工程材料與熱處理合金鋼

工程材料與熱處理合金鋼第1頁，共68頁，2023年，2月20日，星期四

2、形成合金滲碳體或合金碳化物碳化物形成元素：凡能與碳化合的元素都稱為碳化物形成元素。如：Fe、Mn、Cr、W、Mo、V、Nb、Zr、Ti與碳的親和力依次增強(qiáng)。(Fe,Mo,Cr)3C,Mo7C23.常用的合金元素有：鉻(Cr)、鎳(Ni)、錳(Mn)、硅(Si)、鎢(W)、鉬(Mo)、釩(V)、鈦(Ti)、鈷(Co)、鋁(Al)、銅(Cu)、鈮(Nb)、鋯(Zr)、硼(B)、稀土（Re）等。

一、合金元素的存在形式

1、形成固溶體－合金鐵素體。非碳化物形成元素：不能和碳化合的元素稱為非碳化物形成元素，如：Ni、Si、Al、Co、Cu等。第2頁，共68頁，2023年，2月20日，星期四

一種是形成新類型的特殊碳化物:

（如NbC、ZrC、TiC等）產(chǎn)生固溶強(qiáng)化

:合金元素溶于鐵素體時引起晶格畸變，合金元素含量越多，鐵素體晶格畸變越嚴(yán)重，其硬度、強(qiáng)度越高。

溶解于F形成合金鐵素體溶解于Fe3C形成合金滲碳體(Fe,Me)3C

二、合金元素的主要作用

（一）合金元素對鋼中基本相的影響合金元素在鋼中可以兩種形式存在一種是溶解于碳鋼中原有的相中第3頁，共68頁，2023年，2月20日，星期四

產(chǎn)生彌散強(qiáng)化作用：當(dāng)合金元素與碳化合形成特殊碳化物，它們的結(jié)構(gòu)簡單、熔點(diǎn)高、硬度高、穩(wěn)定性高，以細(xì)小的質(zhì)點(diǎn)分布在固溶體基體上，其強(qiáng)度得以提高。

（二）合金元素對Fe—Fe3C相圖的影響第4頁，共68頁，2023年，2月20日，星期四

1、γ區(qū)的變化：擴(kuò)大γ區(qū)元素：Mn、Ni、Cu、Co、C和N元素?？s小γ區(qū)元素：Cr、V、Mo、W、Ti。第5頁，共68頁，2023年，2月20日，星期四

縮小γ區(qū)的元素，能使A4點(diǎn)降低，A3點(diǎn)升高。當(dāng)A3、A4點(diǎn)趨近重合時，γ區(qū)消失，從而使合金在高溫、室溫都為穩(wěn)定的鐵素體組織，得到單相鐵素體鋼。

合金元素對共析溫度A1的影響

2、臨界點(diǎn)改變

擴(kuò)大γ區(qū)的元素，能使A4點(diǎn)升高，A3點(diǎn)降低。當(dāng)A3點(diǎn)降低到室溫以下時，從而使合金在高溫、室溫都為穩(wěn)定的奧氏體組織，得到單相奧氏體鋼。第6頁，共68頁，2023年，2月20日，星期四3、S點(diǎn)左移：碳素鋼S點(diǎn)的含碳量為0.77％。由于合金元素的影響合金鋼S點(diǎn)左移，故S點(diǎn)含碳量小于0.77％。如4Cr13含碳量為0.4％，當(dāng)加入鉻其含量達(dá)到13％時，其S點(diǎn)降低到0.3％C，而成為過共析鋼。4、E點(diǎn)左移：碳素鋼E點(diǎn)碳含量為2.11％。由于合金元素作用，合金鋼E點(diǎn)的含碳量小于2.11％，含碳1.6%、含鉻12%的鋼中，出現(xiàn)共晶組織，成為萊氏體鋼。合金元素對共析點(diǎn)含碳量的影響

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（2）熱處理時對奧氏體的晶粒大小的影響

強(qiáng)烈阻止晶粒長大的元素：

V，

Ti，

Nb，

Zr中等影響的元素：

W，Mo，Cr

影響不大的元素：

Si，

Ni，

Cu促進(jìn)晶粒長大的元素：

C，Mn，

P

（三）對熱處理過程的影響

合金元素對奧氏體的形成、過冷奧氏體的分解、淬火馬氏體回火轉(zhuǎn)變?nèi)齻€基本相變過程都有影響。1、合金元素對加熱時奧氏體形成過程的影響：

（1）改變奧氏體形成的速度加速奧氏體形成速度：非碳化物形成元素Co、Ni等減慢奧氏體形成速度：強(qiáng)碳化物形成元素Cr、Mo、W、V等;不影響奧氏體形成速度：Al，Si，Mn等。第8頁，共68頁，2023年，2月20日，星期四2．合金元素對過冷奧氏體分解過程的影響（1）、對鋼的C-曲線的影響幾乎所有溶入A的合金元素（除Co外）都使C曲線向右移動，即減慢珠光體類型轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的形成速度。提高鋼的淬透性,過冷奧氏體穩(wěn)定性增加。

