第4章 合金鋼

1、金屬材料及工藝（第二版）金屬材料篇之合金鋼 主講：主講： 碳素鋼種類繁多，生產(chǎn)比較簡單，成本低廉。經(jīng)過熱處理后，可以在不改變化學(xué)成分的前提下使力學(xué)性能得到不同程度的改善和提高，在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中有著廣泛的應(yīng)用。但是碳素鋼的淬透性比較差，強度、屈強比、回火穩(wěn)定性、抗氧化、耐蝕、耐熱、耐低溫、耐磨損以及特殊電磁性等方面往往較差，不能滿足特殊使用性能的需求。為了滿足科學(xué)技術(shù)和工業(yè)的發(fā)展要求，提高鋼的性能，往往在鐵碳合金中特意加入錳、鉻、硅、鎳、鎢、釩、鉬、鈦、硼、鋁、銅和稀土等合金元素，所獲得的鋼種，稱為合金鋼。由于合金元素與鐵、碳以及合金元素之間的相互作用，改變了鋼的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)，從而能提高和改善鋼的

2、性能。 4.1 4.1 合金元素在鋼中的作用合金元素在鋼中的作用 在冶煉鋼的過程中有目的地加入一些元素，這些元素稱為合金元素。常用的合金元素有：錳(Mn1)、硅(Si0.5)、鉻、鎳、鉬、鎢、釩、鈦、鋯、鋁、鈷、硼、稀土（RE）等。鋼中加入合金元素改變鋼的組織結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能，同時也改變鋼的相變點和合金狀態(tài)圖。合金元素在鋼中的作用十分復(fù)雜，本節(jié)主要分析合金元素對鋼中基本相、鐵碳合金相圖和熱處理影響。 4.1.1 4.1.1 合金元素對鋼中基本項的影響合金元素對鋼中基本項的影響(1) 強化鐵素體 絕大多數(shù)合金元素都可或多或少地溶于鐵素體中，形成合金鐵素體。合金元素溶入鐵素體后，引起鐵素體晶格畸變，

3、另外合金元素還易分布在晶體缺陷處，使位錯移動困難，從而提高了鋼的塑性變形抗力，產(chǎn)生固溶強化，使鐵素體的強度、硬度提高，但塑性、韌性都有下降趨勢。 硅、錳能顯著提高鐵素體強度、硬度，但當(dāng)si0.6%、Mn1.5%時，將降低其韌性。而鉻、鎳這兩個元素，在適量范圍內(nèi)(Cr2%，Ni5%)，不但可提高鐵素體的硬度，而且能提高其韌性。為此，在合金結(jié)構(gòu)鋼中，為了獲得良好強化效果，對鉻、鎳、硅和錳等合金元素要控制在一定含量范圍內(nèi)。(2) 形成合金碳化物 釩、鈮、鋯、鈦為強碳化物形成元素；鉻、鉬、鎢為中強碳化物形成元素；錳為弱碳化物形成元素。 鋼中形成的合金碳化物的類型主要有：合金滲碳體和特殊碳化物，合金滲碳

4、體較滲碳體略為穩(wěn)定，硬度也較高，是一般低合金鋼中碳化物的主要存在形式。特殊碳化物是與滲碳體晶格完全不同的合金碳化物。特殊碳化物特別是間隙相碳化物，比合金滲碳體具有更高的熔點、硬度與耐磨性，并且更為穩(wěn)定，不易分解。合金碳化物的種類、性能和在鋼中分布狀態(tài)會直接影響到鋼的性能及熱處理時的相變。 4.1.24.1.2合金元素對合金元素對Fe-Fe3CFe-Fe3C相圖的影響相圖的影響 鋼中加入合金元素后，對鐵碳合金相圖的相區(qū)、相變溫度、共析成分等都有影響。(1) 改變了奧氏體區(qū)的范圍 銅、錳、鎳等這類合金元素使A3、A1溫度下降，GS線向左下方移動，隨著錳、鎳含量的增大，會使相圖中奧氏體區(qū)一直延展到室

5、溫下。因此，它在室溫的平衡組織是穩(wěn)定的單相奧氏體，這種鋼稱奧氏體鋼，如圖4.1.1a所示。(a) 錳對奧氏體區(qū)的影響 (b) 鉻對奧氏體區(qū)的影響 鋁、鉻、鉬、鎢、釩、硅、鈦等，這類合金元素使A3和A1溫度升高， GS線向左上方移動，如圖4.1.2b所示。隨著鋼中這類元素含量的增大，可使相圖中奧氏體區(qū)消失，此時，鋼在室溫下的平衡組織是單相的鐵素體，這種鋼稱為鐵素體鋼。(a) 錳對奧氏體區(qū)的影響 (b) 鉻對奧氏體區(qū)的影響(2) 改變Fe-Fe3C相圖S、E點位置 大多數(shù)合金元素均能使S點、E點左移。共析鋼中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)就不是c =0.77%，而是c0.77%。出現(xiàn)共晶組織的最低碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不再是

