機械制造基礎 課件 1.4 常用鋼鐵材料

1.4常用鋼鐵材料主要內容：

鋼的分類和編號方法結構鋼工具鋼不銹鋼一、鋼的分類及編號方法

編號原則：①根據編號可大致看出該鋼的成分；

②根據編號可大致看出該鋼的用途。

編號方法：漢語拼音字母＋化學元素符號＋阿拉伯數字具體如下：鋼號中合金元素采用國際化學符號表示，例如：Si、Mn、Cr……，稀土元素用“Re”表示。產品名稱、用途、冶煉和澆注方法等，一般采用漢語拼音

縮寫字母表示。鋼中主要合金元素含量（%）采用阿拉伯數字表示。（一）碳鋼的分類和編號方法按化學成分低碳鋼：wC＜0.25％中碳鋼：wC＝0.25％～0.6％高碳鋼：wC

＞0.6％按質量分類普通碳素鋼：ws<0.035～0.05%；wp<0.035～0.045%優(yōu)質碳素鋼：ws<0.030～0.035%；wp<0.030～0.035%高級優(yōu)質碳素鋼：ws<0.02%；wp<0.03%按用途分類碳素結構鋼優(yōu)質碳素結構鋼碳素工具鋼硫、磷含量越低，鋼材的質量越好。一、鋼的分類及編號方法1.碳素結構鋼屈服強度代號屈服強度值要求：主要保證力學性能，在牌號上直接體現(xiàn)。編號方法：Q＋數字（＋質量等級符號＋脫氧方法符號）質量等級符號：由A、B、C、D，鋼中S、P含量依次

降低，質量越好。脫氧方法符號：F—沸騰鋼；b—半鎮(zhèn)靜鋼。例如：Q235-A?F為A級沸騰鋼。一、鋼的分類及編號方法2.優(yōu)質碳素結構鋼要求：保證化學成分和力學性能，一般需熱處理后使用。編號方法：兩位數字表示鋼的平均含碳量的萬倍。例如:“45”表示平均含碳量為0.45%的鋼。

注：錳含量較高時，應將錳元素標出

wMn＝0.7～1.2％時標出，如15Mn、70Mn。特點：隨鋼號數字↑，wC↑，組織中P％↑,

F%↓，強度、硬度↑,塑性↓。一、鋼的分類及編號方法3.碳素工具鋼要求：保證化學成分和力學性能，需經熱處理獲得所需的性能。編號方法：T＋數字(＋A)，數字表示鋼的平均碳含量的千倍。例:“T12”表示平均碳含量為1.2%的碳素工具鋼。

注：①錳含量較高者，在鋼號最后標出“Mn”，例如“T8Mn”。

②鋼號后加注字母“A”，為高級優(yōu)質碳素工具鋼，

S、P含量比一般優(yōu)質碳素工具鋼低，例如“T12A”。特點：高碳（wC=0.65%~1.35%）隨數字↑wC↑組織中P％↓Fe3C%↑硬度↑塑性↓一、鋼的分類及編號方法1.合金結構鋼：

兩位數字＋合金元素符號＋數字（A）平均含碳量的萬倍合金元素平均含量的百倍高級優(yōu)質鋼舉例：

1．20CrMnTi：表示平均含碳量為0.20%，合金元素Cr、Mn、Ti的含量均低于1.5%；

2．60Si2Mn：表示平均含碳量為0.60%、合金元素Mn的含量低于1.5%、Si的含量為1.5％～2.5%的合金結構鋼。

練習：40Cr、38CrMoAlA

（二）合金鋼的牌號編制方法2.低合金高強度結構鋼

Q×××（A～E）常用牌號：Q355Q390Q420Q4603.滾動軸承鋼G＋Cr+數字＋其它合金元素

說明：①碳含量不標出②Cr后面的數字，表示其含量的千倍。例：GCr15、GCr9SiMn（二）合金鋼的牌號編制方法4.合金工具鋼和高速鋼數字＋合金元素符號＋數字平均含碳量的千倍合金元素平均含量的百倍當WC≥1.0%時，含碳量不標出，如Cr12、CrWMn當WC＜1.0%時，以千分之幾表示，如9SiCr、3Cr2W8V說明：用兩位或三位數字表示碳含量最佳控制值，合金元素符號后面的數字表示該元素平均含量的百倍。一般，含碳量較低。5.不銹鋼和耐熱鋼※練習：指出下列牌號鋼的種類

