金属与热处理 华中科技大学08合金钢

1、1第七章第七章 合金钢合金钢7 1 合金钢的基本知识合金钢的基本知识一、什么是合金钢？一、什么是合金钢？为提高钢的性能，特意在钢中加入一定量的合金元素，为提高钢的性能，特意在钢中加入一定量的合金元素，则形成合金钢。则形成合金钢。碳钢的缺点：碳钢的缺点：基本相基本相 ( F、 Fe3C ) 性能差；性能差；淬透性低；淬透性低；回火稳定性差，使用温度不能超过回火稳定性差，使用温度不能超过200；没有特殊性能，如耐腐蚀、抗氧化、高耐磨没有特殊性能，如耐腐蚀、抗氧化、高耐磨。2二二 、合金钢的分类及编号、合金钢的分类及编号1. 合金结构钢：包括：合金结构钢：包括： 工程构件用钢（普通低合金钢）工程构件

2、用钢（普通低合金钢） 机器零件用钢（渗碳钢、调质钢、弹簧钢、滚动轴承钢）机器零件用钢（渗碳钢、调质钢、弹簧钢、滚动轴承钢） 钢号：钢号：两位数字两位数字 + n（元素符号（元素符号 + 数字）数字）， 前面二位数字表示平均含碳量的万分之几。前面二位数字表示平均含碳量的万分之几。 元素符号后的数字表示该元素平均含量的百分之几，但小于元素符号后的数字表示该元素平均含量的百分之几，但小于1.5%时不标数字。时不标数字。 高级优质钢在钢号后加高级优质钢在钢号后加 A。 如：如：20Mn2, 20CrMnTi, 30CrMnSi, 40Cr, 40MnB, 60Si2Mn, 18Cr2Ni4WA 例外：

3、例外： 普通低合金钢的钢号同普通碳素结构钢普通低合金钢的钢号同普通碳素结构钢 如：如：Q295, Q345, Q460 滚动轴承钢的钢号前加滚动轴承钢的钢号前加G, Wc1%，Cr数字表铬含量的数字表铬含量的千分之几，如千分之几，如GCr15, GCr15SiMn等。等。32. 合金工具钢：合金工具钢： 包括：包括：刃具用钢、模具用钢、量具用钢刃具用钢、模具用钢、量具用钢钢号：钢号：一位数字（或无数字）一位数字（或无数字） + n（元素符号（元素符号 + 数字）数字） 前面一位数字表示平均含碳量的千分之几，但前面一位数字表示平均含碳量的千分之几，但Wc1%时不标时不标数字。数字。 元素符号后的

4、数字表示该元素平均含量的百分之几，但小于元素符号后的数字表示该元素平均含量的百分之几，但小于1.5%时不标数字。时不标数字。如：如：8MnSi, 9SiCr, 9Mn2V, CrWMn, W, 例外：高速钢的含碳量不标，如：例外：高速钢的含碳量不标，如：W6Mo5Cr4V2, W18Cr4V等。等。3. 特殊性能钢：特殊性能钢：只有不锈钢的钢号有规律：基本规则同合金工具钢，只有不锈钢的钢号有规律：基本规则同合金工具钢， 特殊规律：特殊规律：高高Cr(13%), 低碳。低碳。碳量极低时，前加碳量极低时，前加0或或00。如：。如：1Cr18Ni9Ti, 0Cr18Ni9Ti 4三、合金元素在钢中的

5、作用三、合金元素在钢中的作用合金元素在钢中与碳的相互作用合金元素在钢中与碳的相互作用1. 合金元素在钢中一部分形成碳化物，另一部分则溶入固溶合金元素在钢中一部分形成碳化物，另一部分则溶入固溶体奥氏体或铁素体中。各元素在此二者之间的分配，主要体奥氏体或铁素体中。各元素在此二者之间的分配，主要取决于该元素与碳的亲和力大小，亲和力越大，则形成碳取决于该元素与碳的亲和力大小，亲和力越大，则形成碳化物的倾向越强，形成的碳化物也就越稳定。化物的倾向越强，形成的碳化物也就越稳定。 各元素与碳的亲和力大小由强到弱的次序为：各元素与碳的亲和力大小由强到弱的次序为： Ti, Zr, V, Nb, W, Mo, C

