机械制造基础 第6章 合金钢课件

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1、工程材料机械制造基础,第6章 合金钢,第6章 合金钢( Alloyed Steel ),合金元素在钢中的作用 合金钢的分类与编号 合金结构钢 合金工具钢 特殊性能钢,第一节 合金元素在钢中的作用,一.合金元素对钢的组织和性能的影响,合金元素与铁和碳的作用。,合金元素对Fe-Fe3C相图的影响。,合金元素对钢的热处理的影响。,一)合金元素与铁和碳的作用,1.溶于基体中形成合金 F 或合金 A 。 非碳化物形成元素：Ni、Si、Al、Co 弱碳化物形成元素：Mn,2.与碳作用形成合金碳化物(Fe,Cr)3C。 中碳化物形成元素：Cr、Mo、W,3.单独形成特殊碳化物 TiC、VC 。 强碳化物形成

2、元素：V、Ni、Ti,1.溶于基体中形成合金F或合金A,2.与碳作用形成合金渗碳体,Fe、Mn、Cr、Mo、W、V、Ti、Nb、Zr,弱碳化物元素: Fe、Mn。,中强碳化物元素: Cr、Mo、W。,强碳化物元素: V、Ti、Nb、Zr。,3.单独形成特殊碳化物,熔点、硬度、耐磨性最高。,稳定性最高。,TiC、NbC、VC。,二)合金元素对Fe-Fe3C相图的影响,扩大奥氏体区 缩小奥氏体区 改变共晶点和共析点的参数,1.扩大奥氏体区的合金元素,Mn、Ni、Co等元素。,作用: 使A3线温度下降, A4线温度上升。,2.缩小奥氏体区的合金元素,Cr、Mo、W、V、Ti、Si 等元素。,作用:

3、使A3线温度上升, A4线温度下降。,3.改变共晶点E和 S点参数的元素,几乎所有的合金元素。,作用: 使S点和E点的成分向左移。,合金元素对 S 点成分的影响,三)合金元素对钢的热处理的影响,加热时对奥氏体形成的影响 对过冷奥氏体转变的影响 对回火转变的影响,1.合金元素对加热时 奥氏体形成的影响,除Mn 元素外,所有合金元素的加 入,均使奥氏体的形成速度减慢。,强碳化物形成元素能强烈的阻止奥 氏体晶粒长大( Ti、V、Zr、Nb 等)。,非碳化物形成元素能轻微的阻止奥 氏体晶粒长大( Si、Ni、Cu、Co 等)。,2.合金元素对 过冷奥氏体转变的影响,除 Co 元素外, 所有的合金元素均

4、使 钢的 TTT 曲线向右移。,除 Co、Al 元素外, 所有的合金元素 都使马氏体转变温度下降。 Mn最显著,提高钢的淬透性, 常用的元素有: Cr、Mn、Mo、Si、Ni、B等。,3.合金元素对回火转变的影响,回火抗力的增加,二次硬化的产生,产生回火脆性,W、Mo、V 等碳化物在550时,使钢达到最高硬度, 产生二次硬化。,Cr-Ni 钢的回火脆性示意图,防止第二类回火脆性的产生的方法:,在500600 快速冷却。,加入合金元素W、Mo。,第二节 合金钢的分类与编号,一、合金钢的分类 1 .按合金元素的质量分数 （1）低合金钢：WMe 5% （2）中合金钢：5% WMe 10% （3）高合

5、金钢： WMe 10% 2.按主要用途 （1）结构钢： （2）工具钢 （3）特殊性能钢,二、合金钢的牌号,1合金结构钢 碳含量用万分数（两位），合金含量用（百分数）表示，WMe 1.5%不标， WMe 1.5%、2.5%、3.5%时标出2、3、4。如：20Cr3MoWVA,其中C%=0.2%, Cr%=3%, Mo,W,V1.5%. A：表示高级优质 2合金工具钢，特殊性能钢 C% 1.0%时，不标注其含量。 C% 1.0%时，用千分数（一位），如：5CrMnMo，C=0.5% 特殊性能钢中当 C% 0.03%或C% 0.08%时，分别用“00”或“0”表示含碳量。 如：00Cr17Ni14M

