河南科技大学第10章钢铁材料

ChapterOutline10.1钢的分类与编号10.2合金元素在钢中的主要作用10.3合金结构钢10.4

合金工具钢10.5

特殊性能钢10.6铸铁10.1钢的分类与编号10.1.1钢的分类

.按用途分工具钢（主要用于刀具、量具、模具）结构钢（主要用于工程构件、机器零件）

特殊性能钢10.1.1钢的分类

按化学成分分碳素钢合金钢低碳钢（Wc≤0.25%）中碳钢（Wc＝0.25~0.60%）高碳钢（Wc≥0.60%）低合金钢（WMe≤5%）中合金钢（WMe

＝5～10%）高合金钢（WMe＞5%）按金相组织分类（1）根据平衡态或退火态组织亚共析钢、共析钢、过共析钢和莱氏体钢（2）按正火组织，珠光体钢、马氏体钢、贝氏体钢、奥氏体钢等。（3）根据室温时的组织分，铁素体钢、马氏体钢、奥氏体钢和双相钢。10.1.1钢的分类

按质量分优质质量钢（Ws≤0.040%，Wp≤0.040%）普通质量钢（Ws≤0.055%，Wp≤0.045%）高优质量钢（Ws≤0.030%，Wp≤0.035%）10.1.2钢的编号1.普通碳素结构钢（1）甲类钢：按力学性能供应表示方法：甲1（A1）、甲2（A2）……甲7（A7）强度（s、b）升高塑性（、）下降注意：由于不保证化学成分，所以热处理时不能依甲类钢来选材，应依乙类钢选，才能根据相图制定热处理工艺。（2）乙类钢：按化学成分供应表示方法：乙1（B1）、乙2（B2）、…、乙7（B7）C%升高注意：可以热处理，但属于普碳钢，性能改善不大。（3）特类钢：根据要求供货，保证化学成分和力学性能。表示方法：C2、C3、C4、C5C%升高强度（s、b）升高10.1.2钢的编号新编号

沸腾钢质量等级（A级）235为屈服强度（MPa）钢的屈服点Q235—A•F质量等级：A级、B级、C级、D级S%、P%下降，质量提高F—沸腾钢、Z—镇静钢、b—半镇静钢10.1.2钢的编号2.优质碳素结构钢（1）普通锰含量钢：碳含量用两位数字表示，以0.01％为单位，如45钢，含C量为45/10000=0.45%。（2）较高锰含量钢：碳含量用两位数字表示，以0.01%为单位，后面加汉字“锰”或化学符号“Mn”，如45锰或45Mn钢。分为普通锰含量钢和较高锰含量钢。10.1.2钢的编号较重要的零件，如齿轮、轴、连杆、弹簧等。热处理：渗碳、淬火、回火等。40Mn钢WMn0.7~1.0%平均Wc0.40%平均Wc0.40%钢牌号：40钢10.1.2钢的编号汽车曲轴弹簧齿轮3.碳素工具钢牌号:“碳”或T＋碳含量（千分之几表示)+符号用途：制造各种刃具、模具、量具。例如冲头、凿子、钻头、锉刀、量规等。T10A钢高级优质wS

≤0.020%，wP≤0.030%平均Wc1.0%“碳”热处理：球化退火、淬火+低温回火组织：P球状、回火M＋Fe3C粒状+A'10.1.2钢的编号4.合金结构钢原则：字母＋数字＋化学元素符号＋数字＋符号（A）高级优质钢Me平均含量（百倍）合金元素（Me）的名称钢的平均碳含量（实际碳含量的一万倍表示）表示钢的用途10.1.2钢的编号5.合金工具钢原则：钢中平均含碳量Wc≥1.0%时不标，

Wc<1%

时以千分之几表示。合金元素含量为百分之几。例1：

9

SiCr——9硅铬（低合金工具）钢钢中Si、Cr平均含量均小于1.5％钢中碳平均含量为Wc＝0.9％10.1.2钢的编号6.不锈钢与耐热钢原则：钢中平均含碳量Wc以千分之几表示。合金元素平均含量WMe以百分之几表示。例1：1Cr18Ni9Ti——奥氏体不锈钢钢中平均WCr=18%,

WNi＝9％,WTi<1.5％钢中碳平均含量WC≤0.12％例2：3Cr18

Ni25Si2——耐热不起皮钢钢中平均WCr=18%,

WNi＝25％,WSi=2％钢中碳平均含量WC=0.3~0.4％10.1.2钢的编号10.2合金元素在钢中的主要作用10.2.1合金元素在钢中的存在形式四种存在形式：溶入铁素体、奥氏体和马氏体中，以固溶体的溶质形式存在。形成强化相，如溶入渗碳体形成合金渗碳体、形成特殊碳化物或金属间化合物等。形成非金属夹杂物，如与O、N、S作用形成氧化物、氮化物和硫化物等。有些元素如Pb、Cu等既不溶于铁，也不形成化合物，而是在钢中以游离状态存在。在高碳钢中碳有时也以自由状态(石墨)存在。10.2.2合金元素与铁和碳的相互作用（1）无限扩大γ区型：Mn、Ni、Co等。（2）有限扩大γ区型：C、N、Cu、Zn等。（3）封闭γ区、无限扩大α区型：Si、Cr、W、Mo、P、V、Ti、Al、Be（4）缩小γ区，但不使γ区封闭型：B、Nb、Ta、Zr等。1.合金元素与铁的相互作用2.合金元素与碳的相互作用（1）非碳化物形成元素：Ni、Si、Co、Al、Cu等，以溶入α-Fe或γ-Fe中的形式存在。（2）碳化物形成元素：合金元素形成碳化物的稳定程度由强到弱的排列次序为：Ti、Zr、V、Nb、W、Mo、Cr、Mn、Fe，其中的Ti、Zr、V、Nb为强碳化物形成元素，10.2.2合金元素与铁和碳的相互作用10.2.3合金元素对相变的影响1.合金元素对Fe-Fe3C相图的影响（1）对奥氏体相区的影响扩大γ相区的元素，均使S点左移、A3线下降；凡是缩小γ相区的元素，均使A3线上升，图10-2Mn对γ相区的影响图10-3Cr对γ相区的影响（2）对S点（共析）和E点（共晶）的影响几乎所有的合金元素都使S点和E点向左移，即移向低碳方向。

