第3章电子课件(工业用钢)资料

第第3章章 常用金属材料常用金属材料本章介绍工业用钢、铸铁、有色金属等常用金属材料。本章学习重点和难点n n【学习重点】各类金属材料的成分、组织状态、热处理工艺、性能及其应用。n n【学习难点】常用机械零件的选材及其热处理工艺的确定。3.1工业用钢工业用钢n n工业用钢主要是指碳素钢和合金钢，是应用最广泛的机械工程材料，在工业生产中起着十分重要的作用。3.1.1碳素钢n n碳的质量分数小于2.11%的铁碳合金称为碳素钢，简称碳钢。碳钢容易冶炼，价格低廉，易于加工，能满足一般机械零件的使用要求，因此是工业中用量最大的金属材料。1.钢中的常存杂质元素钢中的常存杂质元素n n钢中最常见的杂质元素有Si、Mn、P、S等，都是在钢铁冶炼过程中进入的，它们对钢的性能有一定影响。n n通常少量的Si和Mn在钢中是有益元素，而P和S是有害元素，应严格控制。2.碳钢的分类碳钢的分类n n钢的分类方法很多，通常钢的分类方法很多，通常按钢的用途按钢的用途分：n n碳素结构钢 主要用于制造各种机械零件和工程结构件。这类钢一般属于低、中碳钢；n n碳素工具钢 主要用于制造各种刃具、量具和模具。这类钢一般属于高碳钢；n n碳素铸钢 主要用于制作形状复杂，难以用锻压等方法成形的铸钢件。n n按碳的含量分：按碳的含量分：n n小于等于 0.25%低碳钢低碳钢n n大于0.25%小于等于0.6%中碳钢中碳钢n n大于0.6%高碳钢高碳钢.碳钢的牌号、性能和用途碳钢的牌号、性能和用途 n n下表为碳素结构钢的牌号、化学成分和力学性能（摘自GB/T700-2006）n n优质碳素结构钢的牌号优质碳素结构钢的牌号n n下表为优质碳素结构钢的牌号、化下表为优质碳素结构钢的牌号、化学成分和力学性能学成分和力学性能（摘自（摘自GB/T699-1999）表表3-2 优质碳素结构钢的牌号、化学成分和力学性能优质碳素结构钢的牌号、化学成分和力学性能（摘自（摘自GB/T699-1999）n n碳素工具钢的牌号碳素工具钢的牌号n n 下表为碳素工具钢的牌号、化学碳素工具钢的牌号、化学成分和力学性能成分和力学性能（摘自（摘自GB/T1298-1986）3.1.2合金钢n n为改善钢的组织和性能，在碳钢的为改善钢的组织和性能，在碳钢的基础上加入一种或几种合金元素所基础上加入一种或几种合金元素所形成的钢称为合金钢。形成的钢称为合金钢。n n合金钢与碳钢相比具有许多优良性合金钢与碳钢相比具有许多优良性能，如高的强度与韧性；高的淬透能，如高的强度与韧性；高的淬透性和回火稳定性；一定的抗氧化能性和回火稳定性；一定的抗氧化能力和低温冲击韧性；良好的耐磨耐力和低温冲击韧性；良好的耐磨耐蚀性等。蚀性等。合金钢中常加入的合金元素n n在合金钢中，经常加入的合金元素有:锰(Mn)、硅(Si)、铬(Cr)、镍(Ni)、钼（Mo）、钨(W)、钒(V)、钛(Ti)、铌(Nb)、锆（Zr）、稀土元素（RE）等。合金钢的分类合金钢的分类n n按用途分n n合金结构钢：主要用于制造各种机械零件、工程结构件等；n n合金工具钢：主要用于制造刃具、模具、量具等；n n按合金元素含量分n n低合金钢：合金元素的总含量在5%以下；n n中合金钢：合金元素的总含量在5%10%之间；n n高合金钢：合金元素的总含量在10%以上。合金钢的编号合金钢的编号n n低合金高强度结构钢，其编号方法与碳素结构低合金高强度结构钢，其编号方法与碳素结构钢的编号方法相同。例如，钢的编号方法相同。例如，Q390Q390表示表示s 390 s 390 MpaMpa的低合金高强度结构钢。的低合金高强度结构钢。n n合金结构钢采用两位数字合金结构钢采用两位数字+化学元素符号化学元素符号+数字数字的方法。前面两位数字表示碳的平均质量分数的万的方法。前面两位数字表示碳的平均质量分数的万分数；元素符号表示所含的合金元素；元素符号后分数；元素符号表示所含的合金元素；元素符号后面的数字表示该元素平均含量的百分数。