6、o2钢,0Cr19Ni9钢,第三节 合金结构钢 ( Alloy Constructional Steel ),普通低合金钢 合金渗碳钢 合金调质钢 弹簧钢 滚动轴承钢,一.低合金结构钢( Low alloyed constructional steel ),1.成分特点与合金化原则 : 碳素结构钢 + 合金元素（ WMe 3%） 低C:0.2% Me以Mn为主、Mn和Si固溶强化， 加入V,Nb,Ti 等元素A晶粒长大和细化碳化物而沉淀强化（第二相强化） 加入Cu抗大气腐蚀,2 .性能特点：高强度:s300MPa高韧性良好焊接性能和冷成形性能 3 .热处理特点： 一般供应状态(热轧空冷 )下直

7、接使用,不热处理，焊接结构可进行一次正火,改善焊区性能。使用态组织 ：P细F,典型钢号及其应用,18MnMoNb钢，强度高，用于石化中温高压容器。,压力容器,南京长江大桥,16Mn综合性能好， 用于船舶、桥梁、车辆等大 型钢结构。,15MnVN，强度 高， 用于大型桥梁,锅炉,船舶,焊接结构, 中等压力的容器。,二. 合金渗碳钢(alloy case-hardened steel ),1.成分特点与合金化原则 : 低C: 0.1%0.25% 加入提高淬透性元素Cr,Ni,Mn,B 加入Mo,W,V,Nb,Ti等阻碍A晶粒长大和形成提高耐磨性,2 .性能特点 渗碳层硬度高,耐磨,抗接触疲劳,且有

8、适当塑性,韧性。 心部高韧性和足够强度。 良好的热处理工艺性能。 3 .热处理特点 ： 一般渗碳前:正火，改善切削加工性能。 渗碳后进行: 淬火低温回火 组织：表层：MA 心部：淬透，低C的M F(少量) 未淬透，T F(少量),4.典型合金渗碳钢种介绍,低淬透性合金渗碳钢 钢含合金元素总量3 % 15Cr、20Cr、20Mn2。用 于受力小的耐磨件，如柴 油机的活塞销、凸轮轴等。,中淬透性合金渗碳钢 钢含合金元素总量在4 %左 右。20 CrMn、20CrMnTi、 20Mn2TiB。用于中等载荷 的耐磨件，如变速箱齿轮。,柴油机凸轮轴,活塞销( 20Cr ),4.典型合金渗碳钢种介绍,高淬

9、透性合金渗碳钢 钢含合金元素总量在 4 % 6 %。18Cr2Ni4WA、 20Cr2Ni4A等。用于大载荷 的耐磨件，如柴油机曲轴。,柴油机曲轴,20 CrMnTi 钢制造齿轮的 热处理工艺曲线,三. 合金调质钢 (alloy hardened tempered steel ),1.成分特点与合金化原则 ： 中C：0.25%0.50%以0.4左右为主加入提高淬透性元素Cr,Ni,Mn,Si,B加入Mo,W消除回火脆性 加入强形成元素提高回火稳定性和细化晶粒 Ni,Si,Mn可强化,2.性能特点 :既强又韧 高水平综合机械性能, 能满足多种和较复杂的工作条件 3.热处理特点: 预备热处理：完全

10、退火； 最终热处理：一般:油淬+高温回火（调质）；组织：回火S. 有较高耐磨性要求表面淬火; 专门化学热处理(如氮化) (38CrMoAl氮化钢),4.典型合金调质钢种介绍,低淬透性调质钢,钢含合金元素总量3 %。,40Cr、40MnB等。 常用于制造中等截面的零件。,中淬透性调质钢,钢含合金元素总量在4 %左右。,38 CrSi、35 CrMo 等。,常用于制造截面尺寸较大零件，齿轮、轴、螺栓等零件。,5.典型合金调质钢种介绍,高淬透性调质钢,钢含合金元素总量在4 % 10 %。,制造大截面重载荷零件，如 曲轴等用高淬透性的零件等 。 38 Cr Mo Al A、40 Cr Mn Mo、 2

11、5 Cr2 Ni4 W A等。,40Cr钢制造连杆螺栓的 热处理工艺曲线,四. 合金弹簧钢 (alloy spring steel ),1.成分特点与合金化原则 : 中高C:0.45%0.70% 加入Si,Mn为主要元素:提高淬透性，强化F, 提高屈强比 加入Cr,W,V也提高淬透性和回火稳定性。W、Mo防止第二类回火脆性。 加入V细化晶粒, 耐冲击,高温强度好,2 .性能特点 ： 高e 和s ,高屈强比 高疲劳抗力 足够塑韧性,能承受震动,冲击 有较好淬透性,不易脱C ,易绕卷成形 3.热处理特点 ： 热成形法制弹簧：热轧钢丝钢板加热卷弯曲成型淬火+中温回火喷丸 冷成形法制弹簧：钢丝冷卷弯曲

