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文檔簡介

第七章合金鋼在碳素鋼的基礎(chǔ)上,為了改善鋼的組織和性能,在冶煉時有意加入某些元素所獲得的鋼種,叫合金鋼。常用的合金元素有:Si(>0.4%)、Mn(>0.8%)、Cr、Mo、W、V、Ti、Nb、Zr、Ni、Co、Al、RE等。第一節(jié)合金元素在鋼中的作用非碳化物形成元素:Ni、Co、Cu、Si、Al、N、B碳化物形成元素:Zr、Nb、Ti、V、W、Mo、Cr、Mn、Fe一合金元素對鋼中基本相的影響1強化鐵素體:合金元素溶于鐵素體,形成合金鐵素體。強度、硬度提高,塑性、韌性有下降趨勢。F和Fe3C與合金鋼相比,碳鋼的淬透性低、強度低、回火穩(wěn)定性差、不具備某些特殊性能等。2形成合金碳化物:Zr、Nb、Ti、V、W、Mo、Cr、Mn、Fe結(jié)構(gòu)鋼中合金元素含量有一定的限制加入少量的碳化物形成元素,形成合金滲碳體,如(FeMn)3C、(FeW)3C。當(dāng)加入量超過一定限度除形成合金滲碳體外,還形成合金碳化物如:Cr7C3、Cr23C6等和穩(wěn)定性更高的間隙相(WC、VC、TiC、MoC等)。熔點和硬度很高,難溶于A,也難聚集和長大。含量↑→強度、硬度、耐磨性↑,塑性、韌性↓二合金元素對鐵碳合金相圖的影響1擴大或縮小奧氏體相區(qū)(γ相區(qū)):擴大A體相區(qū)元素:C、N、Co、Ni、Mn、Cu

縮小A體相區(qū)元素:Cr、Mo、W、V、Ti、Si、Al使S點和E點向左下方移動,A相區(qū)擴大,促使A形成,稱為A形成元素。當(dāng)他們的含量足夠高時S點溫度會降到室溫以下室溫下得到穩(wěn)定的A組織,生產(chǎn)出奧氏體鋼,如:1Cr18Ni9Ti使S點和E點向左上方移動,A相區(qū)縮小,促使F形成,稱為F形成元素。當(dāng)他們的含量足夠高時奧氏體相區(qū)消失,使鋼在高溫和室溫都為穩(wěn)定的F組織,生產(chǎn)出單相鐵素體鋼,如1Cr17鋼影響最大2幾乎所有合金元素都使S點和E點向左移,即移向低碳方向。S點左移:共析成分含碳量降低,如含Cr13%的鋼共析成分含碳量僅為0.3%E點左移:出現(xiàn)萊氏體的含碳量降低。如含W18%的鋼,含碳量僅為0.7%~0.8%鑄態(tài)出現(xiàn)萊氏體。3A形成元素使共析溫度下降,F(xiàn)形成元素使共析溫度升高。三合金元素對鋼熱處理的影響(一)對鋼加熱時A體化的影響合金鋼A化過程和碳鋼相同,包括三個階段:晶核形成和長大滲碳體溶解奧氏體成分均勻化A化過程離不開Fe和C原子的擴散。加入合金元素影響了擴散速度和碳化物穩(wěn)定性。1加速A體的形成:某些非碳化物形成元素如Co、Ni加速A體的形成。大部分合金元素特別是強碳化物形成元素如Mo、W、V等,減慢A體的形成速度。2減慢A體的形成:原因:加入這些元素使碳的擴散能力降低,形成碳化物阻礙碳擴散。碳化物穩(wěn)定性很高,難分解,使A均勻化過程變得困難。把A化過程的三個階段推向更高溫度。合金鋼要獲得成分均勻A,加熱溫度更高,保溫時間更長。