Q235A·FQ35520Mn35CrMo40Cr65Mn45T8MnAT125CrMnMoW18Cr4V06Cr19Ni10

20Cr13GCr15二、結構鋼

碳素結構鋼優(yōu)質碳素結構鋼低合金高強度結構鋼滲碳鋼調質鋼彈簧鋼滾動軸承鋼用途性能要求成分特點熱處理工藝使用性能思路:特點：具有適當的強度、良好的塑性和加工成型性能；價格低，用途廣；一般在供應態(tài)下使用。1.碳素結構鋼新牌號舊牌號性能特點及用途Q195A1；B1

塑性好，有一定強度；制作受力不大的零件（如螺釘螺母、墊圈等）、焊接件、沖壓件及橋梁、建筑等結構件。Q215（A、B)A2；C2Q235（A、B、C)A3；C3Q255（A、B)A4；C4

強度較高；制作焊接件和承受中等載荷的零件，如小軸、銷子、連桿、農機零件等。Q275C52.優(yōu)質碳素結構鋼特點：隨鋼號數字↑，wC↑，組織中P％↑F%↓，強度和硬度↑塑性↓。用于制造零件，一般經熱處理后使用。

08、08F、10、10F鋼：wC低，塑性韌性好，冷沖壓性和焊接性好，主要用于制作沖壓件和焊接件。例如，冷軋成薄板，用于儀器儀表外殼、汽車車身等。

15、20、25鋼：低碳，強度低，塑性和韌性較高，焊接性和冷沖壓性能好；可制作受力不大，但要求高韌性的零件，冷沖壓件和焊接件。

30、35、40、45、50、55鋼：中碳，經調質處理后，具有良好的綜合力學性能，主要用于要求強度和塑韌性都較高的零件，如軸類、連桿類；要求零件表面高耐磨性，需調質處理后再“表面淬火＋低溫回火”。這類鋼在機械制造中應用最廣泛，其中以45鋼更為突出。

60、65、70、65Mn鋼：高碳，屬于彈簧鋼，具有較高的強度、硬度和耐磨性，經“淬火＋中溫回火”處理后，主要用于制作彈簧等彈性元件及耐磨零件。3.低合金高強度結構鋼

用于制造在大氣和海洋中工作的大型焊接結構件，如建筑結構、橋梁、車輛、船舶、輸油輸氣管道、壓力容器等。

用途：壓力容器

性能要求

高的強度，足夠的韌性;低冷脆轉變溫度，可抵抗大氣腐蝕；良好的焊接性和冷沖壓性能。低碳(≤0.2%C)，低合金（Me≤3%）主加元素Mn：產生固溶強化，降低冷脆轉變溫度。

微量V、Ti、Nb、Re：細化晶粒，提高強韌性。

Cu、P：可提高耐蝕性。

成分特點

一般不熱處理，在熱軋空冷狀態(tài)下使用。使用態(tài)組織：S+F保證鋼的韌性、焊接性和冷加工性能典型牌號及用途

Q355較低級別：16Mn最具有代表性，用量、產量最大，其派生鋼種有16MnRe、16MnCu等；多用于船舶、車輛、橋梁等大型鋼結構。

Q420級別：15MnVN、14MnVTiRe等，加入了釩、氮、稀土，提高強韌性，強度高于15MnTi。

Q460級別：如14MnMoVBRe，加入了鉬和微量硼，正火后可得到貝氏體組織，然后再高溫回火，提高塑性和韌性，焊接性好，適于制造400℃～500℃的鍋爐、中溫高壓容器等。4.滲碳鋼—用于制造滲碳零件的鋼種

