第七章 合金钢

第七章合金钢

§7–1合金钢的基本知识

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，则形成合金钢。碳钢的缺点：●基本相(F、Fe3C)性能差；●淬透性低；●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……。第七章合金钢第一节、合金钢的基本知识1、分类：二、合金钢的分类及编号合金钢合金结构钢合金工具钢特殊性能钢工程构件用钢（低合金高强度钢）机器零件用钢渗碳钢调质钢弹簧钢轴承钢易切钢刃具钢模具钢量具钢低合金刃具钢高速钢冷作模具钢热作模具钢（包括塑料模具钢）不锈钢耐热钢（包括高温合金）耐磨钢低温钢第一节、合金钢的基本知识2、编号1）合金结构钢2)合金工具钢3）特殊性能钢“两位数字＋元素符号＋数字＋…….”18CrNi4W,38CrMoAlA“一位数字（或无数字）＋元素符号＋数字＋…….”9SiCr,Cr12MoV“一位数字（或无数字）＋元素符号＋数字＋…….”1Cr18Ni9Ti，0Cr18Ni12Mo2Cu2,00Cr12第一节、合金钢的基本知识2、编号4）编号例外的钢合金结构的滚动轴承钢：在钢号前加G，如GCr15合金工具钢中的高速钢：W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2，它们的碳量小于1.0%,但不标明数字。三、合金元素在钢中的主要作用㈠对钢的力学性能的影响1。溶入固溶体（铁素体、奥氏体），固溶强化。2。溶入奥氏体，提高淬透性，形成更多马氏体，提高强度。3。形成稳定碳化物，加热时阻碍A晶粒长大，细化晶粒。4。形成稳定碳化物，具有高硬度，提高耐磨性。5。形成稳定碳化物，弥散分布，弥散强化。6。扩散慢，推迟回火转变，提高回火稳定性，在某些高合金钢中产生二次硬化。㈡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。第一节、合金钢的基本知识三、合金元素在钢中的作用1、强化作用形成合金铁素体

钢中非碳化物形成元素如Si、Mn、Al、Ni、Co等，基本上都能溶入基体相铁素体中形成合金铁素体，使钢的强度、硬度升高而韧性降低。PSiMnNiMoVWCr溶入铁素体的合金元素，wt%硬度第一节、合金钢的基本知识三、合金元素在钢中的作用1、强化作用形成合金渗碳体

钢中含有强碳化物形成元素（如Cr、Mo、W、V、Nb、Ti等）时，其中一部分溶入Fe3C中形成合金渗碳体，如（Fe，Cr）3C、（Fe，Mn）3C。另一部分形成特殊的碳化物，如Cr23C6，Cr7C3、WC、VC、NbC、TiC等金属化合物，此外也有少部分溶入铁素体。合金元素，wt%冲击韧性NiCrMnMoWSi第一节、合金钢的基本知识二、合金元素在钢中的作用2、改变Fe－C相图扩大g

区:

Ni,Mn,Co,C,N,Cu等合金元素与Fe作用能扩大g相区，使A3线下降；特别是钢中加入一定量的Ni、Mn元素时，可使相图中的g区扩大，到室温以下仍能获得正常的奥氏体组织。Mn13，1Cr18Ni9Ti。扩大a区:

Si,Cr,V,Ti,W,Mo等合金元素与Fe作用能扩大a相区，使A3线升高；钢中加入一定量的Cr、Si元素时，可使相图中的g区消失。对S、E的影响

所有的合金元素使S和E点左移，致使共析和共晶成分中的碳含量减少。如4Cr13不锈钢中含碳量为0.4%，但却属于过共析钢。第二节合金结构钢一、普通低合金钢（低合金高强度钢）1。用途：用于工程构件，桥梁、建筑、车辆、船舶……常用钢种：Q295,Q345,Q390,Q420,Q460（Q275以下是普通碳素结构钢）2。成分特点：Wc＜0.25%，W合金元素＜

3%，以Mn为主。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。3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：F+S。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。2。成分特点：Wc＝0.1~0.25%，加入合金元素。提高淬透性，细化晶粒，提高耐磨性，提高回火稳定性……3。常用钢种15,20,20Cr,20CrV,20MnCr,20CrMnTi,18Cr2Ni4WA,20Cr2Ni4A等。4。预先热处理：正火，最终热处理：渗碳+淬火+低温回火。组织：表面为过共析钢：M回+A’+碳化物，约HRC60；心部为亚共析钢：一般为混合组织，HRC30~50。

