《金属材料与热处理》课件6.项目六

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,2018/8/23,#,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,2018/8/23,#,金属材料与热处理,项目六,合金钢,项目导入,碳钢在机械制造得到了广泛的应用，但是碳钢中存在着淬透性差、回火稳定性差，综合力学性能低等不足，不能用于尺寸大、重载的零件，也不能用于耐腐蚀的零件。,为了提高钢的力学性能，改善钢的工艺性能或得到某些特殊的物理或者是化学性能，在冶炼时有目的的加入一种或多种合金元素，这种含有合金元素的钢叫做合金钢。,合金钢有着较好的综合力学性能，良好的物理化学性能，良好的热处理工艺性能，能够满足不同工作条件的产品要求，虽然也存在着合金钢的冲压、切削等工艺性能比较差，成本比较高的缺点，但是重要的工程结构和机械零件都使用合金钢制造。,01,目录,CONTENT,合金元素在钢中的作用,合金钢的分类和牌号,合金工具钢,02,04,03,合金结构钢的分类,CONTENT,特殊性能钢,05,任务一,合金元素在钢中的作用,合金元素加入钢中，不仅会与铁碳元素发生反应，而且会对钢的组成相、,Fe-Fe,3,C,相图、钢在加热或者是冷却时的转变以及淬火钢回火转变都有着较大的影响，因此合金元素在钢中起着举足轻重的作用。,学习目标,会分析合金元素在钢中的作用。,任务描述,合金元素在钢中的作用。,一、合金元素对钢组织的影响,合金元素在钢中主要以合金铁素体与合金碳化物的形式存在。,1.,形成合金,铁素体,合金,元素溶入钢中的铁素体形成合金铁素体。此时，合金元素的直接作用是固溶强化。合金元素溶入铁素体后，产生固溶强化作用，使其强度硬度提高，其中,Si,、,Mn,的强化作用十分显著。但是，当铁素体中的,w,Si,0.6%,、,w,Mn,1.5%,、,w,Ni,5%,、,w,Cr,2%,时，韧度明显下降，因此，钢中合金元素的合理质量分数应是有一定的范围的,。,一、合金元素对钢组织的影响,2.,形成合金,碳化物,锰、铬、钼、钨、钒、铌、锆、钛等与碳的亲和力较强，在钢中能形成碳化物。一般认为，钛、锆、铌、钒是强碳化物形成元素,;,铬、钼、钨为中碳化合物形成元素,;,锰、铁是弱碳化物形成元素。当加入到钢中的合金元素，除溶入铁素体外，还进入渗碳体，形成合金渗碳体，如锰和铬,;,当碳化物形成元素超过一定量后，将形成自己的碳化物，即特殊碳化物，如钒、铌和钛。碳化物是钢中的重要组成相之一，其类型、数量、形态及分布对钢的性能有着重要的影响。,二、合金元素对铁碳平衡相图的影响,1.,对奥氏体相区的影响,（,1,）扩大奥氏体相区,Ni,、,Mn,、,Co,、,N,等元素的加入可使钢的,A1,、,A3,点降低，使奥氏体相区扩大。当这些元素在钢中的质量分数足够高时，将使,A3,温度降至室温以下，此时钢具有单相奥氏体组织，即为奧氏体钢，如高锰钢和高镍钢。,（,2,）缩小奥氏体相区,Si,、,Cr,、,W,、,Mo,、,V,、,Ti,等元素的加入可使钢的,A1,、,A3,点升高，使铁素体相区扩大。若钢中这些元素质量分数足够高时，钢的组织在高温及室温时均为单相铁素体，如高铬或高硅钢。,二、合金元素对铁碳平衡相图的影响,2.,对,E,、,S,点位置的影响,E,点是钢与铸铁的分界点，碳质量分数超过此点、（碳钢,E,点成分为,w,c,=2.11%,），将出现共晶莱氏体组织，必然对钢的性能（主要是强韧性）和其加工工艺（如锻造）产生影响。几乎所有的合金元素均使,E,点左移，其中强碳化物形成元素如,W,、,Ti,、,V,、,Nb,的作用最强烈，对高合金钢,W18Cr4V,（,w,C,=0.7%,0.8%,）、,Cr12MoV,（,w,C,=1.4%,1.7%,）等，铸态组织中有莱氏体存在，故称莱氏体钢。,在大多数情况下，几乎所有的合金元素也将使,S,点左移，如,4Cr13,、,3Cr2W8V,等钢的,w,c,虽小于,0.77%,，但都已属过共析钢。在退火或正火处理时，碳质量分数相同的合金钢组织中比碳钢具有更多的珠光体，故其硬度和强度较高。,三、合金元素对钢热处理的影响,1.,对钢加热时奥氏体形成过程的影响,（,1,）对奥氏体化的影响 绝大多数合金元素（尤其是碳化物形成元素）对非奥氏体组织转变为奥氏体时的形核与长大、残余碳化物的溶解、奥氏体成分均匀化都有不同程度的阻碍与延缓作用。因此大多数合金钢热处理时一般应有较高的加热温度和较长的保温时间，但对一些需要较多未溶碳化物的高碳合金工具钢，则不应采用过高加热温度和过长的保温时间。