（3）对A1、A3、Acm温度的影响一般来说，除了Mn、Ni以外，其余合金元素均使A1温度上升，并且加入合金元素后，钢的共析转变一般不再在恒温进行，而是在一定的温度范围内进行。10.2.3合金元素对相变的影响2.合金元素对钢加热转变的影响对奥氏体化，晶粒度影响3.合金元素对奥氏体冷却转变的影响（1）合金元素对珠光体转变的影响只要合金元素(Co、A1除外)能够溶入奥氏体，就会或多或少地推迟奥氏体向珠光体的转变，从而降低钢的临界冷却速度，增加钢的淬透性。（2）合金元素对贝氏体转变的影响

C、Mn、Ni等元素对贝氏体转变有较大的推迟作用。

10.2.3合金元素对相变的影响（3）合金元素对马氏体转变的影响除Co、Al之外，大多数固溶于奥氏体的合金元素均使MS温度下降，并增加残余奥氏体量，其中碳的作用最强烈，其次是Mn、Cr、Ni，再次为Mo、W、Si。10.2.3合金元素对相变的影响4.合金元素对淬火钢回火转变的影响

（1）对马氏体分解的影响（2）对残余奥氏体转变的影响（3）对碳化物的形成、聚集和长大的影响（4）对铁素体回复再结晶的影响（5）对回火脆性的影响10.2.3合金元素对相变的影响合金元素对铁素体硬度的影响（退火态）合金元素对铁素体

冲击韧性的影响10.2合金结构钢

（alloystructuralsteel）

10.2.1低合金高强度钢（普通低合金结构钢）(1)工作条件与性能要求不作相对运动，承受长期静载荷→高强度有一定使用温度要求→良好的低温韧性（低的韧-脆转变温度）。制造过程中要进行冷变形加工→良好的工艺性能许多大型工程结构在潮湿大气（桥梁）、特别是在海洋气氛环境中（船舶）工作→良好的耐蚀性。

2.成分特点含碳量含碳量一般低于0.2%，以保证良好的焊接性、冷成型性和低温韧性。合金元素主加元素：Mn（国外以Cr、Ni为主），最高含锰量可达1.8%。主要作用是强化铁素体，提高强度和韧性。辅加元素：V、Ti、Mo、Nb、B等元素（少量）。细化铁素体晶粒，第二相强化，使钢的强度与韧性都得到改善。P、Cu：提高钢的耐大气腐蚀能力。10.2.1低合金高强度钢3.热处理特点

通常在热轧退火（或正火）状态下使用。在进行焊接工序后，一般不再热处理。

组织为F＋少量P（或S）。（四）牌号典型钢号：Q345－16Mn，Q420－15MnVN，14MnVTiRE大型焊接结构，如铁路、大型巨轮用钢

10.2.1低合金高强度钢10.3.2易切削钢1.工作条件与性能要求易切削钢的好坏反映材料被加工的难易程度。性能要求很单一，就是要具有良好的切削加工性能。希望在高速切削下，切屑易断，刀具磨损小，并能提高表面加工质量。2.成分特点碳和锰的含量是两个影响很大的因素，在一定硬度下，增加碳锰含量将改善切削性；超过一定硬度时，继续增加碳锰含量，切削加工性反而变差。加入S、Pb、Ca、P等元素可使钢的切削性能得到改善。3.常见的易切削结构钢Y12、Y15、Y20：用于在自动机床上加工制造标准件螺钉、螺帽、销子等。Y30、Y40Mn用于制造不易加工的承受负荷较高的零件，可进行调质处理，如高强度螺栓。10.3.2易切削钢10.3.3渗碳钢1.工作条件与性能要求以汽车、拖拉机上的变速齿轮为例。受力情况很复杂。齿根部承受交变的弯曲应力，会沿齿根断裂。啮合传动时，齿面相互接触一并有滑动，存在接触疲劳（麻点或剥落）和齿面磨损。行车中变换速度或刹车时，齿牙受到较大冲击，齿牙会断裂。性能要求：高的弯曲疲劳强度和接触疲劳强度，高的耐磨性，心部组织有较高的强韧性以防止齿轮断裂。2.成分特点含碳量低渗碳钢的含碳量一般在0.10~0.25%之间。主加元素：Mn和Cr。强化铁素体组织，并能增加钢的淬透性