6、r, Mn, Fe，而，而Ni, Si, Co, Al, Cu在钢在钢中不能形成碳化物。中不能形成碳化物。 Ti, Zr, V, Nb, W, Mo称强碳化物形成元素，称强碳化物形成元素， Cr, Mn称弱碳称弱碳化物形成元素，化物形成元素， Ni, Si, Co, Al, Cu称非碳化物形成元素。称非碳化物形成元素。2. 碳化物形成元素越强，形成的碳化物就越稳定，则加热时碳化物形成元素越强，形成的碳化物就越稳定，则加热时 溶入奥氏体的温度越高，回火时自马氏体中析出的温度也溶入奥氏体的温度越高，回火时自马氏体中析出的温度也 越高。越高。分析合金元素在钢中的主要作用可从该元素与碳的分析合金元素在

7、钢中的主要作用可从该元素与碳的 亲和力大小入手。亲和力大小入手。5在钢中的主要作用（对钢的力学性能的影响）在钢中的主要作用（对钢的力学性能的影响） 在分析此问题时，一般可将合金元素分成弱碳化物形成元素在分析此问题时，一般可将合金元素分成弱碳化物形成元素 / 非碳化物形成元素（非碳化物形成元素（ Cr, Mn / Ni, Si, Co, Al, Cu ） 和强碳和强碳化物形成元素（化物形成元素（Ti, Zr, V, Nb, W, Mo ）两类。）两类。 1.前者以溶入固溶体为主，其主要作用：前者以溶入固溶体为主，其主要作用： 溶入铁素体、奥氏体，产生溶入铁素体、奥氏体，产生固溶强化固溶强化。 溶

8、入奥氏体，溶入奥氏体，提高淬透性提高淬透性，形成更多马氏体，提高强度。，形成更多马氏体，提高强度。 2.后者以形成稳定碳化物为主，其主要作用：后者以形成稳定碳化物为主，其主要作用： 加热时阻碍加热时阻碍A晶粒长大，晶粒长大，细化晶粒细化晶粒。 高硬度碳化物的小颗粒，高硬度碳化物的小颗粒，提高耐磨性提高耐磨性。 稳定的碳化物弥散分布在固溶体基体上，稳定的碳化物弥散分布在固溶体基体上，弥散强化弥散强化。 3.所有合金元素扩散慢，推迟回火转变，所有合金元素扩散慢，推迟回火转变，提高回火稳定性提高回火稳定性，从，从而提高钢的强韧性，在某些高合金钢中产生而提高钢的强韧性，在某些高合金钢中产生二次硬化二次

9、硬化。6 对钢的工艺性能的影响对钢的工艺性能的影响 合金钢在压力加工、焊接、热处理及切削加工的工艺性能方面比碳钢差。合金钢在压力加工、焊接、热处理及切削加工的工艺性能方面比碳钢差。 合金元素的其它作用合金元素的其它作用 1. 产生奥氏体钢、铁素体钢产生奥氏体钢、铁素体钢 部分合金元素使奥氏体稳定，另一部分使铁素体稳定，当这些合金元素在部分合金元素使奥氏体稳定，另一部分使铁素体稳定，当这些合金元素在钢中加入量足够多时，则分别形成单相的奥氏体钢或铁素体钢。钢中加入量足够多时，则分别形成单相的奥氏体钢或铁素体钢。 2. 产生莱氏体钢产生莱氏体钢 钢中合金元素使合金系的特征点（相图中的钢中合金元素使合