,（,2,）对奧氏体晶粒度的影响 合金元素对奥氏体晶粒长大倾向的影响各不相同,:Ti,、,V,、,Zr,、,Nb,等强碳化物形成元素可强烈阻止奥氏体晶粒长大，起细化晶粒的作用,;W,、,Mo,、,Cr,等元素的阻止作用中等,;,非碳化物形成元素如,Ni,、,Si,、,Cu,等的作用微弱，可不予考虑,;,而,Mn,、,P,则提高了奥氏体晶粒的长大倾向，因此含,Mn,钢（如,65Mn,、,60Si2Mn,）加热时应严格控制加热温度和保温时间，否则将会得到粗大的晶粒而降低钢的强韧性。,三、合金元素对钢热处理的影响,2.,对钢冷却时过冷奥氏体转变过程的影响,除,Co,外，固溶于奥氏体中的所有合金元素都将使,C,曲线右移，降低了钢的临界冷却速度，提高了淬透性。合金元素对钢淬透性的影响取决于该元素的作用强度和 可溶解量。非碳化物形成元素和弱碳化物形成元素，如镍、锰、硅会使,C,曲线右移，而中强和强碳化物形成元素，如铬、钨、钼、钒等，不仅使,C,曲线右移，而且改变,C,曲线形状，把珠光体转变与贝氏体转变明显地分为两个独立的区域。,三、合金元素对钢热处理的影响,除,Co,、,Al,外，固溶于奥氏体中的合金元素均可使马氏体转变时的,Ms,、,Mf,下降，增加钢淬火后的残留奥氏体量，某些高碳高合金钢（如,W18Cr4V,）淬火后残留奥氏体量高达,30%,40%,（体积分数），这显然会对钢的性能产生不利影响，如硬度降低、疲劳性能下降。为了将残留奥氏体量控制在适当范围，可通过淬火后冷处理和回火处理。,三、合金元素对钢热处理的影响,3.,对淬火钢回火过程的影响,（,1,）提高钢的回火稳定性 回火稳定性是指淬火钢对回火时所发生的组织转变和硬度下降的抗力，绝大多数合金元素均有此作用。表现较明显的有强碳化物形成元素（,V,、,Nb,、,W,、,Mo,、,Cr,）和,Si,元素，当钢中这类元素较多时，可使回火马氏体组织维持到相当高的温度（,500,600 ,）。回火稳定性高表明钢在较高温度下的强度和硬度也较高,;,或者在达到相同硬度、强度的条件下，可在更高的温度下回火，故钢的韧性可进一步改善。所以合金钢与碳钢相比，具有更好的综合性能。,（,2,）产生二次硬化 当钢中含有较多中强或强碳化物形成元素,Cr,、,W,、,Mo,、,V,等，并在,450,600 ,温度范围内回火时，因组织中析出了细小弥散分布的特殊合金碳化物（如,W,2,C,、,Mo,2,C,、,VC,等），这些碳化物硬度极高、热稳定性高且不易长大，此时，钢的硬度与强度不但不降低、反而会明显升高（甚至比淬火钢硬度还高），这就是“二次硬化”现象。,三、合金元素对钢热处理的影响,（,3,）产生高温回火脆性 含有,Cr,、,Mn,、,Ni,等元素的合金钢，淬火后在,450,650 ,高温范围内回火并缓慢冷却后，出现如图所示的冲击韧度急剧下降现象，这就是高温回火脆性（又称第二类回火脆性）。这种脆性可通过高于脆化温度的再次回火后快冷予以消除，消除后如再次在脆化温度区回火、或经更高温度回火后缓慢冷却通过脆化温度区，则重复出现，所以又称为可逆回火脆性。产生的原因一般为,Sb,、,Sn,、,P,等杂质元素在原奥氏体晶界上偏聚，钢中,Ni,、,Cr,等合金元素促进杂质的这种偏聚，而且本身也向晶界偏聚，从而增大了产生回火脆性的倾向。,任务二,合金钢的分类和牌号,学习合金钢首先要知道合金钢的分类以及合金钢的牌号，通过本任务的学习，可以了解到合金钢的分类以及主要化学元素的质量分数，为合金钢的深入学习，打下坚实的基础。,学习目标,会对合金钢进行分类。,会识别合金钢牌号。,任务描述,合金钢的分类。,合金钢的牌号。,一、合金钢的分类,1.,按用途分类,（,1,）合金结构钢 用于制造机械零件和工程结构的钢。,（,2,）合金工具钢 用于制造各种工具的钢。,（,3,）特殊性能钢 具有某种特殊物理、化学性能的钢，如,:,不锈钢。,2.,按合金元素总含量分类,（,1,）低合金钢 合金元素总含量小于,5%,。,（,2,）中合金钢 合金元素总含量,5%,10%,。,（,3,）高合金钢 合金元素总含量大于,10%,。,3.,按所含的主要合金元素分类,铬钢（,Cr-Fe-C,）,铬镍钢（,Cr-Ni-Fe-C,）,锰钢（,Mn-Fe-C,）,硅锰钢（,Si-Mn-Fe-C,）,二、合金钢的牌号,我国合金钢牌号采用碳的质量分数、合金元素的种类及质量分数、质量级别来编号的。,1.,合金结构钢,合金结构钢牌号的表示方法为两位数字,+,元素符号,+,数字。两位数字表示钢的平均碳的质量分数的万分数，元素符号表明钢中含有的主要合金元素，后面的数字表示该元素的质量分数。合金元素小于,1.5%,时不标，平均质量分数为,1.5%,2.5%,，,2.5%,3.5%,时，则在相应地标以,2,，,3,如,40Cr,表示平均,w,c,=0.40%,，主要合金元素为铬，其质量分数在,1.5%,以下,;,又如,60Si2Mn,表示平均,w,c,=0.60%,，主要合金元素锰的质量分数小于,1.5%,，硅的平均质量分数为,2%,。合金钢如果是高级优质钢，在牌号后加“,A”,字，如,18Cr2Ni4WA,，如果为特级优质钢，则在牌号后面加“,E”,字。