工程材料与热处理 第6章 合金钢

1、第六章 合金钢 第一节第一节 概概 述述 合金钢合金钢：为提高钢的为提高钢的机械性能、工艺性能或物化性能机械性能、工艺性能或物化性能，在冶炼时有意往钢中加入一些合金元素（在冶炼时有意往钢中加入一些合金元素（Me）而形成新的）而形成新的合金，这种合金称为合金钢合金，这种合金称为合金钢。碳钢：价格低，便于获得，可在一定范围满足产品要求。碳钢：价格低，便于获得，可在一定范围满足产品要求。 但它淬透性差，回火抗力（稳定性）差（但它淬透性差，回火抗力（稳定性）差（T，HRC很快）很快） 另外：碳钢不能满足特殊性能要求。另外：碳钢不能满足特殊性能要求。 如：低温、高温、腐蚀性环境下工作的产品如：低温、高温

2、、腐蚀性环境下工作的产品 高交变应力下工件的机器零件高交变应力下工件的机器零件 高磁性（变压器）、无磁性（仪表）等产品高磁性（变压器）、无磁性（仪表）等产品它们都要采用合金钢制造。但工艺复杂，成本较高。它们都要采用合金钢制造。但工艺复杂，成本较高。 2、形成、形成合金渗碳体或合金碳化物合金渗碳体或合金碳化物 碳化物形成元素：碳化物形成元素：凡能与碳化合的元素都称为碳化物形成元凡能与碳化合的元素都称为碳化物形成元素。如：素。如：Fe、Mn、Cr、W、Mo、V、Nb、Zr、Ti与碳的与碳的亲和力依次增强。亲和力依次增强。(Fe,Mo,Cr)3C, Mo7C23.常用的合金元素有：常用的合金元素有：

3、铬铬(Cr)、镍、镍(Ni)、锰、锰(Mn)、硅、硅(Si)、钨、钨(W)、钼、钼(Mo)、钒、钒(V)、钛、钛(Ti)、钴、钴(Co)、铝、铝(Al)、铜、铜(Cu)、铌铌(Nb)、锆、锆(Zr)、硼、硼(B)、稀土（、稀土（Re）等。）等。 一、合金元素的存在形式一、合金元素的存在形式 1、形成固溶体、形成固溶体合金铁素体合金铁素体。 非碳化物形成元素：非碳化物形成元素：不能和碳化合的元素称为非碳化物形不能和碳化合的元素称为非碳化物形成元素，如：成元素，如：Ni 、Si、Al、 Co、Cu 等。等。 一种是形成新类型的特殊碳化物一种是形成新类型的特殊碳化物: （如（如NbC、 ZrC、 T

4、iC等）等） 产生固溶强化产生固溶强化 :合金元素溶于铁素体时引起晶格畸变，合合金元素溶于铁素体时引起晶格畸变，合金元素含量越多，铁素体晶格畸变越严重，其硬度、强度越高金元素含量越多，铁素体晶格畸变越严重，其硬度、强度越高。 溶解于溶解于F形成合金铁素体形成合金铁素体 溶解于溶解于Fe3C形成合金渗碳体形成合金渗碳体(Fe,Me)3C 二、合金元素的主要作用二、合金元素的主要作用 （一）合金元素对钢中基本相的影响（一）合金元素对钢中基本相的影响合金元素在钢中可以两种形式存在合金元素在钢中可以两种形式存在一种是溶解于碳钢中原有的相中一种是溶解于碳钢中原有的相中 产生弥散强化作用：产生弥散强化作用

5、：当合金元素与碳化合形成特殊碳化当合金元素与碳化合形成特殊碳化物，它们的结构简单、熔点高、硬度高、稳定性高，以细小物，它们的结构简单、熔点高、硬度高、稳定性高，以细小的质点分布在固溶体基体上，其强度得以提高。的质点分布在固溶体基体上，其强度得以提高。 （二）合金元素对（二）合金元素对 FeFe3C相图的影响相图的影响 1、区的变化：区的变化：扩大扩大区元素区元素 ：Mn、Ni、Cu、Co、C和和N元素。元素。缩小缩小区元素区元素 ：Cr、V、Mo、W、Ti 。 缩小缩小区的元素区的元素，能使，能使A4点点降低，降低，A3点升高。当点升高。当A3、A4点点趋近重合时，趋近重合时，区消失，从而使区

6、消失，从而使合金在高温、室温都为稳定的合金在高温、室温都为稳定的铁素体组织，得到铁素体组织，得到单相铁素体单相铁素体钢钢。 合金元素对共析温度合金元素对共析温度A1的影响的影响 2、临界点改变、临界点改变 扩大扩大区的元素区的元素，能使，能使A4点升高，点升高，A3点降低。点降低。 当当A3点降点降低到室温以下时，从而使合金低到室温以下时，从而使合金在高温、室温都为稳定的奥氏在高温、室温都为稳定的奥氏体组织，得到体组织，得到单相奥氏体钢单相奥氏体钢。 3、S点左移：点左移：碳素钢碳素钢S点的含碳量为点的含碳量为0.77。由于合。由于合金元素的影响合金钢金元素的影响合金钢S点左移，点左移， 故故