10、金系的特征点（相图中的E、S点）左移，在一些高合金点）左移，在一些高合金钢的结晶过程中出现共晶转变，组织中出现莱氏体，这样的钢种也称为莱钢的结晶过程中出现共晶转变，组织中出现莱氏体，这样的钢种也称为莱氏体钢。氏体钢。 3. 产生不锈钢（耐蚀性很高的钢种）产生不锈钢（耐蚀性很高的钢种） 钢中钢中Cr的含量达到的含量达到13%及以上，形成不锈钢。及以上，形成不锈钢。 4. 对回火脆性的影响复杂对回火脆性的影响复杂 含含Cr、Ni、Mn的钢如果在高温回火后缓冷，会使钢的冲击韧性下降，此的钢如果在高温回火后缓冷，会使钢的冲击韧性下降，此现象称作高温回火脆性。而钢中现象称作高温回火脆性。而钢中W、Mo可

11、以消除或减轻高温回火脆性。可以消除或减轻高温回火脆性。77-2 合金结构钢合金结构钢一、普通低合金钢一、普通低合金钢 （低合金高强度钢）（低合金高强度钢）1. 用途：用于工程构件，桥梁、建筑、车辆、船舶用途：用于工程构件，桥梁、建筑、车辆、船舶 常用钢种：常用钢种：Q295, Q345, Q390, Q420, Q460 （Q275以下是普通碳素结构钢以下是普通碳素结构钢 ）2. 成分特点：成分特点：Wc 0.25%，W合金元素合金元素 3%，以，以Mn为主。为主。 合金元素能固溶强化、细化晶粒、弥散强化。合金元素能固溶强化、细化晶粒、弥散强化。 强度较高，韧性较好，压加性能好，焊接性能好。强

12、度较高，韧性较好，压加性能好，焊接性能好。3. 热处理：热轧状态下使用，即出厂后不再进行热处理，热处理：热轧状态下使用，即出厂后不再进行热处理，使用状态是正火组织：使用状态是正火组织： F + S。8二、渗碳钢二、渗碳钢1. 用途：用于要求表硬里韧的零件，如汽车变速箱齿轮。用途：用于要求表硬里韧的零件，如汽车变速箱齿轮。2. 成分特点：成分特点：Wc 0.1 0.25%，加入合金元素。，加入合金元素。 提高淬透性，细化晶粒，提高耐磨性，提高回火稳定提高淬透性，细化晶粒，提高耐磨性，提高回火稳定性性3. 常用钢种常用钢种15, 20, 20Cr, 20CrV, 20MnCr, 20CrMnTi,

13、 18Cr2Ni4WA, 20Cr2Ni4A等。等。4. 预先热处理：正火，预先热处理：正火， 最终热处理：渗碳最终热处理：渗碳 + 淬火淬火 +低温回火。低温回火。 组织：组织： 表面为过共析钢：表面为过共析钢： M 回回+ A + 碳化物，约碳化物，约HRC60； 心部为亚共析钢：一般为混合组织，心部为亚共析钢：一般为混合组织，HRC3050。9 三、调质钢三、调质钢1. 用途：用于要求强韧性配合的重要零件，如主轴、连杆、用途：用于要求强韧性配合的重要零件，如主轴、连杆、调质齿轮、高强度螺栓调质齿轮、高强度螺栓。2. 成分特点：成分特点：Wc 0.3 0.50%，加入合金元素。，加入合金元

14、素。 提高淬透性，固溶强化，细化晶粒，提高回火稳定性等提高淬透性，固溶强化，细化晶粒，提高回火稳定性等3. 常用钢种：常用钢种：40, 45, 40Cr, 35SiMn, 40MnB, 35CrNi, 37CrNi3, 40CrNiMo 4. 预先热处理：完全退火，预先热处理：完全退火， 最终热处理：淬火最终热处理：淬火 +高温回火（也称调质）。高温回火（也称调质）。 组织：组织： 回火索氏体回火索氏体 （S回回），）， HRC2540。调质一般安排在粗、精加工之间进行。调质一般安排在粗、精加工之间进行。当零件局部要求耐磨性时，调质后应进行局部表面淬火。当零件局部要求耐磨性时，调质后应进行局部