如面的数字表示该元素平均含量的百分数。如60Si2 60Si2 MnMn、40 Mn240 Mn2、50CrVA50CrVA等。等。n n合金工具钢平均碳含量合金工具钢平均碳含量1.00%1.00%时，其碳的质时，其碳的质量分数不标出，碳含量量分数不标出，碳含量1.00%1.00%时，用千分数表时，用千分数表示，其他同合金结构钢。如示，其他同合金结构钢。如9 9S SiCriCr、9Mn2V9Mn2V、Cr12Cr12等。等。低合金高强度结构钢低合金高强度结构钢(工程结构用钢工程结构用钢)n n低合金高强度结构钢是在低碳钢的基低合金高强度结构钢是在低碳钢的基础上，加入少量合金元素而形成的钢。础上，加入少量合金元素而形成的钢。钢中碳的质量分数一般为钢中碳的质量分数一般为0.16%0.20%，常加入的合金元素有，常加入的合金元素有Mn、Si、Cr、Ni、V、Nb、Ti、Al等，等，合金元素总含量合金元素总含量3%。这类钢的强。这类钢的强度显著高于相同碳质量分数的碳钢，度显著高于相同碳质量分数的碳钢，所以常称其为低合金高强度钢。所以常称其为低合金高强度钢。渗碳钢渗碳钢n n用于制造渗碳零件的钢称为渗碳钢。渗碳钢广泛用于制造汽车、机车及工程机械的传动齿轮、凸轮轴、活塞销等，即要求表面高硬度、高耐磨性，而心部具有良好的强韧性的机械零件。调质钢调质钢n n调质钢是指经过调质处理后的碳素结构钢和合金结构钢。多数调质钢属于中碳钢，调质处理后，其组织为回火索氏体。调质钢具有高的强度、良好的塑性与韧性，即良好的综合力学性能，常用于制造汽车、拖拉机、机床的各种重要零件。下图为40Cr钢制连杆螺栓及调质热处理工艺图弹簧钢弹簧钢n n弹簧是各种机械和仪表中的重要零件，主要利用弹性变形时所储存的能量来缓和机械上的震动和冲击作用，因此要求弹簧钢必须具有高的抗拉强度、高的屈强比，高的疲劳强度（尤其是缺口疲劳强度），并有足够的塑性、韧性以及良好的表面质量，同时还要求有较好的淬透性和低的脱碳敏感性，在冷热状态下容易绕卷成型。滚动轴承钢滚动轴承钢n n用于制造滚动轴承的钢称为滚动轴承钢。滚动轴承在工作时，滚动体和套圈均受周期性的交变载荷作用。根据滚动轴承的工作条件，要求滚动轴承钢具有高而均匀的硬度和耐磨性，高的弹性极限和接触疲劳强度，足够的韧性和淬透性，同时在大气或润滑剂中具有一定的抗蚀能力。易切削钢易切削钢n n在钢中附加一种或几种合金元素，以提高其切削加工性，这类钢称为易切削钢。目前常用的附加元素有硫、铅、钙、磷等。n n易切钢的常用钢号有Y12、Y20，Y40Mn等。合金工具钢合金工具钢n n用于制造刃具、模具、量具等工具的钢称为工具钢。一、合金刃具钢二、合金模具钢三、合金量具钢一、合金刃具钢合金刃具钢主要用来制造刀具，如车刀、铣刀、钻头、丝锥等。对刃具钢的性能要求是：高的硬度和耐磨性，高的热硬性，足够的强度、塑性和韧性。合金刃具钢又分为低合金刃具钢和高速钢两类。（一）低合金刃具钢1化学成分和性能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。其其C 0.751.5的范围内，以保证钢的淬硬性和形成合金碳化物的需要。加入的合金元素主要有硅、锰、铬、钨、钒等。其中硅、锰、铬的主要作用是提高钢的淬透性，增加钢的强度；钨和钒形成碳化物，细化晶粒并提高钢的硬度、耐磨性和热硬性。因此，低合金工具钢的淬透性比碳素工具钢好，淬火冷却可在油中进行，使变形和开裂倾向减小。但由于合金元素的加入量不大，故钢的热硬性仍不太高，一般工作温度不得高于300。2热处理和应用刃具毛坯锻造后的预先热处理采用球化退火，切削加工后的最终热处理采用淬火和低温回火。最终热处理后的组织为细回火马氏体、粒状合金碳化物及少量的残余奥氏体，一般硬度可达6065HRC。9SiCr是最常用的低合金刃具钢，被广泛用来制造各种薄刃工具，如板牙、丝锥、铰刀等。