,二、合金钢的牌号,2.,滚动轴承钢,滚动轴承钢的牌号的表示方法是在牌号前面加“,G”,（“滚”字汉语拼音字首），钢中碳的质量分数不标出，合金元素铬后面的数字表示铬平均含量的千分之几。,GCr15,钢中铬的平均质量分数为,w,Cr,=1.50%,。,3.,合金工具钢,合金工具钢的牌号为一位数字,+,元素符号,+,数字。一位数字表示钢的平均碳的质量分数的千分数，元素符号表明钢中含有的主要合金元素，后面的数字表示该元素的质量分数。碳的质量分数大于,1%,则不予标出。如,9SiCr,表示平均,w,c,=0.9%,，主要合金元素硅、铬的质量分数均小于,1.5%;,又如,Cr12MoV,表示平均,w,c,1.0%,，主要合金元素铬的质量分数为,12%,，钼和钒的质量分数均小于,1.5%,。合金工具钢一般都为高级优质钢，因此其牌号后不标“,A”,。,二、合金钢的牌号,4.,高速钢,高速钢的牌号表示方法与合金工具钢的表示方法略有不同。高速钢中碳的质量分数小于,1.0%,时不予标出，如,W18Cr4V,表示平均,w,c,1.0%,，主要合金元素钨的质量分数为,18%,，铬的质量分数为,4%,，钒的质量分数小于,1.5%,。,5.,特殊性能钢,特殊性能钢的牌号和合金工具钢的表示方法基本相同。在特殊性能钢中当碳的质量分数平均小于,0.03%,时，在牌号前用“,00”,表示，当钢中碳的质量分数平均为,0.03%,0.08%,时，在牌号前用“,0”,表示。例如,00Cr17Ni14Mo2,钢中碳的平均质量分数,w,c,0.03%,、铬的质量分数为,w,Cr,=17%,、镍的质量分数为,w,Ni,=14%,，钼的质量分数为,w,Mo,=2%;0Cr19Ni9,钢中碳的平均质量分数,wc0.08%,、铬的质量分数为,w,Cr,=19%,、镍的质量分数为,w,Ni,= 9%,。,任务三,合金结构钢的分类,合金结构钢是一类可焊接的低碳低合金工程结构用钢，广泛用于房屋、桥梁、船舶、车辆、铁道、高压容器及大型军事工程。,学习目标,会合理应用各种合金结构钢。,任务描述,合金结构钢的分类。,合金结构钢的化学成分、性能、热处理和应用。,一、低合金高强度结构钢,低合金钢是在碳素钢的基础上，通过加入少量合金元素并在热轧或热处理状态下，具有高强度、高韧性、较好的焊接性、成型性或耐腐蚀性等特征的钢材，主要用于制造桥梁、车辆、锅炉、压力容器、起重机械等结构件。,一、低合金高强度结构钢,1.,化学成分,低合金结构钢的含碳量较低，一般控制在,w,c,=0.1%,0.2%,，并以锰为主加元素（,w,Mn,= 0.8%,1.8%,），硅的含量较普通的碳素结构钢为高（,w,Si,=0.2%,0.6%,）。为改善钢的性能，,A,、,B,级钢可加入,V,或,Nb,或,Ti,等细化晶粒元素。如果不作为合金元素加入时，其含量下限不受限制。除各牌号,A,、,B,级钢外，其他钢中应至少含有细化晶粒元素（,Al,、,Nb,、,V,、,Ti,）其中的一种,;,如果这些元素同时使用则至少应有一种元素的含量不低于规定的最小值。有时为改善钢的性能，高性能级别钢可加入钼、稀土等元素,一、低合金高强度结构钢,2.,性能特点,（,1,）高的屈服强度与良好的塑性和韧性 由于合金元素强化铁素体，细化铁素体晶粒，增加珠光体数量以及合金元素可以形成碳化物、氮化物，能够从固溶体中析出细小的化合物，所以低合金结构钢的屈服强度比碳素结构钢要高,25%,50%,，当其主加元素锰的质量分数,wMn1.5%,以下时，仍具有良好的塑性与韧性。,（,2,）良好的焊接性能 低合金结构钢的含碳量低，合金元素少，塑性好，不易在焊缝区产生淬火组织及裂纹，且加入铌、钛、钒还可抑制焊缝区的晶粒长大，使其焊接性能大大提高。,（,3,）较好的耐蚀性 在低合金高强度结构钢中加入合金元素，可明显提高钢的耐蚀性。这是发展低合金钢的重要原因之一。,二、合金渗碳钢,渗碳钢主要用于制造要求高耐磨性、承受高接触应力和冲击载荷的重要零件，如汽车、拖拉机的变速齿轮，内燃机上凸轮轴、活塞销等。合金渗碳钢表面具有高 硬度和高耐磨性，心部具有足够的韧性和强度，即表硬里韧,;,具有良好的热处理工艺性能，如高的淬透性和渗碳能力，在高的渗碳温度下，奥氏体晶粒长大倾向小以便于渗碳后直接淬火。,二、合金渗碳钢,2.,热处理和组织特点,渗碳后的热处理通常采用直接淬火加低温回火。使用状态下的组织为表面是高碳回火马氏体加颗粒状碳化物和残余奥氏体，心部是低碳回火马氏体加铁素体（淬透）或屈氏体加少量的回火马氏体及铁素体（未淬透）。,二、合金渗碳钢,3.,常用钢种,根据淬透性不同，可将渗碳钢分为三类。,（,1,）低淬透性渗碳钢 典型钢种如,20,、,20Cr,等，其淬透性和心部强度均较低，水淬后临界直径不超过,20,35 mm,。只适用于制造受冲击载荷较小的耐磨件，如小轴、小齿轮、活塞销等。