第7章 合金钢.ppt

1、工程材料,第七章 合金钢,第七章 合金钢( Alloyed Steel ),合金钢的基础知识 合金结构钢 合金工具钢 特殊性能钢,第一节 合金钢的基础知识,一.合金元素对钢的组织和性能的影响,合金元素与铁和碳的作用。,合金元素对Fe-Fe3C相图的影响。,合金元素对钢的热处理的影响。,一)合金元素与铁和碳的作用,1.溶于基体中形成合金 F 或合金 A 。,2.与碳作用形成合金碳化物(Fe,Cr)3C。,3.单独形成特殊碳化物 TiC、VC 。,1.溶于基体中形成合金F或合金A,1.溶于基体中形成合金F或合金A,2.与碳作用形成合金碳化物,Fe、Mn、Cr、Mo、W、V、Ti、Nb、Zr,弱碳化

2、物元素: Fe、Mn。,中强碳化物元素: Cr、Mo、W。,强碳化物元素: V、Ti、Nb、Zr。,碳化物形成元素在周期表中都是 位于铁元素的左边的过渡族金属元素, 它们都有一个未填满的d电子亚层,当 形成碳化物时,碳原子首先将其价电子 填入金属原子未填满的d电子亚层,使 形成的碳化物具有金属键结合的性质, 金属原子的d电子亚层愈不满(周期表 中,在铁左边离铁愈远),则其与碳的亲 和力愈强,形成碳化物的能力愈大,愈 稳定,而且不易分解。,3.单独形成特殊碳化物,熔点、硬度、耐磨性最高。,稳定性最高。,TiC、NbC、VC。,二)合金元素对Fe-Fe3C相图的影响,扩大奥氏体区 缩小奥氏体区 改

3、变共晶点和共析点的参数,1.扩大奥氏体区的合金元素,Mn、Ni、Co等元素。,作用: 使A3线温度下降, A4线温度上升。,Mn 元素对奥氏体区的影响,2.缩小奥氏体区的合金元素,Cr、Mo、W、V、Ti、Si 等元素。,作用: 使A3线温度上升, A4线温度下降。,Cr 元素对奥氏体区的影响,3.改变共晶点和 共析点参数的元素,几乎所有的合金元素。,作用: 使S点和E点的成分向左移。 使A1线的温度变化。,合金元素对 S 点成分的影响,合金元素对A1线的影响,三)合金元素对钢的热处理的影响,加热时对奥氏体形成的影响 对过冷奥氏体转变的影响 对回火转变的影响,1.合金元素对加热时 奥氏体形成的

4、影响,除Mn 元素外,所有合金元素的加 入,均使奥氏体的形成速度减慢。,强碳化物形成元素能强烈的阻止奥 氏体晶粒长大( Ti、V、Zr、Nb 等)。,非碳化物形成元素能轻微的阻止奥 氏体晶粒长大( Si、Ni、Cu、Co 等)。,2.合金元素对 过冷奥氏体转变的影响,除 Co 元素外, 所有的合金元素均使 钢的 TTT 曲线向右移。,除 Co、Al 元素外, 所有的合金元素 都使马氏体转变温度下降。,提高钢的淬透性, 常用的元素有: Cr、Mn、Mo、Si、Ni、B等。,3.合金元素对回火转变的影响,回火抗力的增加 ( temper resistance ),二次硬化的产生 ( seconda

5、ry hardening ),产生回火脆性 ( temper brittleness ),W、Mo、V 等碳化物在550时,使钢达到最高硬度, 产生二次硬化。,Cr-Ni 钢的回火脆性示意图,防止第二类回火脆性的产生的方法:,在500600 快速冷却。,加入合金元素W、Mo。,二.合金元素在钢中的作用,1.主加元素: 对提高钢的性能起主要作 用。 Si、Mn、Cr、Ni、B。,2.辅加元素: 配合主加元素进一步提高 钢的性能,弥补主加元素的 不足与缺陷。 W、Mo、V、Ti、Nb。,第二节 合金结构钢 ( Alloy Constructional Steel ),普通低合金钢 合金渗碳钢 合金

6、调质钢 弹簧钢 滚动轴承钢 易切削钢,一.普通低合金钢 ( common low alloyed steel ),1.化学成分: 碳素结构钢 + 合金元素,主加合金元素: Mn 1.8 %以内。,辅加合金元素:V、Ti、Nb、B。,一.普通低合金钢,2.牌号: Q 345 C,一.普通低合金钢,Q460钢含Mo、B，正火组织 为B，强度高，用于石化中温 高压容器。,压力容器,南京长江大桥,Q345钢(16Mn)综合性能好， 用于船舶、桥梁、车辆等大 型钢结构。,Q390钢含V、Ti、Nb，强度 高，用于中等压力的容器。,二.碳素渗碳钢及合金渗碳钢( carbon case-hardened s