6、c =2.11，而是c2.11。 例如，含c =0.4%的碳鋼原屬亞共析鋼，當(dāng)加入Cr=12%后就成了共析鋼。又如含c0.70.8的高速鋼，由于大量合金元素的加入，在鑄態(tài)組織中卻出現(xiàn)合金萊氏體，這種鋼稱為萊氏體鋼。 4.1.3 4.1.3 合金元素對鋼材熱處理的影響合金元素對鋼材熱處理的影響(1) 合金元素對鋼加熱時轉(zhuǎn)變影響 由于合金元素的擴散速度很緩慢，因此對于合金鋼應(yīng)采取較高的加熱溫度和較長的保溫時間，以保證合金元素溶入奧氏體并使之均勻化，從而充分發(fā)揮合金元素的作用。 當(dāng)合金元素形成碳化物，這些特殊碳化物在高溫下比較穩(wěn)定，不易溶于奧氏體，并以細(xì)小質(zhì)點的形式彌散地分布在奧氏體晶界上，機械地阻

7、礙奧氏體晶粒長大。因此，使得鋼在高溫下較長時間的加熱仍能保持細(xì)晶粒組織，這是合金鋼的一個重要特點。 (2) 合金元素對鋼冷卻轉(zhuǎn)變的影響 1)合金元素對過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變的影響 除鈷外，大多數(shù)合金元素溶入奧氏體后降低原子擴散速度，使奧氏體穩(wěn)定性增加，從而使C曲線右移。含有這類元素的低合金鋼，其C曲線形狀與碳鋼相似，只有一個鼻尖，如圖4.1.2a所示。當(dāng)碳化物形成元素溶入奧氏體后，由于它們對推遲珠光體轉(zhuǎn)變與貝氏體轉(zhuǎn)變的作用不同，使C曲線出現(xiàn)兩個鼻尖，曲線分解成珠光體和貝氏體兩個轉(zhuǎn)變區(qū)，而兩區(qū)之間，過冷奧氏體有很大的穩(wěn)定性，如圖4.1.2b所示。 由于合金元素使C曲線右移，故降低了鋼的馬氏體臨界冷卻

8、速度，增大了鋼的淬透性。 (a) 非碳化物形成元素及弱碳化物形成元素 (b) 強碳化物形成元素圖4.1.2 合金元素對C曲線的影響 2)合金元素對過冷奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變的影響 除鈷、鋁外，大多數(shù)合金元素溶入奧氏體后，使馬氏體轉(zhuǎn)變溫度Ms和Mf降低，其中鉻、鎳、錳作用較強。Ms越低，則淬火后鋼中殘余奧氏體的數(shù)量就越多。(3)合金元素對淬火鋼回火轉(zhuǎn)變的影響 鋼在回火時抵抗硬度下降的能力，稱回火穩(wěn)定性。淬火時溶于馬氏體的合金元素，回火時有阻礙馬氏體分解和碳化物聚集長大的作用。使回火硬度降低過程變緩，從而提高鋼的回火穩(wěn)定性。由于合金鋼的回火穩(wěn)定性比碳鋼高，若要得到相同的回火硬度時，則合金鋼的回火溫度就

9、比同樣碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的碳鋼要高，回火時間也長。而當(dāng)回火溫度相同時，合金鋼的強度、硬度都比碳鋼高。 一些含有鎢、鉬、釩的合金鋼，經(jīng)高溫奧氏體充分均勻化并淬火后，在500600回火時會從馬氏體中析出特殊碳化物，析出的碳化物高度彌散分布在馬氏體基體上，使鋼的硬度反而有所提高，這就形成了二次硬化。含碳量為0.3%的Mo鋼的回火溫度與硬度關(guān)系曲線見圖4.1.3。二次硬化實質(zhì)是一種彌散硬化。另外，由于特殊碳化物的析出，使殘余奧氏體中碳及合金元素濃度降低，提高了Ms溫度，故在隨后冷卻時就會有部分殘余奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，這也是在回火時鋼的硬度提高而產(chǎn)生二次硬化的原因。二次硬化現(xiàn)象對需要較高紅硬性的工具鋼(如高速

10、鋼)具有重要意義。 圖4.1.3 含碳量為0.3%的Mo鋼的回火溫度與硬度關(guān)系曲線 4.2 4.2 合金鋼的分類與編號合金鋼的分類與編號 生產(chǎn)中使用的鋼材品種繁多，為了便于生產(chǎn)、管理、選用和研究，有必要對鋼加以分類和編號。4.2.1 4.2.1 合金鋼的分類合金鋼的分類 按合金元素總的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分為低合金鋼(Me5)、中合金鋼(Me5%10%)、高合金鋼(Me10)；按鋼中主要合金元素種類不同，又可分為錳鋼、鉻鋼、硼鋼、鉻鎳鋼、鉻錳鋼等；按用途分合金結(jié)構(gòu)鋼、合金工具鋼、特殊性能鋼；按正火后組織分鐵素體鋼、奧氏體鋼、萊氏體鋼等。4.2.2 4.2.2 合金鋼的編號方法合金鋼的編號方法 （1）低合金

11、高強度結(jié)構(gòu)鋼 其牌號由代表屈服點的漢語拼音字母（Q）、屈服極限數(shù)值、質(zhì)量等級符號（A、B、C、D、E）三個部分按順序排列。例如Q390A，表示屈服強度s390N/mm2、質(zhì)量等級A的低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼。 （2）合金結(jié)構(gòu)鋼 其牌號由“兩位數(shù)字十元素符號+數(shù)字”三部分組成。前面兩位數(shù)字代表鋼中平均碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的萬倍，元素符號表示鋼中所含的合金元素，元素符號后面數(shù)字表示該元素的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)的百倍。合金元素的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)Me1.5%時，一般只標(biāo)明元素而不標(biāo)明數(shù)值；當(dāng)平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.5、2.5、3.5%，時，則在合金元素后面相應(yīng)地標(biāo)出2， 3，4，。例如40Cr，其平均碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)c=0.4，平均鉻的質(zhì)量

