第六章合金钢

第六章

合金钢（alloy-steel）

一、为什么要发展合金钢？第一节概论碳素钢的缺陷1、综合机械性能差虽然碳素钢的强度、硬度随着含碳量的增加而提高，但塑性、韧性却随之下降，不能在同一成分中得到配合完善的综合机械性能。2、热稳定性差(红硬性）碳钢在使用温度超过200℃后，软化变形，机械性能（强度、韧性）急剧下降，不能用于高温场合。3、耐腐蚀性差碳钢在大多数介质中的耐腐蚀性很差，尤其对酸几乎没有任何抵御能力。4、淬透性差

碳钢不能用于制作大截面尺寸的重要零件。淬火时，急冷易变形、开裂；缓冷，又淬不上火或淬透层很浅。5、不能满足某些特殊性能要求

如：耐低温、高磁性、无磁性等。

碳钢的冷脆性转变温度较高，-20～

-30℃，

故碳钢的使用温度应≥-20℃。45钢调质处理40CrNiMoA调质处理水淬：DO水=10～17mm油淬：DO油

=75～80mmσb=800MPaσb=1000～1100MPaak=50J/cm2ak=80～100J/cm2用途：车床主轴斯贝发动机V正转

=1400转/minV=12640转/minV反转

=1580转/minT工=300℃因此发展合金钢成为必然，二十一世纪结构材料的重要发展方向之一就是利用新技术、新工艺改造传统材料——微合金化高强钢，低合金超高强钢。合金钢是在碳素钢中添加一些合金元素而炼制的一类钢，以改善碳素钢的性能。常用的合金元素有：

Cr、Mn、Ni、Co、Cu、Si、Al、B、W、Mo、V、Ti、Nb、Zr、Re等。加入合金元素的目的：改善机械性能提高淬透性获得特殊得使用性能

合金元素在钢中的存在形式合金固溶体化合物游离态碳化物金属间化合物非金属夹杂物二、合金元素钢中基本相的影响例：形成合金F

合金元素溶入F后，由于原子半径和晶格类形的差异，必然引起F晶格畸变，产生固溶强化，使F的强度、硬度↑，而塑、韧性略有下降。

P、Si、Mn、Ni是显著的强化Ｆ元素。形成合金固溶体Ni、Si、Co、Mn、Cr、Mo、W固溶于F、A、M中它是合金元素溶入渗碳体中并置换部分铁原子而形成的碳化物。

(Fe,Me)3CMe代表Mn、Cr等合金元素。合金渗碳体比一般渗碳体稳定，硬度高，所以可以提高耐磨性。形成合金渗碳体如（Fe,Mn)3C、（Fe,Cr)3C、（Fe,Mo)3C、（Fe,W)3C、等由中强或强碳化物形成元素形成的碳化物。其共同特点是：熔点高、硬度高、稳定性高、很难溶入A中。形成特殊碳化物VC、TiC、NbC、ZrC、WC、MoCW2C、Mo2C、Cr23C6、Cr3C7、

Fe3Mo3C、Fe3W3C、⑴Ni、Mn、Co等是扩大奥氏体相区的元素，使A1、A3点下降。当Mn13%或Ni9%时，S点降到0℃以下，室温下为单相奥氏体组织，称奥氏体钢。1Cr18Ni9Ti锰对奥氏体相区的影响三、对Fe-Fe3C相图的影响1、对奥氏体相区的影响⑵Cr、Mo、Si、Ti、W、Al等是缩小奥氏体相区的元素，使A1、A3点上升。当Cr13%时，奥氏体相区消失，室温下为单相铁素体组织，称铁素体钢.铬对奥氏体相区的影响所有合金元素均使E点和S点左移，即这两点的含碳量下降，使碳含量比较低的钢出现过共析组织（如4Cr13）或共晶组织（如W18Cr4V）。

2、对E点和S点位置的影响合金元素在钢中作用细化A晶粒Ti、V、Nb、Zr、Al提高淬透性除Co以外，如Mn、Cr、W、Mo提高回火抗力Cr、W、Mo、V固溶强化Ni、Si、Al、Co、Cu、Mn、Cr、Mo、W第二相强化Mn、Cr、Mo、W扩大A相Ni、Mn、Cu、N扩大F相Si、Cr、W、Mo、V、Ti、Al合金钢合金结构钢合金工具钢特殊性能钢1按用途分类三、合金钢的分类与编号（一）分类2.按化学成分分类

