合金钢材料及表面处理.ppt

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1、第七章 合金钢,第七章 合金钢,合金,碳素钢,合金钢,？,主要由Fe、C两元素组成，含其它杂质元素，如Si、Mn、S、P、N等,在碳素钢的基础上有目的地添加了其它合金元素，如Mn、Si、Ni、V等。,杂质元素,合金元素,同为Si、Mn等非Fe、C元素，为何在碳素钢中称为杂质元素，而在合金钢中则称为合金元素？,为何要在碳钢的基础上加上其它合金元素？,为了改善钢的某种性能，有意加入的元素称为合金元素，而在炼钢过程中作为脱氧剂或者由于其它某种原因残留在钢中的称为杂质元素！,获得比碳素钢更好的性能强硬度、塑韧性、耐腐蚀性、尺寸稳定性、耐摩擦性能、易切削性等。,第七章 合金钢,7.1 碳素钢7.2 合金

2、钢7.3 合金结构钢7.4 合金工具钢7.5 特殊性能钢,本 章 主 要 内 容,第七章 合金钢,7.1 碳素钢,7.1 碳素钢,一、成分和分类,主要元素C：0.0218-2.11%,有益常存元素Si、Mn：产生固溶强化有害常存元素P：冷脆 S：热脆 O、H、N：强度、塑性、韧性,1.成分,按含碳量分类,2.分类,低碳钢：0.0218-0.25%,中碳钢：0.25-0.6%,高碳钢：0.6-2.11%,按质量（S、P含量）分类,普通碳素钢：S不大于0.05%P不大于0.045%,优质碳素钢：S不大于0.035%P不大于0.035%,高级优质碳素钢：S不大于0.025%P不大于0.025%,按用

3、途分类,碳素结构钢,优质碳素钢,碳素工具钢,7.1 碳素钢,二、碳素钢的牌号及用途,1.普通碳素结构钢,成分：含碳量在0.06-0.38%之间；非金属夹杂物和有害元素含量较高。,牌号：Q+数字+质量等级符号+脱氧方法符号组成，质量等级符号分别为 A、B、C、D。脱氧方法 符号 F表示沸腾钢，B表示半镇静钢，Z表示镇静钢，TZ表示特殊镇静钢，镇静钢可不标符号，即ZT和TZ 都可不标。如：Q235-A，F 其中Q表示屈服强度，235为屈服强度最小值，A为质量等级，F脱氧方法,7.1 碳素钢,7.1 碳素钢,应用：钢板、钢筋、型钢等，做桥梁建筑构件,多边型角钢,螺钉、铆钉,钢筋、螺纹钢,7.1 碳素

4、钢,2.优质碳素钢,成分：含碳量在0.05-0.7%之间；有害元素含量较低。,牌号：如 45钢（0.45%），60钢（0.6%）等 两位数字表示含碳量，以万分之一为单位,7.1 碳素钢,7.1 碳素钢,应用：较重要机械零件，如轴、齿轮、弹簧等,汽车曲轴,需要进行一定的热处理，如淬火、回火，渗碳等,7.1 碳素钢,3.碳素工具钢,成分：含碳量较高；S和P的含量严格控制。,牌号：如 T8（0.8%），T12（1.2%）如在数字后出现A，表示高级优质钢，如T12A,7.1 碳素钢,7.1 碳素钢,用途：冲头、凿子、钻头、锉刀、量规等,热处理：淬火+低温回火组织：回火M 粒状Fe3C+A,7.1 碳素

5、钢,碳素钢牌号,1.碳素结构钢,2.优质碳素钢,3.碳素工具钢,Q235-A，F；Q255,20钢（0.2%）；45钢（0.45%）万分之一,T8（0.8%）；T12（1.2%）千分之一,7.1 碳素钢,碳素钢总结,碳素钢品种齐全，冶炼、加工成型比较简单，价格低廉。经过一定的热处理后，其力学性能得到不同程度的改善和提高，可满足工农业生产中许多场合的需求。但是碳素钢的淬透性比较差，强度、屈强比、高温强度、耐磨性、耐腐蚀性、导电性和磁性等也都比较低，它的应用受到了限制。为了提高钢的某些性能，满足现代工业和科学技术迅猛发展的需要，人们在碳素钢的基础上，有目的地加入了锰、硅、镍、钒、钨、钼、铬、钛、硼