（二）高速钢用高速钢制作的刃具在使用时，能以比低合金刃具钢刀具更高的切削速度进行切削，因而被称为高速钢。它的特点是热硬性高达600，切削时能长时间保持刃口锋利，故又称为“锋钢”，并且还具有高的强度、硬度和淬透性。淬火时在空气中冷却即可得马氏体组织，因此，又俗称为“风钢”、“白钢”1高速钢的成分特点高速钢的含碳量较高，C在0.751.60的范围内，并含有大量的碳化物形成元素钨、钼、铬、钒等。高的碳含量是为了在淬火后获得高碳马氏体，并保证形成足够的碳化物，从而保证其高硬度、高的耐磨性和良好的热硬性。钼和钨提高热硬性，铬提高淬透性，钒提高硬度耐磨性未溶的VC阻碍奥氏体晶粒长大.2高速钢的锻造高速钢铸态组织中含有大量的鱼骨状碳化物（见图6-4），分布很不均匀，显著降低了钢的力学性能，特别是韧性。而且用热处理方法不能根本改变碳化物的分布状态，只能用反复锻造的方法将碳化物打碎，并使其尽可能均匀分布。锻造比最好大于10，锻后必须缓冷，以免开裂。图6-4 高速钢的铸态组织3高速钢的热处理高速钢的热处理包括退火、淬火和回火，其特点是退火温度低，淬火温度高，回火温度高且次数多。（1）退火。为了消除坯料在锻造时产生的内应力，降低硬度，细化晶粒，为切削加工和淬火作准备，高速钢在锻后必须及时进行球化退火。退火温度为 Ac1 3050，退火后的组织为索氏体和粒状合金碳化物，硬度为207255HBS。（2）淬火。高速钢的淬火加热温度很高（12001300），目的是为了使碳化物尽可能多地溶入奥氏体，从而提高淬透性、回火稳定性和热硬性。由于高速钢的导热性较差，故淬火加热时必须进行一至二次预热。如图 6-5所示。高速钢淬火后的组织是隐晶马氏体、粒状碳化物及 25左右的残余奥氏体，如图6-6所示。图6-5 W18Cr4V钢的淬火、回火工艺曲线图6-6 W18Cr4V钢淬火后 的组织（400）（3）回火。高速钢淬火后应立即回火，一般性550570回火三次。在此温度范围内回火时，钨、钼、钒的碳化物从马氏体和残余奥氏体中析出，呈弥散分布，使钢的硬度明显上升；同时由于残余奥氏体转变成马氏体，也使硬度上升，从而形成二次硬化，保证了钢的高硬度、高耐磨性及热硬性。进行多次回火，其目的是为了逐步减少残余奥氏体的量和消除内应力。高速钢回火后的组织为回火马氏体、粒状碳化物和少量（体积分数为12）残余奥氏体，如图6-7所示，硬度可达6366HRC。图6-7 W18Cr4V钢淬火回火 后的组织（400）4常用的高速钢高速钢的种类很多，应用最多的有W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2和W9Mo3Cr4V三种。二、合金模具钢（）冷作模具钢冷作模具钢用于制造使金属在冷态下产生变形的模具，如冷冲模、冷挤压模、冷镦模、拉丝模等。这些模具在工作中要承受很大的压力、弯曲力、冲击力和强烈的摩擦。因此，冷作模具钢的性能要求与刃具钢相似，要求具有高的硬度（5862HRC）和耐磨性，足够的强度和韧性，同时要求热处理变形小。1小型冷作模具钢冷作模具钢的化学成分、热处理特点也基本上与刃具钢相似。对于小型冷作模具，可用碳素工具钢和低合金刃具钢制造。如 T10A、9SiCr、CrWMn、9Mn2V等。其热处理一般是球化退火、淬火和低温回火.大型冷作模具钢（Cr12型钢）（1）成分对于大型模具常用Cr12型钢制造。Cr12型钢是最常用的冷作模具钢，牌号有Cr12和Cr12MoV等。其成分特点是高碳高铬（C=1.452.3、Cr1113），具有高硬度、高强度和极高的耐磨性，并具有极好的淬透性（油淬直径达200mm），淬火变形小。但淬火后残余奥氏体量较多。（2）锻造Cr12型钢属于莱氏体钢，网状共晶碳化物的不均匀分布将使模具变脆。因此，要通过反复锻造来消除碳化物的不均匀性。锻造后应缓冷，然后进行预先热处理球化退火，以消除锻造内应力、降低硬度，为后续工序做准备。（3）热处理Cr12型钢的最终热处理有两种方法。一种是低温淬火（980）和低温回火法（170）（也叫一次硬化法）。