15、表面淬火。 10四、弹簧钢四、弹簧钢1. 用途：用于各类弹簧。用途：用于各类弹簧。2. 成分特点：成分特点：Wc 0.50 0.70%，主加，主加Si, Mn。 提高淬透性，细化晶粒，提高回火稳定性等提高淬透性，细化晶粒，提高回火稳定性等.3. 常用钢种：常用钢种：60, 65, 65Mn, 60Si2Mn ，60Si2CrVA4. 热处理：热处理：热成形弹簧：热成形后进行淬火热成形弹簧：热成形后进行淬火 +中温回火。中温回火。 组织：组织： 回火屈氏体回火屈氏体 （T回回），）， HRC4050。冷成形弹簧：对小尺寸弹簧，用强化弹簧钢丝冷绕成形，再冷成形弹簧：对小尺寸弹簧，用强化弹簧钢丝冷绕

16、成形，再去应力退火。去应力退火。五、滚动轴承钢五、滚动轴承钢 此钢种本属于结构钢，但其性能要求、成分工艺特点均与低此钢种本属于结构钢，但其性能要求、成分工艺特点均与低合金刃具钢相同，故放在工具钢中一并讨论。合金刃具钢相同，故放在工具钢中一并讨论。11加合金元素加合金元素7 - 2 合金工具钢合金工具钢一、分类一、分类1. 刃具用钢：低合金刃具钢，高速工具钢；刃具用钢：低合金刃具钢，高速工具钢；2. 模具用钢：冷作模具钢，热作模具钢；模具用钢：冷作模具钢，热作模具钢；3量具用钢量具用钢二、性能要求：二、性能要求：高硬度高硬度 加高碳至加高碳至 0.6% 以上以上高耐磨性高耐磨性高淬透性高淬透性高

17、热（红）硬性高热（红）硬性足够的塑性韧性足够的塑性韧性12三、选材及热处理的一般规律三、选材及热处理的一般规律 250以下工作的工具以下工作的工具如：如： 手工工具、低速刃具、冷作模具、冷轧辊、量具等手工工具、低速刃具、冷作模具、冷轧辊、量具等1. 选用：低合金刃具钢选用：低合金刃具钢, 如如 9SiCr, 9Cr2, 9Mn2V, CrWMn, GCr15 要求低的还可用碳素工具钢：要求低的还可用碳素工具钢：T8, T10, T12等等2. 热处理：热处理： 预先热处理：球化退火预先热处理：球化退火 最终热处理：淬火最终热处理：淬火 + 低温回火低温回火 组织：组织：M 回回 + A + 碳

18、化物碳化物 白亮的碳化物分布在暗色的回火马氏体和残余奥氏体基体上。白亮的碳化物分布在暗色的回火马氏体和残余奥氏体基体上。 为减小工件热处理变形为减小工件热处理变形, 可采取预热、分级淬火等措施。可采取预热、分级淬火等措施。 例如例如 9SiCr钢制丝锥钢制丝锥 (Ac1 770 , Acm 870 ) 淬火加热温度为淬火加热温度为840（低合金工具钢一般（低合金工具钢一般Ac1 + 70 Acm ），）， 回火温度为回火温度为 200 。性能：高硬度，高耐磨性，适当韧性，满足丝锥的使用要求。性能：高硬度，高耐磨性，适当韧性，满足丝锥的使用要求。凡是要求高硬度，高耐磨性，适当韧性的工件都应选用上

19、述钢种并进行类似凡是要求高硬度，高耐磨性，适当韧性的工件都应选用上述钢种并进行类似的热处理。的热处理。 13 250 600 工作的刃具工作的刃具 应选用高速工具钢：应选用高速工具钢： W6Mo5Cr4V2, W18Cr4V。 1. 高速钢的铸态组织与锻造高速钢的铸态组织与锻造 因大量合金元素的作用，高速钢结晶过程中发生共晶转变，因大量合金元素的作用，高速钢结晶过程中发生共晶转变，产生莱氏体，故高速钢属产生莱氏体，故高速钢属莱氏体钢莱氏体钢。铸态组织中存在大量粗。铸态组织中存在大量粗大鱼骨状共晶碳化物，脆性很大，不能直接使用。此缺陷不大鱼骨状共晶碳化物，脆性很大，不能直接使用。此缺陷不能用热处

