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1、1,教学重点,1、钢的分类。2、合金元素在钢的作用及应用。3、渗碳零件，调质钢，弹簧钢，轴承钢热处理工艺,教学难点,渗碳零件，弹簧钢，调质钢热处理工艺,本课题重点与难点,2,引言 工业用钢按化学成份分为碳素钢和合金钢两大类。碳素钢为含碳量小于2.11%的铁碳合金，具有较好的力学性能和工艺性能。但由于碳素钢的淬透性低，回火稳定性差，基本相软弱，很多方面不能满足更高的要求，诸如耐腐蚀性，高强度合金钢定义：合金钢就是在碳钢的基础上，为改善钢的 性能，在冶炼时有目的地加入一种或数种合金元素的所获得的钢。钢的种类繁多，为了便于生产、使用、管理，可按以下几种方法分类。,工业用钢及热处理,3,1.按化学成分
2、分类按化学成份可将钢分为碳素钢和合金钢。碳素钢根据含碳量分为低碳钢、中碳钢和高碳钢。合金钢根据合金元素含量分为低合金钢、中合金钢和高合金钢。2.按质量分类钢的质量是以硫、磷的含量来划分的。根据硫、磷的含量可将钢分为普通质量钢、优质钢、高级优质钢和特级优质钢。3.按冶炼方法分类根据冶炼所用炼钢炉不同，可将钢分为平炉钢、转炉钢和电炉钢。4.按金相组织分类在退火组织可将钢分为亚共析钢、共析钢和过共析钢。按正火组织可将钢分为珠光体钢、贝氏体钢、马氏体钢、铁素体钢、奥氏体钢和莱氏体钢等。5.按用途分类按用途可将钢分为结构钢、工具钢和特殊性能钢。,4,钢中常存杂质元素对性能的影响 钢中常存杂质元素主要是指
3、锰、硅、硫、磷及氮、氢、氧等。这些元素在冶炼时或者由原料、燃料及耐火材料中带入钢中，或者由大气进入钢中，或者脱氧时残留于钢中，它们的存在会对钢的性能产生影响。1.硅和锰的影响硅和锰在钢中均为有益元素，能溶于铁素体中起固溶强化作用，提高钢的强度和硬度。2.硫和磷的影响硫和磷在钢中都是有害元素。硫在钢中以FeS的形式存在，使钢变脆，产生热脆性。控制在0.05以下，MnS对断屑有利。磷可溶于铁素体中，使钢的强度、硬度显著增加。但使钢脆化，产生冷脆性。,5,3.气体元素的影响氮：室温下氮在铁素体中溶解度很低，钢中过饱和的氮在常温放置过程中会以Fe4N形式析出而使钢变脆，称为时效脆化。在钢中加入Ti、V
4、、Al等元素可使氮以这些元素氮化物的形式被固定，从而消除时效倾向。氧：氧在钢中主要以氧化物夹杂的形式存在，氧化物夹杂与基体的结合力弱，不易变形，易成为疲劳裂纹源。氢：常温下氢在钢中的溶解度很低。当氢在钢中以原子态溶解时，降低韧性，引起氢脆。当氢在缺陷处以分子态析出时，会产生很高的内压，形成内裂纹，其内壁为白色，称为白点或裂纹。,6,合金元素在钢中的主要作用 1.合金元素对钢中基本相的影响铁素体和渗碳体是碳素钢中两个基本相，合金元素进入钢中将对这两个基本相的成分、结构和性能产生影响。（1）溶于铁素体，起固溶强化作用加入钢中的非碳化物形成元素及过剩的碳化物形成元素都将溶于铁素体，形成合金铁素体，起
5、固溶强化作用。从几种合金元素对铁素体硬度和韧性的影响可以看出，Si、Mn的固溶强化效果最显著，但其含量超过一定值后，铁素体的韧性将急剧下降，而Cr、Ni在适当的含量范围内不但能提高铁素体的硬度，而且还能提高其韧性。因此为了获得良好的强化效果，应控制固溶强化元素在钢中的含量。,7,（2）形成碳化物加入到钢中的合金元素，除溶入铁素体外，还能进入渗碳体中，形成合金渗碳体，如铬进入渗碳体形成(Fe,Cr)3C。当碳化物形成元素超过一定量后，将形成这些元素自己的碳化物。合金元素与碳的亲和力从大到小的顺序为：Zr、Ti、Nb、V、W、Mo、Cr、Mn、Fe。合金元素与碳的亲和力越大，所形成化合物越稳定、熔