1）按合金元素种类分为

2）按合金元素含量分为：低合金钢ΣMe≤5%中合金钢5%<ΣMe≤10%高合金钢ΣMe>10%铬钢、锰钢、硅锰钢、铬锰硅钢、铬镍钢、铬镍钼钢等；（二）编号数字＋化学元素＋数字合金元素平均含量主要合金元素符号平均含碳量1、含碳量的标记结构钢：wC×10,000

用两位数字表示，工具钢：wC×1,000，为了避免与结构钢混淆，又规定wC≥1.0%时不予以标注，

高速钢例外，其wC＜

1.0%也不标注。特殊性能钢：wC×1,000

wC≥1.00%时，用两位数字表示，

1.0%>wC≥0.08%时，用一位数字表示

wC=0.03~0.08%，标0

wC<0.03%，标002、合金元素含量的标记wMe%<1.5≥1.5≥2.5≥3.5≥4.5……标记-2345……注：滚动轴承钢铬的标记除外(wCr×1,000)3、附加标记高级优质钢：编号后+“A”（高）特殊用途钢：编号前+“特殊用途符号”

G—滚动轴承钢；C—磁钢；

Y—易切削钢举例：表示平均含碳量为0.20%，主要合金元素Cr、Mn含量均低于1.5%，并含有微量元素Ti的合金结构钢；2．20CrMnTi3．60Si2Mn表示平均含碳量为0.60%，主要合金元素Mn含量低于1.5%，Si含量为1.5～2.5%的合金结构钢。1.40Cr表示含C量：0.40%（0.37~0.45%），含Cr量：0.8~1.1%的合金结构钢40CrNiMo30CrMnSiNi230CrMnSiAGCr150Cr131Cr170Cr18Ni9W18Cr4VwC0.4%的CrNiMo合金结构钢wC0.3%，wNi1.5～2.5%的合金结构钢wC0.3%的高级优质合金结构钢wCr1.5%的滚动轴承钢wC＞0.03%，wCr13%的M不锈钢wC＞0.08%，wCr17%的F不锈钢wC＞0.03%，wCr18%，wNi9%的A不锈钢wW18%，wCr4%的高速钢常用钢产品的名称、用途、特性和工艺方法表示符号（GB/T221—2000）名称符号位置名称符号位置碳素结构钢Q头桥梁用钢q尾低合金高强度钢Q头锅炉用钢g尾易切削钢Y头焊接气瓶用钢HP尾碳素工具钢T头车辆车轴用钢LZ头(滚珠)轴承钢G头机车车轴用钢JZ头焊接用钢H头沸腾钢F尾铆螺钢ML头半镇静钢b尾船用钢国际符号镇静钢Z尾汽车大梁用钢L尾特殊镇静钢TZ尾压力容器用钢R尾质量等级A.B.C.D.E尾合金结构钢低合金结构钢合金渗碳钢合金调质钢合金弹簧钢滚动轴承钢超高强度钢第二节合金结构钢易切削钢主要用于:

制造各种工程结构件（船舶、桥梁、车辆等）;重要的机器零件（轴、齿轮、联接件等）。一、普通低合金结构钢1、性能要求⑴高强度及足够韧性。⑵良好的焊接性能。⑶良好的耐蚀性及低的韧脆转变温度。钢桥梁制造各种工程结构件（船舶、桥梁、车辆等）用钢;低合金高强钢合金元素细化晶粒作用①Mn的作用是强化铁素体；增加珠光体的量。②V、Ti、Nb等起细化晶粒和弥散强化作用。

③另外加Cu、P可提高耐蚀性；④加Re可提高韧性、疲劳极限，降低冷脆转变温度。⑴低碳：≤0.2%C.⑵合金元素：主要是Mn，还有少量V、Ti、Nb等。2、成分特点大多数热轧空冷后使用。少数可用正火+高温回火处理。

16Mn、16MnRe、15MnV、15MnTi、14MnNb、16MnCu。3、热处理：5、常用钢号：4、使用状态下组织：F+P主要用于制造桥梁、船舶、车辆、锅炉、高压容器、输油输气管道、大型钢结构等。二、易切钢钢号：

Y12、Y15、Y20、Y30、Y40Mn、

Y40CrSCa、T10Pb。在钢中添加S、Pb、Ca、P等合金元素，使钢成为容易切削。作用：使切屑易断，不易形成“切削积瘤”，减摩、降低切削力、切削热。但使钢的性能下降。三、渗碳钢制造渗碳零件的钢种。①表面渗碳层硬度高，以保证优异的耐磨性和接触疲劳抗力。②心部具有高的韧性和足够高的强度。③有良好的热处理工艺性能。在高的渗碳温度（900～950℃）下，奥氏体晶粒不易长大，并有良好的淬透性。1、性能要求这类零件在工作中遭受强烈的摩擦磨损，同时又承受较大的交变载荷，特别是冲击载荷。⑴低碳：0.1~0.25%C⑵合金元素作用：