12、分?jǐn)?shù)Cr1.5。如果是高級優(yōu)質(zhì)鋼，則在牌號的末尾加“A”。例如38CrMoAlA鋼，則屬于高級優(yōu)質(zhì)合金結(jié)構(gòu)鋼。（3）滾動軸承鋼 在牌號前面加“G”(“滾”字漢語拼音的首位字母)，后面數(shù)字表示鉻的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的千倍，其碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不標(biāo)出。例如GCr15鋼，就是平均鉻的質(zhì)量分?jǐn)?shù)Cr1.5的滾動軸承鋼。鉻軸承鋼中若含有除鉻外的其它合金元素時，這些元素的表示方法同一般的合金結(jié)構(gòu)鋼。滾動軸承鋼都是高級優(yōu)質(zhì)鋼，但牌號后不加“A”。 （4）合金工具鋼 這類鋼的編號方法與合金結(jié)構(gòu)鋼的區(qū)別僅在于：當(dāng)c1時，用一位數(shù)字表示碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的千倍；當(dāng)碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%時，則不予標(biāo)出。例如Cr12MoV鋼，其平均碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為

13、c=1.451.70%，所以不標(biāo)出；Cr的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12，Mo和V的質(zhì)量分?jǐn)?shù)都是小于1.5%。又如9SiCr鋼，其平均c=0.9，平均Cr均1.5。不過高速工具鋼例外，其平均碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)無論多少均不標(biāo)出。因合金工具鋼及高速工具鋼都是高級優(yōu)質(zhì)鋼，所以它的牌號后面也不必再標(biāo)“A”。（5）不銹鋼與耐熱鋼 這類鋼牌號前面數(shù)字表示碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的千倍。例如3Crl3鋼，表示平均c0.3，平均Cr13。當(dāng)碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)c0.03及c0.08時，則在牌號前面分別冠以“00”及“0”表示，例如00Cr17Ni14Mo2，0Cr19Ni9鋼等。 4.3 4.3 合金結(jié)構(gòu)鋼合金結(jié)構(gòu)鋼 在碳素結(jié)構(gòu)鋼的基礎(chǔ)上添加一些合

14、金元素就形成了合金結(jié)構(gòu)鋼。合金結(jié)構(gòu)鋼具有較高的淬透性，較高的強度和韌性，用于制造重要工程結(jié)構(gòu)和機器零件時具有優(yōu)良的綜合力學(xué)性能，從而保證零部件安全的使用。主要有低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼、合金滲碳鋼、合金調(diào)質(zhì)鋼、合金彈簧鋼和滾珠軸承鋼。4.3.1 4.3.1 低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼 低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼是結(jié)合我國資源條件發(fā)展起來的鋼種。它是低碳結(jié)構(gòu)鋼，合金元素總量在3以下，以Mn為主要元素。和碳素結(jié)構(gòu)鋼相比有較高強度，足夠的塑性、韌性，良好的焊接工藝性能，較好的耐腐蝕性和低的冷脆轉(zhuǎn)變溫度。 為保證有良好的塑性與韌性，良好的焊接性能和冷成形性能，低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般均較低，大

15、多數(shù)為c0.160.20。 合金元素的主要作用是：加入錳（為主加元素）、硅、鉻、鎳元素為強化鐵素體；加入釩、鈮、鈦、鋁等元素為細(xì)化鐵素體晶粒；合金元素使S點左移，增加珠光體數(shù)量；加入碳化物形成元素(釩、鈮、鈦)及氮化物形成元素(鋁)，使細(xì)小化合物從固溶體中析出，產(chǎn)生彌散強化作用。 低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼可按屈服極限分295、345、390、420、460N/mm2五個強度等級，其中295390N/mm2級的應(yīng)用最廣。它們的牌號、化學(xué)成分、力學(xué)性能及用途見表4.3.1。 低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼大多數(shù)是在熱軋、正火狀態(tài)下使用，其組織為鐵素體十少量珠光體。對Q420、Q460的C、D、E級鋼也可先淬成低碳馬

16、氏體，然后進行高溫回火以獲得低碳回火索氏體組織，從而獲得良好的力學(xué)性能。其中Q345鋼的應(yīng)用最廣泛。我國的南京長江大橋、內(nèi)燃機車機體、萬噸巨輪及壓力容器、載重汽車大梁等都采用Q345鋼制造。 4.3.2 4.3.2 合金滲碳鋼合金滲碳鋼 合金滲碳鋼主要用來制造工作中承受較強烈的沖擊作用和磨損條件下的滲碳零件。例如，制作承受動載荷和重載荷的汽車變速箱齒輪、汽車后橋齒輪和內(nèi)燃機里的凸輪軸、活塞銷等。這類鋼經(jīng)滲碳、淬火和低溫回火后表面具有高的硬度和耐磨性，心部具有較高的強度和足夠韌性的零件。 合金滲碳鋼中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般在c=0.100.25之間，以保證滲碳零件心部具有良好的塑性和韌性。碳素滲碳鋼的