7、teel and alloy case-hardened steel ),1.对渗碳钢的性能要求:,2.对渗碳钢的含碳量的要求:,低碳,3.渗碳钢的热处理特点:,表硬里韧,Wc 0.25 %,Wc = 0.150.25 %,合金元素:Cr、Mn、 Ni、B、V、W、 Mo、Ti等。,表层:M回+Fe3C+A残,心部:F+P,表层:M回+Cm+A残,心部:低碳M回 +F,4.合金渗碳钢的牌号,20 Mn2 Ti A,5.典型合金渗碳钢种介绍,低淬透性合金渗碳钢 钢含合金元素总量3 % 15Cr、20Cr、20Mn2。用 于受力小的耐磨件，如柴 油机的活塞销、凸轮轴等。,中淬透性合金渗碳钢 钢含合

8、金元素总量在4 %左 右。20 CrMn、20CrMnTi、 20Mn2TiB。用于中等载荷 的耐磨件，如变速箱齿轮。,柴油机凸轮轴,活塞销( 20Cr ),5.典型合金渗碳钢种介绍,高淬透性合金渗碳钢 钢含合金元素总量在 4 % 6 %。18Cr2NiWA、 20Cr2Ni4A等。用于大载荷 的耐磨件，如柴油机曲轴。,柴油机曲轴,20 CrMnTi 钢制造齿轮的 热处理工艺曲线,三.碳素调质钢及合金调质钢 ( carbon hardened tempered steel and alloy hardened tempered steel ),1.对调质钢的性能要求:,既强又韧,2.对调质钢的

9、含碳量的要求:,中碳,3.调质钢的热处理特点:,淬火 + 高温回火( 500650 ),Wc = 0.250.6 %,Wc = 0.250.5 %,合金元素: Cr、Mn、 Ni、B、Si、V、 W、Mo、Ti等。,表层: S回,心部: P + F,表层: S回,心部: S回,4.合金调质钢的牌号,38 Cr Mo Al A,5.典型合金调质钢种介绍,低淬透性调质钢,钢含合金元素总量3 %。,40Cr、40MnB等。,中淬透性调质钢,钢含合金元素总量在4 % 左右。,38 CrSi、35 CrMo 等。,常用于制造较小的齿轮、 轴、螺栓等零件。,5.典型合金调质钢种介绍,高淬透性调质钢,钢含合

10、金元素总量在4 % 10 %。,制造大截面重载荷零件，如 曲轴等用高淬透性的零件等 。 38 Cr Mo Al A、40 Cr Mn Mo、 25 Cr2 Ni4 W A等。,40Cr钢制造连杆螺栓的 热处理工艺曲线,四.碳素弹簧钢及合金弹簧钢 ( carbon spring steel and alloy spring steel ),1.对弹簧钢的性能要求:,高的e、高的s/ b、高的-1、良好的韧性。,2.对弹簧钢含碳量的要求:,中、高碳。,3.热成型弹簧钢的热处理特点:,淬火 + 中温回火( 450550 ),碳素弹簧钢,合金弹簧钢,化学成分,热处理后的组织,Wc = 0.60.9 %

11、,Wc = 0.50.7 %,合金元素: Si、Mn、 Cr、V、W、Mo等。,T回,制造尺寸小于 815mm的 小型弹簧。,T回,制造尺寸在2025 mm左右的弹簧。,4.合金弹簧钢的牌号,65 65 Mn 60 Si 2 Mn 50 Cr V A 50 Cr Mn A 55 Si Mn Mo V Nb,5.冷成形弹簧生产工艺特点,用于生产尺寸小于815mm的小型弹簧,常用弹簧钢丝(片)冷绕成形,其制造方法有: T组织冷成型+200300去应力 退火。60、75、85、65 Mn。 T回组织冷成型+去应力退火。 退火组织冷成型+淬火+中温回火。 55Si2Mn、60Si2MnA、50CrVA

12、。,五.滚动轴承钢 ( bearing steel ),1.性能要求:,高的硬度强度和耐磨性; 高的接触疲劳强度; 足够的韧性和耐蚀性; 高的纯净度;,五.滚动轴承钢 ( bearing steel ),2.化学成分特点:,高碳, Wc = 0.91.1%。 主加Cr, 0.41.65 % 辅加Si、Mn。 优质钢材。,五.滚动轴承钢 ( bearing steel ),3.热处理特点:,球化退火+ 淬火+ 低温回火,极细回火马氏体+细粒状碳化物+少量残余奥氏体,4.滚动轴承钢的牌号,G Cr9 Si Mn,5.铬轴承钢制造轴承的工艺路线,锻造 球化退火 机加工 淬火 + 冷处理 ( 60 8