①提高淬透性：

Cr、Mn、Ni、B②

强化铁素体：

Cr、Mn、Ni③细化晶粒：

W、Mo、Ti、V渗碳件高精密独立导柱2、成分特点使心部有足够的塑性和韧性。心部：T+M回+F表层：M回+颗粒状合金碳化物+A’(少量)；渗碳淬火后的表层组织渗碳件的加工工艺路线为：下料→锻造→正火→机加工→渗碳→淬火+低温回火正火目的为调整硬度，便于切削加工。淬火温度一般为

Ac1+30～50℃。3、热处理特点硬度为HRC60～HRC62。硬度为HRC25～404、使用状态下组织低淬透性钢：20、20Cr。柴油机凸轮轴活塞销(20Cr)用于受力小、不需要高强度的耐磨件，如柴油机的活塞销、凸轮轴、小齿轮等。5、常用钢号及用途淬透性和心部强度均较低，水中淬临界直径不超过20~35mm。特点：应用：中淬透性钢：汽车变速箱齿轮可用于承受中等动载荷且具有足够韧性的耐磨零件，如变速箱齿轮、轴。淬透性较高，油中临界直径约为25~60mm，力学性能和工艺性能良好，特点：应用：合金元素总量在4%左右20CrMnTi、12CrNi3A、20CrMnMo、20MnVB

。高淬透性钢：特点：淬透性很高，其油中临界直径大于100mm，且心部强度很高。用于重载和强烈磨损的大型零件，如内燃机的主动牵引齿轮、柴油机曲轴等。应用：18Cr2Ni4WA,20Cr2Ni4A

合金元素总量小于7.5%增压柴油机曲轴四、调质钢调质钢广泛用于制造汽车、拖拉机、机床和其它机器上的各种重要零件，如齿轮、轴类件、连杆、螺栓等。1、性能要求：①具有良好的综合力学性能，即具有高的强度、硬度和良好的塑性、韧性。②具有良好的淬透性。

调质钢一般是指经淬火及高温回火的碳素结构钢和合金结构钢①提高淬透性:

Mn、Si、Cr、Ni、B②强化铁素体:

Mn、Si、Cr、Ni③细化晶粒:

Ti、V④防止第二类回火脆性:

W、Mo2、成分特点⑴中碳：0.3~0.5%C⑵合金元素作用：淬透性是调质钢的一个重要性能指标。下料→锻造→退火→粗加工→调质→精加工→装配3、热处理及组织特点（1）调质处理调质件的加工工艺路线为：调质目的：获得良好综合力学性能使用状态下的组织为：S回下料→锻造→退火→粗加工→调质→(表面淬火+低温回火)→装配为提高表面耐磨性，调质后可进行表面淬火或氮化。①为表面淬火作组织准备；②获得最终心部组织.表面：

M回；心部：S回工艺路线为：调质目的：使用状态下的组织为：（2）预备热处理4、典型钢种及用途根据淬透性不同，可分为三类。①低淬透性调质钢：油中临界直径为30~40mm，常用钢种为45、40Cr等，用于制造尺寸较小的齿轮、轴、螺栓等。②中淬透性调质钢：油中临界直径为40~60mm，常用钢种为40CrNi，用于制造截面较大的零件，如曲轴、连杆等。③高淬透性调质钢：油中临界直径为60~100mm，常用钢种为40CrNiMo，用于制造大截面、重载荷的零件，如汽轮机主轴、叶轮、航空发动机轴等。合金结构钢曲轴单缸汽车曲轴五、弹簧钢制造弹簧或类似性能零件的钢种。1、性能要求弹簧是利用弹性变形储存能量或缓和冲击的零件。①高的弹性极限，尤其是高的屈强比（σs/σb）以保证弹簧有足够高的弹性变形能力和较大的承载能力。②高的疲劳强度，以防止在交变应力作用下产生疲劳断裂。③足够的塑性和韧性，以免受冲击时脆断。④有较好的淬透性。一些特殊弹簧钢还要求耐热性、耐蚀性等2、成分特点弹簧丝⑴中高碳：碳素弹簧钢为0.6~0.75%