用途：

主要用于制作承受交變載荷，并在沖擊和嚴重磨損條件下工作的零件，如汽車和重型機床齒輪、活塞銷、內燃機的凸輪軸等。凸輪軸活塞銷(20Cr)

性能要求

“表硬心韌”

零件表面硬度高，耐磨性好；心部具有良好的韌性和足夠的強度，以承受沖擊；良好淬透性和滲碳能力。一般滲碳件淬火后，表面滲碳層硬度≥58HRC，心部35～45HRC。

低碳（0.15～0.25%C）：保證心部足夠的塑性和韌性；

主加Cr、Ni、Mn、B：強化基體，提高淬透性，保證心部強韌性；微量V、Ti、W、Mo：細化晶粒，防止?jié)B碳時過熱，提高耐磨性。

成分滲碳鋼

熱處理特點滲碳件的加工工藝路線：

下料→鍛造→正火→機加工→滲碳→淬火+低溫回火→精加工使用態(tài)組織表面：M回＋碳化物＋A殘心部淬透時：低碳M回+F未淬透時：低碳M回＋T＋F

預備熱處理組織：(P＋F)目的：調整硬度，改善切削加工性。

最終熱處理組織—使用態(tài)組織目的：提高表面硬度和耐磨性，使心部具有足夠的強韌性，并消除淬火應力。淬火溫度:Ac1+30~50℃滲碳鋼典型牌號及用途低淬透性鋼：20、20Cr鋼，用于受沖擊力小的耐磨件，如活塞銷、凸輪、滑塊、小齒輪等。中淬透性鋼：20CrMnTi，用于中等載荷耐磨件，如汽車變速箱齒輪。高淬透性鋼：18Cr2Ni4WA、20Cr2Ni4A

。用于大截面、大載荷的耐磨件，如飛機、坦克中的曲軸，大模數齒輪等。汽車變速箱齒輪柴油機曲軸滲碳鋼5.調質鋼——經調質處理后使用的鋼種用途：用于受力較復雜的重要結構零件。如機床主軸、火車發(fā)動機曲軸、汽車后橋半軸等軸類零件，以及連桿、螺栓、齒輪等。機床主軸連桿螺栓

性能要求中碳（0.25%～0.50%C），保證足夠的強度、良好的塑、韌性；主加Cr、Ni、Mn、Si、B等，提高淬透性，固溶強化；輔加W、Mo、V、Al元素，細化晶粒，提高回火穩(wěn)定性；調質鋼

成分特點具有良好的綜合力學性能高的強度，良好的塑性和韌性。

熱處理工藝：一般調質件的加工工藝路線下料→鍛造→退火或正火→粗加工→調質處理→精加工→裝配預備熱處理組織：P＋F目的：細化組織，改善切削加工性最終熱處理組織：S回目的：獲得良好綜合力學性能

使用態(tài)組織對表面要求高的硬度、耐磨性的調質件，調質后需再表面淬火＋低溫回火低淬透性調質鋼：40Cr，這類鋼的油淬臨界直徑最大為20～40mm，廣泛用于制造一般尺寸的重要零件，如軸、齒輪、連桿、螺栓等。35SiMn、40MnB是為節(jié)約鉻而發(fā)展的代用鋼種。中淬透性調質鋼：40CrNi、38CrMoAlA（滲氮用鋼），這類鋼的油淬臨界直徑最大為40～60mm，含有較多的合金元素，用于制造截面較大、承受較重載荷的零件，如曲軸、連桿等。高淬透性調質鋼：40CrNiMoA，這類鋼的油淬臨界直徑為60～100mm，多半為鉻鎳鋼。鉻、鎳的適當配合，可大大提高淬透性，并能獲得比較優(yōu)良的綜合機械性能。用于制造大截面、承受重負荷的重要零件，如汽輪機主軸、壓力機曲軸、航空發(fā)動機曲軸等。分類及典型牌號6.