6、、铝、铜、氮和稀土等合金元素，形成了合金钢,7.1 碳素钢,一、对Fe-C合金基本相的影响,铁素体,奥氏体,渗碳体,溶入F中形成合金铁素体，产生固溶强化效果（PSi Mn Ni）,溶入A中形成合金奥氏体，淬火后形成合金马氏体,形成合金渗碳体(Fe，Me)3C或者特殊碳化物（如VC，TiC等）,按合金元素与C元素的亲和能力：Ti Zr Nb V W Mo Cr Mn Fe,强碳化物形成元素Ti、Zr、Nb、V 等易形成特殊碳化物（难溶）具有较高熔点、硬度和稳定性，高温时不易溶于A中 中碳化物形成元素 W、Mo、Cr，两类碳化物都可形成可形成(Me)3C，又可形成特殊碳化物，硬度、熔点、耐磨性和热

7、稳定性比渗碳体要高，加热时，溶入A中，可提高钢的高温强度、淬透性等 弱碳化物形成元素Mn形成合金渗碳体（易溶）形成(Me)3C，硬度、熔点、耐磨性和热稳定性不如特殊碳化物，易溶于A，,7.2 合金钢,合金钢的种类繁多，根据选材、生产，研究和管理等不同的要求，可采用不同的分类方法：,1.按合金钢的用途分类,1)合金结构钢 2)合金工具钢 3)特殊性能用钢,2.按合金元素的含量分类,低合金钢：钢中合金元素总的质量分数WMe5。中合金钢：钢中合金元素总的质量分数Wme：510。高合金钢：钢中合金元素总的质量分数WMe10。,3.按平衡状态或退火组织分类,亚共析钢、共析钢、过共析钢和莱氏体钢。,6.2

8、.2 合金钢的分类,7.2 合金钢,7.3 合金结构钢,一、牌号及其表示方法二、普通低合金结构钢三、易切削钢四、渗碳钢五、调质钢六、弹簧钢七、滚动轴承钢,7.3 合金结构钢,一般表示方法：“两位数字+元素符号+数字+”,表示含碳量，万分之一为单位,表示合金含量，百分之一为单位，四舍五入取整，当含量低于1.5%时，数字省略,高级优质钢在最后加A表示,举例,60Si2Mn,w(C)=0.6%,w(Si)=1.5-2.4%,w(Mn)1.5%,18Cr2Ni4WA,w(C)=0.18%,w(Cr)=1.5-2.4%,w(Ni)=3.5-4.4%,w(W)1.5%,高级优质钢,特例：滚动轴承钢（GCr

9、15），G表示滚动轴承，Cr是常加元素，15表示含铬量千分之一为单位 易切削钢（Y40Mn），Y表示易切削钢，后面部分与一般表示方法相同,GCr25与Cr12的含铬量？含碳量？,牌号及其表示方法,普通低合金结构钢,普通低合金结构钢（普低钢）：在低碳碳素结构钢的基础上加入少 量合金元素（3%）获得的钢种。又称为：低合金高强度钢，同碳下，较碳素钢强度高10-30%。,含碳量：0.2%,主加元素：Mn（）%，溶入铁素体，起固溶强化作用；细化珠光体，起细晶强化作用,辅加元素：Nb、V、Ti，形成稳定碳化物，起第二相弥散强化作用，并阻碍A晶粒长大，起细晶强化作用,性能：强度、韧性高，焊接、冷成形性能好,

10、热处理、组织：热轧空冷，F+S,普通低合金结构钢,应用：常用于工程机械领域，如,高压容器,桥梁,船舶,车辆,返回,普通低合金结构钢,易切削钢,易切削钢：为了提高钢的切削加工性能，而加入一种或几种合金元素，形 成易切削钢。,主加元素：S（）%，形成夹杂物，使切屑容易脆断 具有减摩作用，降低切削力和切削热 减低表面粗糙度，延长刀具使用寿命,性能：具有良好的切削性能,Pb（）%，降低摩擦系数、切屑变脆易断,Ca（）%，形成硅酸盐保护膜，降低磨损,返回,渗碳钢,渗碳钢：用于制造渗碳零件的钢。,性能要求：表面具有较高的硬度和耐磨性 心部具有良好的塑性和韧性,外硬内韧,成分：w(C)=(0.1-0.25)