C合金弹簧钢为0.45~0.7%C⑵合金元素作用：

①提高淬透性、强化铁素体：Mn、Si、Cr②

提高s/b：Si③

细化晶粒：V3、热处理及组织特点（1）热轧弹簧钢热轧弹簧钢的加工工艺路线如下（以板簧为例）：

扁钢剪断→加热压弯成型→淬火+中温回火→喷丸→装配。汽车弹簧使用状态下的组织：T回用于大截面弹簧(>φ10mm)冷拔→冷成型→定型处理(250~300℃)。用于<φ10mm弹簧。

（2）

冷成型弹簧4、常用钢号及用途Si、Mn弹簧钢，如65Mn、60Si2Mn，用于制造较大截面弹簧。Cr、V弹簧钢，如50CrV，用于大截面、大载荷、耐热的弹簧。优质碳素结构钢中：15钢、20钢属于渗碳钢制造强度要求不太高的渗碳零件，如凸轮、齿轮等。35钢、40钢、45钢、50钢、55钢属于调质钢可用来制造性能要求较高的零件，如齿轮、连杆、轴类等。60钢、65钢、70钢、75钢属于弹簧钢，经适当热处理后，可用来制造要求弹性好、强度较高的零件，如弹簧、弹簧垫圈等..六、滚动轴承钢轴承工作时,承受接触应力(达3000~3500MPa)、周期性交变载荷(频率达数万次/分)和摩擦。

⑴高而均匀的硬度和耐磨性。⑵高的b和接触疲劳强度。⑶足够的韧性、淬透性和耐蚀性圆柱滚子轴承自动调心球轴承用于制造轴承套和滚动体的专用钢种。1、性能要求⑴高碳：0.95~1.10%C⑵合金元素：以Cr为主,加入Mn、Si。Cr、Mn、Si的主要作用是提高淬透性推力球轴承滚针轴承Cr还能提高耐磨性（形成合金渗碳体）和耐蚀性。当Cr>1.65%时,会因A’增加而使硬度和稳定性下降。2、成分特点滚动轴承钢是过共析钢。⑴热处理：

球化退火+淬火+低温回火⑵组织：

M回+颗粒状碳化物+A’(少量)淬火后进行冷处理(-60~-80℃),

可以减少A’、稳定尺寸.轴承生产车间3、热处理和组织特点含Cr轴承钢

GCr9、GCr15、GCr9SiMn、

GCr15SiMn无Cr轴承钢，性能和GCr15相当

GMnMoVRe、GSiMoMnV4、常用钢号及用途应用最广的是GCr15，大量用于大中型轴承；大型轴承用GCr15SiMn。这类钢还可用于制造模具、量具等。滚针轴承滚柱轴承滚珠轴承大型轴承向心球轴承第三节工具钢按用途分为:刃具钢模具钢量具钢模具刃具量具用来制造各种切削刀具的钢种。一、刃具钢切削加工刀具是用来进行切削加工的工具，其服役条件是：摩擦导致严重磨损，伴随高温大的切削力导致刃部崩缺振动，冲击使刃具发生断裂刀具的服役条件1、高硬度

(≥HRC60),主要取决于含碳量。2、高耐磨性

靠高硬度和析出细小均匀硬碳化物来达到。3、高热硬性

即高温下保持高硬度的能力。4、足够的韧性

以防止脆断和崩刃。㈠性能要求共有七个牌号：T7～

T13高碳：(0.65~1.35%C)

随含碳量提高，碳化物量增加，耐磨性提高，但韧性下降。碳素工具钢带碳素工具钢材料㈡碳素工具钢1、成分特点：M回+颗粒状碳化物+A’(少量)

球状珠光体T12钢正常淬火组织2、热处理及组织⑴热处理：正火+球化退火+淬火+低温回火球化退火目的：①降低硬度,便于加工;②为淬火作组织准备。⑵使用状态下的组织：由于碳工钢热硬性、淬透性差，只用于制造小尺寸的手工工具和低速刃具。T7~T9：制造承受冲击的工具，如木工工具：冲子、凿子、锤子等。木工凿手锤木工钻3、用途T10~T11：制造低速切削工具，如钻头、丝锥、车刀等T12~T13：制造耐磨工具，如锉刀、锯条等。丝锥锉刀手锯条钻头1、成分特点：⑴高碳：0.75~1.5%C⑵合金元素作用①提高淬透性:Cr、Mn、Si

②

提高耐回火性：Si③提高耐磨性、细化晶粒:

W、V由碳素工具钢基础上加入少量合金元素(≤3~5)形成。

低合金工具钢制品㈢低合金工具钢同碳素工具钢，只是淬火介质为油(碳素工具钢为水)。使用状态下的组织为：

M回+颗粒状碳化物+A’(少量)

丝锥板牙低合金工具钢扳手2、热处理及组织应用最多的是9SiCr。用于制造形状复杂、要求变形小的低速刃具，如丝锥、板牙等.