13、0;1h ) 低温回火 磨削加工 稳定 化处理 ( 120 130；5 10h ),六.易切削钢( fee cutting steel ),2.性能要求:,降低切削力和切削热,减少 刀具磨损,延长刀具寿命,改 排屑性能,提高切削速度。,3.化学成分特点:,1.用途:,适用于高速切削和在自动加工机 床上加工的材料。,S:Ws = 0.080.3% Pb:WPb=0.150.25% Ca:微量,4.易切削钢的牌号,Y 40 Mn,5.易切削钢的热处理工艺特点,低碳易切削钢 ( Y12、Y15、Y20 ) 渗碳或淬火成低碳马氏体。,中碳易切削钢 ( Y40 ) 调质及表面淬火。,第三节 合金工具钢

14、( Alloy tool steel ),合金刃具钢 ( alloy cutting steel ) 合金模具钢 ( alloy die steel ) 合金量具钢( alloy measuring steel ),量 具,刃 具,一.碳素刃具钢 ( carbon cutting steel ),1.性能要求:,高硬度、高耐磨性,有一 定的强度和韧性。,2.化学成分特点:,高碳。,3.热处理特点:,淬火 + 低温回火,4.组织: M回 + Fe3C + A残,5.用途:用于低速、低温(200）、 低冲击、硬度在HRC62左右的 刃具。,一.碳素刃具钢 ( carbon cutting stee

15、l ),锉 刀,手 锤,二.合金刃具钢( alloy cutting steel ),种类 : 低合金刃具钢 ; 高速钢。 牌号 :,1.低合金刃具钢,1.性能要求:,高硬度、高耐磨性、有一 定的红硬性、强度和韧性, 工作温度不超过300。,2.化学成分特点:,*高碳 *加入Cr、Mn、Si、 W、V 等合金元素。,3.热处理特点:,9 SiCr 钢板牙热处理工艺曲线,板牙,2.高速钢 ( high speed steel ),(1) 性能要求:,高硬度、高耐磨性、高的红 硬性(600时,HRC63以上) 、有一定的强度和韧性。,高速钢 - 锋钢、风钢 ; 18 4 1 钢,(2) 化学成分特

16、点:,高碳 0.71.5%:,钨 18%:,钼 5%:,铬 4%:,钒1.5%:,保证高硬度,退火状态下形成M6C碳化物, 在560左右回火时, 弥散析 出W2C, 造成二次硬化, 提高 钢的红硬性。,1%Mo的作用等同于2%W。,形成Cr23C6碳化物;提高钢的 淬透性。,形成VC, 硬度极高, 提高钢的 硬度和耐磨性, 产生二次硬化。,(3) 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M6C,钢的韧性大 幅下降。,W18Cr4V钢的铸态组织,W18Cr4

17、V钢的铸态组织,W18Cr4V铸态组织 420 ,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。,W18Cr4V锻造组织 210 ,球化退火:消除应力,调整组织,便于机加工, 为淬火作好组织准备。,球化退火后的组织 : S + 粒状 Cm,W18Cr4V球化退火组织 420 ,W18Cr4V钢的热处理过程示意图,淬火 : 1280; 淬火后的组织:M+Cm+A残(2025%),W18Cr4V钢淬火组织,W18Cr4V淬火组织 300 ,三次570回火,在570回火时 , 产生二次硬化。,三次570回火,*淬火后A残约2025 %。,*第一次回火后A残约剩1518 %。,*

18、第二次回火后A残约剩35 %。,*第三次回火后A残约剩12 %。,回火后的组织: M回 + Cm + A残 ( 1 2 % ),组织硬度为HRC65以上。,W18Cr4V淬火+ 一次回火组织,W18Cr4V淬火+一次回火组织 105 ,W18Cr4V淬火+ 三次回火组织,W18Cr4V淬火+ 三次回火组织 420 ,三.合金模具钢( alloy die steel ),热作模钢:工作温度为600以上。,冷作模钢:工作温度为200300。,一) 热作模钢 ( hot die steel ),1.性能要求:,高的热硬性、高温耐磨性; 高的抗氧化能力; 高的热强性和足够高的韧性; 高的热疲劳抗力(

19、防止龟裂 ); 高的淬透性和导热性;,2.化学成分特点:,中碳 0.30.6 %; 合金元素:Cr、Ni、Mn、 Si、Mo、W、V。,曲轴模具,3.热处理特点: *热锻模钢: 5 CrMnMo 热处理工艺: 淬火 + 550回火 热处理后的组织: S回或T回,3.热处理特点: *热压模钢: 3 Cr2W8V 热处理工艺: 淬火 + 600三次回火 热处理后的组织: M回 + Cm粒状,汽车四缸压铸模,二) 冷作模钢 ( cold die steel ),1.性能要求:,高的硬度,HRC62; 高的耐磨性; 足够高的韧性与疲劳抗力; 热处理变形小;,2.化学成分特点:,高碳 12 %; 合金元