6、点、分解温度、硬度、耐磨性就越高。在碳化物形成元素中，钛、铌、钒是强碳化物形成元素，所形成的碳化物如TiC、VC等；钨、钼、铬是中碳化物形成元素，所形成碳化物如Cr23C6、Cr7C3、W2C等；锰、铁是弱碳化物形成元素，所形成的碳化物如Fe3C、Mn3C等。碳化物是钢中的重要组成相之一，其类型、数量、大小、形态及分布对钢的性能有着重要的影响。,8,合金元素对钢的工艺性能的影响1.合金元素对钢热处理工艺性能的影响 热处理工艺性能反映钢热处理的难易程度和热处理产生缺陷的倾向。主要包括淬透性、过热敏感性、回火脆化倾向和氧化脱碳倾向等。合金钢的淬透性高,淬火时可以采用比较缓慢的冷却方法,可减少工件的
7、变形和开裂倾向。即提高淬透性，提高回火抗力。加入锰、硅会增大钢的过热敏感性。,9,提高耐回火性（回火抗力）淬火钢在回火过程中抵抗硬度下降的能力称为耐回火性（也称回火稳定性）。由于合金元素阻碍马氏体分解和碳化物聚集长大过程，使回火时的硬度降低过程变缓，从而提高钢的耐回火性。因此，当回火硬度相同时，合金钢的回火温度比相同含碳量的碳钢高，这对于消除内应力是有利的，而当回火温度相同时，合金钢的强度、硬度要比碳钢高。产生二次硬化含有高W、Mo、Cr、V等元素的钢在淬火后回火加热时，由于析出细小弥散的这些元素碳化物以及回火冷却时残余奥氏体转变为马氏体，使钢的硬度不仅不下降，反而升高，这种现象称为二次硬化。
8、防止第二类回火脆性在钢中加入W、Mo可防止第二类回火脆性，这对于需调质处理后使用的大型件有着重要意义。P138,10,2.合金元素对钢塑性加工性能的影响 塑性加工分热加工和冷加工。合金元素溶入固溶体中,或形成碳化物(如Cr、Mo、W等),都使钢的热变形抗力提高和热塑性明显下降而容易锻裂。一般合金钢的热加工工艺性能比碳钢要差得多。3.合金元素对钢焊接性能的影响 合金元素都提高钢的淬透性,促进脆性组织(马氏体)的形成,使焊接性能变坏。但钢中含有少量Ti和V,可改善钢的焊接性能。,11,4.合金元素对钢切削性能的影响 切削性能与钢的硬度密切相关,钢是适合于切削加工的硬度范围为170HB230HB。一
9、般合金钢的切削性能比碳钢差。但适当加入S、P、Pb铅等元素可以大大改善钢的切削性能。,12,5.合金元素对钢铸造性能的影响 固、液相线的温度愈低和结晶温区愈窄,其铸造性能愈好。合金元素对铸造性能的影响,主要取决于它们对Fe-Fe3C相图的影响。另外,许多元素,如Cr、Mo、V、Ti、Al等在钢中形成高熔点碳化物或氧化物质点,增大钢的粘度,降低流动性,使铸造性能恶化。,13,总之：合金元素在钢中的作用有：提高钢的淬透性，细化晶粒，提高钢的回火稳定性，防止回火脆性，二次硬化，固溶强化，第二相强化（弥散强化），细晶强化，增加韧性，提高钢的耐蚀性或耐热性。不同的合金元素在不同的钢中的作用是不一样。,1
10、4,合金钢的分类及牌号合金钢的分类常用下面的两种分类。用途分类：a.合金结构钢；b.合金工具钢；c.特殊性能钢。按合金元素总质量分数分类：a.低合金钢：5%b.中合金钢：5%10%c.高合金钢：10%(P139按硫磷质量分数分类),15,合金结构钢的牌号：合金结构钢的牌号采用两位数字+元素符号（或汉字）+数字表示。如：40Cr钢：表示平均含碳量为0.4，含铬约为1的合金结构钢。60Si2Mn：表示平均含碳量为0.6，含硅约为2，含锰约为1的合金结构钢,16,合金工具钢的牌号：A、含碳量小于1时，用一位数字表示含碳量的千分数。如：9 SiCr：表示平均含碳量为0.9，含硅约为1，含铬约为1的合金