彈簧鋼用途：

用于制造彈簧等彈性元件。性能要求：

具有高的彈性極限、屈強比和疲勞強度；足夠的韌性。

成分特點：中高碳

含碳量：優(yōu)質碳素鋼為0.6%~0.9%C；合金彈簧鋼為0.45%~0.7%C。

合金元素：Si、Mn、Cr、V、Nb、Mo、W。作用：①主加Mn、Si、Cr元素：提高淬透性，固溶強化②

Si：提高屈強比③

W、Mo、V元素：細化晶粒，提高回火穩(wěn)定性常用牌號及用途常用牌號：65Mn、60Si2Mn，用于制造較大截面彈簧。

50CrVA，用于制造大截面、大載荷、耐熱的彈簧。

汽車板簧火車螺旋彈簧大型熱卷彈簧熱處理特點

冷成形彈簧：冷拔→冷卷成形→去應力處理，用于小型彈簧。

熱成型彈簧：熱成型→淬火+中溫回火→噴丸處理（使表面產生壓應力）使用態(tài)的組織：回火屈氏體；用于大截面彈簧（>φ10mm），如汽車板簧。7.滾動軸承鋼—制造滾動軸承的專用鋼種用途：主要用于制作各類滾動軸承的內外套圈、滾動體。制造各種精密量具、冷沖模具、絲杠、冷軋輥和高精度的軸類等耐磨零件。滾針軸承滾柱軸承滾珠軸承性能要求：高而均勻的硬度、接觸疲勞強度和耐磨性；足夠的韌性，良好的淬透性；尺寸穩(wěn)定性好。工作條件：軸承承受接觸應力、交變載荷和強烈摩擦常用鋼種及成分特點：高碳鉻軸承鋼：常用牌號GCr15、GCr15SiMn高碳(0.95~1.10%C)：形成足夠多鉻碳化物，強度、硬度、耐磨性↑主加Cr元素：細化晶粒，提高淬透性、接觸疲勞強度和耐蝕性；大型軸承加入Mn、Si：進一步提高淬透性熱處理工藝預備熱處理：球化退火，獲得P球，目的：改善組織，降低硬度（<210HBＷ），便于切削加工。最終熱處理：淬火+低溫回火（150～180℃），目的：淬火提高硬度和高耐磨性，低溫回火消除淬火應力。使用態(tài)組織：M回＋細小粒狀碳化物＋少量A殘硬度可達61～65HRCGCr15鋼：應用最廣，制作中、小型軸承；GCr15SiMn鋼：制作大型軸承零件。GCr15鋼淬火＋低溫回火顯微組織常用牌號及應用滾動軸承鋼三、工具鋼碳素工具鋼低合金工具鋼高速鋼冷作模具鋼熱作模具鋼塑料模具鋼工具鋼刃具鋼模具鋼量具鋼刃具：用于切削加工的工具，如車刀、刨刀、鉆頭；模具：用于壓力加工的工具，如沖壓模、注塑模、鍛模；量具：測量尺寸的工具，如卡尺、千分尺、鋼板尺。共性與不同（一）刃具鋼—用來制造各種切削刀具的鋼種工作條件及性能要求切削刀具種類繁多，工況條件各有特點，以車刀為例：工作條件：

（1）刀刃與工件之間發(fā)生劇烈的摩擦，造成嚴重的磨損；（2）刀刃部分溫度高（高速切削時，溫度達600度）；（3）進刀時，發(fā)生沖擊與振動。失效形式：磨損，崩刃，刀具折斷。性能要求：高的硬度、耐磨性(≥60HRC)；高的熱硬性；高的抗彎強度，足夠的強韌性。熱硬性：又稱紅硬性，指刃具鋼在高溫下保持高硬度的能力，是衡量刃具鋼使用壽命的重要指標。1.碳素工具鋼特點：高碳（0.65~1.35%C），價格低，淬透性低，熱硬性差硬度高（熱處理后達60～65HRC)，耐磨性好用途：多用于制作刃部受熱程度較低、截面不大于8mm的工具，如木工工具、鉗工工具等手用工具，低速小進給量的機用工具，以及尺寸較小的模具和量具。牌號及用途舉例：

