10讲工业用钢

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1、1,（六）滚动轴承钢1、 滚动轴承钢：是用于制造滚动轴承的滚动体和轴承套的专用钢种。2、分类：高碳铬轴承钢、渗碳轴承钢、不锈轴承钢和高温轴承钢四类。这里只介绍高碳铬轴承钢,高碳铬轴承钢属于高碳钢，也可用于制造精密量具、冷冲模和机床丝杠等耐磨零件。,2,3、性能要求 轴承工作时，滚动体和轴承套之间为点或线接触，接触应力高达30003500MPa，且承受周期性交变载荷引起的接触疲劳，频率达每分钟数万次，同时还承受摩擦。因此，要求轴承钢：（1）具有高而均的硬度(6165HRC)和耐磨性；（2）具有高的接触疲劳强度和弹性极限；（3）具有足够的韧性、淬透性和耐蚀性。4、成分特点（1）高碳：含碳量一般为0

2、95110，以保证高的硬度和耐磨性；（2）合金元素：主加元素是Cr，其主要作用是提高淬透性，铬还会进入渗碳体形成合金渗碳体，提高耐磨性。此外，铬还有提高耐蚀性的作用。当铬含量高于165时，会因残余奥氏体量增加而使钢的硬度和稳定性下降。钢中加入Si、Mn、Mo会进一步提高淬透性和强度，加入V则是为了细化晶粒。,3,高碳铬轴承钢的牌号、成分及退火硬度(GBT18254-2002),4,5、热处理特点热处理主要为球化退火、淬火和低温回火。（1）球化退火作为预备热处理，其主要目的是降低硬度，便于切削加工，并为淬火做组织准备。（2）最终热处理是加热到840，在油中淬火，并在淬火后立即进行低温回火(160

3、180 )，回火后的硬度大于61HRC。使用状态下的组织为回火马氏体加颗粒状碳化物及少量残余奥氏体。为了减少残余奥氏体量，稳定尺寸，可在淬火后进行冷处理(-60-80 )，并在磨削加工后进行低温(120左右)时效处理。6、典型钢种 高碳铬轴承钢应用最广的是GCr15钢，大量用于制造大中型轴承，此外，还常用来制造冷冲模、量具、丝锥等。制造大型轴承也可用GCr15SiMn。,5,（七） 耐磨钢 耐磨钢主要是指在冲击载荷作用下发生冲击硬化的高锰钢。高锰钢共包括5种牌号，其化学成分和力学性能示于表所示。 高锰钢的化学成分和力学性能（GB/T56801998）,6,1、用途和性能要求 高锰钢主要用于既承

4、受严重磨损又承受强烈冲击的零件，如拖拉机、坦克的履带板、破碎机的颚板、挖掘机的铲齿和铁路的道岔等。因此，高的耐磨性和韧性是对高锰钢的主要性能要求。2、成分特点（1）高碳：含碳量为075145，以保证高的耐磨性；（2）高锰：含锰量为1114，以保证形成单相奥氏体组织，获得良好的韧性。,7,3热处理及使用性能特点 高锰钢的铸态组织为奥氏体加碳化物，性能硬而脆。为此，需对其进行“水韧处理”。（1）水韧处理即把钢加热到1100，使碳化物完全溶入奥氏体，并进行水淬。（2）水韧处理的组织：获得均匀的过饱和单相奥氏体。（3）水韧处理的机械性能：强度、硬度并不高(180HB200HB)，但塑性、韧性却很好。（

5、4）使用时性能特点：使用时伴随着强烈的冲击或强大的压力，表面奥氏体迅速加工硬化，同时形成马氏体并析出碳化物，使表面硬度提高到500HB550HB，获得高耐磨性，而心部仍为奥氏体组织，具有高耐冲击能力。当表面磨损后，新露出的表面又可在冲击或压力作用下获得新的硬化层。 高锰钢水冷后不应当再受热，因加热到250以上时有碳化物析出，会使脆性增加。这种钢由于具有很高的加工硬化能力，很难切削加工，但采用硬质合金、含钴高速钢等切削工具，并采取适当的刀角及切削条件，还是可以加工的。,8,第四节 工具钢用于制造刃具、模具、量具等工具的钢称为工具钢。一、刃具钢 1、刃具钢 主要指制造车刀、铣刀、钻头等切削刀具的钢