11、工具钢。B、含碳量大于1时，在钢牌号前不用数字表示含碳量。如：Cr12MoV：表示平均含碳量大于1，含铬约为12，含钼约为1，含钒约为1的合金工具钢。特殊性能钢：A、不锈钢：2Cr13 C=0.2%Cr=13%C=0.03%0.10%用0，如：0cr18Ni9C0.03%时，用00 如：00Cr30Mo2B、专用钢：钢前用汉语拼音字母：如：GCr15 GCr15SiMn,17,合金结构钢一、低合金结构钢：低合金高强度结构钢：性能：塑性、韧性、耐蚀性和焊接性均比同含碳素的碳钢高。应用：桥梁、船舶、车辆、锅炉、压力容器起重和线等。牌号：Q295 各种容器、储油罐、低压锅炉造船；Q345 锅炉、车辆
12、等；Q390 起重机等；Q420 高压容器、重型机械等。低合金耐钢：车辆、塔架低合金专业用钢,18,结构钢及其热处理,结构钢分类：工程结构钢和机械零件用钢渗碳刚及其热处理渗碳用钢是指经渗碳淬火、回火后的用钢。主要作用：表面承受强烈摩擦和磨损，同时承受交变 载荷和冲击载荷,19,1.化学成分：含碳量的合金钢，主要加入能提高淬透性的Mn、Cr、Ni等元素；2.性能特点：经热处理后表硬里韧、耐磨性及抗疲劳性好；3.渗碳件一般的工艺路线：渗碳工序位置(1)整体渗碳的工艺路线一般为：下料锻造退火（正火）粗加工、半精加工渗碳淬火、低温回火磨削。(2)局部渗碳的工艺路线一般为：下料锻造退火（正火）粗加工、半
13、精加工保护非渗碳部位渗碳切除防渗余量淬火、低温回火磨削。,渗碳钢及其热处理,20,用 途应用很广，主要用于制造渗碳零件，如变速齿轮、内燃机凸轮轴等各种表面耐磨件。常用的渗碳钢 低淬透性渗碳钢：15Cr、20Cr等，心部强度低，尺寸和载荷小的齿轮和滑块；中淬透性渗碳钢：20CrMnTi、20CrMn等，心部强度较高，用于制造中等强度的耐磨零件，如汽车、拖拉机的变速齿轮、齿轮轴等；高淬透性渗碳钢：18Cr2Ni4WA、20Cr2Ni4A等，淬透性很高。用来制造承受重载荷和强烈磨损的重要零件，如飞机、坦克中的曲轴及重要齿轮等。,21,以20CrMnTi渗碳钢制造汽车变速齿轮为例：下料毛坯锻造正火切削
14、加工(加工齿形)渗碳(930)+预冷淬火(830)低温回(200)喷丸磨削加工,22,喷丸处理：是一种表面强化处理.是用砂粒（石英砂、钢砂和铁砂）高速撞击在材料表面,使其表面产生形变强化层.常用的表面强化处理方法有以下几种:1.表面覆盖层强化法，使材料表面获得特殊性能的覆盖层，如气相沉积层、镀覆层、喷涂层等，以达到提高强度、耐磨、耐蚀、耐疲劳等目的。2.表面形变强化法，表面通过喷丸、滚压、挤压等产生形变强化层，从而获得较高的疲劳强度的工艺方法。3.表面热处理强化法。通过化学热处理(如渗碳、渗氮、渗硼等)、表面淬火(感应加热、火焰加热表面淬火)等方法使表面强化。,23,调质钢及其热处理 在调质处
15、理后使用的钢种，主要用于制造受力复杂的汽车、拖拉机、机床及其他各种重要零件。1.性能要求：良好的综合力学性能；良好的淬透性。化学成分与热处理特点 1.成分特点：中碳：含碳量为0.25%-0.50%；主加合金元素为Mn、Si、Cr、Ni、B主要提高淬透性。2.热处理特点：预备热处理+最终热处理（淬火+高温回火）3.调质件一般的工艺路线：,24,典型调质零件的热处理工艺合金调质钢 低淬透性调质钢：45、40Cr，用于制造尺寸较小的齿轮、轴、螺栓等。中淬透性调质钢：40CrNi，用于制造截面较大的零件，如曲轴、齿轮等 高淬透性调质钢：40CrNiMo，用于制造大截面、重载荷的零件，如汽轮机主轴、叶轮
16、、航空发动机等。,25,弹簧钢及其热处理用途：用来制造弹簧（缓和冲击、吸收振动、存能）要求：高的弹性极限和屈强比、高的疲劳强度、足够的塑性和韧性、其他性能（热处理、耐热、耐腐蚀）弹簧钢的化学成分与热处理性能 1.化学成分：中、高碳含碳量在0.6%0.9%的合金钢。由于合金元素使共析点s左移，因此含碳量可减少为0.45%-0.75%。低合金主要加入元素是硅和锰锘，提高淬透性和屈强比；2.热处理及成形特点：热成形与冷成行，淬火+中温回火；3.组 织：回火屈氏体；4.热处理特点：冷成形弹簧：对于钢丝直径小于10mm的弹簧，通过冷拔(或冷拉)、冷卷成型；冷卷后的弹簧不必进行淬火处理，只需进行一次消除内
