合金钢全部课件

1、2022-5-30Anming Li, Dept of MSE,hpu1 什么是合金刃具钢？什么是合金刃具钢？ 用途：车刀、刨刀、铣刀、钻头等。用途：车刀、刨刀、铣刀、钻头等。 用于制造各类切削刀具的合金钢。用于制造各类切削刀具的合金钢。 （alloy cutting tool steel） 低合金低合金 刃具钢刃具钢 高合金高合金 刃具钢刃具钢材料科学与工程学院材料科学与工程学院 2022-5-30Anming Li, Dept of MSE,hpu2 目的与要求目的与要求 学习两个知识 培养一种能力 合理合理设计合金刃具钢的成分；正确正确制定刃具的热处理工艺。 通过全面全面分析刃具的工作特

2、点，合理合理确定合金刃具钢的性能要求。 材料科学与工程学院材料科学与工程学院 2022-5-30Anming Li, Dept of MSE,hpu3 本节课的内容本节课的内容 1 1、刃具的工作特点分析、刃具的工作特点分析 3 3、合金刃具钢的成分设计、合金刃具钢的成分设计 2 2、刃具钢的性能要求刃具钢的性能要求 4 4、刃具钢的热处理工艺、刃具钢的热处理工艺 材料科学与工程学院材料科学与工程学院 2022-5-30Anming Li, Dept of MSE,hpu4 工工 作作 特特 点点与工件发生剧烈的摩擦与工件发生剧烈的摩擦 要求刃具钢有高的硬度、高的耐磨性要求刃具钢有高的硬度、高

3、的耐磨性 承受一定的冲击和弯曲应力承受一定的冲击和弯曲应力 要求刃具钢有足够的塑性、韧性要求刃具钢有足够的塑性、韧性 刃部有很高工作温度刃部有很高工作温度 要求刃具钢有高的耐热性要求刃具钢有高的耐热性三三个个特特点点材料科学与工程学院材料科学与工程学院 2022-5-30Anming Li, Dept of MSE,hpu5 2. 2.性能要求性能要求（properties) （1）高硬度 (hardness) 一般刃具钢60HRC，部分刃具钢70HRC （2）高的耐磨性（wearability) 决定了刀具的耐用度； 耐用度：耐用度：刀具由开始切削到磨钝的时间。材料科学与工程学院材料科学与工

4、程学院 2022-5-306 63 60 HRC 降降30 大量大量VC VC 70 70 HRC 刃具的耐磨性刃具的耐磨性 材料的硬度材料的硬度 碳化物性质碳化物性质 成分VCWCFe3C硬度/HV20101730800三种碳化三种碳化物的硬度物的硬度材料科学与工程学院材料科学与工程学院 2022-5-307 (3)高的热硬性 （hot hardness) 热硬性热硬性： 材料在高温下保持高硬度的性能， 取决于钢的回火稳定性回火稳定性和碳化物的性质碳化物的性质。 意大利五轴数控铣床意大利五轴数控铣床 德国数控铣床德国数控铣床 材料科学与工程学院材料科学与工程学院 2022-5-30Anmin

5、g Li, Dept of MSE,hpu8刃具材料的耐热性是影响机械切削速度刃具材料的耐热性是影响机械切削速度的关键因素；的关键因素；国际生产工程学会国际生产工程学会的一份的一份报告指出：报告指出：“正是由于刃具材料的进步，正是由于刃具材料的进步，允许切削速度每隔十年几乎提高一倍允许切削速度每隔十年几乎提高一倍”。 对刃具材料的热硬性提出了更高的要求对刃具材料的热硬性提出了更高的要求 刃具温度升高刃具温度升高 切削速度提升切削速度提升材料科学与工程学院材料科学与工程学院 2022-5-30Anming Li, Dept of MSE,hpu9 1865 低合金刃具钢低合金刃具钢 300 10

6、 m/min 英国英国 罗伯特罗伯特刃具材料与切削速度进展刃具材料与切削速度进展 1898 高速钢高速钢 (锋钢锋钢) 600 30 m/min 美国美国 泰勒泰勒 怀特怀特 现在现在 Si3N4 1500 2000 m/min 1865 前前 碳素刃具钢碳素刃具钢 200 8 m/min 1926 硬质合金硬质合金 1000 100 m/min材料科学与工程学院材料科学与工程学院 2022-5-30Anming Li, Dept of MSE,hpu10各个国家对高性能刃具材料的研究都投各个国家对高性能刃具材料的研究都投入极大的热情，解放后，我国研制了几入极大的热情，解放后，我国研制了几十种