7、S点含碳量小于点含碳量小于0.77。如如4Cr13含碳量为含碳量为0.4，当加入铬其含量达到，当加入铬其含量达到13时，其时，其S点降低到点降低到0.3C，而成为过共析钢，而成为过共析钢。 4、E点左移：点左移：碳素钢碳素钢E点碳含量为点碳含量为2.11。由于合金。由于合金元素作用，合金钢元素作用，合金钢E点的含碳量小于点的含碳量小于2.11，含碳，含碳1.6%、含铬含铬12%的钢中，出现共晶组织，成为莱氏体钢。的钢中，出现共晶组织，成为莱氏体钢。合金元素对共析合金元素对共析点含碳量的影响点含碳量的影响 （2）热处理时对奥氏体的晶粒大小的影响）热处理时对奥氏体的晶粒大小的影响 强烈阻止晶粒长大

8、的元素：强烈阻止晶粒长大的元素： V， Ti， Nb， Zr中等影响的元素：中等影响的元素： W，Mo，Cr 影响不大的元素：影响不大的元素： Si， Ni， Cu促进晶粒长大的元素：促进晶粒长大的元素： C，Mn， P （三）对热处理过程的影响（三）对热处理过程的影响 合金元素对奥氏体的形成、过冷奥氏体的分解、淬火马氏合金元素对奥氏体的形成、过冷奥氏体的分解、淬火马氏 体回火转变三个基本相变过程都有影响。体回火转变三个基本相变过程都有影响。 1、合金元素对加热时奥氏体形成过程的影响：、合金元素对加热时奥氏体形成过程的影响： （1 ）改变奥氏体形成的速度）改变奥氏体形成的速度 加速加速奥氏体形

9、成速度：非碳化物形成元素奥氏体形成速度：非碳化物形成元素Co、Ni等等 减慢减慢奥氏体形成速度：强碳化物形成元素奥氏体形成速度：强碳化物形成元素Cr、Mo、 W、 V等等; 不影响不影响奥氏体形成速度：奥氏体形成速度：Al， Si， Mn等等 。 2合金元素对过冷奥氏体分解过程的影响合金元素对过冷奥氏体分解过程的影响 （1）、对钢的）、对钢的 C-曲线曲线 的影响的影响 几乎所有溶入几乎所有溶入A的合金元素（的合金元素（除除Co外外）都使）都使C曲线向右曲线向右移动移动，即减慢珠光体类型转变产物的形成速度。，即减慢珠光体类型转变产物的形成速度。提高钢的淬提高钢的淬透性透性,过冷奥氏体稳定性增加

10、过冷奥氏体稳定性增加。 非碳化物形成元素非碳化物形成元素，只使，只使 C曲线右移，但不改变曲线右移，但不改变 C曲线曲线的形状，如图中的形状，如图中(b)所示。所示。 碳化物形成元素碳化物形成元素，不仅使，不仅使 C曲线右移，而且还改变曲线右移，而且还改变C曲曲线的形状，如图中线的形状，如图中(c)所示。所示。结果都是提高了钢的淬透性结果都是提高了钢的淬透性。 钢中最常采用的提高淬透性的元素有钢中最常采用的提高淬透性的元素有： Cr、 Mn、 Si、 Ni、 B前四种元素，可以相当大量地溶入钢中；前四种元素，可以相当大量地溶入钢中；硼的加入量很小硼的加入量很小(0.0080.0025) 。合金

11、元素对合金元素对1.0C碳碳钢的钢的Ms点的影响点的影响 合金元素对合金元素对1.0C碳钢碳钢1150淬火后残余奥氏体量的影响淬火后残余奥氏体量的影响 （2）合金元素对马氏体转变温度的影响）合金元素对马氏体转变温度的影响 除除Co、 Al以外，所有的合金元素都使马氏体转变温以外，所有的合金元素都使马氏体转变温度下降度下降 。因此在相同的含碳量下，。因此在相同的含碳量下，合金钢中残余奥氏体合金钢中残余奥氏体比碳钢中的多比碳钢中的多. 3.合金元素对回火过程的影响合金元素对回火过程的影响 （1）提高了钢的回火稳定性）提高了钢的回火稳定性 许多合金元素都可使回火许多合金元素都可使回火过程中各个转变的

12、速度大大减慢，并将其推向更高温度。过程中各个转变的速度大大减慢，并将其推向更高温度。 回火稳定性：回火稳定性：钢对于回火时发生软化过程的抵抗能力。钢对于回火时发生软化过程的抵抗能力。 合金钢与相同碳量的碳钢相比，合金钢与相同碳量的碳钢相比，在相同的回火温度下具有更高硬度。在相同的回火温度下具有更高硬度。右图表示在右图表示在0.35C碳钢中加入不同碳钢中加入不同量的钼，经淬火后回火时的转化情量的钼，经淬火后回火时的转化情况。可以明显看出，合金钢的软化况。可以明显看出，合金钢的软化速度比碳钢低的多速度比碳钢低的多。 提高钢的回火稳定性的作用较提高钢的回火稳定性的作用较强的合金元素有：强的合金元素有

13、： V，Si， Mo， W， Cr，Ni， Mn， Co。 0.35C的的Mo钢中钢中Mo含量对回火硬度的影响含量对回火硬度的影响 （2）二次硬化和二次淬火）二次硬化和二次淬火 二次硬化：二次硬化：在一些含在一些含W、Mo、V较多的钢中，回火后的较多的钢中，回火后的硬度随回火温度的升高不是单调的降低，而是在某一回火后，硬度随回火温度的升高不是单调的降低，而是在某一回火后，硬度反而增加。这种在一定温度下硬度出现峰值的现象称为硬度反而增加。这种在一定温度下硬度出现峰值的现象称为二二次硬化次硬化。（见下图）。（见下图） 原因原因 ：温度高于：温度高于450 C时，细小的合金碳化物弥散时，细小的合金碳