辅加元素：微量的V（0.4%）、W（1.2%）、Mo（0.6%）、Ti（0.1%）等强碳化物的形成元素，细化晶粒，防止钢件在渗碳过程中发生过热，10.3.3渗碳钢3.热处理特点渗碳＋淬火＋低温回火（180~200℃）4.常用的合金渗碳钢(1)低淬透性渗碳钢（wMe＜2％，σb＜800MPa）如15Cr、20Cr、15Mn2、20Mn2等，水淬临界直径为20~35mm。这类钢经渗碳、淬火与低温回火后心部强度较低。用途：受力不太大、心部强度不需要很高的耐磨零件，如柴油机的凸轮轴、挺杆、活塞销、小齿轮等，自行车钢珠（15钢）、飞轮（20钢）。10.3.3渗碳钢（2）中淬透性合金渗碳钢（wMe＝2％～5％，σb＝800～1200MPa）如20CrMnTi、12CrNi3A、20CrMnMo、20MnVB等其淬透性和力学性能较高，油淬临界直径约为25~60mm左右。用途：承受中等动载荷的耐磨零件，如汽车变速齿轮、联轴节、齿轮轴、花键套轴等。10.3.3渗碳钢（3）高淬透性合金渗碳钢（wMe＞5％，σb＞1200MPa）如12Cr2Ni4A、18Cr2Ni4WA、20Cr2Ni4A等。这类钢合金元素总量小于7.5%，油淬临界直径在100mm以上，这类钢淬透性很好，甚至在空气中冷却也能获得马氏体组织。淬火及低温回火后心部强度很高。用途：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、航空发动机变速齿轮等。10.3.3渗碳钢5.应用举例以20CrMnTi合金渗碳钢制造的汽车变速齿轮为例，说明其热处理方法的选定和工艺的安排。技术要求：渗碳层厚度1.2～1.6mm，表面碳浓度为1.0%，齿顶硬度58～60HRC，心部硬度30～45HRC。锻造→正火→加工齿轮→渗碳→预冷淬火、低温回火→喷丸→磨齿（精磨）工艺路线10.3.3渗碳钢热处理的作用改善锻造状态的不正常组织，以利于切削加工。（1）正火20CrMnTi钢的渗碳温度为920℃左右，经查手册得知渗碳层厚1.2～1.6mm时所需渗碳时间为6～8h。目的是获得高碳，保证淬火后获得高硬度、高耐磨性。（2）渗碳（3）淬火及低温回火淬火：提高表面的硬度和耐磨性，保证心部具有高的强度和足够的冲击韧性。低温回火：减小淬火应力，降低脆性，稳定组织。10.3.3渗碳钢10.3.4调质钢调质钢是指经过调质处理后使用的中碳钢和中碳合金钢。钢调质后的性能：具有高的强度、良好的塑性与韧性的配合，即具有良好的综合力学性能。应用

在机械制造中最常用的一类钢。如柴油机连杆和连杆螺栓及曲轴、汽车半轴、机床主轴等。1.工作条件与性能要求受到较大变动载荷，还受到冲击作用，在轴颈或花键部分还存在剧烈摩擦；大多数零件形状比较复杂，存在着许多应力集中的地方，如键槽、油孔、台阶过渡处等，失效形式主要是疲劳断裂、过量变形、局部磨损。性能要求具有高的强度（屈服强度和疲劳强度），而且要求有好的塑性和韧性，即要求具有良好的综合力学性能、缺口敏感性小。10.3.4调质钢2.成分特点含碳量：一般调质钢含碳量介于0.25~0.5%之间，主加元素：Cr、Ni、Mn、Si等，溶入铁素体，使铁素体得到强化，并增加钢的淬透性。辅加元素：Mo、V、Al、B等，含量一般较少。主要作用细化晶粒，进一步提高淬透性。Mo还可以防止高温回火时发生第二类回火脆性；V的作用是阻止奥氏体晶粒长大；Al的作用是在氮化时能加速合金调质钢的氮化过程，强化氮化效果；钢中加入微量的B（0.001~0.004%）能显著增加钢的淬透性。。10.3.4调质钢4.热处理特点预备热处理退火、正火或正火+高温回火最终热处理调质处理表面局部淬火调质后，对于局部有耐磨性要求的应进行表面淬火或表面氮化处理。10.3.4调质钢感应淬火部位5.常用调质钢的性能特点及应用（1）低淬透性Cr钢、Mn钢、Mn-B钢（D0油＜30mm）如40Cr、45Mn2、35SiMn、40MnB主要合金元素Cr、Mn的作用是强化铁素体和增加淬透性。Si-Mn钢的强度较好，但韧性和塑性较差，退火后硬度偏高。应用：40Cr应用十分广泛，用于制造一般尺寸的重要零件，如汽车、拖拉机上的连杆、连杆螺栓、传动轴及机床主轴等零件。10.3.4调质钢（2）中淬透性Cr-Mo钢、Cr-Mn钢、Cr-V钢

（D0油＜60mm）

Cr主要是增加淬透性；Mo、V不仅能提高淬透性，也能细化组织，防止第二类回火脆性，提高塑性和韧性；Cr-Mn钢中同时加入Cr、Mn两种元素，能更好的提高钢的淬透性和强度。如：35CrMo（或42CrMo）、40CrMn、40CrV应用：典型牌号35CrMo（或42CrMo），用于制造截面较大零件，如曲轴、齿轮、连杆等10.3.4调质钢（3）高淬透性Cr-Ni钢、Cr-Ni-Mo钢