3、常用钢号及用途⑴高碳:

0.70~1.5%C⑵合金元素作用①

提高淬透性：Cr②

提高热硬性、耐磨性:

W、Mo、V㈣高速钢（俗称风钢）制造高速切削刃具用钢。1、性能特点:

高热硬性(600℃)、高淬透性2、成分特点W18Cr4V钢的铸态组织加工工艺路线：下料→锻造→退火→机加工→淬火(淬火温度>1200℃)→回火→磨削

高速钢是莱氏体钢，其铸态组织为亚共晶组织，由鱼骨状莱氏体与树枝状M+T组成，脆性大且无法热处理改善。3、加工与热处理降低硬度，便于切加工；为淬火作组织准备。打碎粗大的鱼骨状碳化物，使其均匀分布于基体中。W18Cr4V钢的退火组织⑴锻造目的：⑵退火目的：

S+颗粒状碳化物退火后组织：球化退火或等温退火获得高合金元素含量的马氏体。淬火后组织：M+未溶碳化物(~10%)+A’(20~25%)W18Cr4V钢的淬火组织⑶淬火目的:⑷回火目的主要为减少A’。常用560℃三次回火.(淬火温度>1200℃)②碳及合金元素含量下降，Ms点上升，回火冷却时，A’转变为M。

回火时的组织变化：①

析出WC、VC

的碳化物，产生二次硬化。高速钢硬度与回火温度关系W18Cr4V钢热处理工艺示意图W18Cr4V钢淬火、回火后的组织M回+颗粒状碳化物+A’（少量）4、使用状态下组织常用钢号为W18Cr4V(18-4-1)和W6Mo5Cr4V2(6-5-4-2)。用于高速切削刃具，如车刀、刨刀、铣刀、钻头等。车刀铣刀齿轮滚刀钻头5、常用钢号及用途汽车冲压模具1、性能要求⑴高硬度和耐磨性。⑵足够的强度和韧性。⑶良好的工艺性能（淬透性、切削加工性等）二、模具钢用以制造冷热模具的钢种.㈠冷作模具钢制造金属冷成型模具钢种，工作温度＜300℃如冷冲模，冷挤压模和拉丝模.高碳(1.4~2.3%C)；高铬(11.5~13%Cr)合金元素作用：

Cr

提高淬透性；

Mo、V

提高耐磨性，细化晶粒。2、成分特点：⑴小尺寸、形状简单、受力不大的模具,可用碳素工具钢和低合金工具钢制造，如T10A、9Mn2V。⑵截面、受力大的冷模具用Cr12和Cr12MoV冷作模具钢制造.3、常用钢种⑴高温下良好的综合力学性能。⑵抗热疲劳性能。⑶高的淬透性和良好的导热性。曲轴模具热模锻曲轴毛坯㈡热作模具钢制造使加热金属或液态金属成型模具钢种，工作温度600℃以上.1、性能要求热镦模凸缘模⑴热锻模钢

5CrNiMo、5CrMnMo前者用于大型热锻模，后者用于中小型热锻模.2、常用钢种成分特点、合金元素作用及热处理同调质钢。使用状态下的组织:S回典型钢号是3Cr2W8V,为过共析钢.中碳(0.3~0.4%C),合金元素作用同高速钢。W、Cr提高抗热疲劳性能.淬火+回火后组织：

M回+颗粒状碳化物+A’(少量)型板压铸模⑵热压铸模钢汽车四缸压铸模制造各种量具用钢。如千分尺、卡尺、块规、塞规等。三、量具钢卡尺塞规千分尺量具在使用过程中与被测零件接触，承受摩擦和冲击。⑴高硬度和耐磨性。⑵高的尺寸稳定性。⑶良好的加工工艺性。渐开线花键环规、塞规矩形花键环规、塞规光面量规1、性能要求在存放和使用中，尺寸不变化⑴低碳钢渗碳、

中碳钢表面淬火⑵碳素工具钢、低合金工具钢

两者用于尺寸小、形状简单、精度要求不高的量具。⑶滚动轴承钢、冷作模具钢。用于制造精密量具.⑷不锈钢用于制造接触腐蚀介质的量具。2、量具用钢量具用钢的选用举例量具钢号平样板或卡板10、20或50、55、60、60Mn、65Mn一般量规与块规T10A、T12A、9SiCr高精度量规与块规