17、应力和稳定尺寸的定型处理，即加热到250300，保温一段时间，从炉内取出空冷即可使用。,26,热成形弹簧：直径大于10-15mm，在高于淬火温度热卷成形，然后淬火+中温回火(350500)，得到回火屈氏体组织。典型钢种（碳素弹簧钢、合金弹簧钢）碳素弹簧钢：Si、Mn弹簧钢：代表性钢种65Mn、60SiMn，主要用于制造较大截面的弹簧，如汽车、拖拉机的板簧、螺旋弹簧等；合金弹簧钢：Cr、V弹簧钢：代表性钢种50CrV，主要用于大截面、大载荷、耐热的弹簧，如阀门弹簧、高速柴油机的气门弹簧等。弹簧工艺P147气阀螺旋弹簧:1、性能要求 2、工作条件下料绕簧去应力淬火+中温回火表面强化压缩校正二次去应
18、力检查热处理：淬火+中温回火,27,汽车板簧：1、性能要求 2、工作条件下料校直钻孔卷耳淬火+高温回火喷丸装配与压缩热处理：淬火+高温回火,28,滚动轴承钢及其热处理1.用 途：主要用来制造滚动轴承的内外圈，滚动体等;2.性能要求：高的接触疲劳强度和弹性极限 3.搞的硬度和耐磨性 4.有一定的耐腐蚀性应用：制造滚动轴承；如滚动轴承钢：GCr15 GCr15SiMn化学成分及热处理特点：化学成分：含碳量0.95-1.10%，含铬量0.4-1.65%热处理及组织：预先热处理：球化退火；最终热处理：淬火+低温回火 使用状态下组织：回火马氏体细小碳化物残余奥氏体。2.牌 号：,29,典型滚动轴承钢的热
19、处理工艺GCr15应用最广泛，用该钢为例1、加工工艺路线套圈 锻造球化退火机械加工淬火低温回火磨削滚珠 冷镦淬火低温回火2、热处理工艺（详见P151）3、淬火缺陷及预防措施（详见P151）,30,31,工业用钢及其热处理,工具钢及其热处理 1、工具钢概述 2、刃具钢及其热处理 3、模具钢及其热处理 4、量具钢及其热处理特殊性能钢及其热处理 1、不锈钢及其热处理 2、耐热钢及其热处理 3、耐磨钢及其热处理,32,工具钢概述 在现代工业中用于制造刃具、模具和量具等工具的材料称为工具（钢含碳量在0.6%1.3%）。根据工作条件不同，对性能要求也不有所区别。如下：1、高硬度高耐磨性2、足够的强度和塑性
20、3、一定的韧性4、热稳定性好5、热疲劳性能好6、良好的工艺性能,33,合金工具钢分为合金刃具钢、合金模具钢和合金量具钢。一、刃具钢及其热处理常用刃具钢：碳素工具钢、低合金工具钢、高速钢刃具钢的性能要求作用：合金刃具钢主要用来制造车刀、铣刀、钻头等 各种工具，制造各种金属切削刀具的钢种。性能要求：高的硬度：高的硬度，HRC 60 高耐磨性：耐磨性取决于硬度、韧性和碳化物；高的热硬性：钢在高温下保持高硬度的能力；足够的韧性和塑性：以免刀具在使用过程中崩刃、折断。,34,.碳素工具钢1）牌 号：TA；含碳千分之几，A：高级；2）典型钢种：T7、T7A、T8、T8A、T13A；3）用 途：冲头、凿子要
21、选用T7、T8等；车刀、钻头可选用T10；精车刀、锉刀则选用T12,T13。4）优点：成本低，耐磨性和加工性较好，在受用工具和机用低速工具上广泛应用；5）缺点：热硬性差，淬透性低，只适于制作尺寸不大、形状简单的低速刀具。6）碳的质量分数为0.65%1.35%7）热处理特点 锻造（锻压比4）球化退火淬火回火,35,2.低合金刃具钢 低合金刃具钢是在碳素工具钢的基础上加入少量合金元素的钢。由于合金的作用热处理后具有较高的硬度和耐磨性.如：9 SiCr：制造丝锥、板牙、铰刀等。CrWMn：制造长铰刀、拉刀等。化学成分：低合金刃具钢含碳量0.8%1.5%，在碳素工具钢的基础上加入少量合金元素，在保持高