7、高速钢，建设了株洲和自贡硬质合十种高速钢，建设了株洲和自贡硬质合金厂，提升了我国刀具材料的水平。金厂，提升了我国刀具材料的水平。 切削技术的发展史，就是刃具材料的进步史切削技术的发展史，就是刃具材料的进步史 刃具材料的进步，刃具材料的进步，拓宽了可切削材料的范围；拓宽了可切削材料的范围； 实现了制造技术的重大突破实现了制造技术的重大突破 。 新一代航空发动机的研制新一代航空发动机的研制材料科学与工程学院材料科学与工程学院 2022-5-30Anming Li, Dept of MSE,hpu11 （4）足够的塑性和韧性 （plasticity and toughness) 材料塑韧性低材料塑韧

8、性低 刃具崩刃、断裂刃具崩刃、断裂 高速钢刃具高速钢刃具5050，硬质合金刃具，硬质合金刃具4545，其它材料刃具，其它材料刃具5 5。 主要原因：高速钢的韧性好。主要原因：高速钢的韧性好。材料科学与工程学院材料科学与工程学院 2022-5-30Anming Li, Dept of MSE,hpu12 成分特点：成分特点： 高碳高碳+ +提高淬透性元素提高淬透性元素+ +提高回火稳定性元素提高回火稳定性元素 1)高碳，0.851.05%C之间； 2)提高淬透性的元素：Cr Mn； 3)提高回火稳定性的元素：V Si典型钢种及热处理典型钢种及热处理： 9SiCr CrWMn9SiCr CrWMn

9、 淬火低温回火淬火低温回火 3 3、低合金刃具钢：、低合金刃具钢：材料科学与工程学院材料科学与工程学院 2022-5-30Anming Li, Dept of MSE,hpu13 4.4.高合金刃具钢高合金刃具钢(high-alloy cutting tool steel) “高速钢高速钢 ” ” (high speed tool steel) W：17.5-19.0 保证热硬性保证热硬性以以WW1818CrCr4 4V V为例为例(1)(1)化化 学学成成分分及及元元素素作作用用 形成碳化物，约0.2； 保证M中的碳含量，约0.5-.-0.6。 形成WC； 提高回火稳定性。 C ：0.7-0

10、.8 保证高硬度保证高硬度材料科学与工程学院材料科学与工程学院 2022-5-30Anming Li, Dept of MSE,hpu14 V：1.01.4 提高硬度和耐磨性提高硬度和耐磨性 Cr：3.84.4 提高淬透性提高淬透性 “风钢风钢” 发展发展 减少减少W W含量，增加含量，增加MOMO、V V 例例 W W6 6MoMo5 5CrCr4 4V V2 2 趋势：趋势：提高硬度，发展超硬高速钢提高硬度，发展超硬高速钢化化 学学成成分分及及元元素素作作用用 增加过冷A稳定性，增加残余A的量形成VC 13.5V，60HRC70HRC材料科学与工程学院材料科学与工程学院 2022-5-30

11、15塑性差；锻造温度间隔小 （2）锻造及热处理锻造及热处理（forging and heat treatment) 几几 种种 钢钢 的的 锻锻 造造 温温 度度95095011501150W18Cr4V80080012001200454570070012501250A3A3终锻温度终锻温度/始锻温度始锻温度/钢号钢号 必须锻造必须锻造 非常困难非常困难锻锻造造退火组织 铸态组织材料科学与工程学院材料科学与工程学院 2022-5-3016 热热 处处 理理 工工 艺艺 加加 热热 800-840预热预热 1270-1280A化化 组织组织：A+C 冷冷 却却 组织组织:M+C+A残残 油冷油冷

12、. 580-620分级分级 回回 火火 减减A残残.析出析出C 550-570三次三次 高速钢高速钢的热处理的热处理 （heat treatment) 热处理工艺曲线热处理工艺曲线 材料科学与工程学院材料科学与工程学院 2022-5-301760-63HRC 60-63HRC 原因原因：大量：大量A A残63-66HRC 组织组织：M回回+C+A残W18Cr4V回火温度与硬度回回火火与与硬硬度度淬火后淬火后回火后回火后材料科学与工程学院材料科学与工程学院 2022-5-30Anming Li, Dept of MSE,hpu18用途：用途：在室温下对金属进行变形的模具；在室温下对金属进行变形的