,（,2,）中淬透性渗碳钢 典型钢种如,20CrMnTi,等，其淬透性较高，油淬后临界直径约为,25,60 mm,，力学性能和工艺性能良好，大量用于制造承受高速中载、抗冲击和耐磨损的零件，如汽车、拖拉机的变速齿轮、离合器轴等。,（,3,）高淬透性渗碳钢 典型钢种如,18Cr2Ni4WA,等，其油淬后临界直径大于,100 mm,，且具有良好的韧性，主要用于制造大截面、高载荷的重要耐磨件，如飞机、坦克的曲轴和齿轮等。,三、合金调质钢,合金调质钢用于制造一些受力复杂的重要零件，它既要求有很高的强度，又要有很好的塑性和韧性，即具有良好的综合力学性能。,三、合金调质钢,1.,化学成分,合金调质钢的,w,C,=0.25%,0.50%,。碳的质量分数过低，则淬硬性不足而使钢的强 度、硬度过低,;,碳的质量分数过高，则塑性、韧性不够。调质零件的力学性能与淬透性密切相关，零件尺寸较大时，合金调质钢的性能水平将大大优于非合金钢。钢中加入的合金元素有锰、硅、铬、镍、硼、钒、钼、钨等，主要是为了提高淬透性。其中锰、铬、镍、硅等还能强化铁素体,;,钼、钨、钒等碳化物形成元素，可细化晶粒，提高耐回火性,;,钼、钨能防止第二类回火脆性。,三、合金调质钢,2.,热处理和组织特点,为改善合金调质钢的切削加工性能和锻造后的组织，以及消除残余应力，在切削加工前应进行退火或正火。最终热处理一般是淬火后高温回火，以获得良好综合力学性能的回火索氏体组织。为防止第二类回火脆性的出现，某些调质钢回火后应进行快冷。,三、合金调质钢,3.,常用钢种,按淬透性的高低，合金调质钢分为以下三类,:,（,1,）低淬透性合金调质钢 合金元素含量较少，淬透性较差，但力学性能和工艺性能较好，主要用于制作一般尺寸的重要零件。为节约铬，常用,40MnB,或,42SiMn,代替,40Cr,。,（,2,）中淬透性合金调质钢 合金元素含量较多，淬透性较高，主要用来制造截面较大、承受较大载荷的调质件，如曲轴、连杆等。常用牌号为,40CrMn,、,35CrMo,、,38CrMoAl,。,（,3,）高淬透性合金调质钢 合金元素含量比前两类调质钢多，淬透性高，主要用于制造大截面、承受重载荷的重要零件，如汽轮机主轴、航空发动机主轴等。常用牌号有,40CrMnMo,、,40CrNiMoA,、,25Cr2Ni4WA,等。,四、合金弹簧钢,弹簧钢是用于制造弹簧等弹性元件的钢种。弹簧钢是在冲击、振动或长期交变应力下使用，所以要求弹簧钢有高的抗拉强度、弹性极限、高的疲劳强度。在工艺上要求弹簧钢有一定的淬透性、不易脱碳、表面质量好等。,四、合金弹簧钢,1.,化学成分,一般碳素弹簧钢的,wc=0.6%,0.9%,，以保证得到较高的疲劳极限和屈服点。由于合金元素的加入，使共析点左移，故合金弹簧钢的碳质量分数一般为,wc=0.45%,0.7%,。 在合金弹簧钢加入锰、硅、铬、钒、钼等合金元素，主要目的是提高钢的淬透性，使回火后沿整个截面获得均匀的回火屈氏体，当然也使钢的铁素体得到强化。因而提高了钢的力学性能。,辅加元素是少量的钼、钨、钒。作用是减少脱碳和过热倾向，同时进一步提高屈强比、弹性极限和耐热性。钒还能提高冲击韧性。另外，弹簧钢的纯度对其疲劳强度有很大影响，因此，对承受较高应力的合金弹簧钢丝来说，其硫的质量分数应小于,0.02%,。,四、合金弹簧钢,2.,合金弹簧钢的热处理,根据弹簧的尺寸的不同，成型与热处理方法也有所不同。弹簧钢一般以热处理状态交货。,（,1,）热成型弹簧的热处理 板弹簧多数是将热成型和热处理结合进行的，即利用热成型后的预热进行淬火，然后再进行中温回火。而螺旋弹簧则大多是在热成型结束后，再重 新进行淬火和中温回火处理。,（,2,）冷成型弹簧的热处理 冷拉弹簧钢丝一般以热处理状态交货。按照制造工艺不同，可分为索氏体化处理冷拉钢丝、油淬回火钢丝及退火状态供应的合金弹簧钢丝三种类型,四、合金弹簧钢,索氏体化处理冷拉钢丝,:,钢丝制成弹簧后只需进行去应力回火，以消除应力。,油淬回火钢丝,:,冷拉成所需尺寸后，进行油淬回火处理。钢丝制成弹簧后只需进行去应力回火，以消除应力。,退火冷拉钢丝,:,退火状态供应的合金弹簧钢丝首先是冷卷成弹簧后，再进行淬火和回火处理。,弹簧因要求高的表面质量，在热处理后，往往需采用喷丸处理，以消除或减轻表面缺陷的有害影响，使表面产生硬化层和由表面硬化产生的应力。,五、滚动轴承钢,滚动轴承钢是用于制造各种轴承的滚珠、滚柱和内外套圈，也可用来制造各种工具和耐磨零件。,滚动轴承在工作中需承受很高的交变载荷，滚动体与内外圈之间的接触应力大，同时又工作在润滑剂介质中。因此，滚动轴承钢具有高的抗压强度和抗疲劳强度，有一定的韧性、塑性、耐磨性和耐蚀性。,五、滚动轴承钢,1.,化学成分,常用的轴承钢是高碳低铬钢，碳的质量分数为,0.95%,1.15%,，以保证轴承钢具有高强度、硬度，并形成足够的合金碳化物以提高耐磨性。,铬的质量分数为,0.40%,1.65%,。