具、冷冲模具和机床丝杠等。其他轴承钢 含、等合金元素轴承钢 为了提高淬透性，在制造大型和特大型轴承常在轴承钢基础上添加、等，如。无轴承钢 为节约，我国制成只有、，而不含的轴承钢如、等，与轴承钢相比，其淬透性、耐磨性、接触疲劳强度、锻造性能较好，但是脱碳敏感性较大且耐蚀性较差。渗碳轴承钢 为进一步提高耐磨性和耐冲击载荷可采用渗碳轴承钢，如用于中小齿轮、轴承套圈、滚动件的、；用于冲击载荷的大型轴承的。常用滚动轴承钢的牌号及用途见表。表5.5 常用滚动轴承钢的牌号及用途牌号主 要 用 途GCr610的滚珠、滚柱和滚针GCr920的各种滚动轴承GCr9SiMn

49、壁厚14，外径250的轴承套；2550的钢球；直径25左右滚柱等GCr15壁厚14，外径250的轴承套；2550的钢球；直径25左右滚柱等GCr15SiMn壁厚14，外径250的套圈；直径20200的钢球；其它同GCr155.2.7 易切削钢为了提高钢的切削加工性能，常常在钢中加入一种或数种合金元素，形成了易切削钢，常用的合金元素有、等。与钢中的和有较大的亲和力，易形成（或）夹杂物。含的夹杂物会使切屑容易脆断，还可起到减摩作用，减少切屑和刀具的接触面积和粘附在刀刃上切屑的量，从而降低了切削力和切削热，降低了工件表面的粗糙度值，延长了刀具的使用寿命。但是钢中的含量过高时，会形成低熔点共晶组织，产

50、生热脆现象。因此，一般在易切削钢中，含量为0.080.30，含量为0.601.55，当呈圆形均匀分布时，在降低热脆发生的同时，可以进一步提高切削加工性能。不溶于铁，当它以孤立的细小的颗粒（约3）均匀分布在钢中时，可以改善钢的切削加工性能。的加入会降低摩擦系数，使切屑变脆易断，降低切削热。对钢的冷热加工性无明显的不利影响，但当含量过高时，会造成偏析，恶化钢的性能，一般将控制在0.15之内。 在钢中能形成高熔点钙铝硅酸盐依附在刀具上构成一层薄薄的保护膜，降低刀具的磨损，延长其使用寿命。一般微量0.0010.005的加入就可以明显改善钢在高速切削下的切削工艺性能。对切削加工性能要求较高的，可选用含量

51、较高的；对焊接性能要求较高的，可选用含量较低的；对强度有较高要求的，可选用。车床丝杠一般选用含量较高的；而在自动机床上加工的零件则大多选用低碳易切削钢。常用易切削钢的牌号及化学成分见GB8731-88。5.3 合金工具钢在碳素工具钢基础上加入一定种类和数量的合金元素，用来制造各种刃具、模具、量具等用钢就称为合金工具钢。与碳素工具钢相比，合金工具钢的硬度和耐磨性更高，而且还具有更好的淬透性、红硬性和回火稳定性。因此常被用来制作截面尺寸较大、几何形状较复杂、性能要求更高的工具。5.3.1 牌号表示方法 与合金结构钢的牌号表示方法相比，合金工具钢中合金元素的表示方法未变，如表示合金元素平均含量均小于

52、1.5，合金工具钢的碳含量表示方法则有所不同，当含碳量1.0，不标出，如 钢。当含碳量1.0时，用一位数字在最前面表示（千分之一），其后紧随合金元素，如表示含碳量平均为0.9，、皆小于1.5。高速工具钢的平均含碳量无论是多少，都不标出。如钢平均含碳量在0.70.8之间。5.3.2 刃具钢用来制造车刀、铣刀、锉刀、丝锥、钻头、板牙等刃具的钢统称为刃具钢。5.3.2.1 工作条件和性能要求刀具在切削加工零件时，在受到零件的反作用的同时受到与零件及切屑的摩擦力，刀具经受磨损。切削速度越快，摩擦越严重，刃部温度越高，甚至会达到500600。在被加工对象不同时，刃具还常受到冲击和振动。因此刃具钢必须具有

53、以下性能:高硬度刃具的硬度必须大于被加工零件才能使零件被加工成形，一般切削刀具的刃口硬度都在60以上。高耐磨性耐磨性是影响刃具尤其是锉刀等使用寿命和工作效率的主要因素之一。刃具钢的耐磨性取决于钢的硬度、韧性和钢中碳化物的种类、数量、尺寸、分布等。高红硬性红硬性是钢在高温下保持高硬度的能力。刃具工作时，刃部的温度很高，大都超过了碳素工具钢的软化温度。所以红硬性的高低是衡量刃具钢的重要指标之一，红硬性的高低与钢的回火稳定性和合金碳化物弥散沉淀有关。良好的强度、塑性和韧性能使刃具在冲击或震动载荷等作用下正常工作，防止脆断、崩刃等破坏。5.3.2.2 低合金刃具钢对于某些低速而且走刀量较小的机用工具，

54、以及要求不太高的刃具，可用碳素工具钢、等制作。碳素工具钢价格低廉，加工性能好，经适当热处理后可获得较高的硬度和良好的耐磨性。但是其淬透性差，回火稳定性和红硬性不高，不能用作对性能有较高要求的刀具。为了克服碳素工具钢的不足，在其基础上加35的合金元素就形成了低合金刃具钢。化学成分 低合金刃具钢平均含碳量大都在0.751.5之间，以保证获得较高的硬度和耐磨性。加入、等合金元素改善了钢的性能，、主要作用是提高淬透性，还能提高回火稳定性，、等与碳形成细小弥散的合金碳化物，提高硬度和耐磨性，细化晶粒，进一步增加回火稳定性。热处理特点 低合金刃具钢的预先热处理是球化退火，目的是改善锻造组织和切削加工性能，

55、最终热处理是淬火+低温回火，组织为回火马氏体+碳化物+少量残余奥氏体，具有较高的硬度和耐磨性。 下面以钢制造的圆板牙为例说明其热处理特点和工艺路线的安排。圆板牙是切削加工外螺纹的刀具，要求钢中碳化物均匀分市，热处理后硬度和耐磨性较高，而且齿形变形小。其制造工艺路线安排如下：下料球化退火机加工淬火+低温回火磨平面抛槽开口球化退火采用等温处理工艺：800810（24）炉冷700720（68）炉冷500空冷。组织为粒状，硬度在1924之间，适宜切削加工。淬火+低温回火工艺：600650预热（6090）850870加热保温（3045）160200分级淬火（3045）190200低温回火（6090）先在600650预热，目的是缩短随后的淬火保温时间，减轻氧化脱碳的可能性。在850870加热保温后，迅速转移到160200的硝盐槽中进行分级淬火，降低淬火时的变形。然后在190200低温回火，降低残余应力，保留较高的硬度值6063。常用低合金刃具钢常用的低合金刃具钢有、等，其中以钢应用为多。这类钢淬透性、耐磨性等明显高于碳素工具钢，而且变形量小，