17、淬透性低，熱處理對心部的性能改變不大，加入合金元素可提高鋼的淬透性，改善心部性能。常用的合金元素有鉻、鎳、錳和硼等，其中以鎳的作用最好。為了細(xì)化晶粒，還加入少量阻止奧氏體晶粒長大的強碳化物形成元素，如鈦、釩、鉬等，它們形成的碳化物在高溫滲碳時不溶解，有效地抑制滲碳時的過熱現(xiàn)象。 為了保證滲碳零件表面得到高硬度和高耐磨性，大多數(shù)合金滲碳鋼采用滲碳后淬火+低溫回火。 滲碳后的鋼種，表層碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.85%1.05%，經(jīng)淬火和低溫回火后，表層組織由合金滲碳體、回火馬氏體及少量殘余奧氏體組成，硬度可達5864HRC，而心部的組織與鋼的淬透性及零件的截面有關(guān)：當(dāng)全部淬透時是低碳回火馬氏體，硬度可達4

18、048HRC，未淬透的情況下是珠光體+鐵素體或低碳回火馬氏體加少量鐵素體的混合組織，硬度約為2540HRC。20CrMnTi鋼制造的汽車變速齒輪熱處理技術(shù)要求為：滲碳層厚度1.2mm1.6mm，表層碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為c=1.0%，齒頂硬度5860HRC，心部硬度3045HRC。其熱處理工藝路線如圖4.3.1所示。 圖4.3.1 20CrMnTi鋼制造齒輪的熱處理工藝曲線 合金滲碳鋼可按淬透性分為低淬透性、中淬透性及高淬透性鋼三類。主要牌號、成分、力學(xué)性能和用途列于表4.3.2。 4.3.3 4.3.3 合金調(diào)質(zhì)鋼合金調(diào)質(zhì)鋼 合金調(diào)質(zhì)鋼指調(diào)質(zhì)處理后使用的合金結(jié)構(gòu)鋼，其基本性能是具有良好的綜合力學(xué)性能

19、。合金調(diào)質(zhì)鋼廣泛用于制造一些重要零件，如機床的主軸、汽車底盤的半軸、柴油機連桿螺栓等。合金調(diào)質(zhì)鋼碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般在c=0.250.50之間。碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)過低不易淬硬，回火后達不到所需要的強度；如果碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)過高，則零件韌性較差。 合金調(diào)質(zhì)鋼的主加元素有鉻、鎳、錳、硅、硼等，以增加淬透性、強化鐵素體；鉬、鎢的主要作用是防止或減輕第二類回火脆性，并增加回火穩(wěn)定性；釩、鈦的作用是細(xì)化晶粒。合金調(diào)質(zhì)鋼在鍛造后為了改善切削加工性能應(yīng)采用完全退火作為預(yù)先熱處理。最終熱處理采用淬火后進行500650的高溫回火，以獲得回火索氏體，使鋼件具有高的綜合力學(xué)性能。 合金調(diào)質(zhì)鋼常按淬透性大小分為三類，其主要牌號、成

20、份、力學(xué)性能和用途見表4.3.3。 4.3.4 4.3.4 合金彈簧鋼合金彈簧鋼 彈簧是機器、車輛和儀表及生活中的重要零件，主要在沖擊、振動、周期性扭轉(zhuǎn)和彎曲等交變應(yīng)力下工作，彈簧工作時不允許產(chǎn)生塑性變形，因此要求制造彈簧的材料具有較高的強度。 合金彈簧鋼的碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般為c0.50.7，碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)過高時，塑性和韌性差，疲勞強度下降。常加入以硅、錳為主的合金元素，提高鋼的淬透性和強化鐵素體（見表4.3.4）。根據(jù)彈簧尺寸的不同，成形與熱處理方法也有不同。 1)熱成形彈簧鋼 彈簧絲直徑或彈簧鋼板厚度大于1015mm的螺旋彈簧或板彈簧，采用熱態(tài)成形，成形后利用余熱進行淬火，然后中溫回火(350

21、500)處理，得到回火屈氏體，具有高的彈性極限、高的屈強比，硬度一般為4248HRC。 彈簧經(jīng)熱處理后，一般還要進行噴丸處理，使表面強化，并在表面產(chǎn)生殘余應(yīng)力，以提高其疲勞強度。 2)冷成形彈簧鋼 對于鋼絲直徑小于810mm的彈簧，常用冷拉彈簧鋼絲冷卷成形。鋼絲在冷拔過程中，首先將盤條坯料加熱至奧氏體組織后(Ac3以上80100)，再在500550的鉛浴或鹽浴中等溫轉(zhuǎn)變獲得索氏體組織，然后經(jīng)多次冷拔，得到均勻的所需直徑和具有冷變形強化效果的鋼絲。 冷拉鋼絲在拉制過程中已被強化，所以在冷卷成型后，不必再作淬火處理，只須在200300進行一次去應(yīng)力退火，以消除在冷拉、冷卷過程中產(chǎn)生的應(yīng)力并穩(wěn)定彈簧

22、尺寸。常用合金彈簧鋼的牌號60Si2Mn、60Si2CrVA和50CrVA。合金彈簧鋼主要用于制造各種彈性元件，如在汽車、拖拉機、坦克、機車車輛上制作減震板彈簧和螺旋彈簧，大炮的緩沖彈簧，鐘表的發(fā)條等。 4.3.5 4.3.5 滾動軸承鋼滾動軸承鋼 滾動軸承鋼是制造各種滾動軸承的滾珠、滾柱、滾針的專用鋼，也可做其它用途，如形狀復(fù)雜的工具、冷沖模具、精密量具以及要求硬度高、耐磨性高的結(jié)構(gòu)零件。 一般的軸承用鋼是高碳低鉻鋼，其碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為c0.951.15，屬過共析鋼，目的是保證軸承具有高的強度、硬度和足夠碳化物，以提高耐磨性。鉻的含量為Cr0.41.65，鉻的作用主要是提高淬透性，使組織均勻，