（D0油＞60mm）

钢中同时加入Cr、Ni两种元素，大大提高淬透性，可获得更好的力学性能，但Cr-Ni钢有回火脆性。加入Mo可消除回火脆性。如37CrNi3、40CrNi、40CrNiMo应用：制造大截面、重载荷零件，如汽轮机主轴、叶轮、航空发动机中的涡轮轴等。10.3.4调质钢10.3.5弹簧钢1.工作条件与性能要求吸收冲击能量，减少振动和冲击。储存能量，使机件完成事先规定的动作。用作测力元件，如测力器、弹簧秤中的弹簧等。性能要求：具有较高的弹性极限，以保证其足够的弹性变形能力，避免在高负荷下产生塑性变形；具备高的疲劳强度、高的屈强比（s/b）和良好的表面质量，以免产生疲劳破坏；足够的塑性和韧性；具有良好的耐热性及耐蚀性汽车板簧大型热卷弹簧热卷大弹簧弹簧丝汽车板簧火车螺旋弹簧2.成分特点采用较高的含碳量保证高弹性极限和疲劳强度。碳素钢：WC0.6~0.75%

合金钢：WC0.46~0.70%辅加元素：W、Cr、V细化晶粒、提高回火稳定性和高温强度合金元素合金弹簧钢中主要含有Si、Mn、Cr、V等碳含量主加元素：Si、Mn提高淬透性、强化铁素体，也可提高回火稳定性10.3.5弹簧钢4.加工成型与热处理特点热成型弹簧弹簧截面尺寸≥8mm的大型弹簧多用热轧钢丝或钢板，热态下成型，然后淬火（830～880℃）及中温回火（350～500℃），组织为回火屈氏体，硬度40～45HRC，具有较高的弹性极限和疲劳强度，又具有一定塑性和韧性。汽车板簧60Si2Mn：扁钢剪断加热压弯成型后淬火+中温回火喷丸装配10.3.5弹簧钢冷成型弹簧直径或单边尺寸小于8mm的弹簧，常采用冷拔（轧）钢丝（板）冷卷成型或先热处理强化、然后冷卷成型。缠绕弹簧→去应力退火→磨端面→喷丸→去应力退火→发蓝。10.3.5弹簧钢5.常用弹簧钢及应用碳素弹簧钢65、70、75，淬透性差，直径大于12～15mm在油中不能淬透，用于制造小截面弹簧，多用冷成型法成型。Mn、Si－Mn类弹簧钢65Mn、55Si2Mn、60Si2Mn等，由于含硅量高，可显著提高弹性极限和回火稳定性。10.3.5弹簧钢Cr－V钢，典型钢种50CrV，适于制作截面在30mm以下的高负荷重要弹簧以及在300℃以下工作的各类弹簧。10.3.5弹簧钢10.3.6滚动轴承钢1.工作条件及性能要求（1）内圈（2）外圈（3）滚动体（4）保持架（1）、（2）、（3）均为滚动轴承钢保持架为低碳钢（球轴承）和有色金属（滚柱轴承）高的接触应力（可高达3000~35000MPa）并且有滚动和滑动磨损和接触疲劳→表面具有高硬度、耐磨性和接触疲劳强度选材：高碳钢失效形式:10.3.6滚动轴承钢2.成分特点高碳（0.95~1.1%C）主加元素Cr（0.4~1.65%）（Fe，Cr）3C提高淬透性、耐磨性和接触疲劳强度辅加元素Si（0.45~0.75%）、Mn

（0.95~1.25%）提高淬透性、强度和回火稳定性。P<0.025%S<0.025%减少夹杂物，提高疲劳寿命GCr9GCr15GCr9SiMnGCr15SiMn淬透性增加10.3.6滚动轴承钢3.热处理特点（1）预先热处理正火＋球化退火（2）最终热处理淬火＋低温回火精密滚动轴承：在淬火后要在1~2小时内进行冷处理，其规范为在-70~-80℃保温1~2小时，使残余奥氏体量降到4~6%左右。冷处理可使钢的硬度略有升高，并增加尺寸稳定性。还要在磨削后再进行120~130℃保温5~10小时的低温时效处理，以消除内应力、稳定尺寸。10.3.6滚动轴承钢4.常用滚动轴承钢牌号及用途含铬轴承钢即高碳低铬钢，如GCr9、GCr15等，其中GCr15应用最广，用于制造中小型轴承和部分大型轴承。无铬轴承钢如GSiMnV、GSiMnMoV等渗碳轴承钢G20CrMo、G20CrNiMo等10.3.6滚动轴承钢10.4工具钢按用途可分为刃具钢、模具钢和量具钢。刃具钢：制造车刀、铣刀、钻头等金属切削刀具。模具钢：制造冷冲模、冷挤压模、热锻模等成型模具。量具钢：制造各种度量工具如卡尺、千分尺、块规等。量具刃具模具10.4.1刃具钢工作条件与性能要求（1）高硬度必须具有比被加工工件更高的硬度，一般高于60HRC。（2）高耐磨性刀具的刃部和金属毛坯存在摩擦。失效形式有卷刃、崩刃和折断，但最普遍的是磨损。（4）一定的强韧性承受冲击、振动载荷（3）高热硬性（在温度较高的情况下也能保持高硬度，这种性能称为热硬性）切削过程中因摩擦生热使刀具的温度升高。2.成分特点（1）碳素及低合金刃具钢碳素刃具钢（carbontoolsteel）

