模块七 工业用钢

模块七工业用钢主讲：姚永红1.合金钢的定义（常加的合金元素）Si、Mn、Cr、Mo、Ni、V、Ti等2.合金钢的特点性能比碳钢优越但成本高课题一合金元素在钢中的作用1.对钢基本相的影响（室温下的相）1）固溶于铁素体固溶强化：强度、硬度提高，塑性、韧性下降。2）形成碳化物Fe、Mn、Cr、Mo、W、V、Nb、Zr、Ti等依次与碳的结合力边强，形成的碳化物越稳定，硬度越高。渗碳体—合金渗碳体—合金碳化物—特殊碳化物2.合金元素对Fe-Fe3C相图的影响1）合金元素对奥氏体相区的影响（1）扩大奥氏体相区：Mn、Ni等合金元素（奥氏体钢）；（2）缩小奥氏体相区：Cr、Mo、W、V、Ti、Si等（铁素体钢）。2）合金元素对S、E点的影响S点左移：3Cr2W8V中有网状碳化物（属过共析组织）；E点左移：W18Cr4V中出现莱氏体组织。3.合金元素对钢热处理的影响1）阻碍奥氏体晶粒长大几乎所有的合金元素都抑制奥氏体晶粒长大，因此，合金钢奥氏体化的温度更高，保温时间更长。（除锰钢外）2）提高钢的淬透性几乎所有的合金元素溶于奥氏体后都能增加过冷奥氏体的稳定性，推迟珠光体的转变，使C曲线右移。3）提高钢的回火稳定性。W18Cr4V钢在560℃回火属于其低温回火4）产生二次硬化原因:含有W、Mo、V等强碳化物的高合金钢在500℃～600℃回火形成细小弥散的特殊碳化物；部分奥氏体转变为马氏体，使钢的硬度显著提高。课题二合金钢的分类1．按化学成分所含合金元素的种类分，可分为：锰钢、铬钢、硅钢、硅锰钢、铬锰钛钢等。2.按合金元素的含量分3.按质量等级分（S、P的含量、奥氏体晶粒大小）1）普通质量2）优质质量3）特殊质量WMe≤5%WMe=（5～10）%WMe≥10%1）低合金钢2）中合金钢3）高合金钢4.按用途分：1）合金结构钢2）合金工具钢3）特殊性能钢工程构件用钢（低合金高强度结构钢）和机械制造用钢（合金渗碳钢、合金调质钢、合金弹簧钢、滚动轴承钢和超高强度钢）。刃具钢（低合金刃具钢和高速钢）、量具钢和模具钢（冷作模具钢和热作模具钢）抗氧化钢、不锈钢、耐热钢、耐磨钢和易切削钢等。课题三合金钢的牌号1.低合金高强度结构钢合金元素含量如﹤1.5％不标数；如1.5％～2.49％标2；2.5％～3.49％标3；3.5％～4.49％标4………类推。如40CrMnTi：平均Wc为0.4%，Cr、Mn、Ti平均含量都低于1.5%的机械结构用合金钢同于普通碳素结构钢，其屈服强度＞275MP2.机械结构用合金钢两位数字（碳含量万分数）+合金元素+合金元素含量（百分数）4.合金工具钢前面冠“0”：平均Wc≤0.08%前面冠“00”：平均Wc≤0.03%一位数字（或没有数字）+合金元素符号+其含量百分数当Wc﹥1.0%时最前面没有数字，如：CrWMn反之则用一位数字表示碳含量的千分数，如：9SiCr但有例外：W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2等其碳量低于1.0%，而未标数。5.特殊性能钢3.滚动轴承钢GCr15：平均WCr为1.5%的滚动轴承钢课题四常用合金钢的特点及其应用1.低合金高强度结构钢（1）性能要求A.良好的综合力学性能

Q345

接近45钢B.良好焊接性能C.良好的抗大气、海水和土壤腐蚀性

比碳钢好D.较低的韧脆转变温度

比碳钢好（2）成分特点A.含碳量低

Wc≤0.2%

，一般Wc=0.16%～0.2%B.合金元素含量低

WMe＜3%主要元素有：Mn→固溶强化Ti、V、Nb→细化晶粒、弥散强化Cu、P→提高耐蚀性（3）用途常用于焊接结构：船舶、车辆（车厢）、压力容器、桥梁、起重机等。（4）常用牌号