14、化物弥散析出，使得回火硬度重新上析出，使得回火硬度重新上升。由于这种合金碳化物中升。由于这种合金碳化物中的合金元素在更低回火温度的合金元素在更低回火温度下扩散困难所至。下扩散困难所至。 （3）对回火脆性的影响）对回火脆性的影响 回火脆性：回火脆性：在淬火并回火后，出现韧性下降的现象，称在淬火并回火后，出现韧性下降的现象，称为回火脆性。为回火脆性。 第一类回火脆性：第一类回火脆性：在在250-400回火出现回火出现 ， (也称低温回也称低温回火脆性火脆性)，即钢回火后快冷、慢冷和重复回火，都不能消除脆，即钢回火后快冷、慢冷和重复回火，都不能消除脆性，是不可逆回火脆性。性，是不可逆回火脆性。 二次

15、淬火：二次淬火：在高合金钢中回火冷却时残余奥氏体转变为在高合金钢中回火冷却时残余奥氏体转变为马氏体使硬度升高的现象称为二次淬火。（在高速钢和高铬马氏体使硬度升高的现象称为二次淬火。（在高速钢和高铬钢中常出现二次淬火现象）钢中常出现二次淬火现象） 原因：原因：高合金钢在淬火后存在较多的残余奥氏体（可达高合金钢在淬火后存在较多的残余奥氏体（可达10-30%），当这些钢在），当这些钢在500-600回火时，可以析出合金碳回火时，可以析出合金碳化物，导致残余奥氏体中的合金元素含量下降，使得化物，导致残余奥氏体中的合金元素含量下降，使得Ms温温度升高到室温以上，在随后的冷却过程中残余奥氏体转变成度升高到

16、室温以上，在随后的冷却过程中残余奥氏体转变成马氏体而使钢的硬度升高。马氏体而使钢的硬度升高。 产生原因：产生原因： 一般认为是由于马氏体分解时在其晶界一般认为是由于马氏体分解时在其晶界析出碳化物薄膜，增加了脆断倾向。析出碳化物薄膜，增加了脆断倾向。 防止方法：防止方法：A、不在此回火温度范围回火。不在此回火温度范围回火。 B、加入加入Me（如（如Si、Cr、Mn ），改变回），改变回火的温度区间。火的温度区间。 第二类回火脆第二类回火脆 ： 在在 500-650温度回火时出现的回火温度回火时出现的回火脆性，也高温回火脆。重新加热后快冷即可消除，脆性，也高温回火脆。重新加热后快冷即可消除，所以是

17、所以是可逆的。可逆的。 产生原因：产生原因：主要是由于在主要是由于在钢中的合金元素铬、镍及杂钢中的合金元素铬、镍及杂质元素硫磷等向原奥氏体晶界偏聚有关质元素硫磷等向原奥氏体晶界偏聚有关，增加了脆断倾向。，增加了脆断倾向。 防止方法防止方法： A、回火后快速冷却抑制第二类回火脆性。回火后快速冷却抑制第二类回火脆性。 B、钢中加入一些钢中加入一些 W、Mo 能有效地阻止杂质元素在晶能有效地阻止杂质元素在晶界的析出，从而可抑制第二类回火脆。当工件尺寸较大时界的析出，从而可抑制第二类回火脆。当工件尺寸较大时,因为回火后很难快冷。因为回火后很难快冷。 低合金结构钢低合金结构钢 渗碳钢渗碳钢合金结构钢合金

18、结构钢: 调质钢调质钢 弹簧钢弹簧钢 轴承钢轴承钢 易切削钢。易切削钢。 刃具钢刃具钢合金工具钢合金工具钢: 模具钢模具钢 量具钢量具钢 不锈钢不锈钢特殊钢特殊钢： 耐热钢耐热钢 耐磨钢耐磨钢 磁钢等磁钢等三、合金钢的分类与编号三、合金钢的分类与编号 合金钢合金钢合金结构钢合金结构钢合金工具钢合金工具钢特特 殊殊 钢钢1、合金钢的分类、合金钢的分类 12CrNi3: 合金结构钢合金结构钢 C0.12，Cr1.5 ,Ni3 40CrNiMoA: 高级优质合金结构钢高级优质合金结构钢 C0.4，Cr、 Ni、 Mo 均小于均小于1.5。 CrWMn: 合金工具钢合金工具钢 含碳含碳1（当含碳量大于

19、（当含碳量大于1%时一般时一般 不标注），含不标注），含Cr、 W、 Mn均小于均小于 1.5。9Mn2V:合金工具钢合金工具钢 C0.9% ,V1.5 ,Mn2（高速钢例外，无论高速钢例外，无论1.0%还是还是Ac3）温度淬火，具体加热温度的高低由钢的成分决定。淬火温度淬火，具体加热温度的高低由钢的成分决定。淬火介质可根据钢件尺寸大小和淬透性加以选择。介质可根据钢件尺寸大小和淬透性加以选择。 热处理后的组织：热处理后的组织：调质处理后获得调质处理后获得S回回组织组织。通常硬度通常硬度为为 HRC 30 42。 为了提高零件表面的耐磨性和疲劳强度，调质钢常采为了提高零件表面的耐磨性和疲劳强度，

