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金屬材料熱處理第五章合金鋼導(dǎo)言
合金鋼——在碳素鋼的基礎(chǔ)上,為了改善鋼的性能,在冶煉時有目的地加入一種或數(shù)種合金元素的鋼。
性能:較高的力學(xué)性能、淬透性和回火穩(wěn)定性等,有的還具有耐熱、耐酸、耐蝕等特殊性能。第2頁,共65頁,2024年2月25日,星期天§5-1合金元素在鋼中的主要作用一、強(qiáng)化鐵素體二、形成合金碳化物三、細(xì)化晶粒四、提高鋼的淬透性五、提高鋼的回火穩(wěn)定性第3頁,共65頁,2024年2月25日,星期天一、強(qiáng)化鐵素體
大多數(shù)合金元素(除鉛外)都能溶于鐵素體,形成合金鐵素體。
對性能的影響;鐵素體的強(qiáng)度、硬度增加,塑性、韌性有所下降,即產(chǎn)生固溶強(qiáng)化作用;
固溶強(qiáng)化(Solidsolutionstrengthening)融入固溶體中的溶質(zhì)原子造成晶格畸變,晶格畸變增大了位錯運(yùn)動的阻力,使滑移難以進(jìn)行,從而使合金固溶體的強(qiáng)度與硬度增加。第4頁,共65頁,2024年2月25日,星期天二、形成合金碳化物1.合金滲碳體
錳、鉻、鉬、鎢等弱、中強(qiáng)碳化物形成元素一般傾向于形成合金滲碳體,合金滲碳體較滲碳體略為穩(wěn)定,硬度也略高,可明顯提高低合金鋼的強(qiáng)度。2.特殊碳化物
釩、鈮、鈦等強(qiáng)碳化物形成元素能與碳形成特殊碳化物,特殊碳化物比合金滲碳體具有更高的熔點(diǎn)、硬度和耐磨性,而且更穩(wěn)定、不易分解。第5頁,共65頁,2024年2月25日,星期天合金元素溶入Fe3C內(nèi),增強(qiáng)了Fe與C之間的親和力,從而提高了滲碳體的穩(wěn)定性,使之較難溶于奧氏體,較難聚集長大;其它類型的碳化物也較難溶于奧氏體,較難聚集長大,并且熔點(diǎn)、硬度較高;總之:這些碳化物的增多,將使鋼的強(qiáng)度、硬度增高,耐磨性增高,但塑性、韌性下降;對性能的影響第6頁,共65頁,2024年2月25日,星期天三、細(xì)化晶粒
幾乎所有的合金元素都有抑制鋼在加熱時奧氏體晶粒長大的作用,達(dá)到細(xì)化晶粒的目的。強(qiáng)碳化物形成元素鈮、釩、鈦等形成的碳化物、鋁(Al)在鋼中形成的AlN和Al2O3細(xì)小質(zhì)點(diǎn),均能強(qiáng)烈地阻礙奧氏體晶粒長大,使合金鋼在熱處理后獲得比碳鋼更細(xì)的晶粒。第7頁,共65頁,2024年2月25日,星期天合金鋼熱處理時加熱的目的:獲得成分均勻的奧氏體,使合金元素盡可能多的溶入奧氏體中,提高淬透性,大多數(shù)合金元素(除少數(shù)Ni、Co,主要是碳化物形成元素)會減慢奧氏體的形成過程。所以合金鋼的奧氏體化溫度高,保溫時間長。第8頁,共65頁,2024年2月25日,星期天四、提高鋼的淬透性
除鈷外,所有的合金元素溶解于奧氏體后,均可增加過冷奧氏體的穩(wěn)定性,推遲其向珠光體的轉(zhuǎn)變,使C曲線右移,從而減小鋼的臨界冷卻速度,提高鋼的淬透性。常用提高淬透性的合金元素有:鉬、錳、鉻、鎳(Ni)和硼(B)等。第9頁,共65頁,2024年2月25日,星期天第10頁,共65頁,2024年2月25日,星期天五、提高鋼的回火穩(wěn)定性