非碳化物形成元素，只使C曲線右移，但不改變C曲線的形狀，如圖中(b)所示。

碳化物形成元素，不僅使C曲線右移，而且還改變C曲線的形狀，如圖中(c)所示。結(jié)果都是提高了鋼的淬透性。第9頁，共68頁，2023年，2月20日，星期四

鋼中最常采用的提高淬透性的元素有：

Cr、Mn、Si、Ni、B前四種元素，可以相當(dāng)大量地溶入鋼中；硼的加入量很小(0.008—0.0025％)。第10頁，共68頁，2023年，2月20日，星期四合金元素對1.0％C碳鋼的Ms點(diǎn)的影響合金元素對1.0％C碳鋼1150℃淬火后殘余奧氏體量的影響

（2）合金元素對馬氏體轉(zhuǎn)變溫度的影響除Co、Al以外，所有的合金元素都使馬氏體轉(zhuǎn)變溫度下降。因此在相同的含碳量下，合金鋼中殘余奧氏體比碳鋼中的多.第11頁，共68頁，2023年，2月20日，星期四3.合金元素對回火過程的影響

（1）提高了鋼的回火穩(wěn)定性許多合金元素都可使回火過程中各個轉(zhuǎn)變的速度大大減慢，并將其推向更高溫度。

回火穩(wěn)定性：鋼對于回火時發(fā)生軟化過程的抵抗能力。

合金鋼與相同碳量的碳鋼相比，在相同的回火溫度下具有更高硬度。右圖表示在0.35％C碳鋼中加入不同量的鉬，經(jīng)淬火后回火時的轉(zhuǎn)化情況?？梢悦黠@看出，合金鋼的軟化速度比碳鋼低的多。

提高鋼的回火穩(wěn)定性的作用較強(qiáng)的合金元素有：V，Si，Mo，W，Cr，Ni，Mn，Co。

0.35％C的Mo鋼中Mo含量對回火硬度的影響

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（2）二次硬化和二次淬火二次硬化：在一些含W、Mo、V較多的鋼中，回火后的硬度隨回火溫度的升高不是單調(diào)的降低，而是在某一回火后，硬度反而增加。這種在一定溫度下硬度出現(xiàn)峰值的現(xiàn)象稱為二次硬化。（見下圖）

原因：溫度高于450°C時，細(xì)小的合金碳化物彌散析出，使得回火硬度重新上升。由于這種合金碳化物中的合金元素在更低回火溫度下擴(kuò)散困難所至。第13頁，共68頁，2023年，2月20日，星期四

（3）對回火脆性的影響回火脆性：在淬火并回火后，出現(xiàn)韌性下降的現(xiàn)象，稱為回火脆性。第一類回火脆性：在250-400℃回火出現(xiàn)，

(也稱低溫回火脆性)，即鋼回火后快冷、慢冷和重復(fù)回火，都不能消除脆性，是不可逆回火脆性。

二次淬火：在高合金鋼中回火冷卻時殘余奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體使硬度升高的現(xiàn)象稱為二次淬火。（在高速鋼和高鉻鋼中常出現(xiàn)二次淬火現(xiàn)象）

原因：高合金鋼在淬火后存在較多的殘余奧氏體（可達(dá)10-30%），當(dāng)這些鋼在500-600℃回火時，可以析出合金碳化物，導(dǎo)致殘余奧氏體中的合金元素含量下降，使得Ms溫度升高到室溫以上，在隨后的冷卻過程中殘余奧氏體轉(zhuǎn)變成馬氏體而使鋼的硬度升高。

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產(chǎn)生原因：一般認(rèn)為是由于馬氏體分解時在其晶界析出碳化物薄膜，增加了脆斷傾向。

防止方法：A、不在此回火溫度范圍回火。

B、加入Me（如Si、Cr、Mn），改變回火的溫度區(qū)間。第15頁，共68頁，2023年，2月20日，星期四

第二類回火脆：在500-650℃溫度回火時出現(xiàn)的回火脆性，也高溫回火脆。重新加熱后快冷即可消除，所以是可逆的。

產(chǎn)生原因：主要是由于在鋼中的合金元素鉻、鎳及雜質(zhì)元素硫磷等向原奧氏體晶界偏聚有關(guān)，增加了脆斷傾向。

防止方法：

A、回火后快速冷卻抑制第二類回火脆性。

B、鋼中加入一些W、Mo能有效地阻止雜質(zhì)元素在晶界的析出，從而可抑制第二類回火脆。當(dāng)工件尺寸較大時,因?yàn)榛鼗鸷蠛茈y快冷。第16頁，共68頁，2023年，2月20日，星期四