20、调质钢常采用用感应加热表面淬火感应加热表面淬火作为最终热处理进行表面强化。作为最终热处理进行表面强化。图图40Cr钢在不同温度回火后的机钢在不同温度回火后的机械性能（直径械性能（直径D=12mm,油淬）油淬） 5、调质后的机械性能、调质后的机械性能 获得高强度、高塑获得高强度、高塑性的综合机械性能。性的综合机械性能。连杆螺栓的生产工艺路线如下：连杆螺栓的生产工艺路线如下：下料下料锻造锻造退火（或正火）退火（或正火）机加工（粗加工）机加工（粗加工）调质调质机加工（精加工）机加工（精加工）装配。装配。 6、典型调质钢介绍、典型调质钢介绍 低淬透性调质钢：低淬透性调质钢： 40Cr 最典型最典型 它

21、有较好的机械性能和工艺性能，因淬它有较好的机械性能和工艺性能，因淬透性不够高，广泛用于制造较小的零件。透性不够高，广泛用于制造较小的零件。40MnB钢是为节钢是为节约铬而发展的一种代用钢，各方面性能与约铬而发展的一种代用钢，各方面性能与40Cr很相近，但很相近，但淬透性的稳定度稍差，切削加工性能也差一些。淬透性的稳定度稍差，切削加工性能也差一些。 中淬透性调质钢：中淬透性调质钢： 35CrMo 含有较多的合金元素，因而淬透性较高，含有较多的合金元素，因而淬透性较高，可用于制造截面尺寸较大的中型、甚至大型零件，例如较可用于制造截面尺寸较大的中型、甚至大型零件，例如较大截面的曲轴，连杆等。钢中加有

22、钼时，可防止第二类回大截面的曲轴，连杆等。钢中加有钼时，可防止第二类回火脆性。火脆性。 高淬透性调质钢：高淬透性调质钢：多半是多半是NiCr钢，并含有钼，少数钢，并含有钼，少数钢不含钼钢不含钼 37CrNi3 因容易产生回火脆性，实用中受到限制。因容易产生回火脆性，实用中受到限制。 40CrNiMoA 由于含合金元素多，并含有钼，主要用由于含合金元素多，并含有钼，主要用于制造大截面、重载荷的重要零件，例如大型的轴和齿轮于制造大截面、重载荷的重要零件，例如大型的轴和齿轮等等。 38CrMoAl 调质钢是一种氮化专用钢调质钢是一种氮化专用钢，加入一定量的加入一定量的Al可加速氮化过程，并形成可加速

23、氮化过程，并形成AlN等细小的强化相，以提高等细小的强化相，以提高氮化层的耐磨性。氮化后由于表面存在压应力，有利于提氮化层的耐磨性。氮化后由于表面存在压应力，有利于提高零件的抗疲劳性能，氮化层的抗蚀性也很好。因此这类高零件的抗疲劳性能，氮化层的抗蚀性也很好。因此这类钢得到了广泛的应用。钢得到了广泛的应用。 四、弹簧钢四、弹簧钢 1、主要用途、主要用途 弹簧钢是一种专用结构钢，用于制弹簧钢是一种专用结构钢，用于制造各种造各种弹簧弹簧或要求高弹性的其它零件。或要求高弹性的其它零件。 弹簧起缓冲、弹簧起缓冲、消震和储能的作用消震和储能的作用。例：。例：汽车板簧汽车板簧2、性能要求、性能要求 弹簧钢应

24、具有好的弹性、高的屈服强度，以保证有足够的弹弹簧钢应具有好的弹性、高的屈服强度，以保证有足够的弹 性变形能力，避免在高负荷下产生永久变形；性变形能力，避免在高负荷下产生永久变形； (1) 应具备高的屈强比应具备高的屈强比(s/b）。）。 (2) 高的疲劳强度，以避免弹簧在多次振动和长期交变载荷作高的疲劳强度，以避免弹簧在多次振动和长期交变载荷作用下产生疲劳破坏。用下产生疲劳破坏。 (3)足够的塑性和韧性足够的塑性和韧性(4) 热处理弹簧，必须有高的淬透性和低的脱碳敏感性。热处理弹簧，必须有高的淬透性和低的脱碳敏感性。(5)高温易蚀条件下工作的弹簧，要有好的耐蚀性和耐热性。高温易蚀条件下工作的弹

25、簧，要有好的耐蚀性和耐热性。 碳含量碳含量：碳素弹簧钢含碳量一般为：碳素弹簧钢含碳量一般为C: 0.6-0.9。 合金弹簧钢的含碳量通常是合金弹簧钢的含碳量通常是0.45-0.7。 作作 用：用：保证弹簧钢具有高强度。一般为中、高碳。保证弹簧钢具有高强度。一般为中、高碳。 合金元素合金元素：常加入的合金元素有：常加入的合金元素有 Mn、 Si、 Cr、 V、 Mo等，其中尤以等，其中尤以Mn、 Si两种元素应用最广。两种元素应用最广。 作作 用：用：能提高钢的淬透性、增加回火稳定性、进能提高钢的淬透性、增加回火稳定性、进一步提高一步提高s，使屈强比，使屈强比sb趋近于趋近于1，并保持足够的塑性

26、，并保持足够的塑性与韧性。与韧性。3、钢号、成分及作用、钢号、成分及作用 常用钢号：常用钢号： 55Si2Mn 65Mn 50CrVA 60 75 4、热处理及组织、热处理及组织 （1）热成形弹簧）热成形弹簧 的热处理的热处理 ：用热轧钢丝或钢板加热成：用热轧钢丝或钢板加热成形后淬火和中温回火形后淬火和中温回火(450-550oC) 。（较大尺寸）。（较大尺寸） 组织：组织：中温回火后的组织为回火屈氏体。中温回火后的组织为回火屈氏体。扁钢剪断扁钢剪断加热至奥氏体区、压弯热卷成型后淬火加热至奥氏体区、压弯热卷成型后淬火+中温回中温回火火喷丸喷丸装配。装配。 （ 2）冷成形弹簧）冷成形弹簧 的热处

