特殊用途钢与合金

1、第七章第七章 特殊用途钢和合金特殊用途钢和合金 特殊性能钢特殊性能钢是指不锈钢、耐热钢、耐磨钢等是指不锈钢、耐热钢、耐磨钢等具有具有特殊物理、化学和力学性能的钢。特殊物理、化学和力学性能的钢。第一节第一节 不锈钢（不锈钢（P165）第二节第二节 耐热钢（耐热钢（P167）第三节第三节 耐磨钢（耐磨钢（P171）第四节第四节 硬质合金（硬质合金（P172）第五节第五节 其它新型合金其它新型合金第一节第一节 不锈钢不锈钢（P165P165）2. 防止金属腐蚀的措施：防止金属腐蚀的措施： 形成保护膜形成保护膜如形成致密的如形成致密的Al2O3、Cr2O3薄膜薄膜 使金属呈单相组织，避免形成原电池使金

2、属呈单相组织，避免形成原电池不锈钢不锈钢 提高基体电极电位，减小电极电位差提高基体电极电位，减小电极电位差钢中加钢中加 入入13Cr，F的电极电位由的电极电位由-0.56V提高至提高至0.2V。一、概述一、概述1. 金属的腐蚀形式：金属的腐蚀形式： 化学腐蚀化学腐蚀 金属和周围介质直接发生化学作金属和周围介质直接发生化学作用。如金属加热时生成的氧化皮等。用。如金属加热时生成的氧化皮等。 电化学腐蚀电化学腐蚀金属在电解质中由于原电池作金属在电解质中由于原电池作用而引起的腐蚀。如金相试样制备过程中的化学浸用而引起的腐蚀。如金相试样制备过程中的化学浸蚀过程。蚀过程。不锈钢不锈钢是指某些在大气和一般介

3、质中具有较高化学是指某些在大气和一般介质中具有较高化学稳定性的钢。稳定性的钢。Cr：提高抗蚀能力的基本元素、能在钢表面形提高抗蚀能力的基本元素、能在钢表面形 成一层保护性的成一层保护性的Cr2O3薄膜；提高钢基体薄膜；提高钢基体 的电极电位；形成单相的铁素体组织。的电极电位；形成单相的铁素体组织。Ni：使钢呈单相奥氏体组织，提高钢的塑性使钢呈单相奥氏体组织，提高钢的塑性 和韧性，改善钢的焊接性能和韧性，改善钢的焊接性能Cu和和Mo：提高钢的耐腐蚀作用提高钢的耐腐蚀作用C： 对提高钢的抗腐蚀作用不利，但能提高对提高钢的抗腐蚀作用不利，但能提高 钢的强度和硬度钢的强度和硬度3. 不锈钢所含元素及作

4、用：不锈钢所含元素及作用：性能：性能：具有较高的强度、硬度、耐磨性。应用于具有较高的强度、硬度、耐磨性。应用于 要求力学性能要求较高，抗蚀性能一般的要求力学性能要求较高，抗蚀性能一般的 零件。如弹簧、轴、水压机阀、汽轮机叶零件。如弹簧、轴、水压机阀、汽轮机叶 片、轴承、刃具等。片、轴承、刃具等。按按室温组织室温组织分：分：M不锈钢、不锈钢、F不锈钢、不锈钢、 A不锈钢等不锈钢等 二、不锈钢的种类与特点二、不锈钢的种类与特点 常用的马氏体不锈钢：常用的马氏体不锈钢：1Cr13、 2Cr13、3Cr13、 4Cr13、9Cr181.1.马氏体不锈钢马氏体不锈钢成分：成分：含较高的含较高的Cr、较高

5、的、较高的C WCr 12%18%， WC 0.1%0.45%热处理：热处理：1Cr13、2Cr13 淬火淬火+高温回火高温回火 SS回回 3Cr13、4Cr13 淬火淬火+低温回火低温回火 M回回10001100油油淬淬200300 500790 用途：用途：1Cr13、2Cr13等钢等钢 在力学性能上与调质钢在力学性能上与调质钢相似，主要用作在腐蚀介质中受冲击载荷的相似，主要用作在腐蚀介质中受冲击载荷的汽轮机汽轮机叶片、锅炉管附件、水压机阀等。叶片、锅炉管附件、水压机阀等。温温度度时间时间 3Cr13、4Cr13 等钢等钢常用于弱腐蚀条件下常用于弱腐蚀条件下工作且要求高硬度的工作且要求高硬