回火穩(wěn)定性——淬火鋼在回火時,抵抗軟化的能力。(淬火鋼在回火時抵抗強(qiáng)度、硬度下降的能力;)如圖第11頁,共65頁,2024年2月25日,星期天第12頁,共65頁,2024年2月25日,星期天§5-2合金鋼的分類和牌號一、合金鋼的分類二、合金鋼的牌號第13頁,共65頁,2024年2月25日,星期天一、合金鋼的分類1.按用途分類
合金結(jié)構(gòu)鋼;普通低合金鋼(低合金高強(qiáng)鋼)、滲碳鋼、調(diào)質(zhì)鋼、彈簧鋼、滾動軸承鋼、易切削鋼、超高強(qiáng)度鋼;(如圖)合金工具鋼;刃具鋼、模具鋼、量具鋼。(如圖)特殊性能鋼;不銹鋼、耐熱鋼、耐磨鋼、電工用鋼。第14頁,共65頁,2024年2月25日,星期天1.構(gòu)件用鋼:制造各種大型金屬結(jié)構(gòu)-橋梁、船舶、屋架、容器-又叫做工程用鋼。車輛儲氣罐第15頁,共65頁,2024年2月25日,星期天船舶橋梁第16頁,共65頁,2024年2月25日,星期天銼刀量規(guī)鉆頭第17頁,共65頁,2024年2月25日,星期天2.按合金元素總含量分類
低合金鋼:合金元素總含量<5%。中合金鋼:合金元素總含量5%~10%高合金鋼:合金元素總含量>10%第18頁,共65頁,2024年2月25日,星期天二、合金鋼的牌號
兩位數(shù)字(碳含量)+元素符號(或漢字)+數(shù)字表示。
前面兩位數(shù)字表示鋼的平均含碳量的萬分?jǐn)?shù)。元素符號(或漢字)表明鋼中含有的主要合金元素。后面的數(shù)字表示該元素的含量。合金元素含量小于1.5%時不標(biāo),平均含量為1.5%~2.5%,2.5%~3.5%…時,則相應(yīng)地標(biāo)以2,3…1.合金結(jié)構(gòu)鋼
第19頁,共65頁,2024年2月25日,星期天40Cr(合金結(jié)構(gòu)鋼)主要合金元素為鉻,含量在1.5%以下平均含碳量為0.40%60Si2Mn(合金結(jié)構(gòu)鋼)平均含硅量為2%左右平均含碳量為0.60%主要合金元素為錳,含量小于1.5%第20頁,共65頁,2024年2月25日,星期天2.合金鋼多為優(yōu)質(zhì)鋼,無需特殊表示。當(dāng)合金鋼為高級優(yōu)質(zhì)鋼或特級優(yōu)質(zhì)鋼時,分別在牌號尾加A、E表示。必要時可將表示產(chǎn)品用途、特性或工藝方法的字符加在牌號尾部。
第21頁,共65頁,2024年2月25日,星期天3.合金工具鋼與合金結(jié)構(gòu)鋼的區(qū)別僅在于碳含量的表示方法,它用1位數(shù)字表示平均含碳量的千分?jǐn)?shù),當(dāng)碳含量≥1.0%時,則不予標(biāo)出。合金元素含量表示方法與合金結(jié)構(gòu)鋼相同,當(dāng)平均含鉻量小于1%時,在鉻含量(以千分?jǐn)?shù)計)前加數(shù)字“0”。第22頁,共65頁,2024年2月25日,星期天4.高速鋼
含碳量均不標(biāo)出,如W18Cr4V鋼的平均含碳量為0.7%~0.8%。5.特殊性能鋼
不銹鋼或耐熱鋼的牌號用兩位或三位阿拉伯?dāng)?shù)字表示含碳量的最佳控制值(以萬分之幾或十萬分之幾計),合金元素含量的表示方法與合金結(jié)構(gòu)鋼相同,當(dāng)材料只規(guī)定含碳量上限時,若含碳量上限≤0.10%,則以其上限值的3/4表示,若含碳量上限>0.1%時,則以其上限值的4/5表示(兩位數(shù),萬分?jǐn)?shù)計)。如:06Cr18Ni9表示含碳量不大于0.08%,平均含鉻量為18%,含鎳量為9%的鉻鎳不銹鋼;12Cr17表示含碳量不大于0.15%,含鉻量為17%的高碳鉻不銹鋼。