27、理的热处理 （较小尺寸）（较小尺寸） 一部分弹簧：用冷拔钢丝冷一部分弹簧：用冷拔钢丝冷成型后不进行淬火和回火成型后不进行淬火和回火处理，只进行消除应力的低温退火，使弹簧定形。处理，只进行消除应力的低温退火，使弹簧定形。 另一部分弹簧另一部分弹簧 用退火钢丝用退火钢丝(片片)绕制。绕制后进行淬火绕制。绕制后进行淬火和中温回火处理，工艺与热成型弹簧的相同。和中温回火处理，工艺与热成型弹簧的相同。 5、性能、性能 弹簧经热处理后，可获得很高的屈服强度，弹簧经热处理后，可获得很高的屈服强度，特别是弹性极限，同时又有一定的塑性与韧性。特别是弹性极限，同时又有一定的塑性与韧性。 五、滚动轴承钢五、滚动轴承

28、钢 1、主要用途：、主要用途：用于制造滚动轴承用于制造滚动轴承 。 很高的耐磨性。很高的耐磨性。因为轴承元件工作时存在很强的相对摩因为轴承元件工作时存在很强的相对摩擦。擦。 很高的接触疲劳强度：很高的接触疲劳强度：因为轴承元件工作时受很大的因为轴承元件工作时受很大的交变接触应力，往往发生接触疲劳破坏，如产生麻点或剥交变接触应力，往往发生接触疲劳破坏，如产生麻点或剥落等。落等。 2、性能要求、性能要求 很高的强度或硬度：很高的强度或硬度：轴承元件大多在点接触或线接触轴承元件大多在点接触或线接触条件工作，接触处有很高的压应力。因此轴承钢必须具有条件工作，接触处有很高的压应力。因此轴承钢必须具有非常

29、高的抗压屈服强度或硬度，一般硬度应在非常高的抗压屈服强度或硬度，一般硬度应在HRC6264之间。之间。 3、钢号、成分及作用、钢号、成分及作用 常用钢号：常用钢号：GCr15 采用特殊编号方法采用特殊编号方法 铬铬：铬元素为滚动轴承钢的最基本的合金元素。一般：铬元素为滚动轴承钢的最基本的合金元素。一般含量以含量以0.4-1.65为宜为宜 Cr可以提高钢的淬透性，同时铬的碳化物非常细小、可以提高钢的淬透性，同时铬的碳化物非常细小、均匀，对钢的耐磨性，尤其是接触疲劳强度非常有利。均匀，对钢的耐磨性，尤其是接触疲劳强度非常有利。 其它合金元素：其它合金元素：加入加入Si、Mn、Mo、V等可进一步提高

30、等可进一步提高 淬透性，提高钢的强度和弹性极限，以适于制造大型轴承。淬透性，提高钢的强度和弹性极限，以适于制造大型轴承。 含碳量：含碳量：轴承钢的含碳量一般在轴承钢的含碳量一般在0.95-1.10之间。以之间。以保证淬火后的高硬度，同时可获得一定量的耐磨碳化物。保证淬火后的高硬度，同时可获得一定量的耐磨碳化物。对杂质的要求对杂质的要求：要求很严，：要求很严，S0.02% P0.027% 4、滚动轴承钢的热处理及组织、滚动轴承钢的热处理及组织 热处理：球化退火、淬火低温回火热处理：球化退火、淬火低温回火 （1）球化退火）球化退火：滚动轴承钢的球化退火一方面是为了降：滚动轴承钢的球化退火一方面是为

31、了降低硬度以便于切削加工，另一方面是为了获得比较理想的低硬度以便于切削加工，另一方面是为了获得比较理想的预备组织为最终热处理作组织准备。预备组织为最终热处理作组织准备。 （2）淬火和低温回火：）淬火和低温回火：钢淬火温度应严格控制钢淬火温度应严格控制 84010的范围内。回火温度一般为的范围内。回火温度一般为 150-160。 淬火和低温回火是最后决定轴承钢性能的重要的热处淬火和低温回火是最后决定轴承钢性能的重要的热处理工序。温度过高，晶粒粗大，则疲劳性能及韧性下降，理工序。温度过高，晶粒粗大，则疲劳性能及韧性下降，且容易淬裂和变形。温度过低时会硬度不足。且容易淬裂和变形。温度过低时会硬度不足

32、。 （3）工艺路线：）工艺路线：锻造锻造预先热处理预先热处理(球化退火球化退火)机械粗机械粗加工加工淬火淬火+(冷处理冷处理)低温回火低温回火磨削磨削成品成品 5、热处理后的性能、热处理后的性能具有很高的硬度（具有很高的硬度（ HRC 62-66）且耐磨，有一定韧性。且耐磨，有一定韧性。 6、 常用滚动轴承钢及编号方法常用滚动轴承钢及编号方法 GCr15 、GCr6、GCr9SiMn等等。钢的编号前面用字。钢的编号前面用字母母“G”代表滚动轴承钢代表滚动轴承钢，其含碳量约为其含碳量约为1，所以不标注。，所以不标注。 Cr的含量以的含量以0.1为单位，而不象一般合金结构钢以为单位，而不象一般合金