11、%，保证心部具有良好的塑性和韧性 合金元素Cr、Mn、B：提高淬透性，强化铁素体，改善表面 和心部的组织和性能 Ni：提高心部强度，提高韧性和淬透性 少量Mo、W、V、Ti：稳定的合金碳化物，细化晶粒，提高表层硬度和耐磨性,热处理：正火处理（改善锻造的不良组织）+渗碳+淬火+低温回火,室温组织：表面是回火马氏体+合金碳化物+残余奥氏体，60-62HRC 心部淬透时：低碳回火马氏体+铁素体 心部为淬透：索氏体+铁素体,渗碳钢,常用渗碳钢：低淬透性渗碳钢，20Cr、15Cr、20Mn2、20Mn2V等 中淬透性渗碳钢，20CrMnTi、20CrMnMo等 高淬透性渗碳钢，18Cr2Ni4WA、20

12、Cr2Ni4A,渗碳钢,应用：低淬透性渗碳钢，活塞销、小齿轮等 中淬透性渗碳钢，汽车变速齿轮、连轴节等 高淬透性渗碳钢，内燃机的牵引齿轮、柴油机的曲轴等,返回,渗碳钢,调质钢：经调制处理后使用的钢称为调质钢。,性能要求：较高的强度和良好的塑韧性相配合,良好的综合机械性能,成分：w(C)=0.30.50%，中碳钢，保证强硬度和塑韧性的搭配 Zr、Ni、Si、Mn：提高淬透性，强化铁素体 V、Ti、Mo、W：细化晶粒，提高回火稳定性，Mo、W还能 防止第二类回火脆性,热处理：退火或正火+淬火+高温回火（快速冷却）,室温组织：回火索氏体,常用调质钢：,低淬透性合金调质钢：40Cr、40MnB等中淬透

13、性合金调质钢：35CrMo等高淬透性合金调质钢：40CrNiMoA等,调质钢,举例说明：40Cr做柴油机曲轴、拖拉机连杆、螺栓等 Cr（0.8-1.1%）提高淬透性，C保证强硬度和塑韧性的搭配；,弹簧钢：用于制造各种弹性零件的钢。,性能要求：具有较高的弹性极限和强度 具有较高的疲劳强度和屈强比 具有较高的塑性和韧性，承受冲击载荷 具有耐热性和耐腐蚀性,成分：w(C)=(0.4-0.7)%，中碳钢 Si、Mn提高淬透性和屈强比，但易引起脱碳和过热 Cr、V、W减小脱碳和过热倾向同时，提高淬透性和强度,热处理：,热轧弹簧：热成型 淬火+中温回火 喷丸冷轧弹簧：淬火+中温回火 冷成型 去应力 喷丸,

14、组织：回火T,弹簧钢,常用弹簧钢：,Si、Mn系列弹簧钢：65Mn、60Si2Mn等，用于制作大截面的弹簧,Cr、V、W、Mo系列弹簧钢：50CrVA、60Si2CrVA，制作较高温 度下使用的承重弹簧,返回,弹簧钢,滚动轴承钢：用于制造各种滚动轴承零件如轴承内外套圈，滚动体的专用钢。,性能要求：具有较高的淬透性 具有高而且均匀的硬度和耐磨性 具有良好的韧性、弹性极限和接触疲劳强度 具有良好的耐腐蚀性（润滑介质条件下）,化学成分：w(C)=0.951.10%（不标出含碳量的数字）合金元素Cr：提高淬透性和回火稳定性，形成细小合金渗碳体 Si、Mn、V：进一步提高淬透性、强度、耐磨性和回火稳定性

15、,热处理：球化退火+淬火+低温回火（61-65）HRC,常用轴承钢：铬轴承钢GCr15 其它轴承钢GCr15SiMn、GSiMnV等,组织：回火马氏体+细小碳化物+少量残余奥氏体,滚动轴承钢,滚动轴承钢,合金结构钢复习,一般表示方法：“两位数字+元素符号+数字+”,表示含碳量，万分之一为单位,表示合金含量，百分之一为单位，四舍五入取整，当含碳量低于1.5%时，数字省略,高级优质钢在最后加A表示,举例：,40CrMnMo,60Si2MnWA,20CrMnTi,普低钢、易切削钢、渗碳钢、调质钢、弹簧钢、滚动轴承钢,常用合金结构钢：,40Cr,GCr15,7.4 合金工具钢,在碳素工具钢基础上加人一