6、度的医疗器械、弹簧、刃医疗器械、弹簧、刃具、热油泵轴等。具、热油泵轴等。650MW核电核电汽轮机汽轮机 2.2.铁素体不锈钢铁素体不锈钢成分及性能：成分及性能：含含Cr较高较高(1232% ) 含含C较低较低(0.15%) 耐蚀、抗高温氧化能力由于耐蚀、抗高温氧化能力由于M不锈钢不锈钢常用的钢号：常用的钢号： 1Cr17、1Cr25、1Cr28、 0Cr17Ti、 1Cr25Ti成分：成分： WCr17 19%、WNi8 11%性能：性能：具有良好的韧性、塑性、焊接性、抗腐具有良好的韧性、塑性、焊接性、抗腐 蚀性能蚀性能3.3.奥氏体不锈钢奥氏体不锈钢用途：用途：强度要求不高，耐蚀性较高的场合

7、，如硝酸、强度要求不高，耐蚀性较高的场合，如硝酸、氮肥工业设备、容器、管道和食品工厂设备等。氮肥工业设备、容器、管道和食品工厂设备等。奥氏体不锈钢的晶间腐蚀及其防止奥氏体不锈钢的晶间腐蚀及其防止晶间腐蚀：晶间腐蚀：奥氏体不锈钢奥氏体不锈钢500-700保温时，晶界保温时，晶界处析出碳化物处析出碳化物(Cr23C6)使晶界附近使晶界附近Cr含量降低，使含量降低，使晶界容易引起腐蚀。晶界容易引起腐蚀。（3）热处理消除晶间腐蚀倾向：热处理消除晶间腐蚀倾向：850900保温保温 23小时，空冷小时，空冷防止晶间腐蚀的方法：防止晶间腐蚀的方法：（1） 降低降低C 含量含量 WC0.06%以下，使钢不易形

8、成以下，使钢不易形成 Cr23C6，但其强度较低。，但其强度较低。0Cr18Ni9（2） 加入强碳化物形成元素加入强碳化物形成元素Ti或或Nb ，使形成，使形成 TiC或或NbC ，而不形成，而不形成Cr23C6。1Cr18Ni9Ti常用不锈钢的成分、牌号、热处理及性能特点常用不锈钢的成分、牌号、热处理及性能特点 见表见表6-18（P168-169）第二节第二节 耐热钢耐热钢（P167） 金属材料的耐热性包含金属材料的耐热性包含高温抗氧化性高温抗氧化性和和高温强度高温强度 耐热钢是指具有良好的高温抗氧化性和高温强度的钢。耐热钢是指具有良好的高温抗氧化性和高温强度的钢。一、金属耐热性的基本概念一

9、、金属耐热性的基本概念金属的金属的高温抗氧化性高温抗氧化性 是指钢在高温条件下对氧化作用的是指钢在高温条件下对氧化作用的抗力，是钢能否持久地工作在高温下的重要保证条件。抗力，是钢能否持久地工作在高温下的重要保证条件。 钢表面与高温空气、燃烧废气等氧化气氛接触后会发生氧化腐钢表面与高温空气、燃烧废气等氧化气氛接触后会发生氧化腐蚀，腐蚀产物蚀，腐蚀产物(氧化膜氧化膜)的组成与温度有关，在的组成与温度有关，在570以下生成致密的以下生成致密的Fe2O3+Fe3O4薄膜，抗氧化性较好。高于薄膜，抗氧化性较好。高于570钢表面生成的氧化膜钢表面生成的氧化膜由表及里为由表及里为FeO+ Fe2O3+Fe3