低合金結(jié)構(gòu)鋼滲碳鋼合金結(jié)構(gòu)鋼:調(diào)質(zhì)鋼彈簧鋼軸承鋼易切削鋼。

刃具鋼合金工具鋼:模具鋼量具鋼

不銹鋼特殊鋼：耐熱鋼耐磨鋼磁鋼等三、合金鋼的分類與編號

合金鋼合金結(jié)構(gòu)鋼合金工具鋼特殊鋼1、合金鋼的分類第17頁，共68頁，2023年，2月20日，星期四

12CrNi3:合金結(jié)構(gòu)鋼C＝0.12％，Cr＜1.5％,Ni≈3％

40CrNiMoA:高級優(yōu)質(zhì)合金結(jié)構(gòu)鋼C≈0.4％，Cr、Ni、Mo

均小于1.5％。CrWMn:合金工具鋼含碳≥1％（當(dāng)含碳量大于1%時一般

不標(biāo)注），含Cr、W、Mn均小于1.5％。9Mn2V:合金工具鋼C＝0.9%,V＜1.5％,Mn≈2％（高速鋼例外，無論≥1.0%還是<1.0%，都不標(biāo)出。）

2、合金鋼的編號

字母+數(shù)字+化學(xué)元素符號+數(shù)字+字母

表示某些專門用途鋼例如“G”、“Y”

或無表示含碳量以萬分之一或千分之一為單位或無合金元素

合金元素的名義百分含量或無冶金質(zhì)量“A”或“高”例如：第18頁，共68頁，2023年，2月20日，星期四

合金元素含量表示方法為：平均含量小于1.50%時，牌號中僅標(biāo)明元素，一般不標(biāo)明含量；平均合金含量為1.50%-2.49%,2.50%-3.49%,3.50%-4.49%,4.50%-5.49%……時，在合金元素后相應(yīng)寫成2、3、4、5……。

但鉻軸承鋼和低鉻工具鋼例外，

GCr15:平均含鉻量1.5%Cr06:平均含鉻量0.6%第19頁，共68頁，2023年，2月20日，星期四第二節(jié)合金結(jié)構(gòu)鋼一、低合金結(jié)構(gòu)鋼3、

鋼號、成分及作用常用鋼號16Mn

16MnCu15MnTi15MnV

含碳量碳含量一般不超過0.2％。

主要作用是保證有較好的韌性、焊接性能和冷成型性能。

1、主要用途車輛(底盤大梁）、船舶、橋梁、高壓容器、輸油管道、大型鋼結(jié)構(gòu)

2、性能要求強(qiáng)度高并有足夠的塑性和韌性，同時具有良好的焊接性能和冷變形能力。第20頁，共68頁，2023年，2月20日，星期四

合金元素以Mn為主(國外以Cr、Ni為主)，最高含錳量可達(dá)1.8％，并輔助加以少量的V、Ti、Mo、Nb、B等元素。其主要作用是強(qiáng)化鐵素體，細(xì)化鐵素體晶粒，使鋼的強(qiáng)度與韌性都得到改善；加入少量的P、Cu元素是為了提高鋼對大氣的腐蝕抗力，但P和Cu的含量都不能高，否則將引起鋼的脆性。

4、熱處理及組織在熱軋狀態(tài)下直接使用，一般不進(jìn)行熱處理。組織為鐵素體加珠光體。

5、機(jī)械性能和加工性能（1）強(qiáng)度高屈服強(qiáng)度在300-400MPa，普通碳素鋼是240－260MPa（2）塑性和韌性好并且要求有低的韌脆轉(zhuǎn)變溫度。（3）良好的焊接性能與冷成型性能。（4）良好的耐蝕性第21頁，共68頁，2023年，2月20日，星期四

二、滲碳鋼

1、主要用途

汽車拖拉機(jī)傳動齒輪、坦克飛機(jī)傳動齒輪、機(jī)床齒輪、活塞銷、渦輪蝸桿等。

2、性能要求：（1）經(jīng)滲碳、熱處理后滲碳層應(yīng)具有優(yōu)異的的耐磨性、疲勞抗力及適當(dāng)?shù)乃苄院晚g性；心部應(yīng)獲得足夠的強(qiáng)度及優(yōu)良的韌性。（2）應(yīng)具有良好的工藝性能，特別是熱處理工藝性能，在滲碳溫度（900-950℃）下奧氏體晶粒不易明顯長大，并且有良好的淬透性。第22頁，共68頁，2023年，2月20日，星期四3、鋼號、成分及作用常用鋼號：

20CrMnTi、

20Cr、

12Cr2Ni4A

含碳量：成分特點(diǎn)是含碳量低，一般為0.1-0.25％。合金元素：滲碳鋼中常加入

Mn(＜2％）、Cr(＜2％)Ni(＜4.5％)和

B(0.001—0.004％)，主要作用是提高淬透性，改善心部的組織與性能，并增加滲碳層的強(qiáng)度和韌性；

V、Ti、W、Mo等，主要目的是阻止A晶粒長大，細(xì)化晶粒。并形成細(xì)小彌散的碳化物以增加強(qiáng)韌性和耐磨性。

第23頁，共68頁，2023年，2月20日，星期四4、滲碳工藝、熱處理及組織滲碳鋼的滲碳工藝一般是加熱到900-950℃，根據(jù)工件滲層的要求滲碳一定時間，一般為6-8小時。