6、种。2、刀具的任务就是将钢材或坯料通过切割，加工成为工件。3、工作条件：刀具受到工件的压应力和弯曲应力，刃部与切屑之间发生相对摩擦，产生热量，使温度升高；切削速度愈大，温度愈高，有时可达500600。4、性能要求 （1）高硬度 刀具硬度必须大于被切削材料的硬度，才能顺利地进行切削。切削金属材料所用刃具的硬度，一般都大于60HRC。,刃 具,锉 刀,9,（2）高耐磨性 耐磨性不仅取决于硬度，还与钢中的硬质相（碳化物）的数量、颗粒大小、分布情况有关。（3）高的热硬性（红硬性） 是指钢在高温下保持高硬度的能力。要求高的热硬性是为了防止刀具在高速切削时因摩擦升温而软化。在刃具钢中加入W、V、Nb(铌)

7、等，将显著提高钢的热硬性，如高速钢的热硬性可达600左右。（4）具有一定的强度、韧性和塑性 以免刃部受冲击震动载发生崩刃或脆断。,10,（一）碳素工具钢 1、碳素工具钢：碳的含量为0.651.35%。2、分类：根据有害杂质硫、磷含量的不同又分为优质碳素工具钢(简称为碳素工具钢)和高级优质碳素工具钢两类。T8钢表示平均碳的质量分数为0.8%的优质碳素工具钢。T10A钢表示平均碳的质量分数为1.0%的高级优质碳素工具钢。碳素工具钢一般以退火状态供应，使用时再进行适当的热处理。各种碳素工具钢淬火后的硬度相近，但随着碳含量的增加，未溶渗碳体增多，钢的耐磨性增加，而韧性降低。3、用途：T7、T8钢适于制

8、造承受一定冲击而要求韧性较高的工具，如大锤、冲头、凿子、木工工具、剪刀等。T9、T10、T11钢用于制造冲击较小而要求高硬度和较高耐磨性的工具，如丝锥、板牙、小钻头、冷冲模、手工锯条等。T12、T13钢的硬度和耐磨性很高，但韧性较差，用于制造不受冲击的工具，如锉刀、刮刀、剃刀、量具等。,11,丝锥,12,（二）低合金刃具钢 是在碳素工具钢的基础上加入少量合金元素（3%5%）。常用低合金刃具、量具钢化学成分、热处理及用途举例,13,在低合金工具钢中常加入的合金元素有Cr、Si、Mn、Mo、V等，为避免碳化物的不均匀性，其总量一般不超过4%。例9SiCr钢是一种常用的合金刃具钢，也经常作为冷冲模具

9、钢使用。9SiCr钢相当于在T9钢的基础上加入1.21.6%的硅和0.951.25%铬。由于硅和铬的加入，使钢的临界点有所升高。,硅属于非碳化物形成元素，在加热时能溶于奥氏体，显著提高过冷奥氏体的稳定性； 铬属于碳化物形成元素，由于9SiCr中的铬含量较小，因而只能形成合金渗碳体（FeCr）3C，在正常退火或淬火加热时它能部分的溶入奥氏体，使过冷奥氏体稳定性增加 。,14,（三）高速钢 （俗称锋钢 、白钢）1、高速钢 是一种高合金工具钢。含有W、Mo、Cr、V等合金元素，其总量超过10%。高速钢的主要特性是具有良好的热硬性，当切削温度高达600左右时硬度仍无明显下降，能以比低合金工具钢更高的切

10、削速度进行切削加工。2、高速钢的品种有几十种之多，它们具有不同的性能、适用于制造各种用途和不同类型的高速切削刀具。,15,常用的几种高速钢的化学成分、热处理、硬度、热硬性及用途,16,3、高速钢主 要 化 学 成 分（1）碳 一方面要保证能与钨、铬、钒形成足够数量的碳化物，另一方面又要有一定的碳溶于高温奥氏体，获得过饱和的马氏体，以保证高硬度、高耐磨性以及高的热硬性。W18Cr4V钢的碳含量为0.700.80%，若含碳量过低，则不能保证形成足够数量的合金碳化物，在高温奥氏体和马氏体中的含碳量均减少，以致降低钢的硬度、耐磨性以及热硬性；若含碳量过高，则碳化物数量增加，同时碳化物不均匀性也增加，致