加入铬是为了提高淬透性，并在热处理后形成细小均匀分布的合金渗碳体，提高钢的硬度、接触疲劳强度。如果含铬过多，会增加淬火后的残余奥氏体量，并使碳化物分布不均匀。制造大尺寸轴承时，为进一步提高其淬透性，可加硅、锰等元素。,高碳低铬轴承钢对硫、磷含量限制极严（,w,s,0.02%,、,w,p,0.027%,），因硫、磷会形成非金属夹杂物，降低接触疲劳抗力。故轴承钢是一种高级优质钢（但在牌号后不加“,A”,字）。,五、滚动轴承钢,2.,常用的轴承钢及热处理,目前我国以高碳低铬轴承钢应用最广（占,90%,左右）。在高碳低铬轴承钢中，又以,GCr15,、,GCr15SiMn,钢应用最多。前者用于制造中、小型轴承的内外套圈及滚动体，后者应用于大型滚动轴承。,对于承受很大冲击或特大型轴承，常用合金渗碳钢制造，常用的渗碳轴承钢有,20Cr2Ni4,、,20CrMo,等，对于要求耐腐蚀的轴承，可采用马氏体型不锈钢制造。,五、滚动轴承钢,滚动轴承钢的热处理包括预备处理（球化退火）和最终热处理（淬火后低温回火）。球化退火的目的是降低锻造后钢的硬度，以便于切削加工，并为淬火做好组织准备。,淬火后低温回火的目的是使钢的力学性能满足使用要求，提高零件强度、硬度和耐磨性，并获得必要的韧性。淬火、低温回火后，组织由极细的回火马氏体，细小而均匀分布的碳化物及少量残余奥氏体组成，硬度为,61,65 HRC,。,对于精密轴承零件，为了保证使用过程中的尺寸稳定性，淬火后还应进行冷处理使残余奥氏体转变，然后再进行低温回火。磨削加工后，再在,120,130 ,下时效,5,10 h,。,任务四,合金工具钢,工业生产中所用的模具和刃具都是由合金工具钢制造的，本任务我们将详细了解下合金工具钢的分类、性能和应用。,学习目标,看牌号会识别各种合金工具钢。,会合理应用各合金工具钢。,任务描述,合金工具钢的分类。,合金工具钢的牌号含义。,合金工具钢的性能、热处理和应用。,一、合金刃具钢,用来制造车刀、铣刀、钻头等各种金属切削刀具，图是常用的各种切削刀具。刃具在工作条件下产生强烈的磨损并发热，还有震动和承受一定的冲击负荷。因此，刃具钢要求具备高硬度、耐磨和高的热硬性（在高温仍能保持足够高硬度的特性），有足够的强度和韧性。合金刃具钢分为低合金刃具钢和高速钢两种。,一、合金刃具钢,1.,低合金刃具钢,（,1,）化学成分 低合金刃具钢是在碳素工具钢的基础上加入少量的合金元素的钢。钢中主要加入铬、锰、硅等合金元素，目的是提高钢的淬透性和回火稳定性，保持高的硬度。加入少量的钨、钒是为了提高钢的硬度和耐磨性，并防止加热时过热，保持晶粒细小。,（,2,）常用的低合金刃具钢,9SiCr,是最常用的低合金刃具钢。,9SiCr,由于加入铬和硅，使其有高的淬透性及回火稳定性，碳化物小而均匀，热硬度可达,250 ,以上，适用于制作刀刃细薄的低速切削刀具。如丝锥、板牙、铰刀等。,CrWMn,钢的碳的质量分数为,0.90%,1.05%,，铬、钨、锰同时加入，使钢具有更高的 硬度和耐磨性，但热硬性不如,9SiCr,。主要用来制造较精密的低速刀具，如长铰刀、拉刀等。,一、合金刃具钢,（,3,）低合金刃具钢的热处理 低合金刃具钢的热处理工艺与碳素工具钢基本相同。低合金刃具钢的热处理包括预先热处理（球化退火）和最终热处理（淬火后低温回火）。,低合金刃具钢的预先热处理为球化退火，在机加工之前进行球化退火。组织为球状珠光体。,最终热处理为淬火后低温回火，低温回火后的组织为细的回火马氏体、碳化物颗粒和少量残余奥氏体，热处理后硬度达,60,65 HRC,。,一、合金刃具钢,2.,高速钢,用于制造较高速度切削刃具的钢称为高速钢。其具有热硬性高、耐磨性好、强度高等特性，也可用于制造性能要求高的模具、轧辊、高温轴承和高温弹簧等。高速工具钢在,600 ,左右的工作温度下仍能保持高的硬度，而且其韧性、耐磨性和耐热性均较好，使刀具的使用寿命可成倍的增加。目前，广泛用于制造切削速度较高的刀具和形状复杂、载荷较大的成形刀具。,高速钢的第二个特点是淬透性高，这种钢在空气中冷却也可得到马氏体组织，所以也称“锋钢”。,一、合金刃具钢,（,1,）化学成分 高速钢一般含碳量为,0.70%,1.65%,，以保证足够的碳与各种碳化物形成元素相配合形成碳化物，淬火加热时部分碳化物溶于奥氏体，保证了马氏体的高硬度，另一部分未溶碳化物则可阻碍奥氏体晶粒长大。,高速工具钢常加入的合金元素有,W,、,Mo,、,Cr,、,V,、,Co,等合金元素。,钨和钼是高速钢回火时产生二次硬化最基本的合金元素。钨和钼作用相似，,Mo,的原子量约为,W,的一半，一般可用,1%Mo,取代,2%W,。钨在高速钢中形成很稳定的合金碳化物 （,Fe,4,W,2,C,），它在淬火时部分固溶，回火时又以,W,2,C,碳化物弥散析出，使钢强化，提高硬度和耐磨性，剩下未溶的,Fe,4,W,2,C,碳化物（主要来自共晶碳化物）可阻止淬火加热时的晶粒长大和增加耐磨性。