熱處理淬火：可采用預(yù)冷直接淬火，一次淬火和二次淬火。采用的淬火方法決定于鋼中的合金元素量和對性能的要求。

低溫回火一般在180-200℃1-2小時。

組織：

滲碳后緩慢冷卻的平衡組織：表面為過共析組織P+Fe3CII,心部則為原始的亞共析組織F+P。滲碳后淬火+低溫回火的組織：

表層：M回+點(diǎn)狀碳化物+少量A’HRC58-60

心部：低碳回火馬氏體+F+SHRC30-50第24頁，共68頁，2023年，2月20日，星期四20CrMnTi鋼滲碳齒輪熱處理工藝曲線鍛造正火加工齒形局部鍍銅滲碳預(yù)冷淬火+低溫回火噴丸磨齒第25頁，共68頁，2023年，2月20日，星期四

滲碳鋼熱處理后的強(qiáng)度主要取決于鋼的淬透性。按強(qiáng)度高低，合金滲碳鋼可分為三類：5、滲碳鋼的性能滲碳鋼經(jīng)滲碳－淬火－低溫回火后，表層硬度高、耐磨，心部有很高的韌性。

（1）低淬透性合金滲碳鋼

水中淬透直徑＜35mm，σb為800-1000MPa

如15Cr、20Cr、15Mn2、20Mn2等。這類鋼淬透性低，經(jīng)滲碳、淬火與低溫回火后心部強(qiáng)度較低，強(qiáng)度與韌性配合較差。這類鋼只可用作受力不太大，不需要高強(qiáng)度的耐磨零件，如柴油機(jī)的凸輪軸、活塞銷、滑塊、小齒輪等。這類鋼滲碳時心部晶粒易于長大，特別是錳鋼。第26頁，共68頁，2023年，2月20日，星期四

2．中淬透性合金滲碳鋼油中淬透直徑為25-60mm，σb為1000-1200MPa。如20CrMnTi(過去為18CrMnTi)、12CrNi3A、20CrMnMo(過去為22CrMnMo)、20MnVB

等。這類鋼含合金元素總量較高(約≤4％)，它們的淬透性和機(jī)械性能均較高。這類鋼可用作受中等動載荷的受磨零件，如變速齒輪、齒輪軸、十字銷頭、花鍵軸套、氣門座、凸輪盤等。

3．高淬透性合金滲碳鋼油中淬透直徑＞100mm，甚至可在空冷條件下淬透，σb1200MPa。如12Cr2Ni4A，18Cr2Ni4W等。這類鋼含合金元素總量約在4-6％之間，它們的淬透性很大，經(jīng)滲碳、淬火與低溫回火后心部強(qiáng)度很高，強(qiáng)度與韌性配合很好。這類鋼可用作受重載和強(qiáng)烈磨損的重要大型零件，如內(nèi)燃機(jī)車的主動牽引齒輪、柴油機(jī)曲軸、連桿及缸頭精密螺栓等。第27頁，共68頁，2023年，2月20日，星期四

三、調(diào)質(zhì)鋼

1、主要用途汽車、拖拉機(jī)、機(jī)床及其他機(jī)器上要求具有優(yōu)良綜合機(jī)械性能的重要零件。如：汽車拖拉機(jī)傳動軸發(fā)動機(jī)連桿、連桿螺栓、機(jī)床主軸等。2、性能要求調(diào)質(zhì)鋼的基本性能要求是良好的綜合機(jī)械性能。對調(diào)質(zhì)鋼淬透性要求是根據(jù)零件受力情況而定。3、鋼號、成分及作用常用鋼號：40Cr、40CrNi、40Mn2V、40CrNiMo

含碳量：在0.25-0.5％之間。含碳量過低不易淬硬，回火后達(dá)不到所需要的強(qiáng)度；過高又會使零件的韌性不足。第28頁，共68頁，2023年，2月20日，星期四Mo(0.4-0.6％)、V(≈0.1％)、Ti(≈0.1％)細(xì)化晶粒、提高回火抗力。

Mo減輕或防止高溫回火脆性（第二類回火脆性）的作用。

(對于大截面的零件,采用快速冷卻抑制元素偏析有困難)。4、熱處理及組織熱處理：預(yù)先退火或正火－淬火－高溫回火

調(diào)質(zhì)鋼的預(yù)先熱處理通常采用退火（或正火）主要目的是調(diào)整硬度改善切削加工性能，同時為最終熱處理作組織準(zhǔn)備。

合金元素：Ni、Cr、Mn、Si提高淬透性，增強(qiáng)鐵素體。增加微量的B(0.001-0.005)，可以顯著增加淬透性。第29頁，共68頁，2023年，2月20日，星期四