T7、T8、T9：制造承受沖擊的工具，如木工工具：沖子、鑿子、錘子等。

T10、T11：制造低速切削工具，如鉆頭、絲錐、車刀等。

T12、T13：制造耐磨工具，如銼刀、鋸條等。手錘銼刀手鋸條

熱處理工藝及使用態(tài)組織工藝過程：

鍛造→

(正火)球化退火→粗加工→淬火+低溫回火→精加工球化退火：預備熱處理，粗加工之前進行；網狀Fe3CⅡ嚴重時，

球化退火之前需先正火處理。

目的：①降低硬度，便于切削加工；②為淬火作組織準備。組織：球狀珠光體淬火＋低溫回火：最終熱處理，粗加工后、精加工前進行；目的：提高硬度、耐磨性，低溫回火消除淬火應力。

使用狀態(tài)組織：M回+粒狀Fe3C+少量A殘水冷碳素工具鋼碳素工具鋼的缺點：淬透性低，熱硬性差，刃部工作溫度不超過200℃。碳素工具鋼光鏡下顯微組織嚴重網狀碳化物組織

T12鋼正常淬火組織T12鋼球化退火組織F+Fe3C2.低合金工具鋼wC：0.75～1.50%；形成足夠的合金碳化物，保證高硬度、高耐磨合金元素：Si、Cr、Mn、Mo、W、V

主加Si、Cr、Mn：固溶強化，提高淬透性；輔加Mo、W、V：細化晶粒，形成特殊碳化物，提高耐磨性。成分特點：高碳，低合金(合金元素總量≤3~5％)熱處理工藝及組織

球化退火，淬火（油淬或鹽浴等溫淬火）加低溫回火，

使用態(tài)組織：M回+顆粒狀碳化物+少量A殘?zhí)妓毓ぞ咪?少量合金元素

與碳素工具鋼比較，低合金工具鋼的淬透性、熱硬性、使用溫度提高（可達200℃～300℃）。常用牌號及應用舉例：常用牌號：9SiCr、CrWMn、9Mn2V應用：

(1)各種薄刃刀具（板牙、絲錐等）

(2)截面較大、形狀復雜、變形小的模具和量具板牙舉例9SiCr圓板牙的生產工藝路線：鍛造→球化退火→機械加工→淬火+低溫回火→磨平面低合金刃具鋼3.高速鋼高速鋼是高速切削用鋼的代名詞。常用牌號及用途W18Cr4V

：簡稱18-4-1，過熱敏感性小，磨削性好，但由于熱塑性差，通常適于制造一般高速切削刀具，如車刀、銑刀、絞刀等；W6Mo5Cr4V2：簡稱6-5-4-2，耐磨性、韌性和熱塑性要好些，適于制作耐磨性和韌性很好配合的高速刀具，如齒輪銑刀、插齒刀等。銑刀齒輪銑刀孔鉆銑刀成分特點：高C（wC=0.65~1.65%）高合金（＞10%）W、V、Cr、Mo：提高硬度、耐磨性Cr：提高淬透性，抗蝕性W、Mo、V：提高熱硬性V：細化晶粒性能特點：高硬度、高耐磨性—“鋒鋼”高熱硬性—“高速鋼”高淬透性—“風鋼”較高的強度，足夠的韌性高速鋼加工及熱處理工藝特點