23、并增加回火穩(wěn)定性。鉻與碳作用形成的(Fe、Cr)3C合金滲碳體，能提高鋼的硬度及耐磨性，鉻還提高鋼的回火穩(wěn)定性。 滾動軸承鋼的純度要求極高，硫、磷含量限制極嚴(yán)(s0.020，p0.027)。因硫、磷形成非金屬夾雜物，降低接觸疲勞抗力，故它是一種高級優(yōu)質(zhì)鋼(但在牌號后不加“A”字)。 滾動軸承鋼的熱處理包括預(yù)先熱處理(球化退火)和最終熱處理(淬火+低溫回火)。 球化退火目的是獲得粒狀珠光體組織，以降低鍛造后鋼的硬度，有利于切削加工，并為淬火作好組織上準(zhǔn)備。淬火與低溫回火是決定軸承鋼最終性能的重要熱處理工序，淬火溫度應(yīng)嚴(yán)格控制在84010的范圍內(nèi)，回火溫度一般為150160。 軸承鋼淬火、回火后的

24、組織為極細(xì)回火馬氏體和分布均勻的細(xì)小碳化物以及少量的殘余奧氏體，回火后硬度為6l65HRC。對于精密軸承，由于低溫回火不能完全消除殘余應(yīng)力和殘余奧氏體。因此為了穩(wěn)定尺寸，可在淬火后立即進行冷處理(-60-80)，以減少殘余奧氏體量，然后再進行低溫回火和磨削加工，最后再進行一次穩(wěn)定尺寸的穩(wěn)定化處理(在120130保溫1020h)。 綜上所述，鉻軸承鋼制造軸承生產(chǎn)工藝路線一般如下： 下料鍛造球化退火機械加工淬火+低溫回火磨削加工成品 常用滾動軸承鋼的牌號、成分、熱處理和主要用途見表1.4.5。 4.4 4.4 合金工具鋼合金工具鋼 主要用于制造各種加工和測量工具的鋼稱工具鋼。按其加工用途分為刃具、

25、量具和模具用鋼，按成分不同也可分為碳素工具鋼和合金工具鋼。在碳素工具鋼的基礎(chǔ)上加入一定種類和數(shù)量的合金元素，用來制造各種刃具、模具、量具等用鋼就稱為合金工具鋼。與碳素工具鋼相比，合金工具鋼的硬度和耐磨性更高，而且還具有更好的淬透性、紅硬性和回火穩(wěn)定性。因此常被用來制作截面尺寸較大、幾何形狀較復(fù)雜、性能要求更高的工具。合金工具鋼按用途分為合金刃具鋼、合金模具鋼、合金量具鋼。4.4.1 4.4.1 合金刃具鋼合金刃具鋼 刃具鋼是用來制造各種切削刀具的鋼，如車刀、銑刀、鉆頭等，提出如下的性能要求：高的硬度、高耐磨性、高的紅硬性（紅硬性是指鋼在高溫下保持高硬度的能力）、一定的韌性和塑性。(1)低合金刃

26、具鋼 為了保證高硬度和耐磨性，低合金刃具鋼的碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為c0.751.45，加入的合金元素硅、鉻、錳可提高鋼的淬透性；硅、鉻還可以提高鋼的回火穩(wěn)定性，使其一般在300以下回火后硬度仍保持60HRC以上，從而保證一定的紅硬性。鎢在鋼中可形成較穩(wěn)定的特殊碳化物，基本上不溶于奧氏體，能使鋼的奧氏體晶粒保持細(xì)小，增加淬火后鋼的硬度，同時還提高鋼的耐磨性及紅硬性。圖4.4.1是9SiCr鋼制板牙的淬火、回火工藝曲線。 圖4.4.1 9SiCr鋼制板牙的淬火、回火工藝曲線 常用低合金刃具鋼的牌號、成分、熱處理及用途見表4.4.1。 刃具毛坯經(jīng)鍛造后的預(yù)先熱處理為球化退火，最終熱處理采用淬火+低溫回火，組

27、織為細(xì)回火馬氏體十粒狀合金碳化物十少量殘余奧氏體，硬度一般為60HRC。 (2)高速鋼 高速鋼是一個紅硬性、耐磨性較高的高合金工具鋼，它的紅硬性高達600，可以進行高速切削，故稱之高速鋼。高速鋼具有高的強度、硬度、耐磨性及淬透性。高速鋼的成分特點是含有較高的碳和大量形成碳化物的元素鎢、鉬、鉻、釩、鈷、鋁等，碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為c0.701.60，合金元素總量Me10。碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)高的原因在于通過碳與合金元素作用形成足夠數(shù)量的合金碳化物，同時還能保證有一定數(shù)量的碳溶于高溫奧氏體中，以使淬火后獲得高碳馬氏體，保證高硬度和高耐磨性以及良好的紅硬性。鎢、鉬是提高紅硬性的主要元素。在高速鋼退火狀態(tài)下主要以各種