第二步是回火，一般采用500-650℃的溫度范圍進(jìn)行高溫回火。

以便消除應(yīng)力，增加韌性，調(diào)整強(qiáng)度。為使調(diào)質(zhì)鋼具有良好的綜合機(jī)械性能，

調(diào)質(zhì)鋼最終熱處理是調(diào)質(zhì)。第一步是淬火，即將鋼件加熱至850℃左右（>Ac3）溫度淬火，具體加熱溫度的高低由鋼的成分決定。淬火介質(zhì)可根據(jù)鋼件尺寸大小和淬透性加以選擇。

熱處理后的組織：調(diào)質(zhì)處理后獲得S回組織。通常硬度為HRC30–42。為了提高零件表面的耐磨性和疲勞強(qiáng)度，調(diào)質(zhì)鋼常采用感應(yīng)加熱表面淬火作為最終熱處理進(jìn)行表面強(qiáng)化。第30頁，共68頁，2023年，2月20日，星期四圖40Cr鋼在不同溫度回火后的機(jī)械性能（直徑D=12mm,油淬）5、調(diào)質(zhì)后的機(jī)械性能獲得高強(qiáng)度、高塑性的綜合機(jī)械性能。第31頁，共68頁，2023年，2月20日，星期四連桿螺栓的生產(chǎn)工藝路線如下：下料→鍛造→退火（或正火）→機(jī)加工（粗加工）→調(diào)質(zhì)→機(jī)加工（精加工）→裝配。第32頁，共68頁，2023年，2月20日，星期四6、典型調(diào)質(zhì)鋼介紹

低淬透性調(diào)質(zhì)鋼：

40Cr最典型它有較好的機(jī)械性能和工藝性能，因淬透性不夠高，廣泛用于制造較小的零件。40MnB鋼是為節(jié)約鉻而發(fā)展的一種代用鋼，各方面性能與40Cr很相近，但淬透性的穩(wěn)定度稍差，切削加工性能也差一些。

中淬透性調(diào)質(zhì)鋼：

35CrMo含有較多的合金元素，因而淬透性較高，可用于制造截面尺寸較大的中型、甚至大型零件，例如較大截面的曲軸，連桿等。鋼中加有鉬時，可防止第二類回火脆性。第33頁，共68頁，2023年，2月20日，星期四

高淬透性調(diào)質(zhì)鋼：多半是Ni—Cr鋼，并含有鉬，少數(shù)鋼不含鉬

37CrNi3因容易產(chǎn)生回火脆性，實(shí)用中受到限制。

40CrNiMoA由于含合金元素多，并含有鉬，主要用于制造大截面、重載荷的重要零件，例如大型的軸和齒輪等。

38CrMoAl調(diào)質(zhì)鋼是一種氮化專用鋼，加入一定量的Al可加速氮化過程，并形成AlN等細(xì)小的強(qiáng)化相，以提高氮化層的耐磨性。氮化后由于表面存在壓應(yīng)力，有利于提高零件的抗疲勞性能，氮化層的抗蝕性也很好。因此這類鋼得到了廣泛的應(yīng)用。

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四、彈簧鋼

1、主要用途彈簧鋼是一種專用結(jié)構(gòu)鋼，用于制造各種彈簧或要求高彈性的其它零件。彈簧起緩沖、消震和儲能的作用。例：汽車板簧第35頁，共68頁，2023年，2月20日，星期四2、性能要求

彈簧鋼應(yīng)具有好的彈性、高的屈服強(qiáng)度，以保證有足夠的彈性變形能力，避免在高負(fù)荷下產(chǎn)生永久變形；

(1)應(yīng)具備高的屈強(qiáng)比(σs/σb）。

(2)高的疲勞強(qiáng)度，以避免彈簧在多次振動和長期交變載荷作用下產(chǎn)生疲勞破壞。

(3)足夠的塑性和韌性(4)熱處理彈簧，必須有高的淬透性和低的脫碳敏感性。(5)高溫易蝕條件下工作的彈簧，要有好的耐蝕性和耐熱性。

第36頁，共68頁，2023年，2月20日，星期四

碳含量：碳素彈簧鋼含碳量一般為C:0.6-0.9％。合金彈簧鋼的含碳量通常是0.45-0.7％。

作用：保證彈簧鋼具有高強(qiáng)度。一般為中、高碳。

合金元素：常加入的合金元素有Mn、Si、Cr、V、Mo等，其中尤以Mn、Si兩種元素應(yīng)用最廣。作用：能提高鋼的淬透性、增加回火穩(wěn)定性、進(jìn)一步提高σs，使屈強(qiáng)比σs／σb趨近于1，并保持足夠的塑性與韌性。3、鋼號、成分及作用常用鋼號：55Si2Mn