P、Mn等促進奧氏體晶粒長大;V、Ti、Nb、Al等強烈阻止奧氏體晶粒長大。Mo、W、Cr有阻止奧氏體晶粒長大作用。Si、Ni、Co、Cu影響小。(二)對過冷A體分解的影響(C曲線形狀、位置)3對A體晶粒度的影響:過冷A體分解離不開Fe和C原子的擴散,加入合金元素(除Co外)阻礙了Fe和C原子的擴散,使A分解過程被推遲,即延緩了A分解,C曲線向右移。(三)對M體相變溫度的影響大多數(shù)合金元素(除Co、Al外)使Ms點下降,Mn的作用最顯著。增加了殘余A的數(shù)量。(四)對回火轉(zhuǎn)變的影響1提高鋼的回火穩(wěn)定性:鋼對回火時軟化過程的抵抗能力。越不容易軟化,回火穩(wěn)定性越強。回火組織轉(zhuǎn)變包括四個階段:M分解殘余A分解碳化物的轉(zhuǎn)變滲碳體聚集長大和α相再結(jié)晶。加入合金元素,尤其是Nb、Ti、V、W、Mo、Cr降低Fe和C原子擴散能力,把回火組織轉(zhuǎn)變四個階段推向更高溫度。在同一溫度回火,合金鋼硬度和強度高。回火到相同硬度,合金鋼的回火溫度高。離不開Fe原子和C原子擴散Nb、Ti、V、W、Mo、Cr對提高回火穩(wěn)定性有較強作用,Si作用也明顯。硬度降低的過程被推向更高溫度內(nèi)應(yīng)力消除徹底,塑性、韌性較高2產(chǎn)生二次硬化:在某溫度范圍回火硬度升高的現(xiàn)象。含Mo、W、V、Ti較高的淬火鋼,在500℃~600℃回火時硬度不降反升。原因:(1)M回火穩(wěn)定性很高,在500℃~600℃回火時,析出細(xì)小、彌散分布的特殊碳化物Mo2C、VC、W2C、、TiC,硬度、穩(wěn)定性高,難以聚集長大,具有高溫強度。

(2)部分殘余A轉(zhuǎn)變?yōu)镸也提高了硬度。高速鋼利用二次硬化提高熱硬性。3產(chǎn)生回火脆性在某溫度范圍回火出現(xiàn)脆化(沖擊韌性降低)現(xiàn)象。第一類回火脆性:250℃~350℃左右第二類回火脆性:500~650℃最容易出現(xiàn)在含Cr、Mn、Ni等元素的合金鋼中。原因:緩冷時合金元素在原A晶界上偏聚,削弱了晶界的聯(lián)系。快冷可以消除第二類回火脆性加入W、Mo可防止第二類回火脆性在此溫度范圍回火,碳化物沿M晶界呈薄片析出,增大了晶界脆斷傾向,使韌性降低。加入W、Mo可強烈阻止合金元素向晶界偏聚,有效防止回火脆性。第二節(jié)合金鋼的分類與編號一分類二牌號表示方法1低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼Q+σsmin+質(zhì)量等級符號(A、B、C、D、E)例:Q345C:鋼的σs是345MPa,質(zhì)量等級C級2合金結(jié)構(gòu)鋼兩位數(shù)字+合金元素符號+數(shù)字如60Si2Mn高級優(yōu)質(zhì)鋼,鋼號最后加(A)易切鋼:Y+含碳量萬分之幾+合金元素符號+數(shù)字例:Y20、Y20Pb滾動軸承鋼:GCr+含鉻量千分之幾+合金元素符號+數(shù)字例:GCr15SiMn碳的萬分之幾合金元素百分之幾合金元素<1.5%:省略3合金工具鋼一位數(shù)字+合金元素符號+數(shù)字碳的千分之幾合金元素百分之幾含碳量≥千分之十:省略例:5CrMnMoCrWMn4特殊性能鋼一位數(shù)字+合金元素符號+數(shù)字碳的千分之幾含碳量≤0.03%和0.08%,鋼號前分別“00”和“0”例:2Cr130Cr18Ni9Ti合金元素<1.5%:省略一低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼:在普通碳鋼的基礎(chǔ)上加入少量合金元素制成,主要用于工程結(jié)構(gòu),如橋梁、建筑、船舶、車輛、高壓容器等,故又稱其為工程用鋼。a化學(xué)成分特點:低碳wc<0.2%、低合金元素wMe<3%b性能特點:較高的強度(比碳素結(jié)構(gòu)鋼高10%~30%),足夠塑性和韌性,