,一、合金刃具钢,加入铬元素是为保证钢的高淬透性，各种高速钢都含铬,4%,左右。在淬火加热时，铬几乎全部溶于奥氏体中，铬还提高钢的回火抗力，并在回火时析出铬的碳化物，改善耐磨性。但含铬太多会增加钢中的残余奥氏体量，降低钢的硬度。 钒是提高耐磨性和热硬性的重要元素之一。,钒在钢中生成的碳化物淬火加热时可部分固溶，未溶的碳化物有助于阻止淬火加热时晶粒长大，而且由于硬度极高，能显著提高钢的耐磨性。,（,2,）常用高速工具钢 我国的高速钢有钨系、钨钼系、超硬系三大类。,W18Cr4V,、,W6Mo5Cr4V2,和,W9Mo3Cr4V,为较常用的高速钢，这三个钢号的产量占目前国内生产和使用的,95%,以上。,一、合金刃具钢,（,3,）高速工具钢的热处理,高速钢的退火,:,高速钢退火的目的是降低硬度，便于切削加工，消除锻造的应力（内、外应力）并为随后的机械加工、淬火做好组织准备。生产中常采用等温球化退火，即将工件 加热至,860,880 ,保温，快冷至,720,750 ,保温，使奥氏体等温分解，随炉冷至,500 ,以下出炉空冷。,高速钢的淬火及回火,:,高速钢刀具所要求的硬度、强度、热硬度和耐磨性是通过正确的淬火和回火之后获得的，所以淬火和回火工艺决定刀具的使用性能和寿命，是热处理的关键。,一、合金刃具钢,高速钢导热性差，塑性较低。如果直接将工件由室温加热至,1200 ,以上，将产生很大的应力，加热时易引起变形开裂。冷却时这种由加热过急造成的应力，也增加了变形开裂的倾向。为了减少热应力，实践中采用分级预热，热处理工艺中的,500,600 ,和,800,850 ,两次预热，通过预热缩短了高温加热时间，有利于防止工件的氧化脱碳。,一、合金刃具钢,为了消除淬火应力，稳定组织，减少残余奥氏体，达到所要求的性能指标，高速钢淬火后必须及时进行回火（一般进行三次）。这是因为高速钢淬火后大部分转变为马氏体，残余奥氏体量是,20%,25%,，甚至更高。第一次回火后，又有,15%,左右的残余奥氏体转变为马氏体。还有,10%,左右的残余奥氏体，,15%,左右新转变未经回火的马氏体，还会产生新的应力，对性能还有一定的影响。为此，要进行二次回火，这时又有,5%,6%,的残余奥氏体转变为马氏体，同样原因为了使剩余的残余奥氏体发生转变，和使淬火马氏体转变为回火马氏体并消除应力，需进行第三次回火。经过三次回火残余奥氏体约剩,1%,3%,。,二、模具钢,模具钢是用于制造各种金属成型用的模具、工具。根据工作条件的不同，模具钢分为冷作模具钢、热作模具钢等。,1.,冷作模具钢 冷作模具钢是指用于制造在冷态下变形或分离的模具用钢，如冷冲模、冷镦模、冷挤压模、拉丝模和滚丝膜等。冷作模具在工作时要承受很大的载荷，如剪刀、压力、弯矩等，而且这些载荷大都带有冲击性质,;,同时模具与配料间还发生强烈摩擦，因此，冷作模具钢的性能要求与刃具钢相似，要求具有高强度、高硬度、足够的韧性和良好的耐磨性。对于高精度的模具要求热处理变形小，以保证模具的加工精度，大型模具还要求良好的淬透性。,二、模具钢,（,1,）化学成分 冷作模具钢的化学成分与低合金刃具钢和高速工具钢相似具有较高的碳的质量分数，一般碳的质量分数在,1.0%,以上。冷作模具钢常加入,Cr,、,Mo,、,W,、,V,等合金元素，形成难溶碳化物，以提高钢的硬度和耐磨性。如常用冷作模具钢,Cr12,、,Cr12MoV,，含铬量高达,11%,13%,。铬还可显著提高钢的淬透性。钼和钒除改善钢的淬透性和回火稳定性外，还起到细化晶粒、改善碳化物的不均匀性的作用。,对于要求不高的小型冷作模具，则大多采用碳素工具钢或低合金刃具钢。如,T10A,、,T12,、,9CrSi,、,CrWMn,和,GCr15,等。,大型冷作模具钢,Cr12,、,Cr12MoV,一般采用高碳高铬钢制造，这类钢具有高的硬度、强度和耐磨性。,二、模具钢,（,2,）冷作模具钢的热处理 冷作模具钢的性能要求与刃具钢相似，但要求热处理后的变形要小，而对热硬性的要求不高。一般冷作模具钢在锻造之后需进行球化退火，目的是为消除锻造应力，降低硬度，改善切削加工性能，细化晶粒为淬火作好组织准备。冷作模具钢的最终热处理为淬火后低温回火，最终热处理后的组织为回火马氏体、未溶碳化物和少量残余奥氏体。,二、模具钢,2.,热作模具钢,热作模具钢是用来制造金属在高温下成型的模具，如制造热锻模、热挤压模、压铸模等。热作模具在工作时需要承受较大的载荷（如压力、扩张力等），如金属在型腔内流动的摩擦力，反复急冷急热时产生的热应力等。因此，要求热作模具钢应具有高的热硬性和高温耐磨性、足够的强度和韧性、高的热稳定性和高的抗热疲劳强度。,二、模具钢,（,1,）化学成分 热作模具钢一般是中碳钢（含碳量,w,c,=0.3%,0.6%,），以保证在回火后获得较高的强度和韧性。钢中加入的合金元素为铬、镍、锰、钨、钼、钒等。铬、镍、锰的主要作用是提高淬透性、强度和抗氧化性能,;,钼、钨、钒加入能产生二次硬化。