16、定种类和数量的合金元素，用来制造各种刃具、模具、量具等用钢就称为合金工具钢。,7.4 合金工具钢,牌号：T8、T12,用途：凿子、锉刀、量具等,热处理：淬火+低温回火,室温组织：回火M+球状渗碳体+残余A,7.4.1 牌号表示方法7.4.2 刃具钢7.4.3 模具钢7.4.4 量具钢,7.4 合金工具钢,7.4 合金工具钢,牌号的一般表示方法,合金元素：表示方法与合金结构钢相同,高速钢，不论含碳量多少都不标，W18Cr4V（）,7.4.1 牌号表示方法,含碳量：W(C)1.0%，不标；W(C)1.0%，以一位数表示，千分之一为单位,合金结构钢中合金元素是怎么表示的？含碳量又是如何表示的？,特例

17、,返回,7.4.2 刃具钢,刃具钢：用来制造车刀、铣刀、锉刀、丝锥、钻头、板牙等刃具的钢。,工作条件：强摩擦，磨损严重，刃部高温至500-600，常受冲击和振动,性能要求：高硬度，一般都在60HRC以上 高耐磨性，严重影响刃具的使用寿命和使用效率 高红硬性，高硬度下保持高硬度的能力 良好配合的强度、塑性和韧性，防止冲击和振动载荷,分类：低合金刃具钢、高速钢,一、低合金刃具钢：在碳素工具钢的基础上加入（3-5%）合金元素 就形成低合金刃具钢,化学成分：含碳量：（）%Si、Mn、Cr：提高淬透性，Si还能提高回火稳定性 W、V：细小弥散的合金碳化物，提高硬度和耐磨性，细化晶 粒，进一步增加回火稳定

18、性,热处理特点：预处理：球化退火，改善锻造组织和切削加工性能 最终热处理：淬火+低温回火,室温组织：回火M+碳化物+少量残余奥氏体,性能：HRC60以上，使用温度200-600,7.4.2 刃具钢,9SiCr钢制造圆板牙,工艺路线：下料 球化退火 机加工 淬火+低温回火 磨平面 抛槽 开口,热处理工艺：,800-810,2-4h,炉冷,700-720,炉冷,出炉空冷,6-8h,500,600-650,850-870,160-200,190-200,7.4.2 刃具钢,常用的低合金刃具钢,9SiCr、9Mn2V等，用于几何形状复杂、加工精度要求较高、切削速度不大的板牙、丝锥、铰刀、搓丝板等,7.

19、4.2 刃具钢,二、高速钢：合金元素总量超过10%的的高合金工具钢,化学成分：含碳量：w(C)=0.7 1.2%W：提高红硬性的主要元素，“二次硬化”现象 Cr：提高淬透性、硬度和耐磨性 V：细化晶粒，提高硬度和耐磨性,性能：高硬度、耐磨性 VC等弥散硬化 高红硬性 600 时HRC62，W2C等提高热硬性。高淬透性 尺寸不大时可空冷淬火，Cr 等元素提高淬透性。,7.4.2 刃具钢,1270-1280,800-840,580-620,560,分级淬火,热处理：淬火（1280，油冷）+三次回火（560）,7.4.2 刃具钢,淬火：高的加热温度增加A、M中合金含量，提高热硬性。,三次回火：W2C

20、、VC弥散硬化，产生“二次淬火”，多次回 火基本消除A。,室温组织：回火马氏体+碳化物+少量残余奥氏体。,常用高速钢：W18Cr4V、W5Mo5Cr4V2、W6Mo5Cr4V2Al 等,应用：高速车刀、钻头、铣刀等。,返回,7.4.2 刃具钢,7.4.3 模具钢,模具钢：用作冷冲压模、热锻压模、挤压模、压铸模等模具的钢，分为冷作模具和热作模具两大类,一、冷作模具钢：室温下对金属进行变形加工的模具，包括冷冲模、冷镦模、冷挤压模。拉丝模、落料模等,性能要求：较高的硬度和耐磨性，良好的韧性和疲劳强度,化学成分：w(C)1%，Cr、Mn、W、Mo、V,应用：大型模具-Cr12、Cr12MoV 等，热处

21、理变形小。小型模具-9Mn2V、9SiCr、CrWMn 等，要求不高时 也可用碳素工具钢,最终热处理：淬火+低温回火,最终组织：回火M+碳化物+少量 A,二、热作模具钢：用于制造在受热（400-600）状态下对金属进行 变形加工的模具,性能要求：较高的温度下具有良好的强韧性、较高的硬度、耐磨性、导热性、抗热疲劳能力，较高的淬透性 和尺寸稳定性,化学成分：w(C)=（）%，Cr、Ni、Mn 提高淬透性和强度 W、Mo、V 产生二次硬化，提高红硬性,应用：中小型模具 5CrMnMo 等。大型模具 6Cr2W8V等，淬透性好。,最终热处理：淬火+高（中）温回火,最终组织：回火索氏体（回火托氏体）,7