28、特殊碳化物的形式存在。在淬火加熱時，一部分碳化物溶入奧氏體，淬火后形成含有大量鎢、鉬的馬氏體組織，這種合金馬氏體組織具有很高的回火穩(wěn)定性。在560左右回火時，會析出彌散的特殊碳化物W2C、Mo2C，造成二次硬化。未溶的碳化物則能阻止加熱時奧氏體晶粒長大，使淬火后得到的馬氏體晶粒非常細(xì)小(隱針馬氏體)。 在淬火加熱時，鉻的碳化物幾乎全部溶入奧氏體中，增加奧氏體的穩(wěn)定性，從而明顯提高鋼的淬透性，使高速工具鋼在空冷條件下也能形成馬氏體組織。但鉻的含量過高，會使Ms點下降，殘余奧氏體量增加，降低鋼的硬度并增加回火次數(shù)，所以鉻的含量在高速鋼中為Cr4。由于高速工具鋼含有大量合金元素，故鑄態(tài)組織出現(xiàn)萊氏體

29、，屬于萊氏體鋼。其中共晶碳化物呈魚骨狀且分布很不均勻，造成強度及韌性下降。這些碳化物不能用熱處理來消除，必須通過高溫軋制及反復(fù)鍛造將其擊碎，并使碳化物呈小塊狀均勻分布在基體上。因此，高速工具鋼鍛造的目的不僅僅在于成形，更重要的是打碎萊氏體中粗大的碳化物。 因高速工具鋼的奧氏體穩(wěn)定性很好，經(jīng)鍛造后空冷，也會發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變。為了改善其切削加工性能，消除殘余內(nèi)應(yīng)力，并為最終熱處理作組織準(zhǔn)備，必須進行退火。通常采用等溫球化退火(即在830880范圍內(nèi)保溫后，較快地冷卻到720760范圍內(nèi)等溫)，退火后組織為索氏體及粒狀碳化物，硬度為207255HBS。 高速鋼的紅硬性主要決定于馬氏體中合金元素的含量，

30、即加熱時溶入奧氏體中的合金元素量。對W18Cr4V鋼，隨著加熱溫度升高，溶入奧氏體中的合金元素量增加，為了使鎢、鉬、釩元素盡可能多地溶入奧氏體，提高鋼的紅硬性，其淬火溫度應(yīng)高（為12701280）。但加熱溫度過高時，奧氏體晶粒粗大，剩余碳化物聚集，使鋼性能變壞，故高速工具鋼的淬火加熱溫度一般不超過1300。高速工具鋼的淬火方法常用油淬空冷的雙介質(zhì)淬火法或馬氏體分級淬火法。淬火后的組織是隱針馬氏體、粒狀碳化物及2025的殘余奧氏體。 為了消除淬火應(yīng)力，減少殘余奧氏體量，穩(wěn)定組織，提高力學(xué)性能指標(biāo)，則淬火后必須進行回火。在560左右回火過程中，由馬氏體中析出高度彌散的鎢、釩的碳化物，使鋼的硬度明顯

31、提高；同時殘余奧氏體中也析出碳化物，使其碳和合金元素含量降低，Ms點上升，在回火冷卻過程中殘余奧氏體轉(zhuǎn)變成馬氏體使硬度提高達到6466HRC，形成“二次硬化”。 由于W18Cr4V鋼在淬火狀態(tài)約有2025的殘余奧氏體，一次回火難于全部消除，經(jīng)三次回火后即可使殘余奧氏體減至最低量(第一次回火1h降到10左右，第二次回火后降到35，第三次回火后降到最低量12)。 高速鋼正常淬火、回火后組織為極細(xì)小的回火馬氏體十較多的粒狀碳化物及少量殘余奧氏體，其硬度為6366HRC?，F(xiàn)以W18Cr4V鋼為例說明其熱處理工藝的選用，其工藝路線如下：鍛造球化退火切削加工淬火+多次560回火噴砂磨削加工成品, 如圖4.

32、4.2是高速鋼W18Cr4V熱處理工藝曲線。 圖4.4.2 W18Cr4V鋼熱處理工藝曲線 球化退火：高速鋼在鍛后進行球化退火，以降低硬度，消除鍛造應(yīng)力，便于切削加工，并為淬火做好組織準(zhǔn)備。球化退火后的組織為球狀珠光體。 淬火和回火：高速鋼的優(yōu)越性能需要經(jīng)正確的淬火回火處理后才能獲得。 常用高速工具鋼。我國常用的高速工具鋼有三類，見表4.4.2。W18Cr4V是鎢系高速工具鋼，其熱硬性較高，過熱敏感性較小，磨削性好，但碳化物較粗大，熱塑性差，熱加工廢品率較高。W18Cr4V鋼適用于制造一般的高速切削刃具，但不適合作薄刃的刃具。 4.4.2 4.4.2 合金模具鋼合金模具鋼 根據(jù)工作條件的不同，

33、模具鋼又可分為冷作模具鋼和熱作模具鋼。（1）冷作模具鋼 冷作模具鋼用于制造在室溫下使金屬變形的模具，如冷沖模、冷鐓、拉絲、冷擠壓模等。它們在工作時承受高的壓力、摩擦與沖擊，因此冷作模具要求具有：高的硬度和耐磨性、較高強度、足夠韌性和良好的工藝性。 常用來制作冷作模具的合金工具鋼中有一部分為低合金工具鋼。如CrWMn、9CrWMn、9Mn2V以及列在表4.4.1中的9SiCr、Cr2、9Cr2等。對尺寸比較大、工作載荷較重的冷作模具應(yīng)采用淬透性比較高的低合金工具鋼制造。對于尺寸不很大但形狀復(fù)雜的冷沖模，為減少變形也應(yīng)使用此類鋼制造。 對于要求熱處理變形小的大型冷作模具采用高碳高鉻模具鋼(Crl2