,（,2,）常用的热作模具钢 表,6-7,是常用的热作模具钢的牌号、化学成分、热处理及用途。,（,3,）热作模具钢的热处理 对于热作模具钢，要进行反复锻造，其目的是使碳化物均匀分布。锻造后退火，目的在于消除锻造应力，改善切削加工性能。退火后的组织为细片状珠光体与铁素体。热作模具钢的最终热处理一般为淬火后高温（或中温）回火，以获得均匀的回火索氏体（或回火托氏体）组织，硬度为,40 HRC,左右，具有一定的强度和较高的韧性。,二、模具钢,3.,合金量具钢,合金量具钢是用于制造各种测量工具（如卡尺、块规、千分尺、卡规、塞规、样板等）所使用的合金钢。为了保证量具的精确性，要求量具有高的硬度和耐磨性，同时还必须有高的尺寸稳定性。,二、模具钢,量具钢的热处理方法与刃具钢相似，进行球化退火，淬火后低温回火。为了获得较高的硬度和耐磨性，回火温度可低些。量具热处理的主要问题是要保证量具在使用过程中的尺寸稳定性。,出现量具尺寸不稳定的原因，主要是由于残余奥氏体转变为回火马氏体时所引起的尺寸膨胀，马氏体在室温下析出碳化物引起尺寸收缩，淬火及磨削所产生的残余应力也导致尺寸的变化。,量具钢没有专用钢。用高碳钢制造尺寸小且形状简单的量具,;,用低合金刃具钢制造复杂的精密量具,;,用不锈钢制造要求耐蚀性高的量具。,任务五,特殊性能钢,生活中有许多具有某些特殊物理或化学性能的钢，比如不生锈的刀具。这些具有特殊性能的钢广泛应用于机械制造行业之中。,学习目标,认识不锈钢。,会合理使用不锈钢。,任务描述,特殊性能钢的分类。,特殊性能钢的成分、性能和应用。,一、不锈钢,不锈钢是不锈耐酸钢的简称，耐空气、蒸汽、水等弱腐蚀介质或具有不锈性的钢种称为不锈钢,;,而将耐化学介质腐蚀（酸、碱、盐等化学侵蚀）的钢种称为耐酸钢。由于两者在化学成分上的差异而使它们的耐蚀性不同，普通不锈钢一般不耐化学介质腐蚀，而耐酸钢则一般均具有不锈性。,一、不锈钢,1.,常用不锈钢,按化学成分可分为铬不锈钢、镍铬不锈钢、铬锰不锈钢等。按金相组织特点则可分为马氏体不锈钢、铁素体不锈钢、奥氏体不锈钢及奥氏体,铁素体不锈钢四种类型。,（,1,）奥氏体不锈钢 在常温下具有奥氏体组织的不锈钢。钢中含,Cr17%,19%,、,Ni8%,11%,、,C,小于,0.15%,时，具有稳定的奥氏体组织。奥氏体铬镍不锈钢包括著名的,18Cr-8Ni,钢和在此基础上增加,Cr,、,Ni,含量并加入,Mo,、,Cu,、,Si,、,Nb,、,Ti,等元素发展起来的高,Cr-Ni,系列钢。奥氏体不锈钢无磁性而且具有高韧性和塑性，但强度较低，不能通过相变使之强化，仅能通过冷加工进行强化。如加入,S,、,Ca,、,Se,、,Te,等元素，则具有良好的易切削性。此类钢除耐氧化性酸介质腐蚀外，如果含有,Mo,、,Cu,等元素还能耐硫酸、磷酸以及甲酸、醋酸、尿素等的腐蚀。此类钢中的含碳量若低于,0.03%,或含,Ti,、,Ni,，就可显著提高其耐晶间腐蚀性能。由于奥氏体不锈钢具有全面的和良好的综合性能，在各行各业中获得了广泛的应用。 。,一、不锈钢,（,2,）铁素体不锈钢 在使用状态下以铁素体组织为主的不锈钢。含铬量在,11%,30%,，具有体心立方晶体结构。这类钢一般不含镍，有时还含有少量的,Mo,、,Ti,、,Nb,等元素，这类钢具有导热系数大，膨胀系数小、抗氧化性好、抗应力腐蚀优良等特点，多用于制造耐大气、水蒸气、水及氧化性腐蚀的零部件。这类钢存在塑性差、焊后塑性和耐蚀性明显降低等缺点，因而限制了它的应用。炉外精炼技术（,AOD,或,VOD,）的应用可使碳、氮等间隙元素大大降低，因此使这类钢获得广泛应用。,（,3,）马氏体不锈钢 通过热处理可以调整其力学性能的不锈钢，通俗地说，是一类可硬化的不锈钢。典型牌号为,Cr13,型，如,2Cr13,、,3Cr13,、,4Cr13,等。淬火后硬度较高，不同回火温度具有不同强韧性组合，主要用于蒸汽轮机叶片、餐具、外科手术器械。根据化学成分的差异，马氏体不锈钢可分为马氏体铬钢和马氏体铬镍钢两类。,二、耐热钢,耐热钢是在高温下具有较高的强度和良好的化学稳定性的合金钢。耐热钢常用于制造锅炉、汽轮机、动力机械、工业炉和航空、石油化工等工业部门中在高温下工作的零部件。耐热钢包括抗氧化钢和热强钢两类。,二、耐热钢,1.,抗氧化钢,一般钢铁在较高温度下（,650 ,以上），表面容易氧化，主要是由于在高温下生成松脆多孔的,FeO,较易剥落。氧原子容易通过,FeO,进行扩散，使钢的内部能继续进行氧化，最终导致零件破坏。,抗氧化钢中加入合金元素铬、硅、铝等，它们与氧更容易反应，故优先被氧化，形成一层牢固的在钢表面覆盖的致密的、高熔点氧化膜（氧化铬、二氧化硅、氧化铝），可隔绝金属与外界高温氧化性气体，从而避免金属被进一步氧化。,生活中实际使用的抗氧化钢，大多数是在铬钢、铬镍钢、铬锰氮钢基础上添加硅、铝制成的。这些抗氧化钢和不锈钢一样，含碳量越多，越会降低钢的抗氧化性。