T7A、T8A、T10A、T12A等，其含碳量在0.65~1.30%范围。低合金刃具钢（low-alloytoolsteel）除含碳量较高外，常加少量的Cr、Mn、V、Si等合金元素。常用牌号：9SiCr、9Mn2V、CrWMn等10.4.1刃具钢板牙用途丝锥、板牙、绞刀、载荷较小的冷冲模等，采用9SiCr、9Mn2V、CrWMn用于制造低速、低温(250～300℃

）、低冲击、硬度在HRC62左右的刃具。錾子、凿子、冲子多采用T7、T8A锉刀、刨刀多采用T12A、T13A小钻头、丝锥、低速车刀多采用T9～T11A手锤10.4.1刃具钢（3）高速钢（highspeedsteel）特点：使用时因高速摩擦产生热量大，使刃具温度很高，因而对热硬性和耐磨性要求非常高。

高速切削的刃具——车、铣、刨、拉刀、钻头和丝锥工作温度达500～600℃时硬度仍可保持60HRC以上。车刀铣刀钻头1）化学成分

典型钢种：W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2C0.7%~1.4%固溶在马氏体中和形成合金碳化物。保证钢淬火后马氏体具有高硬度，同时提高耐磨性。W和Mo提高红硬性固溶于M中的W在回火时W2C产生二次硬化（热硬性高）Cr增加淬透性——风钢（小尺寸空冷，大尺寸可以油淬+空冷）V提高耐磨性和热硬性，回火时析出VC产生二次硬化并使耐磨性显著提高。10.4.1刃具钢2）W18Cr4V钢的生产工艺及热处理特点

铸造→锻造→球化退火→机加工→淬火+三次570℃回火→磨削加工铸造:高速钢属于莱氏体钢，铸态组织中含有大量呈鱼骨状分布的粗大共晶碳化物，钢的韧性大幅下降。10.4.1刃具钢高速钢铸态组织莱氏体（碳化物呈鱼骨状分布）T或SM+A'锻造：鱼骨状碳化物不能用热处理来消除，只能依靠反复多次锻打来击碎。1.预先热处理——球化退火热处理球化退火后的组织:S+粒状K目的：降低硬度，以利切削加工；使碳化物形成均匀分布的颗粒状，为最终热处理做好组织准备。10.4.1刃具钢由于合金元素高使临界点升高高速钢锻造退火后组织KS工艺非常特殊——加热温度最高、回火温度最高（在高硬度范围内）、回火次数最多（三次）。（1）淬火加热淬火加热温度：1260℃~1280℃为了获得二次硬化效果，加热温度必须高于1200℃2.最终热处理——淬火＋回火加热用盐浴炉或真空炉预热：在A1温度附近（800℃~840℃）必须预热一次。如果尺寸大，还需在500℃~650℃和1000℃~1100℃再预热。空冷——小尺寸。先油冷后空冷——尺寸较大、但形状较简单。分级淬火——形状复杂，对变形量要求高。冷却（根据尺寸大小和形状复杂程度选择）淬火后的组织：M+粒状K+A′(20～25%)硬度为62～63HRC淬火组织——未溶碳化物+隐针马氏体+残余奥氏体未溶K隐针M+A'高温奥氏体晶界（2）回火——二次硬化析出W2C和VCA'→M回火后硬度63～65HRC1h560℃空冷560℃空冷1h560℃空冷1h20%~25%A'5%A'1%~2%A'15%A'时间温度为什么要进行三次回火？回火组织——M回+K+A’未溶KM回+A'10.4.2模具钢模具钢：用于制造冲压、模锻、挤压、压铸等模具的钢根据模具工作条件的不同可分为热作模具和冷作模具曲轴模具1.热作模具钢（1）热作模具的工作条件及性能要求足够的强韧性热作模具工作的过程中受到很大的压应力、张应力、弯曲应力及冲击应力足够的硬度和耐磨性与工件间强烈摩擦作用足够的淬透性模具一般体积较大良好的耐热疲劳性热作模具反复受热和冷却，易发生热疲劳而龟裂10.4.2模具钢（2）热作模具的化学成分碳含量≤0.5%含碳量较低，保证足够的韧性V、W、Mo等合金元素提高耐磨性、红硬性、耐热疲劳性能及抑制第二类回火脆性增加淬透性，强化铁素体，提高强度、韧性及回火稳定性。Cr、Ni、Mn、Si10.4.2模具钢常用钢号：5CrMnMo（中小型热锻模具）、5CrNiMo（大型热锻模具）3Cr2W8V压铸模用钢（用于制造有色金属的压铸模和热挤压模）10.4.2模具钢汽车四缸压铸模（3）热作模具的热处理锻造后退火消除锻造应力；降低硬度，利于切削加工；为随后的淬火作组织准备。10.4.2模具钢淬火及回火回火400~600820~850预冷油淬500回火屈氏体或回火索氏体5CrMnMo的淬火及回火工艺降低淬火应力减少变形防止开裂大型热锻模：淬火＋高温回火中、小型热锻模：淬火＋中温回火压铸模、热挤压模：淬火＋高温回火（560～630℃）二次硬化10.4.2模具钢2.冷模具钢（cold-workingdiesteel）汽车冲压模具（1）冷作模具的工作条件、性能要求高硬度良好的耐磨性足够的强度和韧性常温下使坯料变形，变形抗力大且存在加工硬化，模具工作部分受到强烈的挤压、摩擦和冲击。失效：脆断、磨损、变形制造冲压、冷挤压、冷镦模具10.4.2模具钢（2）冷作模具的化学成分（和刃具钢基本相似）刃具钢T10A、9SiCr、9Mn2V、CrWMn等都可以作为冷作模具钢。对于尺寸较大的重载或要求精度较高、热处理变形小的模具，一般用Cr12、Cr12MoV等。10.4.2模具钢（3）冷作模具的热处理锻造后球化退火消除锻造应力；降低硬度，利于切削加工；为随后的淬火作组织准备。淬火及回火根据使用条件和硬度范围选择回火种类（低温回火150～180℃或高温回火500～520℃）Cr12MoV的淬火及回火工艺250~275回火960~1050800~830油淬空冷二次硬化10.4.2模具钢10.4.3量具钢（1）量具的工作部分应具有高的硬度和耐磨性（＞62HRC）与被测工件接触，受到磨损与碰撞（2）具有高的尺寸稳定性（3）有一定的韧性卡尺量规千分尺1.对量具钢的要求2.量具用钢尺寸小、形状简单、精度较低的卡尺、样板、量规等T10A、T12A使用中易受冲击、精度不高量具，如卡规、直尺10钢、15钢经渗碳淬火及低温回火50、55、60、60Mn、65Mn钢经调质处理后感应加热表面淬火加低温回火。高精度的量具采用热处理变形小的钢CrMn、CrWMn、GCr15等。10.4.3量具钢10.5特殊用途钢和合金特殊用途钢是指不锈钢、耐热钢、耐磨钢等一些具有特殊物理、化学和力学性能的钢种。10.5.1不锈钢10.5.2耐热钢10.5.3耐磨钢10.5.4硬质合金10.5.1不锈钢1.概述金属的腐蚀：（1）化学腐蚀直接与介质发生化学反应造成的腐蚀。例如:高温氧化、脱碳等。（2）电化学腐蚀金属在电介质溶液中因原电池作用产生电流而引起的腐蚀。