13、模具； 如冷冲模、冷挤压、拉丝、滚丝轮、搓丝板等。 性能：性能：1）高硬度； 2）高的耐磨性； 3）足够的韧性和疲劳抗力。 汽车冲压模具汽车冲压模具 冷冷 作作 模模 钢钢 ( cold-working die steel ) 1、用途及性能：、用途及性能：材料科学与工程学院材料科学与工程学院 2022-5-30Anming Li, Dept of MSE,hpu19 1）高碳，1.0%C，有的甚至可达到2； 2）提高淬透性元素 Cr W Mn; 3）碳化物元素，Mo、W、V等。 淬火低温回火 尺寸较小、轻载的模具 T10A、9SiCr、9Mn2V； 尺寸较大、重载、热处理变 形小的模具 Cr

14、12、Cr12MoV。 成分特点：成分特点：高碳提高淬透性元素碳化物元素 热处理及典型钢种：热处理及典型钢种：材料科学与工程学院材料科学与工程学院 2022-5-30Anming Li, Dept of MSE,hpu20热作模钢热作模钢 ( hot-working die steel )用途：用途： 高温下对金属进行变形的模具； 如热锻模、热挤压模等。 性能性能: : 1）高强度和韧性的配合；2）高的回火稳定性； 3）高的抗热疲劳能力； 4）好的淬透性。 1、用途及性能：、用途及性能：材料科学与工程学院材料科学与工程学院 2022-5-30Anming Li, Dept of MSE,hpu

15、211）中碳 0.3-0.5%C；2）提高淬透性元素 Cr Mn Ni Si;3）提高回火稳定性元素 Mo、W4) 防止第二类回火脆性元素 W Mo 成分特点：成分特点：中碳提高淬透性元素提高回火稳定性元素 防止第二类回火脆性元素材料科学与工程学院材料科学与工程学院 热处理及典型钢种热处理及典型钢种： 5CrMnMo 一般模具 5CrNiMo 各种模具，淬透性好 3Cr2W8V 重载大型模具淬火高温回火2022-5-30Anming Li, Dept of MSE,hpu22高碳: 0.91.5 %;合金元素: Cr、 Mn、W。淬火 冷处理 低温回火 时效处理简单量具：简单量具：T10A、T

16、12A、65Mn等。形状复杂、高精度：形状复杂、高精度：CrWMn、GCr15。性能性能: : 1）高硬度和耐磨性，HRC56；2）热处理变形小，尺寸稳定；3）好的加工工艺性4）良好的耐蚀性; 3、热处理及典型钢种：、热处理及典型钢种： 2、 成分特点：成分特点：材料科学与工程学院材料科学与工程学院 1、用途及性能：、用途及性能：用途：制造卡尺，量规、塞规等用途：制造卡尺，量规、塞规等2022-5-30Anming Li, Dept of MSE,hpu23 一一. .不锈钢不锈钢 ( stainless steel ) 在腐蚀介质中具有很高的抗腐蚀能力的钢。*在空气中的年腐蚀量为0.01mm

17、以内； *在强酸、强碱介质中的年腐蚀量为0.1mm以内。 2、 耐蚀的概念：耐蚀的概念： 1、 定义：定义：材料科学与工程学院材料科学与工程学院 2022-5-30Anming Li, Dept of MSE,hpu24金属腐蚀的种类金属腐蚀的种类: :1) 1) 化学腐蚀化学腐蚀: : 金属与介质 ( 干燥气体和非电解质溶液)发生化学反应而产生的腐蚀。例如:高温氧化、脱碳等。2) 2) 电化学腐蚀电化学腐蚀: :金属与介质(电解质溶液,即酸、碱、 盐溶液)发生电化学反而 产生的腐蚀。 3、 腐蚀的机理：腐蚀的机理：材料科学与工程学院材料科学与工程学院 2022-5-30Anming Li,