33、结构钢以1为单位。例如表示其含为单位。例如表示其含Cr量分别为量分别为1.5和和0.6。 组织：组织：淬火、回火后的组织淬火、回火后的组织由回火马氏体、均匀细小由回火马氏体、均匀细小的碳化物及少量残余奥氏体组成。的碳化物及少量残余奥氏体组成。 六、易切削钢六、易切削钢 通过在钢中加入通过在钢中加入S、P、Pb、Ca等元素来形成非金属夹等元素来形成非金属夹杂或金属间化合物，或本身以金属态存在杂或金属间化合物，或本身以金属态存在(如如Pb)，可以，可以起到断屑、减小刀具磨损和改善钢的切削性能的作用。起到断屑、减小刀具磨损和改善钢的切削性能的作用。上述夹杂物的存在会降低钢的机械性能，因此其含量必上述

34、夹杂物的存在会降低钢的机械性能，因此其含量必须控制在一定范围以内。这类钢的机械性能较低，只能须控制在一定范围以内。这类钢的机械性能较低，只能用于一些机械性能要求不高，而加工效率和加工质量及用于一些机械性能要求不高，而加工效率和加工质量及精度要求很高的零件。精度要求很高的零件。 易切钢的牌号在钢号前冠以易切钢的牌号在钢号前冠以“易易”或或“Y”，其后面数，其后面数字表示万分之几的平均含碳量。锰量较高者，在钢号后字表示万分之几的平均含碳量。锰量较高者，在钢号后标出标出“Mn”。加入。加入Pb或或Ca在钢号中直接标出。常用易切在钢号中直接标出。常用易切钢 的 化 学 成 分 、 性 能 及 应 用

35、见 表钢 的 化 学 成 分 、 性 能 及 应 用 见 表 6 . 1 1 , 如如Y12,Y15Pb,Y40Mn，Y45Ca. 第三节第三节 合金工具钢合金工具钢 工具钢分为工具钢分为刃具钢刃具钢、模具钢模具钢和和量具钢。量具钢。 一、刃具钢一、刃具钢 （碳素刃具钢、低合金刃具钢、高速钢）（碳素刃具钢、低合金刃具钢、高速钢） 1、主要用途主要用途 刃具钢主要用来制造各种金属切削刀具，刃具钢主要用来制造各种金属切削刀具，包括车刀、铣刀、刨刀、滚刀、包括车刀、铣刀、刨刀、滚刀、 锉刀、钻头、丝锥板牙、锉刀、钻头、丝锥板牙、锯条等。锯条等。 2、性能要求、性能要求 高硬度高硬度：硬度一般应在：硬

36、度一般应在HRC60以上。以上。 高热硬性高热硬性：刀具在高温下保持高硬度的能力称为：刀具在高温下保持高硬度的能力称为热硬性热硬性。热硬性是合金刃具钢区别于碳素工具钢的主要性能特点热硬性是合金刃具钢区别于碳素工具钢的主要性能特点。 耐磨性耐磨性：耐磨性是保证刃具刃部锋利的主要因素，而且：耐磨性是保证刃具刃部锋利的主要因素，而且刃具在高温下应保持高的耐磨性。刃具在高温下应保持高的耐磨性。 足够的塑性与韧性足够的塑性与韧性：切削时刀具要受各种冲击力的作用。：切削时刀具要受各种冲击力的作用。因此，要有足够的塑性与韧性以保证刀具不会断裂或崩刃。因此，要有足够的塑性与韧性以保证刀具不会断裂或崩刃。 缺点

37、：缺点：热硬性低，热硬性低，刃部受热至刃部受热至250时，其硬度就降到时，其硬度就降到HRC60以下；以下； 淬透性低，水中淬透的最大直径只有淬透性低，水中淬透的最大直径只有15mm，因，因此只适于制造低速、进刀量小和形状简单的小尺寸刃具。此只适于制造低速、进刀量小和形状简单的小尺寸刃具。3、碳素刃具钢和低合金刃具钢、碳素刃具钢和低合金刃具钢 （1）常用钢号、成分及作用）常用钢号、成分及作用 碳素刃具钢：碳素刃具钢：T7 T8 T10 T12等。等。是含碳是含碳0.65-1.35的优质碳钢，具有很高的硬度和耐磨性，且加工性的优质碳钢，具有很高的硬度和耐磨性，且加工性能优良能优良，价格便宜价格便

38、宜，在生产中应用很多。在生产中应用很多。 低合金刃具钢低合金刃具钢 ：9SiCr CrWMn 9Mn2V 含碳含碳0.850.95或或0.91.05 。目的是目的是要得到高硬度要得到高硬度 合金元素及作用：合金元素及作用： 低合金刃具钢的碳含量较高，多在低合金刃具钢的碳含量较高，多在0.9-1.1之间。主之间。主要是保证钢具有高硬度与高耐磨性。要是保证钢具有高硬度与高耐磨性。 加入加入Cr、Si、Mn、V等元素提高淬透性和回火稳定性。等元素提高淬透性和回火稳定性。特别是回火稳定性的提高，可使钢经特别是回火稳定性的提高，可使钢经160 - 230 回火后硬回火后硬度仍在度仍在HRC60以上，从而

39、保证具有一定的热硬性以上，从而保证具有一定的热硬性。 （2）热处理及组织）热处理及组织 热处理：热处理： 球化退火球化退火 淬火及低温回火淬火及低温回火 热处理后最终组织：热处理后最终组织：回火马氏体、点状碳化物和少量残回火马氏体、点状碳化物和少量残余奥氏体组成。余奥氏体组成。 （3）性能）性能： 高硬度和高耐磨性。硬度为高硬度和高耐磨性。硬度为HRC 60-63 4、高速钢、高速钢 （1）常用钢号）常用钢号 W18Cr4V、 W12Cr4V4Mo W6Mo5Cr4V2 高速钢由于加入了大量的高速钢由于加入了大量的W等元素，使等元素，使得刀具的切削速度大为提高。高速钢具有很高的热硬性，得刀具的