电化学腐蚀过程示意图形成氧化层保护膜。加入Cr、Al、Si等，形成Cr2O3、SiO2、Al2O3等氧化膜。

使金属呈单相组织；加入Mn、Ni、Co等能扩大γ区，可在室温获得奥氏体钢；加入Cr、Mo、W、V、Ti、Si等能扩大α区，可在室温获得铁素体钢。提高基体的电极电位。加入Cr、Ni、Si等，提高金属基体的电极电位。防止金属腐蚀的途径：10.5.1不锈钢牺牲阳极保护阴极

镶嵌一些比金属或合金基体电极电位更低的金属块。覆盖层保护

涂漆、电镀、发蓝、磷化等工艺。10.5.1不锈钢Cr：提高抗蚀能力的基本元素，能在钢表面形成一层保护性的Cr2O3薄膜；提高钢的电极电位；形成单相的铁素体组织。Ni：使钢呈单相奥氏体组织，提高钢的塑性和韧性，改善钢的焊接性能Cu和Mo：提高钢的耐蚀性C：对提高钢的抗腐蚀作用不利，一般很低，大多数含碳量为0.1～0.2％，，但能提高钢的强度和硬度不锈钢所含元素及作用：10.5.1不锈钢按组织分类

2.不锈钢的种类与特点常用的马氏体不锈钢：1Cr13、2Cr13、3Cr13、

4Cr13、9Cr18随钢含碳量增加，强度、硬度、耐磨性提高，但耐蚀性下降。（1）马氏体不锈钢成分：较高的C（WC0.1%~0.45%）含较高的Cr（WCr12%~18%）性能：具有较高的强度、硬度、耐磨性。应用于力学性能要求较高，抗蚀性能一般的零件。如弹簧、轴、水压机阀等.按组织分类2.不锈钢的种类与特点（1）马氏体不锈钢10.5.1不锈钢马氏体钢的热处理：淬火+回火1000~1100℃油200~300℃500~790℃1Cr13、2Cr13：淬火＋高温回火（500~790℃）3Cr13、4Cr13、9Cr18：淬火＋低温回火（200~300℃）油冷（2）铁素体不锈钢成分：含较高的Cr（WCr12%~30%）