12、成型去应力喷丸 （8mm）,4.合金弹簧钢的牌号,以Si,Mn合金化:65Mn, 60Si2Mn用于汽车,拖拉机,机车的板簧和螺旋弹簧,五.滚动轴承钢 ( bearing steel ),1.性能要求:,高的硬度强度和耐磨性; 高的接触疲劳强度和弹 性极限; 足够的韧性和耐蚀性;,五.滚动轴承钢 ( bearing steel ),2.化学成分特点:,高C:0.95%1.10% Cr为基本元素: 提高淬透性;细化;提高耐磨性和接触 疲劳抗力;阻碍A晶粒长大；提高回火稳 定性和抗蚀性。 加入Si,Mn提高淬透性;加入V耐磨性, 防止过热 纯度要求极高 GCr15中含C%1.5%,五.滚动轴承钢

13、( bearing steel ),3.热处理特点:,球化退火+ 淬火+ 低温回火,极细回火马氏体+细粒状碳化物+少量残余奥氏体,4.滚动轴承钢的牌号,G Cr9 Si Mn,5.铬轴承钢制造轴承的工艺路线,锻造 球化退火 机加工 淬火 + 冷处理 ( 60 80;1h 减少 A) 低温回火 磨削加工 稳定 化处理 ( 120 130；5 10h消除 内应力 ),第四节 合金工具钢 ( Alloy tool steel ),合金刃具钢 ( alloy cutting steel ) 合金模具钢 ( alloy die steel ) 合金量具钢( alloy measuring steel )

14、,量 具,刃 具,一.合金刃具钢( alloy cutting steel ),种类 : 低合金刃具钢 ; 高速钢。 牌号 :,1.低合金刃具钢,（1）性能要求:,高硬度、高耐磨性、有一 定的红硬性、强度和韧性, 工作温度不超过300。,（2）化学成分特点:,*高碳（0.75% 1.5%) *加入Cr、Mn、Si、 W、V 等合金元素。,（3）热处理特点:,9 SiCr 钢板牙热处理工艺曲线,板牙,（4）典型钢号及其应用 Si-Cr系:9SiCr如,板牙,丝锥,冷冲模, 木工工具,低速切削刃具 Cr系:Cr06如, 铰刀,插刀,剃刀,刀片,刮刀,锉刀等. Cr-W-Mn系:CrWMn 如拉刀,

15、冲模,样板,量规 W和Cr-W系:W2,CrW小麻花钻,低速切削刃具,2.高速钢 ( high speed steel ),(1) 性能要求:,高硬度、高耐磨性、高的红 硬性(600时,HRC63以上) 、有一定的强度和韧性。,高速钢 - 锋钢、风钢 ; 18 4 1 钢,(2) 化学成分特点:,高碳 0.71.5%:,钨 18%:,钼 5%:,铬 4%:,钒1.5%:,保证高硬度,退火状态下形成M6C碳化物, 在560左右回火时, 弥散析 出W2C, 造成二次硬化, 提高 钢的红硬性。,1%Mo的作用等同于2%W。,形成Cr23C6碳化物;提高钢的 淬透性。,形成VC, 硬度极高, 提高钢的

16、 硬度和耐磨性, 产生二次硬化。,(3) W18Cr4V钢的生产工艺及 热处理特点,铸造 锻造 退火 机加工 淬火+三次570回火 磨削加工,铸造:高速钢属于莱氏体钢,铸态组织 中含有大量呈鱼骨状分布的粗 大共晶碳化物M6C,钢的韧性大 幅下降。,W18Cr4V钢的热处理过程示意图,淬火 : 1280; 淬火后的组织:M+Cm+A残(2025%),三次570回火,在570回火时 , 产生二次硬化。,三次570回火,*淬火后A残约2025 %。,*第一次回火后A残约剩1518 %。,*第二次回火后A残约剩35 %。,*第三次回火后A残约剩12 %。,回火后的组织: M回 + Cm + A残 ( 1 2 % ),组织硬度为HRC65以上。,三.合金模具钢( alloy die steel ),热作模钢:工作温度为600以上。,冷作模钢:工作温度为200300。,一) 热作模钢 ( hot di