↓重量20%~30%。良好的壓力加工性能和焊接工藝性。耐蝕性及低溫性能好。c熱處理特點:熱軋后退火或正火,成形后不進行熱處理,組織:P+F。第三節(jié)合金結(jié)構(gòu)鋼合金元素:Mn、Ti、V、Nb、Cu、P等Mn:固溶強化、細(xì)化晶粒↑強度,改善塑性、韌性V、Ti、Nb:形成碳化物阻礙晶粒長大,彌散強化Cu、P:↑耐腐蝕性二滲碳鋼:wc=0.1%~0.25%:以保證零件的心部有足夠的塑性和韌性;常用合金元素:Cr、Ni、Mn和B以提高鋼的淬透性,熱處理后表層和心部都得到強化。Ti、V、Mo:細(xì)化晶粒,形成碳化物阻止?jié)B碳時奧氏體長大。1化學(xué)成分特點:2熱處理特點:最終熱處理:滲碳后進行淬火,低溫回火(180~200℃)3性能特點:表面具有較高的硬度、耐磨性,心部具有足夠的強度和韌性。表面:0.85%~1.0%合金滲碳體+回火M+殘余A60~62HRC預(yù)備熱處理:正火心部組織:淬透:低碳M。多數(shù)情況:T+少量低碳M+少量F碳素滲碳鋼淬透性低淬,熱處理對心部性部改變不大。4常用鋼種:20CrMnTi(如用于汽車變速箱齒輪)下料→鍛造→正火→加工齒形→滲碳→淬火(油冷)→低溫回火→噴丸→精磨三合金調(diào)質(zhì)鋼:制造重要機器零件(齒輪、連桿、重要螺栓等),淬透性要好。1化學(xué)成分特點:wc=0.25%~0.50%,碳過低不易淬硬,過高則韌性差。合金元素:Mn、Cr、Si、Ni、B可提高淬透性,強化F,改善韌性。加入少量的Mo、W、V、Ti等元素阻止A體晶粒長大,提高鋼的回火穩(wěn)定性。2熱處理特點:最終熱處理:調(diào)質(zhì):淬火+高溫回火;Mo:防止第二類回火脆性。組織:回火索氏體,具有良好的綜合性能。預(yù)備熱處理:改善調(diào)質(zhì)鋼的鍛造組織及切削加工性能合金元素含量較低:正火合金元素含量較高:正火+高溫回火(200HB)3性能特點:熱處理后具有良好的綜合力學(xué)性能,即強度高、塑性和韌性好。4常用鋼種:40Cr(機床齒輪等)、40MnB(大截面零件)

42CrMo(汽缸螺栓)有些零件還要求表面硬度高、耐磨性好:感應(yīng)加熱表面淬火或氮化處理。下料→鍛造→正火→機加工(粗加工)→調(diào)質(zhì)→機加工(精加工)→噴丸四合金彈簧鋼:wc=0.45%~0.7%主要添加元素是Si、Mn:提高淬透性、回火穩(wěn)定性、強化F,保證高彈性和高屈強比。Cr、Mo、V:細(xì)化晶粒,提高彈性和屈強比、提高高溫強度1化學(xué)成分特點:用于制造大截面尺寸的彈簧和彈性零件加熱成型+淬火+中溫回火,組織為回火托氏體。2彈簧的成型及熱處理特點(1)熱成型彈簧:截面尺寸>10~15mm使彈簧具有高彈性極限、屈服極限和疲勞強度,一定的塑性和韌性。碳素彈簧鋼淬透性差:小尺寸彈簧。五滾動軸承鋼:制作滾動軸承元件、其它耐磨零件(1)化學(xué)成分:常用高碳、鉻鋼,wc=0.95~1.15%,wCr=0.40~1.55%。高碳:提高硬度,獲得高耐磨性合金碳化物

Cr:↑淬透性,形成合金滲碳體阻止A晶粒長大以獲得隱晶M,↑強度、韌性和疲勞強度。(2)冷成型彈簧:截面尺寸<10mm如果成型前彈簧鋼絲已經(jīng)有很高的強度和足夠的塑性、韌性:消除應(yīng)力的退火處理如果彈簧鋼絲是退火狀態(tài),成形后:淬火+中溫回火彈簧最后噴丸處理:造成表面壓應(yīng)力,提高疲勞強度。工作時承受較大局部交變載荷,滾動體和套圈之間有極大的接觸應(yīng)力。要求有很高的硬度、耐磨性、疲勞強度,足夠的韌性、耐腐蝕性。大型軸承加入Si、Mn、Mo、V:提高淬透性、強度和疲勞極限(2)熱處理:球化退火+淬火+低溫回火低溫回火:150℃~160℃,保溫2~3h組織:極細(xì)回火M+極細(xì)粒狀合金滲碳體+少量A殘精密軸承淬火后冷處理:-60℃減少A殘,低溫回火消除冷處理時內(nèi)應(yīng)力。精磨后穩(wěn)定化處理:加熱120℃~130℃保溫10~15h提高尺寸穩(wěn)定性。低溫長時間回火61—65HRC六易切鋼有良好的切削加工性能加入合金元素:S、P、Pb、Ca、Se等Pb:細(xì)小顆粒均勻分布在鋼的基體上,改善可切削性,0.1%~0.3%S:0.08%~0.35%,必須有足夠Mn形成MnS夾雜物,中斷基體連續(xù)性提高切削性能。但容易形成纖維組織。加入Ti、Zr、RE等,抑制硫化物延伸,防止各向異性。Ca:0.001%~0.05%,形成高熔點氧化物,附在刀具上,提高耐磨性。在刀具鋼或不銹鋼中加Pb、S、Se等,可提高可切削性。超高強度鋼:抗拉強度>1500MPa或屈服極限>1380MPa