，通常为单相F组织。较低的C（WC＜0.15％）。

常用的钢号：1Cr17、1Cr25、1Cr28、0Cr17Ti、

1Cr25Ti性能：耐蚀性、冷变形性、焊接性均优于M不锈钢应用：用作耐蚀性要求很高而强度要求不高的构件如制造硝酸、磷酸、氮肥等化工设备、容器和管道。（含碳量≤0.08％）10.5.1不锈钢铁素体型不锈钢的用途硝酸生产装置合成氨生产装置成分：WCr18%、WNi8%，稳定的奥氏体组织性能：具有良好的韧性、塑性、焊接性、抗腐蚀性能（3）奥氏体不锈钢（18–8型钢）加工特点：不能进行热处理强化，只能冷塑性变形强化。热处理特点：固溶处理；稳定化处理；去应力退火。牌号:0Cr18Ni9、1Cr18Ni9、0Cr18Ni9Ti、Cr18Ni9Ti。用途:化工容器、管道等。10.5.1不锈钢奥氏体不锈钢的晶间腐蚀及其防止晶间腐蚀：奥氏体不锈钢500-700℃保温时，晶界处析出碳化物(Cr23C6)使晶界附近Cr含量降低，使晶界容易引起腐蚀。（3）热处理消除晶间腐蚀倾向：850~900℃保温2~3小时，空冷防止晶间腐蚀的方法：（1）降低C含量WC0.06%以下，使钢不易形成Cr23C6，但其强度较低。0Cr18Ni9（2）加入强碳化物形成元素Ti或Nb，使形成TiC或NbC，而不形成Cr23C6。1Cr18Ni9Ti10.5.2耐热钢金属的耐热性是包含着高温抗氧化性和高温强度的综合性概念，耐热钢是在高温下不发生氧化，并有足够强度的钢。1.马氏体型耐热钢Cr、Si提高钢的抗氧化性Mo、W、V、Ti、Nb弥散强化，抑制回火脆性成分：低中碳（Wc＝0.1～0.4％）热处理：经淬火、回火后使用，得到回火马氏体或回火索氏体常用的有两组：（1）在Cr13型的不锈钢基础上，加入合金元素Mo、V等，以提高热强性。1Cr13、2Cr13、1Cr11MoV（使用温度低于500℃）制造汽轮机叶片，又称叶片用钢（2）在Cr钢中加入Si，形成Cr－Si钢。4Cr9Si2、4Cr10SiMo（使用温度低于750℃）制造发动机排气阀，又称气阀钢牌号及用途：2.奥氏体型耐热钢高温强度比马氏体型耐热钢要高，抗氧化性能好；还有良好的塑性变形性能和焊接性能，但切削加工性能不好。常用牌号：1Cr18Ni9Ti4Cr14Ni14W2Mo（使用温度600～700℃）在A不锈钢的基础上加入了W、Mo、V、Ti等元素，形成稳定碳化物，提高钢高温强度。应用：

1Cr18Ni9Ti

用于610

℃以下的锅炉过热器管、主蒸汽管等；4Cr14Ni14W2Mo用于650℃以下的汽轮机过热器管、主蒸汽管，650～750℃的内燃机排气阀等。10.5.1不锈钢300℃以下：普通结构钢300~600℃

：珠光体-马氏体型耐热钢600~800℃

：奥氏体型耐热钢800~1000℃

：镍基合金1000℃以上：钼基合金和金属陶瓷耐热钢的用途发动机叶片航空发动机汽轮机叶片汽车阀门10.5.3耐磨钢主要指在冲击载荷作用下发生加工硬化的高锰钢，主要应用于使用过程中经受强烈冲击和严重磨损的零件。这种钢机加工比较困难，基本上都是铸造成型的，牌号为ZGMn131.化学成分WC＝1.0~1.3%WMn＝11.0%~14.0%由于冷速很快，碳化物来不及析出，使钢得到单相奥氏体组织，此时钢的硬度很低，而韧性很好。高锰钢水韧处理后不再回火（否则碳化物会重新析出）水韧处理：将铸造后的高锰钢加热到1000~1100℃

，并保持一定时间，使碳化物完全溶入奥氏体中，然后水中冷却。2.热处理——水韧处理在1290~1350℃直接浇注，随后冷却过程中，碳化物沿奥氏体晶界析出，使钢变脆。10.5.3耐磨钢水韧处理的工艺特征铸态组织高锰钢加热到1050～1100℃A水淬A受到剧烈冲击或较大压力表层MHB500心部AHB220

A+K10.5.3耐磨钢加工硬化。高锰钢的奥氏体有很强的加工硬化能力形变诱发马氏体相变。变形能促使奥氏体向马氏体转变硬度很低，强烈冲击时硬度上升，原因：10.5.3耐磨钢铁路道岔履带球磨机衬板挖掘机铲齿高锰钢广泛用于既要求耐磨又要求耐冲击的零件。如拖拉机的履带板、球磨机的衬板、破碎机的牙板、挖掘机的铲齿和铁路的道岔等。10.5.4硬质合金硬质合金是将一些难熔的化合物粉末和粘结剂混合，加压成型，再经烧结而成的一种粉末冶金材料。硬质合金的特点：硬度高、热硬性好、耐磨性优良。切削速度可比高速钢提高4~7倍，刀具寿命可提高5~80倍。硬质合金的分类：金属陶瓷硬质合金：将一些难熔的金属碳化物粉末（如WC、TiC等)和粘接剂（Co、Ni等）混合、加压成型，再经烧结而成的粉末冶金材料。（1）钨钴类：YG3、YG6、YG8(2)钨钴钛类：YT5、YT15、YT30应用：目前金属陶瓷硬质合金被广泛用作切削刀具，此外还用来制造量具、模具等耐磨零件，还用来制造钎头和钻头等。钨钴类硬质合金含钴6％钨钴钛类硬质合金含TiC5％10.5.4硬质合金钢结硬质合金钢结硬质合金是性能介于高速钢和硬质合金之间的新型工具材料，它是以一种或几种碳化物（如TiC、WC等）为硬质相，以合金钢（如高速钢，铬钼钢等）粉末为粘结剂，经配料、混料、压制和烧结而成的粉末冶金材料。特点退火后可进行一般的切削加工淬火回火后有高的硬度和耐磨性可进行焊接和锻造有耐热、耐蚀、抗氧化等性能应用制造各种形状复杂的刀具、较高温度下工作的模具和耐磨零件。10.5.4硬质合金TheEnd10.6铸铁10.6.1概述10.6.2灰铸铁10.6.3球墨铸铁10.6.4可锻铸铁10.6.5蠕墨铸铁10.6.6特殊性能铸铁亚共析钢过共析钢过共晶白口铁亚共晶白口铁工业纯铁共析钢共晶白口铁1.铸铁的特点（1）成分与组织特点成分：较高的C、Si等元素组织：碳以石墨（G）的形式存在，组织为钢的基体上分布着不同形态的石墨。10.6.1概述钢的基体有F、P、F+P三种铸铁是碳含量大于2.11%的铁碳合金。（2）性能特点抗拉强度、塑性、韧性比碳钢低。良好的耐磨性、消振性、低的缺口敏感性、优良的切削加工性。铸造性能比钢好。10.6.1概述2.Fe-C双重相图及铸铁中石墨的形成(1)双重铁碳合金相图(2)铸铁中石墨化过程（石墨的形成过程）Ⅰ、1154℃时通过共晶反应形成石墨