10、O4组成，金属原子和氧原子易通过组成，金属原子和氧原子易通过FeO层扩散，加速氧化。层扩散，加速氧化。 提高钢抗氧化的主要途径是合金化，钢中加入提高钢抗氧化的主要途径是合金化，钢中加入Cr、Si、Al等合等合金元素，使钢在高温与氧接触时优先形成致密的高熔点的氧化膜金元素，使钢在高温与氧接触时优先形成致密的高熔点的氧化膜Cr2O3、SiO2、Al2O3等。从而阻止氧化的继续进行。等。从而阻止氧化的继续进行。 金属的高温强度金属的高温强度是指金属材料在高温下对机械载是指金属材料在高温下对机械载荷作用的抗力，即高温下金属材料抵抗塑性变形和破荷作用的抗力，即高温下金属材料抵抗塑性变形和破坏的能力。坏的

11、能力。当工作温度高于再结晶温度，金属在外力当工作温度高于再结晶温度，金属在外力作用下产生塑变和加工硬化，同时还发生动态再结晶作用下产生塑变和加工硬化，同时还发生动态再结晶和软化的过程，故工件就难以满足高温下力学性能的和软化的过程，故工件就难以满足高温下力学性能的要求。要求。 金属在高温下的力学性能与温度、时间、组织变金属在高温下的力学性能与温度、时间、组织变化等因素有关。化等因素有关。金属在高温下会发生金属在高温下会发生“蠕变蠕变”现象。现象。金属对蠕变的抗力越大，其高温强度也越高。金属的金属对蠕变的抗力越大，其高温强度也越高。金属的高温强度一般以蠕变极限高温强度一般以蠕变极限 和持久强度和持

12、久强度 来表示。来表示。 金属材料在高温下晶界强度低于晶内，故加入合金属材料在高温下晶界强度低于晶内，故加入合金元素金元素W、 Mo、 V、Ti、Nb等等提高再结晶温度，形提高再结晶温度，形成稳定的特殊碳化物，能有效提高钢的高温强度。成稳定的特殊碳化物，能有效提高钢的高温强度。tt1. 马氏体型耐热钢马氏体型耐热钢 主要含主要含Cr、Mo、Si等元素。等元素。热处理：热处理：淬火回火，淬火回火，组织为：组织为：M回回或或S回回Cr13 + W、 Mo(强化基体的合金元素）强化基体的合金元素） + V、Ti、Nb(强碳化物形成元素）强碳化物形成元素）牌号：牌号：4Cr9Si2 4Cr10SiMo

13、 1Cr13 1Cr11MoV二、常用耐热钢二、常用耐热钢根据成分、性能和用途耐热钢分为根据成分、性能和用途耐热钢分为抗氧化钢抗氧化钢和和热强钢热强钢（一）抗氧化钢（一）抗氧化钢 在在Cr钢、钢、Ni钢、钢、CrMnN钢基础上添钢基础上添加加Si、Al、稀土元素等形成的钢。、稀土元素等形成的钢。如如3Cr18Mn12SiN、2Cr20MN9Ni2Si2N、3Cr18Ni25Si2等。常用于工作温等。常用于工作温度达度达1000的零件，如加热炉受热零件、锅炉吊钩等的零件，如加热炉受热零件、锅炉吊钩等（二）热强钢（二）热强钢常用于常用于600以下承受较大载荷的汽轮机叶片、增压器叶片等以下承受较大载

14、荷的汽轮机叶片、增压器叶片等2. 奥氏体型耐热钢奥氏体型耐热钢 高温抗蚀性能、抗氧化性能比马氏体型耐热钢好；高温抗蚀性能、抗氧化性能比马氏体型耐热钢好；还具有良好的塑性变形性能和焊接性能，但切削加工还具有良好的塑性变形性能和焊接性能，但切削加工性能不好。性能不好。 1Cr18Ni9Ti 4Cr14Ni14W2Mo等钢等钢常用作内燃机常用作内燃机排气阀、燃气轮机轮盘和叶片等。排气阀、燃气轮机轮盘和叶片等。根据工作温度选材的原则：根据工作温度选材的原则： 300选普通结构钢选普通结构钢；300600 选马氏体型耐热钢选马氏体型耐热钢；600800 选奥氏体型耐热钢选奥氏体型耐热钢；8001000