Q345专用工程构件结构钢：在牌号的头部（或尾部）标注出代表产品用途的符号。例如表示压力容器用钢牌号表示为“Q345R”；焊接气瓶用钢牌号表示为“Q295HP”；锅炉用钢牌号表示为“Q390g”；桥梁用钢表示为“Q420q”等等。2.机械结构用合金钢承受冲击，有承受摩擦，内韧外硬。Wc=0.10%～0.25%保证心部有良好的塑性韧性；加入Cr、Ni、Mn、Si、B等提高淬透性；V、Ti、W、Mo等细化晶粒；b.最终热处理：正火渗碳后淬火+低温回火1）合金渗碳钢①性能要求：②成分特点、用途及典型的钢号：③热处理特点：a.预先热处理：用途：变速箱齿轮、内燃机上的凸轮、活塞销,如20CrMnTi。2）合金调质钢

Wc=0.25%～0.50%保证综合力学性能，碳量太低强度不足，碳量过高韧性、塑性不够；加入Cr、Ni、Mn、Si、B等提高淬透性；加入Mo、W、V、Ti等细化晶粒，提高回火稳定性，Mo、W还可防止第二类回火脆性。用途：机床主轴、连杆等，如40CrNiMo。a.预先热处理：b.最终热处理：退火或正火淬火+高温回火受力复杂，要求综合力学性能好的重要零件。②成分特点、用途及典型的钢号：①性能要求：③热处理特点：3）合金弹簧钢

用途：a.预先热处理：b.最终热处理：退火淬火+中温回火高的弹性极限，疲劳强度，足够的韧性。①性能要求：②成分特点、典型的钢号及用途：Wc=0.45%～0.70%合金元素有Mn、Si、Cr、W、Mo、V等，其中Mn、Si主要提高钢的淬透性和弹性极限，Si尤其突出。但Si易表面脱碳，Mn易于过热。Cr、W、Mo、V提高淬透性，还可防止脱碳、过热，并能细化晶粒，提高屈强比，弹性极限、高温强度和韧性。制造各种机器和仪表中的弹簧、弹性元件。如60Si2Mn③热处理特点：滚动轴承的内、外套圈和滚动体，还可制造精密量具、冷冲模、丝杠等。如GCr15。4）滚动轴承钢①性能要求：高的硬度和耐磨性、高的弹性极限和接触疲劳强度、足够的韧性和耐蚀性。②成分特点及典型的钢号：Wc=0.95%～1.10%保证高硬度高耐磨性。加入Cr，提高淬透性、形成合金渗碳体、提高硬度、接触疲劳强度、耐磨性和耐蚀性。大型的轴承中再加入Si、Mn可进一步提高淬透性、提高强度和弹性极限。用途：a.预先热处理：b.最终热处理：球化退火进一步消除应力、稳定尺寸要进行冷处理+时效处理。淬火+低温回火③热处理特点：5）超高强度钢：屈服点大于1300MPa或抗拉强度大于1400MPa,航空航天工业，制造超音速飞机及火箭壳体的重要材料。3.合金工具钢合金工具钢（刃具、量具、模具）刃具钢的基本要求是：①高的耐磨性；