第23頁,共65頁,2024年2月25日,星期天當(dāng)含碳量規(guī)定上下有限時,則采用平均含碳量表示(兩位數(shù),萬分?jǐn)?shù)計)。如20Cr13其含碳量為0.16~0.25%,平均含碳量為0.20%,含鉻量為13%。當(dāng)不銹鋼中有意加入鈮、鈦、鋯、氮等元素時,雖然含量很低也應(yīng)在牌號中標(biāo)出。如022Cr18Ti為一種含碳量不大于0.03%,最佳控制值為0.022%,含鉻量18%,含鈦量小于1.0%的不銹鋼。當(dāng)含碳量上限≤0.03%,(超低碳),則以三位數(shù)表示含碳量最佳控制值(十萬分?jǐn)?shù)計),如:015Cr19Ni11是一種含碳量上限為0.02%,最佳控制值為0.015%;平均含鉻量為19%,含鎳量為11%的極低碳不銹鋼。第24頁,共65頁,2024年2月25日,星期天特殊專用鋼,為表示鋼的用途,在鋼的牌號前面冠以漢語拼音字母字頭,并不標(biāo)含碳量,合金元素含量的標(biāo)注也和上述有所不同。如:滾動軸承鋼中高鉻軸承鋼的前面標(biāo)“G’,(“滾”字的漢語拼音字母字頭)而不標(biāo)含碳量,如GCr15。而牌號中鉻元素后面的數(shù)字是表示含鉻量的千分?jǐn)?shù),其他元素仍按百分?jǐn)?shù)表示,如GCrl5SiMn表示含鉻量為1.5%,硅、錳含量均小于1.5%的滾動軸承鋼。易切鋼也是在牌號前冠以拼音字母“Y”,如“Y15”,表示含碳量0.15%的易切鋼。6.特殊專用鋼第25頁,共65頁,2024年2月25日,星期天§5-3合金結(jié)構(gòu)鋼一、低合金結(jié)構(gòu)鋼二、合金滲碳鋼三、合金調(diào)質(zhì)鋼四、合金彈簧鋼五、滾動軸承鋼
合金結(jié)構(gòu)鋼——用于各類工程結(jié)構(gòu)件和制造各種機(jī)器零件的鋼。第26頁,共65頁,2024年2月25日,星期天一、低合金結(jié)構(gòu)鋼
在碳素結(jié)構(gòu)鋼的基礎(chǔ)上加入少量合金元素就形成了低合金結(jié)構(gòu)鋼。常加入的合金元素有錳(Mn)、硅(Si)、鈦(Ti)、鈮(Nb)、釩(V)等。低合金結(jié)構(gòu)鋼的含碳量較低,一般為0.10%~0.25%。熱軋退火或正火狀態(tài)下使用,一般不再進(jìn)行熱處理。第27頁,共65頁,2024年2月25日,星期天低合金結(jié)鋼的應(yīng)用
第28頁,共65頁,2024年2月25日,星期天二、合金滲碳鋼
合金滲碳鋼在經(jīng)滲碳+淬火+低溫回火的處理后,具有外硬內(nèi)韌的性能,用來制造既要有優(yōu)良的耐磨性和耐疲勞性、又能承受沖擊載荷作用的零件,含碳量在0.10%~0.25%之間,加入合金元素主要是為了提高鋼的淬透性,并防止鋼因在長時間滲碳而造成晶粒粗大。其典型熱處理工藝為:滲碳+淬火+低溫回火。第29頁,共65頁,2024年2月25日,星期天合金滲碳鋼的應(yīng)用
第30頁,共65頁,2024年2月25日,星期天三、合金調(diào)質(zhì)鋼
含碳量一般為0.25%~0.50%,屬于中碳合金鋼。常加入少量鉻、錳、硅、鎳、硼等合金元素以增加鋼的淬透性,使鐵素體強(qiáng)化并提高韌性。加入少量鉬、釩、鎢、鈦等碳化物形成元素,可阻止奧氏體晶粒長大和提高鋼的回火穩(wěn)定性,以進(jìn)一步改善鋼的性能。熱處理工藝是調(diào)質(zhì)(淬火+高溫回火)。
第31頁,共65頁,2024年2月25日,星期天合金調(diào)制鋼的應(yīng)用
第32頁,共65頁,2024年2月25日,星期天四、合金彈簧鋼