34、、Crl2MoV)。Crl2型鋼中主要的碳化物是(Cr、Fe)7C3，這些碳化物在高溫加熱淬火時大量溶于奧氏體，增加鋼的淬透性。Cr12型鋼缺點是碳化物多而且分布不均勻，殘余奧氏體含量也高，強度、韌性大為降低。 在Cr12鋼基礎(chǔ)上加入鉬、釩后，除了可以進一步提高鋼的回火穩(wěn)定性，增加淬透性外，還能細(xì)化晶粒，改善韌性。所以Cr12MoV鋼性能優(yōu)于Cr12鋼。 含有鉬、釩的高碳高鉻鋼在500左右回火后產(chǎn)生二次硬化。因此具有高的硬度和耐磨性。 冷作模具用合金工具鋼的化學(xué)成分及熱處理見表4.4.3。 （2）熱作模具鋼 熱作模具鋼是用來制作加熱的固態(tài)金屬或液態(tài)金屬在壓力下成形的模具。前者稱為熱鍛模或熱擠壓

35、模，后者稱為壓鑄模。 由于模具承受載荷很大，要求強度高。模具在工作時往往還承受很大沖擊， 所以要求韌性好，即要求綜合力學(xué)性能好，同時又要求有良好的淬透性和抗熱疲勞性。 常用熱作模具鋼的牌號、化學(xué)成分、熱處理及硬度見表4.4.4。 1) 熱鍛模具鋼 包括錘鍛模用鋼以及熱擠壓、熱鐓模及精鍛模用鋼。一般碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為c0.40.6，以保證淬火及中、高溫回火后具有足夠的強度與韌性。 熱鍛模經(jīng)鍛造后需進行退火，以消除鍛造內(nèi)應(yīng)力，均勻組織，降低硬度，改善切削加工性能。加工后通過淬火、中溫回火，得到主要是回火屈氏體的組織，硬度一般為4050HRC來滿足使用要求。 常用的熱鍛模具鋼牌號是5CrNiMo、5Cr

36、MnMo。5CrNiMo鋼具有良好韌性、強度、耐磨性和淬透性。5CrNiMo鋼是世界通用的大型錘鍛模用鋼，適于制造形狀復(fù)雜的、受沖擊載荷重的大型及特大型的鍛模。5CrMnMo鋼以錳代鎳，適于制造中型鍛模。 熱作模具鋼中的4CrMnSiMoV鋼具有良好的淬透性，故尺寸較大的模具空冷也可得到馬氏體組織，并具有較好的回火穩(wěn)定性和良好的力學(xué)性能，其抗熱疲勞性及較高溫度下的強度和韌性接近5CrNiMo鋼，因此在大型錘鍛模和水壓機鍛造用模上，4CrMnSiMoV鋼可以代替5CrNiMo鋼。 鉻系熱模具鋼4Cr5MoSiV、4Cr5MoSiV1，可用于制作尺寸不大的熱鍛模、熱擠壓模具、高速精鍛模具、鍛造壓力

37、機模具等。5Cr4Mo3SiMnVA1為冷熱兼用的模具鋼，可用其制作壓力機熱壓沖頭及凹模，壽命較高。 2)壓鑄模鋼 壓鑄模工作時與熾熱金屬接觸時間較長，要求有較高的耐熱疲勞性，較高的導(dǎo)熱性，良好的耐磨性和必要的高溫力學(xué)性能。此外，還需要具有抗高溫金屬液的腐蝕和金屬液的沖刷能力。 常用壓鑄模鋼是3Cr2W8V鋼，具有高的熱硬性、高的抗熱疲勞性。這種鋼在600650下強度可達b10001200N/mm2，淬透性也較好。 近些年來，鋁鎂合金壓鑄模用鋼還可用鉻系熱模具鋼 4Cr5MoSiV及4Cr5MoSiVl，其中用4Cr5MoSiVl鋼制作的鋁合金壓鑄模具，壽命要高于3Cr2W8V鋼。4.4.3

38、4.4.3 合金量具鋼合金量具鋼 量具鋼是用于制造游標(biāo)卡尺、千分尺、量塊、塞規(guī)等測量工件尺寸的工具用鋼。 量具在使用過程中與工件接觸，受到磨損與碰撞，因此要求工作部分應(yīng)有高硬度(5864HRC)、高耐磨性，高的尺寸穩(wěn)定性和足夠的韌性。 合金工具鋼9Mn2V、CrWMn以及GCrl5鋼，由于淬透性好，用油淬造成的內(nèi)應(yīng)力比水淬的碳鋼小，低溫回火后殘余內(nèi)應(yīng)力也較??；同時合金元素使馬氏體分解溫度提高，因而使組織穩(wěn)定性提高，故在使用過程中尺寸變化傾向較碳素工具鋼小。因此要求高精度和形狀復(fù)雜的量具，常用合金工具鋼制造。量具的最終熱處理主要是淬火、低溫回火，以獲得高硬度和高耐磨性。對于高精度的量具，為保證尺

39、寸穩(wěn)定，在淬火與回火之間進行一次冷處理(-70-80)，以消除淬火后組織中的大部分殘余奧氏體。對精度要求特別高的量具，在淬火、回火后還需進行時效處理。時效溫度一般為120130，時效時間2436h，以進一步穩(wěn)定組織，消除內(nèi)應(yīng)力。量具在精磨后還要進行8h左右的時效處理，以消除精磨中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力。 4.5 4.5 特殊性能鋼特殊性能鋼 特殊性能鋼是指具有特殊的物理、化學(xué)性能的鋼。其種類較多，常用的特殊性能鋼有不銹鋼、耐熱鋼和耐磨鋼。4.5.1 4.5.1 不銹鋼不銹鋼 在腐蝕性介質(zhì)中具有抗腐蝕能力的鋼，一般稱為不銹鋼。（1）金屬腐蝕 腐蝕通常可分為化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕兩種類型?；瘜W(xué)腐蝕指金屬與周圍