65Mn50CrVA6075第37頁，共68頁，2023年，2月20日，星期四4、熱處理及組織

（1）熱成形彈簧

的熱處理：用熱軋鋼絲或鋼板加熱成形后淬火和中溫回火(450-550oC)。（較大尺寸）組織：中溫回火后的組織為回火屈氏體。扁鋼剪斷→加熱至奧氏體區(qū)、壓彎熱卷成型后淬火+中溫回火→噴丸→裝配。

（2）冷成形彈簧

的熱處理（較小尺寸）

一部分彈簧：用冷拔鋼絲冷成型后不進(jìn)行淬火和回火處理，只進(jìn)行消除應(yīng)力的低溫退火，使彈簧定形。

另一部分彈簧用退火鋼絲(片)繞制。繞制后進(jìn)行淬火和中溫回火處理，工藝與熱成型彈簧的相同。5、性能彈簧經(jīng)熱處理后，可獲得很高的屈服強(qiáng)度，特別是彈性極限，同時又有一定的塑性與韌性。第38頁，共68頁，2023年，2月20日，星期四

五、滾動軸承鋼

1、主要用途：用于制造滾動軸承。第39頁，共68頁，2023年，2月20日，星期四

很高的耐磨性。因?yàn)檩S承元件工作時存在很強(qiáng)的相對摩擦。

很高的接觸疲勞強(qiáng)度：因?yàn)檩S承元件工作時受很大的交變接觸應(yīng)力，往往發(fā)生接觸疲勞破壞，如產(chǎn)生麻點(diǎn)或剝落等。2、性能要求

很高的強(qiáng)度或硬度：軸承元件大多在點(diǎn)接觸或線接觸條件工作，接觸處有很高的壓應(yīng)力。因此軸承鋼必須具有非常高的抗壓屈服強(qiáng)度或硬度，一般硬度應(yīng)在HRC62~64之間。第40頁，共68頁，2023年，2月20日，星期四3、鋼號、成分及作用常用鋼號：GCr15采用特殊編號方法

鉻：鉻元素為滾動軸承鋼的最基本的合金元素。一般含量以0.4-1.65％為宜

Cr可以提高鋼的淬透性，同時鉻的碳化物非常細(xì)小、均勻，對鋼的耐磨性，尤其是接觸疲勞強(qiáng)度非常有利。

其它合金元素：加入Si、Mn、Mo、V等可進(jìn)一步提高淬透性，提高鋼的強(qiáng)度和彈性極限，以適于制造大型軸承。

含碳量：軸承鋼的含碳量一般在0.95-1.10％之間。以保證淬火后的高硬度，同時可獲得一定量的耐磨碳化物。對雜質(zhì)的要求：要求很嚴(yán)，S<0.02%P<0.027%第41頁，共68頁，2023年，2月20日，星期四4、滾動軸承鋼的熱處理及組織熱處理：球化退火、淬火－低溫回火

（1）球化退火：滾動軸承鋼的球化退火一方面是為了降低硬度以便于切削加工，另一方面是為了獲得比較理想的預(yù)備組織為最終熱處理作組織準(zhǔn)備。

（2）淬火和低溫回火：鋼淬火溫度應(yīng)嚴(yán)格控制840±10℃的范圍內(nèi)。回火溫度一般為150-160℃。

淬火和低溫回火是最后決定軸承鋼性能的重要的熱處理工序。溫度過高，晶粒粗大，則疲勞性能及韌性下降，且容易淬裂和變形。溫度過低時會硬度不足。

（3）工藝路線：鍛造→預(yù)先熱處理(球化退火)→機(jī)械粗加工→淬火+(冷處理)→低溫回火→磨削→成品第42頁，共68頁，2023年，2月20日，星期四5、熱處理后的性能具有很高的硬度（HRC62-66）且耐磨，有一定韌性。6、常用滾動軸承鋼及編號方法

GCr15、GCr6、GCr9SiMn等。鋼的編號前面用字母“G”代表滾動軸承鋼，其含碳量約為1％，所以不標(biāo)注。

Cr的含量以0.1％為單位，而不象一般合金結(jié)構(gòu)鋼以1％為單位。例如表示其含Cr量分別為1.5％和0.6％。

組織：淬火、回火后的組織由回火馬氏體、均勻細(xì)小的碳化物及少量殘余奧氏體組成。第43頁，共68頁，2023年，2月20日，星期四

六、易切削鋼

通過在鋼中加入S、P、Pb、Ca等元素來形成非金屬夾雜或金屬間化合物，或本身以金屬態(tài)存在(如Pb)，可以起到斷屑、減小刀具磨損和改善鋼的切削性能的作用。上述夾雜物的存在會降低鋼的機(jī)械性能，因此其含量必須控制在一定范圍以內(nèi)。這類鋼的機(jī)械性能較低，只能用于一些機(jī)械性能要求不高，而加工效率和加工質(zhì)量及精度要求很高的零件。易切鋼的牌號在鋼號前冠以“易”或“Y”，其后面數(shù)字表示萬分之幾的平均含碳量。錳量較高者，在鋼號后標(biāo)出“Mn”。加入Pb或Ca在鋼號中直接標(biāo)出。常用易切鋼的化學(xué)成分、性能及應(yīng)用見表6.11,如Y12,Y15Pb,Y40Mn，Y45Ca.第44頁，共68頁，2023年，2月20日，星期四