含碳量一般為0.45%~0.70%。可加入的合金元素有錳、硅、鉻、釩和鎢等。彈簧鋼的性能特點(diǎn):(1)高的彈性極限或屈服極限和高的屈強(qiáng)比,以保證彈簧有足夠高的彈性變形能力,并能承受大的載荷。(2)高的疲勞極限,以保證彈簧在長期的振動和交變應(yīng)力作用下不產(chǎn)生疲勞破壞。(3)為了滿足成形的需要和可能承受的沖擊載荷,彈簧鋼應(yīng)具有一定的塑性和韌性。此外,一些在高溫及易蝕條件下工作的彈簧,還應(yīng)具有良好的耐熱性和抗蝕性。
第33頁,共65頁,2024年2月25日,星期天合金彈簧鋼的應(yīng)用
第34頁,共65頁,2024年2月25日,星期天五、滾動軸承鋼
主要用來制造各種滾動軸承的內(nèi)外圈及滾動體(滾珠、滾柱、滾針),也可用來制造各種工具和耐磨零件。滾動軸承鋼必須具有高的硬度和耐磨性、高的彈性極限和接觸疲勞強(qiáng)度、足夠的韌性和一定的耐蝕性。軸承鋼都是高級優(yōu)質(zhì)鋼。滾動軸承鋼的熱處理包括預(yù)先熱處理和最終熱處理。預(yù)先熱處理采用球化退火,最終熱處理為淬火+低溫回火。第35頁,共65頁,2024年2月25日,星期天滾動軸承鋼的應(yīng)用
第36頁,共65頁,2024年2月25日,星期天§5-4合金工具鋼一、合金刃具鋼二、合金模具鋼三、合金量具鋼第37頁,共65頁,2024年2月25日,星期天一、合金刃具鋼
合金刃具鋼主要用來制造車刀、銑刀、鉆頭等各種金屬切削刀具。刃具鋼要求高硬度、耐磨、高熱硬性及足夠的強(qiáng)度和韌性等。第38頁,共65頁,2024年2月25日,星期天1.低合金刃具鋼
低合金刃具鋼是在碳素工具鋼的基礎(chǔ)上加入少量合金元素的鋼。
加入鉻、錳、硅等元素,目的是提高鋼的淬透性,同時還能提高鋼的強(qiáng)度。加入鎢、釩等強(qiáng)碳化物形成元素,目的是為了提高鋼的硬度和耐磨性,并防止加熱時過熱,保持晶粒細(xì)小。
低合金刃具鋼的預(yù)備熱處理是球化退火,最終熱處理為:淬火+低溫回火。第39頁,共65頁,2024年2月25日,星期天低合金刃具鋼的應(yīng)用第40頁,共65頁,2024年2月25日,星期天2.高速鋼
高紅硬性、高耐磨性的高合金工具鋼。鋼中含有較多的碳(0.7%~1.50%)和大量的鎢、鉻、釩、鉬等強(qiáng)碳化物形成元素。
高的含碳量:保證形成足夠量的合金碳化物,并使高速鋼具有高的硬度和耐磨性。
W、Mo:提高鋼紅硬性的主要元素。鉻:提高鋼的淬透性。釩:提高鋼的硬度、耐磨性和紅硬性,并能細(xì)化晶粒。第41頁,共65頁,2024年2月25日,星期天高速合金鋼的應(yīng)用第42頁,共65頁,2024年2月25日,星期天2.熱作模具鋼
熱作模具鋼是用來制造使金屬在高溫下成形的模具,如熱鍛模、熱擠壓模、壓鑄模等。熱作模具鋼要具備較高的強(qiáng)度、韌性、高溫耐磨性及熱穩(wěn)定性,并具有較好的抗熱疲勞性能。熱作模具鋼的最終熱處理是淬火+中溫回火(或高溫回火),以保證其具有足夠的韌性。第43頁,共65頁,2024年2月25日,星期天二、合金模具鋼
用于制作模具的鋼稱為模具鋼。1.冷作模具鋼
冷作模具鋼用于制造使金屬在冷狀態(tài)下變形的模具,如沖裁模、拉絲模、彎曲模、拉深模等。小型沖裁模第44頁,共65頁,2024年2月25日,星期天熱鍛模、壓鑄模和擠壓模
第45頁,共65頁,2024年2月25日,星期天3.塑料模具鋼