適當(dāng)塑性、韌性低合金超高強度鋼在調(diào)質(zhì)鋼基礎(chǔ)上發(fā)展的,是最主要飛機結(jié)構(gòu)用鋼。碳:0.3%~0.45%

合金元素總量<5%:Ni、Cr、Si、Mn、Mo、V等目的:提高淬透性、韌性、回火穩(wěn)定性最終熱處理:淬火+低溫回火2中合金超高強度鋼合金元素:5%~10%:Cr、Mo、V強碳化物形成元素淬火+高溫回火,利用M回火時二次硬化強化。3中合金超高強度鋼(M時效鋼)以Fe、Ni為基的高合金鋼碳極低<0.03%、Ni高:18%~25%;加入Mo、Ti、Nb、Al時效強化元素815℃固溶處理獲得穩(wěn)定M。加熱450℃~500℃時效處理,析出極細(xì)金屬間化合物,彌散分布在M基體上顯著提高強度。飛機、火箭第四節(jié)工具鋼一刃具鋼1性能要求

(1)高硬度:>60HRC;C↑→HRC↑;0.6%~1.5%(2)高耐磨性:取決于碳化物的硬度、數(shù)量、大小、分布。一定量的硬而細(xì)小的碳化物均勻分布在強而韌的基體上可提高耐磨性。(3)高的熱硬性:刀具溫度升高時仍能保持高硬度。鋼中加入提高回火穩(wěn)定性、能產(chǎn)生二次硬化的元素可提高鋼的熱硬性。碳素工具鋼淬透性低、淬火時易變形和開裂,熱硬性差。用于制作刃部受熱較低的手用工具或低速、小走刀量的機用工具。2低合金刃具鋼(1)成分特點:碳0.9%~1.5%加入Si、Cr、Mn:提高淬透性和回火穩(wěn)定性,60HRC以上加入W、V:提高熱硬性、耐磨性預(yù)備熱處理:球化退火197~241HB最終熱處理:淬火+低溫回火溫度800~8102~4h700~7206~8h空冷爐冷時間9SiCr球化退火850℃~870℃600℃~650℃160℃~200℃時間溫度等溫淬火190℃~200℃9SiCr最終熱處理9SiCr圓板牙:下料→鍛造→球化退火→機加工(粗加工)→淬火、低溫回火→精加工

B下:具有更好的硬度和韌性的配合3高速鋼是一種典型的高合金刃具鋼。(鋒鋼)V:與C形成VC,提高鋼的硬度和耐磨性、阻止A晶粒長大、二次硬化(2)鍛造與熱處理鍛造:擊碎粗大碳化物,均勻分布在基體上。退火:降低硬度,消除應(yīng)力,為淬火做準(zhǔn)備。(1)化學(xué)成分:c:0.7~1.25%:溶入M以提高硬度和耐磨性形成足夠多的合金碳化物Cr:4%:增加A的穩(wěn)定性,以提高鋼的淬透性

W:6~19%一部分形成碳化物,阻止A晶粒長大。另一部分溶入M,提高鋼回火穩(wěn)定性,回火時析出碳化物“二次硬化”提高熱硬性、Mo:0~6%與W作用相同,1%Mo代替2%W生產(chǎn)中常用等溫退火:S+細(xì)粒狀碳化物207~225HBS淬火和回火淬火溫度:1270℃~1280℃三次回火:550℃~570℃淬火溫度高:1270℃~1280℃,合金元素充分溶人到A,回火時產(chǎn)生二次硬化提高熱硬性。加熱時必須預(yù)熱:合金元素含量高,導(dǎo)熱性差。小尺寸、形狀簡單刀具:油淬形狀復(fù)雜、要求變形小的刀具:分級淬火淬火后三次高溫回火:550℃~570℃M析出細(xì)小分散的碳化物:MoC、WC、VC,形成彌散硬化,A殘析出合金碳化物,降低了A殘中合金元素濃度,Ms↑→冷卻時A殘→M“產(chǎn)生二次淬火”?;鼗鸷蠼M織:回火M+合金碳化物+少量A殘(1%~2%)為提高刀具壽命,表面處理:軟氮化、蒸汽處理。淬火后組織:M+合金碳化物+A殘(20%~30%)硬質(zhì)合金成分性能牌號應(yīng)用鎢鈷類WC、CoCo↑→αk↑HB、耐磨性↓YG3(Co%)鑄鐵有色金屬鎢鈷鈦類WC、TiC、CoHB、熱硬性好但σW、αk不如前YT5(TiC%)合金鋼耐熱鋼鋼結(jié)硬質(zhì)合金WC、VC、TiC、高速鋼