15、选镍基合金选镍基合金1000以上以上选用钼基合金和金属陶瓷选用钼基合金和金属陶瓷。 含碳量较低，合金元素总量含碳量较低，合金元素总量35。如。如12CRMoV 、15CrMo等钢，常用于等钢，常用于600以下的高、中压蒸汽锅炉的以下的高、中压蒸汽锅炉的锅炉管、过滤器等。锅炉管、过滤器等。3. 珠光体型耐热钢珠光体型耐热钢第三节第三节 耐磨钢耐磨钢 （P171） 主要指在冲击载荷作用下发生加工硬化的主要指在冲击载荷作用下发生加工硬化的高锰高锰钢钢，主要应用于使用过程中经受强烈冲击和严重磨，主要应用于使用过程中经受强烈冲击和严重磨损的零件。损的零件。 这种钢机加工比较困难，基本上都是铸造成型这种钢

16、机加工比较困难，基本上都是铸造成型的，牌号为的，牌号为ZGMn13一、化学成分一、化学成分 WC1.01.3% WMn11.0%14.0% 由于冷速很快，碳化物来不及析出，得到单相由于冷速很快，碳化物来不及析出，得到单相奥氏体组织，此时钢的奥氏体组织，此时钢的硬度很低硬度很低(180220HBS)，而，而塑性、韧性很高。塑性、韧性很高。当受到强烈冲击载荷和较大压力当受到强烈冲击载荷和较大压力时，表面产生时，表面产生加工硬化加工硬化并伴随有相变并伴随有相变A M+K，使，使钢的硬度升高到钢的硬度升高到500550HBS，故耐磨性增加。，故耐磨性增加。 高锰钢水韧处理后高锰钢水韧处理后不再回火不再

17、回火（否则碳化物会重（否则碳化物会重新沿晶界析出）。新沿晶界析出）。水韧处理：水韧处理：将铸造后的高锰钢加热到将铸造后的高锰钢加热到10001100 ，并保持一定时间，使碳化物完全溶入奥氏体中，然并保持一定时间，使碳化物完全溶入奥氏体中，然后水中冷却。后水中冷却。二、热处理二、热处理水韧处理水韧处理 在在12901350直接浇注，随后冷却过程中，直接浇注，随后冷却过程中，大量的碳化物沿奥氏体晶界析出，使钢变脆。大量的碳化物沿奥氏体晶界析出，使钢变脆。应用应用高锰钢广泛应用于高锰钢广泛应用于既要求耐磨又要求既要求耐磨又要求耐冲击的一些零件：耐冲击的一些零件：铁路道岔、挖掘机铁路道岔、挖掘机铲斗、

18、拖拉机和坦铲斗、拖拉机和坦克的履带板、克的履带板、碎石碎石机的颚板、衬板机的颚板、衬板等。等。颚式破碎机机构简图颚式破碎机机构简图典型的磨粒磨损典型的磨粒磨损颚式破碎机颚式破碎机颚颚 板板颚颚 板板 衬板衬板 锤头锤头第四节第四节 硬质合金硬质合金 （P172）硬质合金是将一些难熔的化合物粉末和粘结剂混合，硬质合金是将一些难熔的化合物粉末和粘结剂混合，加压成型，再经烧结而成的一种粉末冶金材料。加压成型，再经烧结而成的一种粉末冶金材料。硬度高、热硬性好、耐磨性优良。切削速度可比高硬度高、热硬性好、耐磨性优良。切削速度可比高速钢提高速钢提高47倍，刀具寿命可提高倍，刀具寿命可提高580倍。倍。二、

19、硬质合金的分类：二、硬质合金的分类：1. 金属陶瓷硬质合金金属陶瓷硬质合金 将难熔的金属碳化物粉末（如将难熔的金属碳化物粉末（如WC、TiC等等)与粘与粘结剂结剂Co混合后加压成型，再经烧结而成。混合后加压成型，再经烧结而成。一、硬质合金的特点：一、硬质合金的特点：金属陶瓷硬质合金金属陶瓷硬质合金 和钢结硬质合金和钢结硬质合金（1）钨钴类）钨钴类 ：YG3、 YG6、YG8等等（2）钨钴钛类）钨钴钛类 ：YT5、YT15、YT30等等应用：应用：目前金属陶瓷硬质合金被广泛用作切削刀具，此目前金属陶瓷硬质合金被广泛用作切削刀具，此外可用来制造量具、模具等耐磨零件，还用来制外可用来制造量具、模具等