40、切削速度大为提高。高速钢具有很高的热硬性，在在600仍能保持仍能保持 HRC60以上的硬度。以上的硬度。 （2）成分特点及作用）成分特点及作用 高碳：高碳：高速钢的含碳量应根据形成碳化物的需要来确高速钢的含碳量应根据形成碳化物的需要来确定，一般在定，一般在0.70 -1.0范围，最高可达范围，最高可达1.5 左右。左右。 作用：作用：高的含碳量一方面保证钢在淬得马氏体后有高高的含碳量一方面保证钢在淬得马氏体后有高的硬度；另一方面与强碳化物形成元素生成极硬的合金碳的硬度；另一方面与强碳化物形成元素生成极硬的合金碳化物，大大地增大钢的耐磨性化物，大大地增大钢的耐磨性。 铬：铬：所有的高速钢都含有所

41、有的高速钢都含有4 左右的铬。左右的铬。 作用：作用：提高钢的淬透性提高钢的淬透性 铬的碳化物在淬火加热时容易铬的碳化物在淬火加热时容易溶解，铬几乎全部溶入奥氏体中，增加奥氏体的稳定性，使溶解，铬几乎全部溶入奥氏体中，增加奥氏体的稳定性，使钢的淬透性大大提高，以致截面尺寸很大的高速钢零件，在钢的淬透性大大提高，以致截面尺寸很大的高速钢零件，在空冷条件下都可完全淬透空冷条件下都可完全淬透。 钨和钼：钨和钼：W最高含量为最高含量为17.519.0，Mo是是4.55.5 作用：作用：造成二次硬化，以保证高的热硬性造成二次硬化，以保证高的热硬性。退火状态下，。退火状态下，形成钨或钼的碳化物。这种碳化物

42、在淬火加热时极难溶解，形成钨或钼的碳化物。这种碳化物在淬火加热时极难溶解，大约只有不到一半的量溶于奥氏体中，而剩余的部分作为大约只有不到一半的量溶于奥氏体中，而剩余的部分作为残余碳化物留下来，起阻止奥氏体晶粒长大及提高耐磨性残余碳化物留下来，起阻止奥氏体晶粒长大及提高耐磨性的作用。溶入的部分在回火时以的作用。溶入的部分在回火时以W2C或或Mo2C形式析出使钢形式析出使钢产生二次硬化产生二次硬化。 钒：最高达钒：最高达3.8-4.0% 作用：作用：提高钢的耐磨性提高钢的耐磨性。钒在高速钢中生成硬度极高的钒在高速钢中生成硬度极高的碳化物（碳化物（VC），这种碳化物非常稳定，很难溶入奥氏体中，），这

43、种碳化物非常稳定，很难溶入奥氏体中，大部分以残余碳化物的形式保留下来。而且大部分以残余碳化物的形式保留下来。而且颗粒细小，分颗粒细小，分布均匀，布均匀，对提高钢的耐磨性有很大作用。对提高钢的耐磨性有很大作用。 （3）、热加工）、热加工 特点特点 锻造特点锻造特点 ： 由于高速钢中含有大量的由于高速钢中含有大量的W和和Cr等元素，等元素，使相图中使相图中E点左移，铸态组织中出现大量的鱼骨状莱氏体，点左移，铸态组织中出现大量的鱼骨状莱氏体，碳化物呈网络状分布。这样的钢性能很差，必须进行反复碳化物呈网络状分布。这样的钢性能很差，必须进行反复锻造，将碳化物打碎并促使其均匀分布。锻造，将碳化物打碎并促使

44、其均匀分布。高速钢的反复锻高速钢的反复锻造，不仅是为了成型，而主要是为了将粗大的莱氏体中的造，不仅是为了成型，而主要是为了将粗大的莱氏体中的碳化物破碎为比较细小和均匀分布的粒状碳化物。碳化物破碎为比较细小和均匀分布的粒状碳化物。 (4)热处理及组织热处理及组织 热处理：热处理：等温退火、淬火等温退火、淬火 三次回火三次回火 a、等温退火、等温退火 锻造后应进行等温球化退火，以便于机锻造后应进行等温球化退火，以便于机械加工械加工 退火组织退火组织：索氏体细小碳化物：索氏体细小碳化物 b、淬火、淬火 淬火加热温度：淬火加热温度：1220-1280之间之间，都非常，都非常高。目的是让大量难溶解的合金

45、碳化物充分溶入奥氏体当高。目的是让大量难溶解的合金碳化物充分溶入奥氏体当中。同时，中。同时，W、V碳化物未溶部分可阻碍碳化物未溶部分可阻碍A晶粒的长大。另晶粒的长大。另外，高速钢合金元素含量很高，导热性较差，若淬火加热外，高速钢合金元素含量很高，导热性较差，若淬火加热速度太快，容易引起开裂。所以淬火时要先预热、冷却时速度太快，容易引起开裂。所以淬火时要先预热、冷却时分级淬火。分级淬火。 淬火组织：淬火组织： 由淬火马氏体、合金碳化物与大量残余奥由淬火马氏体、合金碳化物与大量残余奥氏体组成。氏体组成。 c、回火：、回火： 550-570下回火。为了保证得到高的硬度下回火。为了保证得到高的硬度及高