鉻鉬鋼αk好,但熱硬性、耐磨性↓YE65(除TiC外)形狀復(fù)雜的刀具麻花鉆、銑刀涂層硬質(zhì)合金提高HB、耐磨性、熱硬性、改善刀具性能,涂覆碳化物、氮化物粉末等硬質(zhì)合金:碳化物粉末和粘結(jié)劑混合,壓制成型,燒結(jié)制成粉末冶金產(chǎn)品。二模具鋼(一)冷作模具鋼小尺寸的冷作模具性能要求與刃具鋼相似:T10、9CiSi、9Mn2V、CrWMn等大尺寸冷作模具鋼要求淬透性好、耐磨性高、熱處理變形小,一般采用高碳、高鉻的Cr12型鋼種,如Cr12、Cr12MoV等。碳:1.45%~1.7%:一部分溶入A,提高硬度和耐磨性。另一部分形成合金碳化物Cr:提高淬透性;

形成Cr7C3,具有極高硬度(1820HV)V、Mo:提高淬透性,細(xì)化晶粒,提高強度和韌性。下料→鍛造→退火→機加工→淬火→回火→精磨或電火花加工→成品淬火和回火回火250-275油冷960-1050800-830溫度℃時間空冷反復(fù)鍛造擊碎粗大碳化物,鍛造后緩冷。退火:850℃~870℃、加熱3~4h,在720℃~750℃等溫6~8h,255HBS(二)熱作模具鋼除受各種機械應(yīng)力外,還有熱應(yīng)力(熾熱金屬和冷卻介質(zhì)交替作用)→熱疲勞性能:較高強度和韌性,足夠的硬度;抗熱疲勞性能良好導(dǎo)熱性、回火穩(wěn)定性;足夠的淬透性成分:C≤0.5%,保證強度和韌性的良好配合Cr、Ni、Mn、Si:提高淬透性Mo、W、V:提高回火穩(wěn)定性、減少回火脆性Cr、W縮小A相區(qū),使組織穩(wěn)定5CrMnMo熱鍛模工藝路線:下料→鍛造→退火→機加工→淬火→回火→精加工→成品第五節(jié)特殊性能鋼一不銹鋼:抵抗空氣、水、酸、堿及其它化學(xué)介質(zhì)腐蝕(一)腐蝕與防腐蝕腐蝕的兩種類型:化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕(在腐蝕過程中有電流產(chǎn)生)更普遍圖7-26引起腐蝕的冶金原因:電極電位低的陽具(不斷失去電子)被腐蝕防腐蝕的措施1使鋼呈單相組織,可避免微電池形成2如果是雙相組織,加入合金元素,提高基體電極電位,使兩相電極電位接近。3加入合金元素,如:Cr、Al等,形成保護膜。(二)不銹鋼種類、成分、熱處理及性能1鐵素體不銹鋼:Cr17鋼C<0.12%、16~18%Cr單相F組織耐腐蝕性能好、塑性好、強度低,不能熱處理強化應(yīng)用:化工設(shè)備的容器、管道等2馬氏體不銹鋼:Cr13鋼0.1~0.45%C,較高的強度、硬度和耐磨性Cr:提高耐蝕性Cr>12%時在陽極區(qū)表面形成氧化膜,阻止陽極區(qū)的反應(yīng)(鈍化現(xiàn)象),同時提高基體電極電位,提高耐腐蝕性。在氧化性介質(zhì)(大氣、水蒸氣、海水、氧化性酸等)中有好的耐腐蝕性應(yīng)用:醫(yī)療器械、汽輪機葉片等3奧氏體不銹鋼:18-8型鎳鉻不銹鋼18%Cr:提高鈍化能力9%Ni:擴大A相區(qū),使鋼在室溫為單相A組織晶間腐蝕:500~700℃保溫時,晶界上析出Cr23C6晶界附近Cr<11.7%,晶界容易被腐蝕防止晶界腐蝕的措施:C<0.06%,不易形成Cr23C6,如:0Cr18Ni9加入Ti、Nb形成TiC、NbC,不形成Cr23C6,如:1Cr18Ni9Ti發(fā)現(xiàn)有晶間腐蝕傾向,加熱850~900℃

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