这种方法可使模具获得高硬度和高耐磨性，淬火变形小。一般承受较大载荷和形状复杂的模具采用此法处理。另一种热处理方法是高温淬火（1100）和高温（510520）多次回火法（也叫二次硬化法）。这种方法能使模具获得高的热硬性和耐磨性，但韧性较差。一般承受强烈摩擦，在400450条件下工作的模具适用此法。Cr12型钢经淬火及回火后的组织为回火马氏体、粒状碳化物和少量残余奥氏体。（二）热作模具钢热作模具钢用于制造在受热状态下对金属进行变形加工的模具，如热锻模、热挤压模、压铸模等。这类模具在工作中除承受较大的冲击载荷、很大的压力、弯曲力外，还受到炽热金属在模腔中流动所产生的强烈摩擦力，同时还受到反复的加热和冷却。因此，要求热作模具钢应具有高的热硬性和高温耐磨性，良好的综合力学性能，高的热疲劳强度和较好的抗氧化能力，同时还要求具有高的淬透性、导热性。（1）成分热作模具钢一般是中碳合金钢，其C 0.3 0.6，以保证钢具有高强度、高韧性、较高的硬度（3552HRC）和较高的热疲劳强度。加入的合金元素有锰、铬、镍、钨、钒等，主要是提高钢的淬透性、回火稳定性和热硬性细化晶粒，同时还提高钢的强度和热疲劳强度。（2）热处理热锻模具钢的最终热处理与调质钢相似，淬火后高温（550左右）回火，以获得回火索氏体回火托氏体组织。钢种5CrMnMo、5CrNiMo热压模具钢的热处理是淬火后在略高于二次硬化峰值的温度（600左右）回火23次，获得的组织为回火马氏体和粒状碳化物，以保证模具的热硬性。钢种3Cr2W8V三、合金量具钢量具是用来测量和检验零件尺寸的工具，如千分尺、游标卡尺、量块、样板等。量具在使用过程中经常受到磨损和碰撞。因此，要求量具钢必须具备高硬度（6265HRC）、高耐磨性、高的尺寸稳定性及足够的强度和韧性，同时还要求热处理变形小等。量具用钢没有专用钢种。对于形状简单、尺寸较小、精度要求不高的量具（如简单卡规、低精度量块等），可用碳素工具钢T10A、T12A制造；或用渗碳钢（20、15Cr等）制造，并经渗碳淬火处理；或用中碳钢（50、60钢等）制造，并经高频表面淬火处理。精度要求高或形状复杂的量具，一般用合金工具钢或滚动轴承钢（如9SiCr、Cr2、CrWMn、GCr15等）制造。量具的最终热处理主要是淬火和低温回火，目的是获得高硬度和高耐磨性。对于精度要求高的量具，为保证尺寸稳定性，常在淬火后立即进行一次冷处理，以降低组织中的残余奥氏体量。在低温回火后还应进行一次稳定化处理（100150、2436h），以进一步稳定组织和尺寸，并消除淬火内应力。有时在磨削加工后，还要在120150保温8h进行二次稳定化处理，以消除磨削产生的残余内应力，从而进一步稳定尺寸。特殊性能钢特殊性能钢n n所谓特殊性能钢，是指不锈钢、耐热钢、耐磨钢、耐蚀钢等一些具有特殊的力学、物理和化学性能的钢。（1）不锈钢）不锈钢n n是指能够抵抗大气、酸、碱或其他介质腐蚀的合金钢。n n常用的不锈钢有铬不锈钢和18-8型不锈钢。n n铬不锈钢主要有1Cr13、2Cr13、3Cr13和4Cr13等。（2）耐热钢）耐热钢n n耐热钢包括抗氧化钢和热强钢。n n常用的抗氧化钢有3Cr18Mn12Si2N、2Cr20Mn9Ni2Si2N、3Cr18Ni25Si2等。n n常用的热强钢有珠光体钢、马氏体钢、贝氏体钢、奥氏体钢等几种。（3）耐磨钢）耐磨钢n n耐磨钢主要指在冲击载荷作用下产生耐磨钢主要指在冲击载荷作用下产生冲击硬化的高锰钢，高锰钢制件在使冲击硬化的高锰钢，高锰钢制件在使用过程中，必须伴随外来的压力和冲用过程中，必须伴随外来的压力和冲击作用，否则高锰钢是不耐磨的。击作用，否则高锰钢是不耐磨的。n n高锰钢件不仅具有良好的耐磨性，而高锰钢件不仅具有良好的耐磨性，而且材质坚韧，不会突然折断；即使有且材质坚韧，不会突然折断；即使有裂纹产生，由于加工硬化作用，也会裂纹产生，由于加工硬化作用，也会抵抗裂纹的继续扩展，而容易发现。抵抗裂纹的继续扩展，而容易发现。