22、.4.3 模具钢,返回,7.4.4 量具钢,量具钢：用于制造卡尺、千分尺、样板、塞规、块规、螺旋测微仪 等各种测量工具的钢,性能要求：高的硬度和耐磨性、良好的尺寸稳定性。,化学成分：w(C)=（）%，Cr、W、Mn 提高淬透性和减小应力,应用：简单量具：T10A、T12A 等。高精度量具：GCr15、CrWMn 等。,没有专用的量具钢,最终热处理：淬火+（-70-80）冷处理+低温回火+时效处理,最终组织：回火索氏体（回火托氏体）,时效处理：120160，保温几几十小时，使M、A 稳定，消除内应力。,650,820-840,油冷,冷处理,-75-78,140-160,3h,时效处理110-12

23、0,36h,110-120,3h,返回,7.4.4 量具钢,7.5 特殊性能钢,7.5.1 牌号表示方法7.5.2 不锈钢7.5.3 耐热钢7.5.4 耐磨钢,7.5 特殊性能钢,7.5.1 牌号表示方法,牌号的表示方法,特殊性能钢牌号表示方法与合金工具钢基本相同！如9Cr18,不锈钢、耐热钢在含碳量很低时表示方法有所不同。w(C)0.03%，在最前面用“00”表示，w(C)0.08%，在最前面用“0”表示,如：00Cr17Ni14Mo2，0Cr18Ni9,耐磨钢铸造成型后使用，牌号前一般加“ZG”，“ZG+元素符号+数字.”,百分之一为单位,ZGMn13-1,返回,7.5.2 不锈钢,不锈钢

24、：某些在大气和一般介质中具有较高化学稳定性的钢,一、金属腐蚀：化学腐蚀、电化学腐蚀,金属中不同相由于其电极电位不同而在电解质溶液中形成原电池，并在腐蚀过程中有微电流产生,常用的防护措施：,形成钝化膜保护金属 获得单相组织，避免形成原电池 提高基体电极电位，减小电极电位差,二、常用不锈钢,1.马氏体不锈钢 常用的马氏体不锈钢的含碳量（）%，主要合金Cr的质量分数（12-14）%，通常称为Cr13型钢，如1Cr13、2Cr13，用作受冲击载荷的汽轮机叶片等；3Cr13、4Cr13，用于弱腐蚀条件下有高硬度要求的医疗器具、弹簧、刃具等2.铁素体不锈钢 这类钢从室温加热到高温9601100，不发生相变

25、，始终都是单相铁素体组织，因此被称为铁素体不锈钢。常用钢的碳质量分数小于015C，铬的质量分数在(12一32)Cr之间，钢号有0Crl3、1Crl3、1Crl7Ti、1Cr28等。一般用于硝酸、氮肥工业的设备、容器、管道和食品工厂设备等3.奥氏体不锈钢（Cr、Ni、Ti的作用？）这类钢有较高质量分数的镍，扩大了奥氏体区域，室温下能够保持单相奥氏体组织，所以称之为奥氏体不锈钢，一般铬的质量分数在(1719)Cr之间，镍的质量分数在(811)Ni之间，又简称为188型不锈钢。钢号有1Crl8Ni9Ti、1CrNi9、0CrNi9Ti、0Crl8Ni9等。,返回,7.5.2 不锈钢,7.5.3 耐热

26、钢,耐热钢：耐热钢是指具有良好的高温抗氧化性和高温强度的钢,1.金属耐热性的基本概念 金属材料的耐热性包含高温抗氧化性和高温强度两方面。金属的高温抗氧化性是指钢在高温条件下对氧化作用的抗力，是钢能否持久地工作在高温下的重要保证条件。金属的高温强度是指金属材料在高温下对机械载荷作用的抗力，即高温下金属材料抵抗塑性变形和破坏的能力。,7.5.4 耐磨钢,耐磨钢：耐磨钢主要是指在强烈冲击载荷作用下发生硬化的高锰钢,成分：高锰钢碳的质量分数在(00915)C之间，锰的质量分数为(11一14)Mn，钢号表示为Mnl3。热处理：10001100，保温，水冷A，硬度低，韧性高。性能：工件在工作中受到冲击变形时，表层产生加工硬化，及M转变，硬度显著提高，心部保持高韧性。用途：履带、铁道岔道,小结,