20、素:Cr, Mo、W、V。,汽车冲压模具,3.热处理特点: *一次硬化法: 淬火 + 低温回火 ( 9501000 ) ( 150180 ) *二次硬化法: 淬火 + 三次回火 ( 11001000 ) ( 510520 ),热处理后的组织: M回 + Cm + A残,牌号: Cr12、Cr12MoV,四.合金量具钢 ( alloy measuring steel ),1.性能要求:,高的硬度, HRC62; 高的耐磨性; 高的尺寸稳定性; 足够高的心部韧性; 热处理变形小; 尺寸稳定; 良好的耐蚀性;,3.热处理特点:,4.热处理后的组织: M回 + Cm,5.牌号: CrWMn、4Cr13

21、、GCr15、 9SiCr、T12A、60等。,2.化学成分特点:,高碳 0.91.5 %; 合金元素:Cr, Mn、W。,CrWMn钢制造块规退火后的 热处理工艺,二、模具钢,第四节 合金结构钢,华中科技大学材料系开发研制的部分模具钢,第四节 特殊性能钢 ( special performance steel ),不锈钢 ( stainless steel ) 耐热钢 ( heat resistant steel ) 耐磨钢 ( wear resistant steel ),一.不锈钢 ( stainless steel ),1.定义: 在腐蚀介质中具有很高的抗腐 蚀能力的钢。,2.概念:*

22、在空气中的年腐蚀量为0.01mm 以内的钢, 称为在空气中使用的 不锈钢。 *在强酸、强碱介质中的年腐蚀 量为0.1mm以内的钢,称为在强 酸、强碱介质中使用的不锈钢。,3.金属腐蚀的机理,金属腐蚀的种类:,1)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)电化学腐蚀:金属与介质 ( 电解质溶 液,即酸、碱、盐溶液 ) 发生电化学反应而产生 的腐蚀。,电化学腐蚀过程示意图,珠光体电化学腐蚀示意图,4.金属的防腐措施:,1)覆盖层保护: 涂漆、电镀、发蓝、磷 化等工艺。,2)形成氧化层: 加入合金元素Cr、Al、 Si 等,

23、形成Cr2O3、SiO2、 Al2O3等氧化膜。,3)提高金属的电极电位: 加入合金元素 Cr、Ni、Si等,提高金属 基体的电极电位。,4)使钢在室温下呈单相组织: 加入合金元素 Mn、Ni、Co等能扩大 区,可在室温获得奥氏体钢。 加入合金元素 Cr、Mo、W、V、Ti、 Si 等能扩大区,可在室温获得铁素体 钢。,5)减少与消除钢中的各种不均匀现象: 偏析、应力、组织等。,6)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。,5.化学成分特点: * 低碳:耐蚀性要求愈高,碳含量愈低。 * 合金元素:主加Cr。 辅加Ni、Mo、Cu、Ti、 Nb、Mn 等。,6.常用

24、的不锈钢: *马氏体型不锈钢 *铁素体型不锈钢 *奥氏体型不锈钢,1)马氏体型不锈钢 - Cr13型钢 Martensitic stainless steel,化学成分特点: Wc = 0.1 0.4 % WCr = 13 %,热处理特点:正火后的组体是马氏体。,牌号: 1Cr134Cr13,用途: 医疗器械,医用镊子,1Cr13金相组织图,1Cr13供货状态组织 ( 化染 ) 580 ,2)铁素体型不锈钢 ( Ferritic stainless steel ),化学成分特点: Wc = 0.1 %左右 WCr = 17 %,热处理特点: 不能进行热处理强化。,牌号: 1Cr17、1Cr17

25、Ti、1Cr28等。,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。,铁素体型不锈钢的用途,硝酸生产装置,合成氨生产装置,3)奥氏体型不锈钢-18 8型钢 ( Austenitic stainless steel ),化学成分特点: Wc = 0.08 0.14 % WCr = 1719 % WNi = 811 % Cu、Ti、Mo等。,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; 消除应力退火。,牌号: 0Cr18Ni9、1Cr18Ni9、 0Cr18Ni9Ti、1Cr18Ni9Ti。,用途: 化工容器、管道等。,1Cr18Ni9Ti固溶处理组织金相图,1Cr18Ni9Ti固溶处理组织 580 ,二.耐热钢 ( heat-resisting steel ),1.定义:在高温下具有抗氧化性