第三節(jié)合金工具鋼

工具鋼分為刃具鋼、模具鋼和量具鋼。

一、刃具鋼（碳素刃具鋼、低合金刃具鋼、高速鋼）

1、主要用途刃具鋼主要用來制造各種金屬切削刀具，包括車刀、銑刀、刨刀、滾刀、銼刀、鉆頭、絲錐板牙、鋸條等。第45頁，共68頁，2023年，2月20日，星期四2、性能要求

高硬度：硬度一般應(yīng)在HRC60以上。

高熱硬性：刀具在高溫下保持高硬度的能力稱為熱硬性。熱硬性是合金刃具鋼區(qū)別于碳素工具鋼的主要性能特點(diǎn)。

耐磨性：耐磨性是保證刃具刃部鋒利的主要因素，而且刃具在高溫下應(yīng)保持高的耐磨性。

足夠的塑性與韌性：切削時刀具要受各種沖擊力的作用。因此，要有足夠的塑性與韌性以保證刀具不會斷裂或崩刃。第46頁，共68頁，2023年，2月20日，星期四

缺點(diǎn)：熱硬性低，刃部受熱至250℃時，其硬度就降到HRC60以下；淬透性低，水中淬透的最大直徑只有15mm，因此只適于制造低速、進(jìn)刀量小和形狀簡單的小尺寸刃具。3、碳素刃具鋼和低合金刃具鋼（1）常用鋼號、成分及作用碳素刃具鋼：T7T8T10T12等。是含碳0.65-1.35％的優(yōu)質(zhì)碳鋼，具有很高的硬度和耐磨性，且加工性能優(yōu)良，價(jià)格便宜，在生產(chǎn)中應(yīng)用很多。第47頁，共68頁，2023年，2月20日，星期四

低合金刃具鋼：9SiCrCrWMn9Mn2V

含碳0.85－0.95％或0.9－1.05％

。目的是要得到高硬度合金元素及作用：

低合金刃具鋼的碳含量較高，多在0.9-1.1％之間。主要是保證鋼具有高硬度與高耐磨性。加入Cr、Si、Mn、V等元素提高淬透性和回火穩(wěn)定性。特別是回火穩(wěn)定性的提高，可使鋼經(jīng)160-230℃回火后硬度仍在HRC60以上，從而保證具有一定的熱硬性。

（2）熱處理及組織熱處理：球化退火淬火及低溫回火熱處理后最終組織：回火馬氏體、點(diǎn)狀碳化物和少量殘余奧氏體組成。

第48頁，共68頁，2023年，2月20日，星期四（3）性能：高硬度和高耐磨性。硬度為HRC60-634、高速鋼（1）常用鋼號W18Cr4V、W12Cr4V4MoW6Mo5Cr4V2高速鋼由于加入了大量的W等元素，使得刀具的切削速度大為提高。高速鋼具有很高的熱硬性，在600℃仍能保持HRC60以上的硬度。

（2）成分特點(diǎn)及作用

高碳：高速鋼的含碳量應(yīng)根據(jù)形成碳化物的需要來確定，一般在0.70％-1.0％范圍，最高可達(dá)1.5％左右。

作用：高的含碳量一方面保證鋼在淬得馬氏體后有高的硬度；另一方面與強(qiáng)碳化物形成元素生成極硬的合金碳化物，大大地增大鋼的耐磨性。第49頁，共68頁，2023年，2月20日，星期四

鉻：所有的高速鋼都含有4％左右的鉻。

作用：提高鋼的淬透性

鉻的碳化物在淬火加熱時容易溶解，鉻幾乎全部溶入奧氏體中，增加奧氏體的穩(wěn)定性，使鋼的淬透性大大提高，以致截面尺寸很大的高速鋼零件，在空冷條件下都可完全淬透。

鎢和鉬：W最高含量為17.5－19.0％，Mo是4.5－5.5％作用：造成二次硬化，以保證高的熱硬性。退火狀態(tài)下，形成鎢或鉬的碳化物。這種碳化物在淬火加熱時極難溶解，大約只有不到一半的量溶于奧氏體中，而剩余的部分作為殘余碳化物留下來，起阻止奧氏體晶粒長大及提高耐磨性的作用。溶入的部分在回火時以W2C或Mo2C形式析出使鋼產(chǎn)生二次硬化。第50頁，共68頁，2023年，2月20日，星期四

釩：最高達(dá)3.8-4.0%

作用：提高鋼的耐磨性。釩在高速鋼中生成硬度極高的碳化物（VC），這種碳化物非常穩(wěn)定，很難溶入奧氏體中，大部分以殘余碳化物的形式保留下來。而且顆粒細(xì)小，分布均勻，對提高鋼的耐磨性有很大作用。