我國目前在生產(chǎn)中推廣應(yīng)用十多種新型塑料模具鋼,初步形成了我國塑料模具用鋼體系。塑料模具對材料在強(qiáng)度和韌度上的要求低于冷作模和熱作模,由于注塑零件形狀往往比較復(fù)雜,塑料模具在淬硬后很難加工,有時甚至無法加工。所以應(yīng)選用熱處理變形小的材料。塑料模具的型腔復(fù)雜,切削加工量大,所以應(yīng)具有優(yōu)良的切削加工性能。塑料模具型腔表面質(zhì)量要求很高,材料必需具有良好的拋光性能和刻蝕性。塑料模具使用時型腔中往往要添加各種化學(xué)添加劑,所以模具材料需要有良好的耐腐蝕性能。第46頁,共65頁,2024年2月25日,星期天塑料制品與塑料模具第47頁,共65頁,2024年2月25日,星期天三、合金量具鋼
量具是測量工件尺寸的工具,其工作部分所用鋼材一般要求高硬度、高耐磨性、高的尺寸穩(wěn)定性和足夠的韌性。第48頁,共65頁,2024年2月25日,星期天§5-5特殊性能鋼一、不銹鋼二、耐熱鋼三、耐磨鋼第49頁,共65頁,2024年2月25日,星期天一、不銹鋼
不銹鋼主要是指在空氣、水、鹽的水溶液、酸及其他腐蝕性介質(zhì)中具有高度化學(xué)穩(wěn)定性的鋼。不銹鋼是不銹鋼和耐酸鋼的統(tǒng)稱,能抵抗大氣腐蝕的鋼稱為不銹鋼,而在一些化學(xué)介質(zhì)(如酸類)中能抵抗腐蝕的鋼稱為耐酸鋼。
常用不銹鋼按化學(xué)成分分為鉻不銹鋼、鉻鎳不銹鋼和鉻錳不銹鋼等。按金相組織特點(diǎn)分為馬氏體不銹鋼、鐵素體不銹鋼和奧氏體不銹鋼等。第50頁,共65頁,2024年2月25日,星期天1.奧氏體不銹鋼
含碳量很低(≤0.15%),含鉻量為18%,鎳為9%,這種不銹鋼習(xí)慣上稱為18-8型不銹鋼,屬于鎳鉻不銹鋼。常用的奧氏體不銹鋼有12Cr18Ni9、06Cr18Ni9N等。
第51頁,共65頁,2024年2月25日,星期天2.馬氏體不銹鋼
鋼中含碳量為0.10%~1.20%,淬火后能得到馬氏體,屬于鉻不銹鋼。淬火、回火后使用。馬氏體不銹鋼的耐蝕性、塑性和焊接性都不如奧氏體不銹鋼和鐵素體不銹鋼,但由于它具有較好的力學(xué)性能與一般的耐蝕性相結(jié)合,故應(yīng)用廣泛。馬氏體不銹鋼鍛造后需退火,以降低硬度、改善切削加工性能。在沖壓后也需進(jìn)行退火,以消除硬化、提高塑性,便于進(jìn)一步加工。第52頁,共65頁,2024年2月25日,星期天3.鐵素體不銹鋼
含碳量<0.12%,含鉻量在11.50%~30%之間,屬于鉻不銹鋼。鉻是縮小奧氏體相區(qū)的元素,可使這類鋼獲得單相鐵素體組織??勾髿馀c耐酸能力強(qiáng),具有良好的高溫抗氧化性,特別是抗應(yīng)力腐蝕性較好,但力學(xué)性能不如馬氏體不銹鋼,塑性不及奧氏體不銹鋼。第53頁,共65頁,2024年2月25日,星期天二、耐熱鋼
耐熱鋼——在高溫下具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性和較高強(qiáng)度,能較好適應(yīng)高溫條件的特殊性能鋼。鋼的耐熱性包含高溫抗氧化性和高溫強(qiáng)度兩個指標(biāo)。在高溫下具有抗高溫介質(zhì)腐蝕能力的鋼稱為抗氧化鋼;在高溫下仍具有足夠力學(xué)性能的鋼稱為熱強(qiáng)鋼。耐熱鋼是抗氧化鋼和熱強(qiáng)鋼的總稱。常用的抗氧化鋼有40Cr9Si2、06Cr13Al等。典型的熱強(qiáng)鋼是40Cr14Ni14W2Mo。第54頁,共65頁,2024年2月25日,星期天三、耐磨鋼
耐磨鋼——在巨大壓力和強(qiáng)烈沖擊載荷作用下能發(fā)生硬化的高錳鋼。耐
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