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、调质齿轮、高强度螺栓……。2。成分特点：Wc＝0.3~0.50%，加入合金元素。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：40,45,40Cr,35SiMn,40MnB,35CrNi,37CrNi3,40CrNiMo……4。预先热处理：完全退火，最终热处理：淬火+高温回火（也称调质）。组织：回火索氏体（S回），HRC25~40。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。

四、弹簧钢1。用途：用于各类弹簧。2。成分特点：Wc＝0.50~0.70%，主加Si,Mn。提高淬透性，细化晶粒，提高回火稳定性等.3。常用钢种：60,65,65Mn,60Si2Mn，60Si2CrVA……4。热处理：⑴热成形弹簧：热成形后进行淬火+中温回火。组织：回火屈氏体（T回），HRC40~50。⑵冷成形弹簧：对小尺寸弹簧，用强化弹簧钢丝冷绕成形，再去应力退火。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合金刃具钢相同，故放在工具钢中一并讨论。加合金元素第三节合金工具钢一、分类1。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；3。量具用钢二、性能要求：●高硬度加高碳至0.6%以上●高耐磨性●高淬透性●高热（红）硬性●足够的塑性韧性三、选材及热处理的一般规律㈠250℃以下工作的工具如：手工工具、低速刃具、冷作模具、冷轧辊、量具等1。选用：如9SiCr,9Cr2,9Mn2V,CrWMn,GCr15……要求低的还可用碳素工具钢：T8,T10,T12等2。热处理：预先热处理：球化退火最终热处理：淬火+低温回火组织：M回+A’+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。例如9SiCr钢制丝锥(Ac1770℃,Acm870℃)淬火加热温度为840℃（低合金工具钢一般Ac1+70℃＜Acm），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。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。

㈡250℃~600℃工作的刃具应选用高速工具钢：W6Mo5Cr4V2,W18Cr4V。1。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，产生莱氏体，故高速钢属莱氏体钢。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。凡是莱氏体钢（除高速钢外，还有Cr12型钢等）都必须进行这样的锻造。2。高速钢的热处理为使高速钢刃具具有红硬性，其最终热处理的特点是：●高温加热淬火●560℃多次回火⑴高温加热淬火W6Mo5Cr4V2:1220

℃,W18Cr4V: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

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。

淬火组织：高合金度M+大量A’+未溶碳化物

⑵560℃多次回火，硬度再次升高，产生二次硬化。原因：①300℃后从M内析出大量的稳定的合金碳化物，弥散分布，因弥散强化使硬度升高，至560℃时硬度达到峰值。②回火冷却时，发生残余奥氏体向马氏体的转变，即二次淬火，冷却后硬度进一步升高。多次回火可使A’继续减少，硬度提高2~4个HRC单位，获得红硬性。最终组织：M回+少量A’+碳化物

㈢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。1。冷作模具的选材（冷冲模、冷挤模、冷镦模、拉丝模等）⑴一般选用碳素工具钢、低合金刃具钢、滚动轴承钢。热处理：球化退火；淬火+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6CrMnNiMoVSi（GD钢）特点：●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、提高耐磨性、回火稳定性，弥补了因降碳带来的强度损失。⑵重负荷、大尺寸、形状复杂者用高/中合金钢

高速钢、Cr12型钢（Cr12、Cr12Mo、Cr12MoV等）

存在问题：皆为莱氏体钢，碳化物易不均匀分布，脆性大。

新钢种：高耐磨高强韧性模具钢9Cr6W3Mo2V2（GM钢）

改变了碳化物类型，使其分布更均匀、细小，钢的硬度、耐磨性、韧性都比Cr12型钢提高。

2。热作模具的选材（锤锻模、热挤压模、精锻模等）⑴性能要求：高回火稳定性、高淬透性、高热疲劳抗力、热磨损抗力、较好的韧性。必须使用合金钢。

⑵成分：中碳加合金元素，Wc=0.3~0.6%

合金元素:Cr、W、Mo、Ni、Si等

⑶典型钢种钢种适宜的使用温度5CrMnMo~500℃5CrNiMo~500℃4Cr5MoSiV1(H13)500℃~600℃3Cr2W8