所以一般抗氧化钢都是低碳钢。,二、耐热钢,2.,热强钢,金属在高温下的强度有两个特点,:,一是随着温度的升高，金属原子间的结合力减弱和强度下降,;,二是在再结晶温度以上，即使该温度下金属的弹性极限超过了金属受的应力，塑性变形也会慢慢地进行，而且变形量随着时间的延长而增加，最后就会造成不可逆的金属破坏。这种现象称为蠕变。产生蠕变的原因是,:,在高温下金属原子扩散能力增大，使那些在低温下起强化作用的因素逐渐减弱或消失。例如，可促使回复与再结晶，使加工硬化效果减弱或消失,;,促使过饱和固溶体（如马氏体）发生分解及弥散的硬化质点聚集，使淬火硬化效果减弱或消失等。所有这些过程都导致金属逐渐软化而产生蠕变。显然，其过程与温度、时间有关。,二、耐热钢,根据上述分析，提高材料高温强度的方法有,:,（,1,）提高再结晶温度 钢中加入铬、钼、钨、锰、铌等元素，钢基体中固溶体的原子间结合力就会增加，使原子扩散困难，并推迟再结晶过程的进行，其中以钨、钼作用最强。非碳化物形成元素钴、镍、硅也能提高再结晶温度。,（,2,）利用析出碳化物相而产生强化 在钢中加入钛、铌、钒、钨、钼、铬等元素，就会形成弥散分布而又稳定的碳化物等，这些碳化物等在较高温度下，不容易汇聚长大，所以可以起到阻碍位错运动，增加高温强度的作用。,（,3,）采用较粗晶粒的钢 因高温下晶界的强度比晶粒内部强度低（这与室温时情况正好相反），因此，粗晶粒钢的高温强度比细晶粒钢好。此外，在热处理上采取适当措施，使钢组织在工作温度下，能长期保持稳定，不致因组织转变产生软化或脆化。,二、耐热钢,根据上述分析，提高材料高温强度的方法有,:,（,1,）提高再结晶温度 钢中加入铬、钼、钨、锰、铌等元素，钢基体中固溶体的原子间结合力就会增加，使原子扩散困难，并推迟再结晶过程的进行，其中以钨、钼作用最强。非碳化物形成元素钴、镍、硅也能提高再结晶温度。,（,2,）利用析出碳化物相而产生强化 在钢中加入钛、铌、钒、钨、钼、铬等元素，就会形成弥散分布而又稳定的碳化物等，这些碳化物等在较高温度下，不容易汇聚长大，所以可以起到阻碍位错运动，增加高温强度的作用。,（,3,）采用较粗晶粒的钢 因高温下晶界的强度比晶粒内部强度低（这与室温时情况正好相反），因此，粗晶粒钢的高温强度比细晶粒钢好。此外，在热处理上采取适当措施，使钢组织在工作温度下，能长期保持稳定，不致因组织转变产生软化或脆化。,二、耐热钢,（,1,）珠光体钢 这类钢在,350,600 ,范围内使用。其含碳量较低，合金元素总量不超过,3,5%,。它广泛应用于动力、石油部门作为锅炉用钢与管道材料。,（,2,）马氏体钢 这类钢在小于,620 ,范围内使用。常用的钢号有马氏体不锈钢,1Cr13,、,2Cr13,以及在其基础上发展的,1Cr11MoV,、,1Cr12WMoV,。此外，,4Cr9Si2,及,4Cr10Si2Mo,等铬硅钢是另一类马氏体热强钢，它们含碳量为中碳，主要为提高耐磨性，常用作制造内燃机的气阀，故又称为气阀钢。,（,3,）奥氏体钢 这类钢一般在,600,700 ,范围内使用，常用的钢号有,1Cr18Ni9Ti,，它是奥氏体不锈钢，同时又有高的抗氧化性（,700,900 ,），并在,600 ,还有足够的强度。常用于高压锅炉的过热器、化工高压反应器。,三、耐磨钢（高锰钢）,用于制造坦克、拖拉机的履带、碎石机颚板、铁路道岔、挖掘机铲斗、防弹钢材等零件。,高锰钢的主要成分为铁、碳和锰，,w,c,=1.0%,1.5%,，,w,Mn,=11%,14%,，典型牌号是,ZGMn13,。高碳含量可以提高耐磨性,;,锰含量很高，可以保证热处理后得到单相奥氏体组 织。通常锰碳比（,Mn/C,）控制在,9,11,。对于耐磨性要求较高、冲击韧性要求稍低、形状不复杂的零件，锰碳比取下限（,w,c,=1.2%,1.3%,、,w,Mn,=11%,14%,）,;,反之，则取上限（,w,c,= 0.9%,1.1%,、,w,Mn,=10%,13%,）。,三、耐磨钢（高锰钢）,高锰钢铸态组织中存在着沿奥氏体晶界析出的碳化物，使钢的力学性能变坏，特别是使冲击韧度和耐磨性降低，所以必须经过正确的热处理使其全部获得奥氏体组织才呈现出优良的性能。,高锰钢热处理的方法是将钢经,1050,1100 ,加热保温，使碳化物全部溶入奥氏体，然后在水中快冷，防止碳化物析出，保证得到单相奥氏体组织，这种热处理方法称为“水韧处理”。,经水韧处理后的高锰钢的强度、硬度不高，而塑性、韧性良好。当这种钢在工作时，如果受到强烈的冲击、压力与摩擦，则表面因塑性变形会产生强烈的加工硬化，并发生奥氏体向马氏体转变，表面硬度可达到,50,58 HRC,，从而使表层金属具有高的硬度和耐磨性，而心部仍保持原有奥氏体所具有的高的塑性和韧性。当旧表面磨损后，新露出的表面又可在冲击与摩擦作用下，获得新的耐磨层。这种表面硬化，随着工件不断磨损而不断硬化，直到工件报废。,谢谢,