46、的热硬性，高速钢一般都在二次硬化峰值温度及高的热硬性，高速钢一般都在二次硬化峰值温度(即即550-570)下回火，以产生明显的二次硬化效应。下回火，以产生明显的二次硬化效应。W18Cr4V钢硬度与回火温度的关系钢硬度与回火温度的关系 回火要进行三次。回火要进行三次。 主要目的：主要目的：消除大量的残余奥氏体。每回火一次，残消除大量的残余奥氏体。每回火一次，残余奥氏体含量降低一次。余奥氏体含量降低一次。 原原 因因：加热到回火温度（：加热到回火温度（550570）时，从奥氏）时，从奥氏体中析出合金碳化物，使奥使体中的合金元素含量减少体中析出合金碳化物，使奥使体中的合金元素含量减少从而使马氏体点上

47、升，在回火冷却过程中残余奥氏体转从而使马氏体点上升，在回火冷却过程中残余奥氏体转变为马氏体。变为马氏体。 W18Cr4V钢淬火时残余奥氏体含量约为钢淬火时残余奥氏体含量约为30。 经三次回火后，残余奥氏体的量可以降到经三次回火后，残余奥氏体的量可以降到1-2。并且。并且后一次回火还可以消除前一次回火由于残余奥氏体转变后一次回火还可以消除前一次回火由于残余奥氏体转变为马氏体所产生的二次淬火的内应力。为马氏体所产生的二次淬火的内应力。 回火组织：回火组织：由回火马氏体由回火马氏体+少量残余奥氏体少量残余奥氏体+碳化物所碳化物所组成组成高速钢热处理工艺图高速钢热处理工艺图下料下料 锻造锻造等温退火等

48、温退火机械粗加工机械粗加工淬火淬火回火回火磨削磨削加工加工成品成品 5、硬质合金、硬质合金 （1）、硬质合金制作及特性）、硬质合金制作及特性 硬质合金并不属于钢的范围，但常用于制造高速切削硬质合金并不属于钢的范围，但常用于制造高速切削的刃具，是一种重要的刃具材料。的刃具，是一种重要的刃具材料。 硬质合金由硬化相和粘接金属用粉末冶金的工艺制成硬质合金由硬化相和粘接金属用粉末冶金的工艺制成 硬化相硬化相:如如 WC、 TiC、 MoC、 TaC等等 粘结金属粘结金属: Co、 Ni、Fe等等二者的粉末以一定的比例均匀混合，然后加压成型，高温二者的粉末以一定的比例均匀混合，然后加压成型，高温烧结。烧

49、结。 其工作温度可达其工作温度可达1000以上，而其硬度可达到以上，而其硬度可达到HRC91。硬质合金刀具的切削速度可比高速纲高硬质合金刀具的切削速度可比高速纲高4-7倍，寿命长倍，寿命长58倍。倍。 钨钴类硬质合金：钨钴类硬质合金： 碳化钨作硬化相，金属钴作碳化钨作硬化相，金属钴作 粘结剂。粘结剂。“YG”加数字表示加数字表示 数字表示钴的百分含量数字表示钴的百分含量(YG3) 。主要加工铸铁、脆性有色金属合金和其它非金属。主要加工铸铁、脆性有色金属合金和其它非金属材料。材料。 钨钴钛类硬质合金：钨钴钛类硬质合金：硬化相是碳化钨、碳化钛，以金硬化相是碳化钨、碳化钛，以金属钴为粘结剂。属钴为粘

50、结剂。“YT”加数字，数字表示加数字，数字表示TiC的百分含量的百分含量(YT5)。主要用于加工韧性材料如碳钢、合金钢。主要用于加工韧性材料如碳钢、合金钢。 万能硬质合金：万能硬质合金：硬化相为硬化相为TiC和和WC以及以及TaC，钴为粘，钴为粘结剂结剂 。“YW”加数字，数字为顺序号加数字，数字为顺序号(YW2)。既可用于。既可用于加工韧性材料，又可用于加工脆性材加工韧性材料，又可用于加工脆性材 （2）、硬质合金分类）、硬质合金分类 及编号及编号二、模具钢二、模具钢 模具钢是用于制造模具钢是用于制造冷作模具冷作模具和和热作模具热作模具的钢种。的钢种。（一）冷作模具钢（一）冷作模具钢 1、用途

51、用途 用于冷态成型的模具钢称为冷作模具钢，用于冷态成型的模具钢称为冷作模具钢，如冷冲模、冷挤压模，冷作模具的工作温度不超过如冷冲模、冷挤压模，冷作模具的工作温度不超过200-300。 2性能要求性能要求 使用中承受着巨大的应力和剧烈的摩擦。应具有高硬使用中承受着巨大的应力和剧烈的摩擦。应具有高硬度、高耐磨性和足够高的强度和韧性，同时还应具有良好度、高耐磨性和足够高的强度和韧性，同时还应具有良好的锻造性、切削性等工艺性能。的锻造性、切削性等工艺性能。 3、常用钢号、成分特点、常用钢号、成分特点 钢号：钢号： 9SiCr， 9Mn2V， Cr12， Cr12MoV 含碳量较高含碳量较高，多在，多在1以上以上, 保证硬度在保证硬度在HRC60左右左右,使冷使冷作模具钢具有很高的耐磨性。作模具钢具有很高的耐磨性。 合金元素合金元素： Cr、 Mo、 W、 V等加入能形成难溶碳化物、等加入能形成难溶碳化物、提高耐磨性特别是提高耐磨性特别是Cr。代表性的冷作模具钢：。代表性的冷作模具钢：Cr12和和Cr12MoV，含，含Cr量高