②高硬度；一般大于60HRC

③高的弯曲强度和足够的塑性、韧性；

④高的红硬性（热稳定性）。制造各种金属切削刀具，如车刀、铣刀、刨刀、钻头等。1）低合金工具钢a.高C:0.9%～1.1%；b.加入Cr、Mn、Si提高淬透性；Si提高回火稳定性；c.加入W、V细化晶粒，提高耐磨性。a.高硬度:HRC＞60b.高耐磨性c.高热硬性d.足够塑性和韧性①成分特点：②性能特点：组织：M＋合金ｋ＋少量A'③典型钢号：9SiCr、CrWMn9SiCr如板牙,丝锥,冷冲模,木工工具,低速切削刃具CrWMn如拉刀,冲模,样板,量规④热处理特点：预先热处理：最终热处理：球化退火淬火+低温回火2)高速钢在高速切削过程中，刀具的刃部温度可达600℃以上，它在600℃时，仍能使硬度保持HRC60以上，从而保证其切削性能和耐磨性。高速钢刀具的切削速度可比碳素工具钢和合金工具钢刀具增加1～3倍，而耐用性增加7～14倍，因此，高速钢在机械制造工业中被广泛地采用。①成分特点a.高C:0.7%～1.5%b.加入Cr提高淬透性c.加入W,Mo提高热硬性d.加入V提高耐磨性②性能特点及典型钢号高硬度:HRC＞60；高耐磨性；高热硬性；足够塑性和韧性。丝锥、铰刀、钻头等耐磨性和韧性好。锻造特点：反复锻造为了打碎鱼骨状的碳化物。W18Cr4VW6Mo5Cr4V2车刀、铣刀、刨刀、钻头、拉刀、③热处理特点高温淬火：等温或球化退火＋1280℃淬火＋560℃～580℃回火(三次)为了让更多的合金元素溶入奥氏体，为二次硬化打下基础；多次预热：因为大量的合金元素使导热性变差，为了升温均匀，加热均匀。为了减少残余奥氏体的量，提高硬度。多次回火：W18Cr4V钢的铸态组织和锻后退火组织W18Cr4V钢铸态组织500×W18Cr4V钢锻后退火组织500×W18Cr4V钢的淬火、回火工艺曲线W18Cr4V钢的淬火、回火工艺W18Cr4V钢的淬火组织W18Cr4V钢的淬火组织500×淬火的组织经8%～10%的硝酸酒精侵蚀后，主要是把未溶碳化物和奥氏体晶界显露出来，而马氏体却不能显示。常见的刀具、刃具丝锥机铰刀手铰刀高速钢钻头高速钢铣刀板牙3）合金量具钢用途：各种测量工具如卡尺、千分尺、量块、塞规等。性能要求：成分特点：量具用钢：①高硬度和高耐磨性②高尺寸稳定性，热处理变形小。高碳WC=0.9％～1.5％加入Cr、W、Mn等提高淬透性。10、20或50、55、60、60Mn、65MnT10A、T12A、9SiCr一般量规和量块Cr、CrMn、GCr15高精度量规和量块CrWMn高精度形状复杂的量规和量块抗蚀量具4Cr13、9Cr18样板或卡规4)合金模具钢分类：冷作模具钢热作模具钢塑料模具钢一般用其它钢替。①冷作模具钢常用冷作模具包括拉延模、拔丝模、压弯模、冲裁模(落料、冲孔、修边模、冲头、剪刀模等)、冷镦模和冷挤压模等。a.服役条件：冷冲裁模—刃口经受反复冲击摩擦和弯曲应力。冷挤压模—承受很高的压缩应力和承受拉应力。也承受着冲击负荷。其刃口部分与强烈流动的金属之间摩擦。b.性能要求：高硬度:58～62HRC高耐磨性和红硬性足够韧性和疲劳抗力淬透性好，热处理变形小c.成分特点：d.典型钢号：Cr12MoV高C:1.4%～2.3%加入大量Cr提高耐磨性和淬透性加入W、Mo、V提高耐磨性常用的冷作模具钢及用途主要用途小动载、高耐磨、简单形状之拉伸机冲裁模下料模、冲头、滚丝轮、冷镦模、剪刀片等下料模、冲头、成型模、搓丝板及小型塑料模下料模、搓丝板、压印模、顶出杆、刀片等重载铁板落料及剪刀片等冷作模具钢中国(GB)Cr12Cr12MoVCrWMn9SiCr6Crw2Sie.热处理特点

球化退火＋(950℃～1000℃)淬火＋低温回火耐磨性和韧性好，用于重载模具；球化退火＋1100℃～1150℃淬火＋510℃～520回火（3次）耐磨性和红硬性好400℃～450℃温度下工作的模具。②热作模具钢热作模具钢是用以制造在高温下金属材料塑性成形的一类模具。如热锻模、热挤压模、热冲裁模和金属压铸模。a.工作条件—大的冲击载荷、强烈的摩擦、剧烈的冷热循环所引起的热应变和热应力，以及高温氧化。b.失效的基本形式可分为：塑性变形；磨损；疲劳；断裂。c.性能要求高的高温耐磨性和红硬性；高的热强性和抗氧化性能；足够韧性和热疲劳抗力；淬透性好，热处理变形小。d.成分特点：中C:0.3%～0.6%以保证高强度、韧性、热疲劳抗力和较高的硬度；加入Cr、Ni、Mn、Si提高淬透性、回火稳定性和热疲劳抗力；加入W、Mo、V提高热硬性和热强性。

f.热处理特点：预先热处理：最终热处理：退火或正火淬火+中温/高温回火e.典型钢号及其应用：5CrMnMo：淬透性一般，价格较低，淬火后硬度和5CrNiMo相近，而塑性韧性相对低一些。用于制造形状简单，厚度小于250毫米的小型热锤锻模。5CrNiMo：淬火后综合力学性能较好，热强性和淬透性一般。用于制造形状简单，工作温度一般，厚度在250-350毫米之间的中型热锤锻模块。3Cr2W8V：有较高的强度、硬度及抗回火稳定性，用于制造工作温度≥550℃并承受较高的静载荷，而冲击载荷较低的锻造压力机模或热挤压模具。5CrNiMoV：淬透性，淬硬性较5CrNiMo、5CrMnMo显著改善.用于制造厚度＞350毫米，型腔复杂，受力载荷较大的大型锤锻模或锻造压力机热锻模。是一种新型热作模具钢，它具有高的热强性、高韧性和冷热疲劳性能。用该钢制作的镶块模在锻造耐热合金、耐热不锈钢时，其寿