18、Dept of MSE,hpu25 1) 1)防化学腐蚀：防化学腐蚀： 形成保护膜: 加入合金元素Cr、Al、Si 等, 形成 Cr2O3、SiO2、Al2O3氧化膜。 2) 2)防电化学腐蚀：防电化学腐蚀： 尽可能得到单相组织； 尽可能使两相的电位相等； 提高基体的电极电位。 4、 防腐蚀的途径：防腐蚀的途径：材料科学与工程学院材料科学与工程学院 2022-5-30Anming Li, Dept of MSE,hpu26 尽可能得到单相组织尽可能得到单相组织* * 低碳低碳: : 耐蚀性要求愈高,碳含量愈低。* * 合金元素合金元素: : Ni、Mn 得到单相A Cr 得到单相F 尽可能提高

19、基体的尽可能提高基体的 电极电位电极电位Cr12Cr含量与电位的关系 5、成分特点：、成分特点：材料科学与工程学院材料科学与工程学院 2022-5-30Anming Li, Dept of MSE,hpu271)1)马氏体型不锈钢马氏体型不锈钢 - - CrCr1313型钢型钢化学成分特点: Wc = 0.10.4 % WCr = 13 %热处理特点: 淬火回火 组织：组织：回火索氏体 结构件 回火马氏体 刀具牌号: 1Cr134Cr13 6、 常用不锈钢：常用不锈钢：材料科学与工程学院材料科学与工程学院 2022-5-30Anming Li, Dept of MSE,hpu282) 2)铁素

20、体型不锈钢铁素体型不锈钢化学成分特点化学成分特点: : Wc = 0.1 %左右 WCr = 17 %热处理特点热处理特点: : 750-780 空冷 不能进行热处理强化。牌号牌号: 1Cr: 1Cr1717、1Cr1Cr2828等等。用途用途: :化工设备中要求耐蚀性高、塑 性好、强度低的容器、管道等。硝酸生产装置硝酸生产装置材料科学与工程学院材料科学与工程学院 2022-5-30Anming Li, Dept of MSE,hpu293)3)奥氏体型不锈钢奥氏体型不锈钢化学成分特点化学成分特点: : Wc = 0.080.14% WCr=1719% WNi=811% Cu、Ti、Mo等牌号

21、牌号: : 0Cr18Ni9、1Cr18Ni9、 0Cr18Ni9Ti、1Cr18Ni9Ti热处理特点热处理特点: :固溶处理;稳定化处理; 消除应力退火，不能进行热处理强化用途用途: : 化工容器、管道等。管板换热器管板换热器大型化工储罐大型化工储罐材料科学与工程学院材料科学与工程学院 2022-5-30Anming Li, Dept of MSE,hpu30二二. .耐热钢耐热钢在高温下具有抗氧化性和高温强度的特殊钢在高温下具有抗氧化性和高温强度的特殊钢抗氧化性抗氧化性 ( 热稳定性热稳定性 )高温强度高温强度( 热强性热强性 )蠕变强度蠕变强度持久强度持久强度 1、 定义：定义： 2、

22、性能：性能：汽车气门汽车气门材料科学与工程学院材料科学与工程学院 2022-5-30Anming Li, Dept of MSE,hpu31蠕变：蠕变：恒定应力下，随tt， 蠕变 应力一定t例：塑料雨衣掛一段时间后破洞。：表示测试温度() ：表示在给定的时间内产生的蠕变应变为 例如：材料科学与工程学院材料科学与工程学院 2022-5-30Anming Li, Dept of MSE,hpu32持久强度：持久强度：固定，随tt，断裂，断裂材料在一定的温度下和规定的时间内，不发生蠕变断裂的最大应力。 例如：表示材料在600下工作的持久强度为 若200或试件不发生蠕变断裂 材料科学与工程学院材料科学与工程学院 2022-5-30Anming Li, Dept of MSE,hpu33 1 1）抗氧化性：）抗氧化性： 加入合金元素Cr、 Si、Al等, 在 钢的表面形成稳 定、致密的氧化膜。 3、提高耐热、提高耐热 性途径：性途径：2 2）提高热强性：）提高热强性： 晶体结构：晶体结构： 晶体结构不同，持久强度不同；Tbccfcc550材料科学与工程学院材料科学与工程学院 2022-5-30Anming Li, Dept of MSE,hpu34 固溶强化固溶强化: : 加入W、Mo、 Nb、Ti、V 等元素强化基体；提高再结晶温度。