20、理方法消除，只能通过反复多向的锻造，击碎粗大能用热处理方法消除，只能通过反复多向的锻造，击碎粗大碳化物，并使之分布均匀。碳化物，并使之分布均匀。 凡是莱氏体钢（除高速钢外，还有凡是莱氏体钢（除高速钢外，还有Cr12型钢等）都必须进行型钢等）都必须进行这样的锻造。这样的锻造。2. 高速钢的热处理高速钢的热处理 为使高速钢刃具具有红硬性，应当：为使高速钢刃具具有红硬性，应当： 高温加热淬火高温加热淬火 560 多次回火多次回火 为减小工件热处理变形为减小工件热处理变形, 可采取预热、分级淬火等措施。可采取预热、分级淬火等措施。14 高温加热淬火高温加热淬火 W6Mo5Cr4V2: 1220 , W

21、18Cr4V : 1280 使大量合金元素在加热时溶入奥氏体，淬火后形成高合金度使大量合金元素在加热时溶入奥氏体，淬火后形成高合金度 的马氏体，为二次硬化作准备。的马氏体，为二次硬化作准备。 加热时未溶的碳化物阻碍奥氏体晶粒长大。加热时未溶的碳化物阻碍奥氏体晶粒长大。 淬火组织：高合金度淬火组织：高合金度M +大量大量A +未溶碳化物未溶碳化物 560 多次回火多次回火，硬度再次升高，产生，硬度再次升高，产生二次硬化二次硬化。原因：。原因： 300 后从后从M内析出大量的稳定的合金碳化物，弥散分布，内析出大量的稳定的合金碳化物，弥散分布，因因弥散强化弥散强化使硬度使硬度 升高，至升高，至560

22、 时硬度达到峰值。时硬度达到峰值。 回火冷却时，发生残余奥氏体向马回火冷却时，发生残余奥氏体向马 氏体的转变，即氏体的转变，即二次淬火二次淬火，冷却后，冷却后 硬度进一步升高。硬度进一步升高。 多次回火可使多次回火可使A 继续减少，硬度继续减少，硬度 提高提高2 4个个HRC单位，获得单位，获得红硬性红硬性。 最终组织：最终组织：M回回 +少量少量A + 碳化物碳化物15模具用钢简介模具用钢简介模具：在不同温度下对材料施力使之按要求成形的工具。模具：在不同温度下对材料施力使之按要求成形的工具。1. 冷作模具的选材冷作模具的选材 （ 冷冲模、冷挤模、冷镦模、拉丝模等）冷冲模、冷挤模、冷镦模、拉丝

23、模等）一般选用一般选用碳素工具钢、低合金刃具钢、滚动轴承钢碳素工具钢、低合金刃具钢、滚动轴承钢。 热处理：球化退火；淬火热处理：球化退火；淬火 + 低温回火。低温回火。 存在问题：皆为过共析钢，韧性往往不足，尤其二次碳化物易存在问题：皆为过共析钢，韧性往往不足，尤其二次碳化物易成网状，脆性大，易开裂、崩刃。成网状，脆性大，易开裂、崩刃。新钢种：高强韧性低合金冷模具钢新钢种：高强韧性低合金冷模具钢 6CrMnNiMoVSi （GD钢）钢） 特点：特点：降碳，提高韧性；降碳，提高韧性； 合金元素多元少量，提高淬透性、固溶强化、细化晶粒、合金元素多元少量，提高淬透性、固溶强化、细化晶粒、 提高耐磨性、回火稳定性，弥补了因降碳带来的强度损失。提高耐磨性、回火稳定性，弥补了因降碳带来的强度损失。16 重负荷、大尺寸、形状复杂者用高重负荷、大尺寸、形状复杂者用高/中合金钢