40、介質(zhì)發(fā)生純化學(xué)作用的腐蝕，在腐蝕過程中沒有微電流產(chǎn)生。例如鋼的高溫氧化、脫碳等。電化學(xué)腐蝕指金屬在大氣、海水及酸、堿、鹽類溶液中產(chǎn)生的腐蝕，在腐蝕過程中有微電流產(chǎn)生。在這兩種腐蝕中，危害最大的是電化學(xué)腐蝕。大部分金屬的腐蝕都屬于電化學(xué)腐蝕。 為了提高鋼的抗電化學(xué)腐蝕能力，主要采取以下措施： 1)提高基體電極電位。例如當(dāng)Cr11.7，使絕大多數(shù)鉻都溶于固溶體中，使基體電極電位由-0.56V躍增為+0.20V，從而提高抗電化學(xué)腐蝕的能力。 2)減少原電池形成的可能性。使金屬在室溫下只有均勻單相組織。例鐵素體鋼、奧氏體鋼。 3)形成鈍化膜。在鋼中加入大量合金元素，使金屬表面形成一層致密的氧化膜(如C

41、r2O3等)，使鋼與周圍介質(zhì)隔絕，提高抗腐蝕能力。（2）常用不銹鋼 目前常用的不銹鋼，按其組織狀態(tài)主要分為馬氏體不銹鋼、鐵素體不銹鋼和奧氏體不銹鋼三大類。 1)馬氏體不銹鋼 常用馬氏體不銹鋼碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為c=0.10.4，鉻的含量為Cr11.5014.00，屬鉻不銹鋼，通常指Crl3型不銹鋼。淬火后能得到馬氏體，故稱為馬氏體不銹鋼。它隨著鋼中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，鋼的強度、硬度、耐磨性提高，但耐蝕性下降。為了提高耐蝕性，不銹鋼的碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般c04。 碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低的lCrl3和2Crl3鋼，具有良好的抗大氣、海水、蒸汽等介質(zhì)腐蝕的能力，塑性、韌性很好。適用于制造在腐蝕條件下工作、受沖擊載荷

42、的結(jié)構(gòu)零件，如汽輪機葉片、各種閥、機泵等。這兩種鋼常用熱處理方法為淬火后高溫回火，得到回火索氏體組織。 碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高的3Crl3、7Crl7鋼，經(jīng)淬火后低溫回火，得到回火馬氏體和少量碳化物，硬度可達50HRC左右。用于制造醫(yī)療手術(shù)工具、量具、彈簧、軸承及弱腐蝕條件下工作而要求高硬度的耐蝕零件。 2）鐵素體不銹鋼 典型牌號有1Crl7、lCrl7Mo等。常用的鐵素體不銹鋼中，c0.12，Cr1213，這類鋼從高溫到室溫，其組織均為單相鐵素體組織，所以在退火和正火狀態(tài)下使用，不能利用熱處理來強化。其耐蝕性、塑性、焊接性均優(yōu)于馬氏體不銹鋼，但強度比馬氏體不銹鋼低，主要用于制造耐蝕零件，廣泛用于硝

43、酸和氮肥工業(yè)中。 3)奧氏體不銹鋼 這類鋼一般鉻的含量為Cr1719，Ni811，故簡稱18-8型不銹鋼。其典型牌號有0Crl9Ni9、lCrl8Ni9、0Crl8NillTi、00Crl7Nil4Mo2鋼等。這類鋼中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不能過高，否則易在晶間析出碳化物(Cr、Fe)23C6引起晶間腐蝕，使鋼中鉻量降低產(chǎn)生貧鉻區(qū)，故其碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般控制在c0.10左右，有時甚至控制在0.03左右。有晶間腐蝕的鋼，稍受力即沿晶界開裂或粉碎。 這類鋼在退火狀態(tài)下呈現(xiàn)奧氏體和少量碳化物組織，碳化物的存在，對鋼的耐腐蝕性有很大損傷，故采用固溶處理方法來消除。固溶處理是把鋼加熱到1100左右，使碳化物溶解在高

44、溫下所得到的奧氏體中，然后水淬快冷至室溫，即獲得單相奧氏體組織，提高鋼的耐蝕性。 由于鉻鎳不銹鋼中鉻、鎳的含量高，且為單相組織，故其耐蝕性高。它不僅能抵抗大氣、海水、燃?xì)獾母g，而且能抗酸的腐蝕，抗氧化溫度可達850，具有一定的耐熱性。鉻鎳不銹鋼沒有磁性，故用它制造電器、儀表零件，不受周圍磁場及地球磁場的影響。又由于塑性很好，可以順利進行冷、熱壓力加工。4.5.2 4.5.2 耐熱鋼耐熱鋼 耐熱鋼是抗氧化鋼和熱強鋼的總稱。 鋼的耐熱性包括高溫抗氧化性和高溫強度兩方面的綜合性能。高溫抗氧化性是指鋼在高溫下對氧化作用的抗力；而高溫強度是指鋼在高溫下承受機械載荷的能力，即熱強性。因此，耐熱鋼既要求高溫抗氧