（3）、熱加工特點(diǎn)鍛造特點(diǎn)：由于高速鋼中含有大量的W和Cr等元素，使相圖中E點(diǎn)左移，鑄態(tài)組織中出現(xiàn)大量的魚骨狀萊氏體，碳化物呈網(wǎng)絡(luò)狀分布。這樣的鋼性能很差，必須進(jìn)行反復(fù)鍛造，將碳化物打碎并促使其均勻分布。高速鋼的反復(fù)鍛造，不僅是為了成型，而主要是為了將粗大的萊氏體中的碳化物破碎為比較細(xì)小和均勻分布的粒狀碳化物。

第51頁，共68頁，2023年，2月20日，星期四(4)熱處理及組織熱處理：等溫退火、淬火－三次回火

a、等溫退火鍛造后應(yīng)進(jìn)行等溫球化退火，以便于機(jī)械加工

退火組織：索氏體＋細(xì)小碳化物b、淬火淬火加熱溫度：1220-1280℃之間，都非常高。目的是讓大量難溶解的合金碳化物充分溶入奧氏體當(dāng)中。同時，W、V碳化物未溶部分可阻礙A晶粒的長大。另外，高速鋼合金元素含量很高，導(dǎo)熱性較差，若淬火加熱速度太快，容易引起開裂。所以淬火時要先預(yù)熱、冷卻時分級淬火。

淬火組織：由淬火馬氏體、合金碳化物與大量殘余奧氏體組成。第52頁，共68頁，2023年，2月20日，星期四c、回火：550-570℃下回火。為了保證得到高的硬度及高的熱硬性，高速鋼一般都在二次硬化峰值溫度(即550-570℃)下回火，以產(chǎn)生明顯的二次硬化效應(yīng)。W18Cr4V鋼硬度與回火溫度的關(guān)系第53頁，共68頁，2023年，2月20日，星期四

回火要進(jìn)行三次。

主要目的：消除大量的殘余奧氏體。每回火一次，殘余奧氏體含量降低一次。

原因：加熱到回火溫度（550－570）時，從奧氏體中析出合金碳化物，使奧使體中的合金元素含量減少從而使馬氏體點(diǎn)上升，在回火冷卻過程中殘余奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體。

W18Cr4V鋼淬火時殘余奧氏體含量約為30％。經(jīng)三次回火后，殘余奧氏體的量可以降到1-2％。并且后一次回火還可以消除前一次回火由于殘余奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體所產(chǎn)生的二次淬火的內(nèi)應(yīng)力。

回火組織：由回火馬氏體+少量殘余奧氏體+碳化物所組成第54頁，共68頁，2023年，2月20日，星期四高速鋼熱處理工藝圖下料→鍛造→等溫退火→機(jī)械粗加工→淬火→回火→磨削加工→成品第55頁，共68頁，2023年，2月20日，星期四5、硬質(zhì)合金

（1）、硬質(zhì)合金制作及特性

硬質(zhì)合金并不屬于鋼的范圍，但常用于制造高速切削的刃具，是一種重要的刃具材料。

硬質(zhì)合金由硬化相和粘接金屬用粉末冶金的工藝制成

硬化相:如WC、TiC、MoC、TaC等

粘結(jié)金屬:Co、Ni、Fe等二者的粉末以一定的比例均勻混合，然后加壓成型，高溫?zé)Y(jié)。其工作溫度可達(dá)1000℃以上，而其硬度可達(dá)到HRC91。硬質(zhì)合金刀具的切削速度可比高速綱高4-7倍，壽命長5—8倍。第56頁，共68頁，2023年，2月20日，星期四

鎢鈷類硬質(zhì)合金：碳化鎢作硬化相，金屬鈷作粘結(jié)劑。“YG”加數(shù)字表示數(shù)字表示鈷的百分含量(YG3)

。主要加工鑄鐵、脆性有色金屬合金和其它非金屬材料。鎢鈷鈦類硬質(zhì)合金：硬化相是碳化鎢、碳化鈦，以金屬鈷為粘結(jié)劑?！癥T”加數(shù)字，數(shù)字表示TiC的百分含量(YT5)。主要用于加工韌性材料如碳鋼、合金鋼。萬能硬質(zhì)合金：硬化相為TiC和WC以及TaC，鈷為粘結(jié)劑。“YW”加數(shù)字，數(shù)字為順序號(YW2)。既可用于加工韌性材料，又可用于加工脆性材

（2）、硬質(zhì)合金分類

及編號第57頁，共68頁，2023年，2月20日，星期四二、模具鋼

模具鋼是用于制造冷作模具和熱作模具的鋼種。第58頁，共68頁，2023年，2月20日，星期四（一）冷作模具鋼

1、用途用于冷態(tài)成型的模具鋼稱為冷作模具鋼，如冷沖模、冷擠壓模，冷作模具的工作溫度不超