20、耐磨零件，还用来制造凿岩机钎头和钻头等。造凿岩机钎头和钻头等。钻头钻头刀头刀头可转位铣削刀具系列可转位铣削刀具系列2.2.钢结硬质合金钢结硬质合金 钢结硬质合金是性能介于高速钢和硬质合金之钢结硬质合金是性能介于高速钢和硬质合金之间的新型工具材料，它是以一种或几种碳化物（如间的新型工具材料，它是以一种或几种碳化物（如TiC、WC等）为硬质相，以合金钢（如高速钢，铬等）为硬质相，以合金钢（如高速钢，铬钼钢等）粉末为粘结剂，经配料，混料，压制，和钼钢等）粉末为粘结剂，经配料，混料，压制，和烧结而成的粉末冶金材料。烧结而成的粉末冶金材料。特点特点退火后可进行一般的切削加工退火后可进行一般的切削加工淬火

21、回火后有高的硬度和耐磨性淬火回火后有高的硬度和耐磨性可进行焊接后锻造可进行焊接后锻造有耐热、耐蚀、抗氧化等性能有耐热、耐蚀、抗氧化等性能应用应用制造各种形状复杂的刀具、较高温度下工制造各种形状复杂的刀具、较高温度下工作的模具和耐磨零件。作的模具和耐磨零件。第五节第五节 其它新型合金其它新型合金一、非晶态合金一、非晶态合金非晶态合金也称非晶态合金也称“金属玻璃金属玻璃”，它是由熔融态的合，它是由熔融态的合金以极高速度冷却，使其凝固后仍保持金以极高速度冷却，使其凝固后仍保持液态结构液态结构而而得到的。得到的。性能：性能：非晶态合金与金属相比，具有高的强度、硬非晶态合金与金属相比，具有高的强度、硬度

22、和断裂韧性，良好的软磁性及耐蚀性等。度和断裂韧性，良好的软磁性及耐蚀性等。类型：类型：根据非晶态合金的原子排列模型可分为根据非晶态合金的原子排列模型可分为不连不连续型续型和和连续无规则网络型连续无规则网络型两种。两种。制取方法：制取方法：1.1.由气相直接凝聚成非晶态固体由气相直接凝聚成非晶态固体 2.2.由液态快速冷却获得非晶固体由液态快速冷却获得非晶固体 3.3.由结晶材料通过辐射、离子注入、冲由结晶材料通过辐射、离子注入、冲 击波等方法制得非晶体材料。击波等方法制得非晶体材料。二、纳米材料二、纳米材料纳米材料纳米材料是指尺寸在是指尺寸在1 1100nm100nm之间的超细微粒。之间的超细

23、微粒。纳米材料三个效应纳米材料三个效应 1.1.小尺寸效应小尺寸效应 当超微粒子尺寸与光波波长相当当超微粒子尺寸与光波波长相当或更小时，材料的声、光、电磁、热力学等特性均或更小时，材料的声、光、电磁、热力学等特性均呈现尺寸效应。呈现尺寸效应。 2. 2.表面与界面效应表面与界面效应 随粒子直径减小，表面积急随粒子直径减小，表面积急剧增大，增加了纳米粒子的活性。剧增大，增加了纳米粒子的活性。 3.3.量子尺寸效应量子尺寸效应 该效应将导致纳米颗粒的磁、该效应将导致纳米颗粒的磁、光、声、热、电及超导电性与宏观物体显著不同。光、声、热、电及超导电性与宏观物体显著不同。纳米材料纳米材料制备方法制备方法 惰性气体淀积法、还原法、化惰性气体淀积法、还原法、化学气相沉积法。学气相沉积法。三、梯度材料三、梯度材料 梯度材料是依据使用要求，选择两种不同性能的梯度材料是依据使用要求，选择两种不同性能的材料，采用先进的材料复合技术，使中间部分的组成材料，采用先进的材料复合技术，使中间部分的组成和结构连续的呈和结构连续的呈梯度变化梯度变化，内部不存在明显的，内部不存在明显的界面界面，从而使材料的性质和功能，沿厚度方向也呈梯度变化从而使材料的性质和功能，沿厚度方向也呈梯度变化的一种新型复合材料。的一种新型复合材料。 特点特点 是克