22、碳的同时，加入Cr、Mn、Si、W、V等合金元素；低合金刃具钢的预备热处理是球化退火，最终热处理是淬火后低温回火。,36,牌 号 用 途：广泛用于制造形状复杂、要求变形小的低 速切削刃具，如丝锥、板牙等，也常用作 冷冲模；优 点：淬火后的硬度与碳素工具钢处于同一范 围，但淬火变形小、开裂倾向小；典型钢种：9SiCr。,37,3、高速工具钢(高合金工具钢)：制造高速切削刀具用钢1）牌 号：W，合金元素，合金元素含量；2）化学成分：含碳量为0.7%-1.6%，主要加入的合金元素是Cr、W、Mo、V；3）高速钢的加工工艺路线：下料锻造退火机加工淬火+回火喷砂磨削加工4）典型钢种:W18Cr4V（详见
23、115页表）5)用途：主要用于制造高速切削刀具，如车刀、刨刀、铣刀、钻头等6）特点：高速钢价格昂贵，为充分发挥其性能和节省材料，常采用焊接或镶拼高速钢刀头，如直径大于10mm的钻头，采用45钢做刀柄。,38,7）高速钢一般都进行3次热处理，之后还经常进行表面热处理,39,模具钢用于制造各种冷热模具的钢种一、冷作模具钢用于制造各种冷成型模具，如冷冲模、冷挤压模、冷墩模和拔丝模等。工作温度不超过200-3001）对性能的基本要求：高的硬度和耐磨性；较高的强度和韧性；良好的工艺性。2）冷作模具钢的类型：碳素工具钢和低合金工具钢；耐冲击工具用钢；高碳高铬模具钢。3）化学成分 高碳：一般在1%个别达2.
24、0%高合金：常有的Cr、Mn、Mo、W、V等细化晶粒 提高耐磨，Cr、Mn提高淬透性,模具钢,40,二、热作模具钢用于制造各种使加热金属或液态金属成型的模具，如热锻模、热压模、热挤模和压铸模等。1）对性能的基本要求：高温下良好的力学性能；高的抗热疲劳性能；高的淬透性和良好的导热性；高的抗氧化性。2）钢种：热锻模钢；压铸模钢。详见P163页表 3）合金热作模具钢含碳量0.3%0.6%之间 属中合金钢，主加元素Cr、Ni、Si等。4）热处理路线：小热锻模一般加工后淬火、回火 大中型：锻造退火机械加工淬火回火 P164热处理范围及应用,41,量具钢用于制造各种量测工具，如卡尺、千分尺、快规、塞规及螺
25、旋测微仪1）对性能的基本要求：高的硬度和耐磨性，尺寸稳定性高，热处理变形小；低的表面粗糙度和耐腐蚀等。2）量具用钢：一般非精密量具，可选碳素工具钢（T10A、T12A)或低碳钢(15、20)；对精密量具，选用CrWMn、Cr2、GCr15钢;在腐蚀条件下选用不锈钢4Cr13、9Cr18等。3）热处理：以CrWMn钢制块规为例，加工工艺路线如下：下料锻造球化退火机械加工淬火深冷处理低温回火粗磨人工失效精磨去应力处理研磨 4)量具钢含碳量在0.90%1.50%之间4,量具钢,42,深冷处理量具淬火后，应立即在-70-80进行深冷处理，目的是尽可能减少钢中的残余奥氏体，稳定量具尺寸。时效处理 对精度
26、要求高的量具，经深冷处理在进行低温回火、粗磨之后，又要用低温时效处理，以进一步稳定残余奥氏体和消除残余应力。,43,特殊性能钢,不锈钢在腐蚀性介质中具有抗腐蚀性能的钢1.用途：主要在石油、化工、海洋开发、原子能、宇航、国防工业等领域用于制造在各种腐蚀介质中工作的零件和结构；2.性能要求：耐蚀性；3.成分特点：含碳量在0.03%-0.95%；合金元素：Cr、Ni、Mo。,44,耐热钢指在高温下具有良好的抗氧化性和高温强度的专用钢；多用来制作在高温下工作的锅炉、汽轮机、燃气机和内燃机的某些零件或构件。,45,耐磨钢指在冲击载荷作用下发生冲击硬化作用的高锰钢1.用 途：用于既承受严重磨损又承受强烈冲击的零件；2.化学成分：高碳：含碳量为0.75%-1.45%；高锰：含锰量为11%-14%；3.热处理及组织：由于加工困难，铸造后直接使用；4.应用最广的GCr4，GCr15，GCr15SiMn钢。,