LC'→AE'+GⅡ、1154℃~738℃A→GⅡⅢ、738℃时共析反应

AS'→FP'+G碳含量为2.5~4.0%的铸铁石墨化过程：石墨化程度不同，铸铁结晶后可得到三种不同的组织：

F+G、P+G、F+P+G10.6.1概述(3)影响石墨化的因素1)化学成分的影响

C、Si促进石墨化（常用的铸铁C:2.5~4.0%，Si:1%~2.5%）C、Si↑→石墨片多、粗大另外，Al、Cu、Ni、Co等促进石墨化。S及Mn、Cr、W、Mo、V等碳化物形成元素阻止石墨化。2)冷却速度的影响（浇注温度、铸型材料和铸件壁厚）冷却速度慢，过冷度越小，有利于原子的扩散，对石墨化有利。10.6.1概述3.铸铁的分类1)白口铸铁：Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ阶段石墨化过程全部被抑制按Fe-Fe3C相图进行结晶，碳以Fe3C形式存在，断口呈银白色。2)灰口铸铁：Ⅰ、Ⅱ阶段石墨化过程充分进行，碳主要以石墨形式存在，断口呈暗灰色。3)麻口铸铁：Ⅰ阶段石墨化过程部分进行，碳以石墨和Fe3C两种形式存在，断口黑白相间构成麻点。(1)按石墨化程度分类10.6.1概述灰铸铁：G呈片状可锻铸铁：G呈团絮状球墨铸铁：G呈球状蠕墨铸铁：G呈短小的蠕虫状(2)按石墨形态分类10.6.2灰铸铁1.灰铸铁的组织、性能和用途片状石墨+金属基体组成依第三阶段石墨化进行的程度不同，可分为：铁素体灰铸铁铁素体+珠光体灰铸铁珠光体灰铸铁(1)灰铸铁的组织片状石墨F基体片状石墨FP片状石墨P(2)灰铸铁的性能和用途1)优良的铸造性能2)优良的耐磨性和消振性3)较低的缺口敏感性和良好的切削加工性能4)力学性能差（抗拉强度、塑性、韧性和疲劳强度都比钢低得多）。(3)灰铸铁的牌号HT100HT150HT200HT300表示b≥100MPa10.6.2灰铸铁2.灰铸铁的孕育处理孕育铸铁：为了细化灰铸铁组织，提高铸铁的力学性能，通常在碳、硅含量较低的灰铸铁液中加入孕育剂（Si-Fe，Si-Ca等孕育剂）进行孕育处理，经过孕育处理的灰铸铁叫孕育铸铁或变质铸铁。孕育铸铁的金相组织：细密的珠光体基体上，均匀分布细小的石墨片。故其强度高于普通的灰铸铁。应用：孕育铸铁用来制造力学性能要求高，截面尺寸变化较大的大型铸件，如重型机床的机身、导轨、汽缸体、液压件、齿轮等。大量人工晶核→结晶均匀→截面上组织均匀→性能均匀→断面敏感性小（壁厚敏感性小）水泵叶轮发动机飞轮孕育铸铁未经孕育处理的灰铸铁3.灰铸铁的热处理灰铸铁的热处理工艺仅有退火、表面淬火等1)消除应力的退火（人工时效）防止变形开裂，保证尺寸稳定退火工艺：加热速度50~100℃/h，加热温度500~600℃

，保温2~8h，炉冷至150~200℃

，空冷。2)改善切削加工性的退火（高温退火）降低硬度，防止产生白口组织退火工艺：加热到850~900℃

，保温2~5h，随炉冷至250~400℃

，出炉空冷。10.6.2灰铸铁3)表面淬火提高表面硬度和耐磨性感应加热表面淬火火焰加热表面淬火点接触电加热表面淬火淬火后表面组织：细小马氏体＋片状石墨，硬度:59~61HRC。应用：重要的铸铁件，如机床导轨、内燃机缸套等10.6.3可锻铸铁可锻铸铁是由铸态白口铸铁经长时间石墨化退火得到的一种高强度铸铁。1.可锻铸铁的组织、性能和用途1、铁素体基体可锻铸铁（黑心可锻铸铁）2、珠光体基体可锻铸铁可锻铸铁由于石墨呈团絮状，对基体的割裂作用比片状石墨小，所以可锻铸铁的强度比灰铸铁高，还具有一定的塑性和较高的韧性。可锻铸铁的牌号、力学性能和用途P352表10.27KTH300-06KTZ450-06低压阀门管接头团絮状石墨F团絮状石墨P2.可锻铸铁的生产首先：浇注成纯白口铸铁（C、Si含量