以W18Cr4V制造盤形齒輪銑刀為例，說明高速鋼制作刀具的工藝路線及熱處理工藝的制定。

齒輪盤形銑刀W18Cr4V制造盤形齒輪銑刀工藝路線目的：下料→鍛造(反復鍛造、三鐓三拔)→球化退火→機加工→

→1280℃淬火→560℃三次回火→噴砂→磨削→成品降低硬度,改善切削加工性,并為淬火作組織準備。打碎粗大的魚骨狀碳化物，并使其均勻分布。減少殘余A殘的量，消除內應力、穩(wěn)定組織，提高硬度。使碳化物溶解，獲得高合金含量的M性能特點：硬度高，熱硬性好，足夠的強度和韌性。最終組織：細針狀M回

+細小粒狀碳化物+少量A殘用來制造各種模具的工具鋼統(tǒng)稱為模具鋼。模具鋼冷作模具鋼熱作模具鋼塑料模具鋼（二）模具鋼

用途：

制造在冷態(tài)下使金屬或非金屬變形的模具，如冷沖模、冷鐓模、拉絲模、冷軋輥等。冷沖模具冷軋輥拉絲模T工作≯200℃～300℃1.冷作模具鋼

性能要求冷作模具鋼

硬度高，耐磨性好足夠的強度和韌性淬透性好，熱處理的變形小

高碳高鉻模具鋼（為主）成分特點及常用鋼種碳素工具鋼和低合金工具鋼：制作尺寸小、形狀簡單、工作負荷不大的模具；常用牌號：T8A、T10A、T12A；

9Mn2V、9SiCr、CrWMn等。高速鋼：熱硬性要求高的模具性能特點：淬透性好，淬火變形小，耐磨性好；用途：廣泛用于制造負荷大、尺寸大、形狀復雜的冷作模具。典型牌號：Cr12、Cr12MoV

高碳高鉻——

Cr12型冷作模具鋼含碳量高：1.4～2.3%C，保證形成足夠的鉻碳化物，獲得高的硬度和耐磨性。合金元素:高Cr，11～12%，提高淬透性、耐磨性，細化晶粒

Mo、V：進一步提高淬透性，細化晶粒

V：可形成VC，進一步提高耐磨性和韌性；成分特點：Cr12型鋼加工及熱處理工藝：反復鍛造，球化退火，淬火＋低溫回火使用態(tài)組織：M回+細小粒狀碳化物+少量A殘

使加熱的固態(tài)或液態(tài)金屬在壓力下成形的模具，如熱鍛模、熱壓模、熱擠壓模、壓鑄模等。T工作

=400℃～600℃2.熱作模具鋼受力特點：高沖擊、強摩擦、不均勻的熱應變和熱壓力失效形式：高溫氧化、崩裂、塌陷、磨損、龜裂等性能要求：①高的熱硬性和熱疲勞抗力，高溫耐磨性好；

②高的抗氧化性和熱強性，足夠的韌性；

③高的淬透性，良好的導熱性。熱鍛模

常用鋼種：5CrNiMo：綜合性能好，制造形狀復雜、沖擊載荷大的大型熱鍛模。5CrMnMo：以Mn代Ni，價格低，但塑韌性和淬透性不如5CrNiMo，用于中小型（截面尺寸≤300mm）熱鍛模。

3Cr2W8V：回火穩(wěn)定性高，廣泛用于壓鑄模及熱擠壓模的制造。熱作模具鋼成分特點：

含碳量：

0.3%～0.6%C，中碳，保證較高的硬度（35～52HRC）、良好的強韌性和高的熱疲勞抗力。

合金元素及其作用：提高淬透性（Cr、Ni、Mn、Si、W、Mo）提高回火穩(wěn)定性（Cr、Ni、Mo、W、V）提高高溫強度、耐熱疲勞性能（Mo、W、V）細化晶粒、增加鋼的韌性（Ni、V）熱處理特點:預備熱處理：多次鍛造后，完全退火或等溫退火，組織為（P＋F）最終熱處理：淬火+高溫回火，獲得良好綜合力學性能使用態(tài)組織：回火索氏體，硬度要求一般在39～54HRC（三）量具鋼制造各種量具的用鋼，如千分尺、