11、使钢的塑性降低，脆性增加，工艺性变坏。（2）钨 是保证热硬性的主要元素，它与钢中的碳形成钨的碳化物。在退火状态下，钨以Fe4W2C的形式存在。在淬火加热时，一部分Fe4W2C溶入奥氏体，淬火后存在于马氐体中，提高钢的回火稳定性，同时在560左右回火时一部分钨以W2C形式弥散沉淀析出，形成二次硬化。在淬火加热时未溶的Fe4W2C能阻止高温下奥氏体晶粒长大。所以钨含量的增加，可提高钢的热硬性，并减小其过热敏感性，但W超过20%时，钢中的碳化物呈不均匀性增加，使钢的强度及塑性降低；若钨含量减少，则碳化物总量减少，钢的硬度、耐磨性及热硬性将降低。,17,（3）铬 主要是增加高速钢的耐磨性和淬透性。铬含

12、量低时，水淬和油淬才能得到马氏体；而铬含量大于4时，空冷即可得到马氏体，故高速钢又有“风钢”之称。若铬含量大于4时，使Ms点下降，淬火后残留奥氏体量增加，并使残留奥氏体稳定性增强，致使钢的回火次数增多，工艺操作复杂。因此，一般高速钢的铬含量均为4。(4)钒 能显著提高钢的热硬性、硬度、耐磨性，并且还能细化晶粒，使钢对过热敏感性降低。同时，钒在回火时，也能产生“二次硬化”的作用。但钒含量增加将使钢的磨削性能大大下降，因此，钒含量一般在1一4范围内。,18,4 、铸态高速钢的组织 高速钢是莱氏体钢，由鱼骨状莱氏体与树枝状的马氏体和托氏体组成,使钢变脆。这种粗大的合金碳化物不能用热处理的方法来消除，

13、必须用锻造的方法使碳化物破碎，并使其均匀分布。碳化物分布的均匀程度影响着高速钢的力学性能和加工性能。所以锻造对于高速钢来说是十分重要的。,W18Cr4V铸态组织 420 ,高速钢锻造后组织中大致有70一80的珠光体和20一30的合金碳化合物,19,5、高速钢加工工艺下料-锻造- 球化退火-机加工- 淬火+三次570回火 -磨削加工。（1）退火 高速钢的预备热处理是球化退火，其目的是降低硬度，便于切削加工，并为淬火作组织准备。退火后组织为索氏体加细颗粒状碳化物。,W18Cr4V球化退火组织 420 ,20,(2)淬火 高速钢的导热性较差，故淬火加热时应在600650和800850 预热二次，以防

14、止变形与开裂。高速钢的淬火温度高达1280 ，以使更多的合金元素溶入奥氏体中，达到淬火后获得高合金元素含量马氏体的目的。淬火温度不宜过高，否则易引起晶粒粗大。淬火冷却多采用盐浴分级淬火或油冷，以减小变形和开裂倾向。淬火后的组织为隐针马氏体加颗粒状碳化物和较多的残余奥氏体(约30)。硬度为61HRC63HRC。,W18Cr4V淬火组织 300 ,21,(3)回火 高速钢淬火后通常在550570 进行三次回火，其主要目的是减少残余奥氏体量，稳定组织，并产生二次硬化。在回火过程中，随温度升高，大量细小弥散的钨、钼、钒碳化物从马氏体中析出，使钢的硬度不仅不降，反而明显提高，同时由于残余奥氏体中的碳和合

15、金元素含量下降及所受马氏体的压力降低，Ms点上升，在回火冷却时转变为马氏体，使硬度提高，产生二次硬化。W18Cr4V钢的硬度与回火温度关系如图所示。,22,W18Cr4V淬火+一次回火组织105 ,W18Cr4V淬火+ 三次回火组织 420 ,图为W18Cr4V钢热处理工艺示意图,采用多次回火是为了逐步减少残余奥氏体量，同时每次回火加热都使前一次回火冷却时产生的淬火马氏体回火。经淬火和三次回火后，高速钢的组织为回火马氏体、细颗粒状碳化物加少量残余奥氏体(3)，如图所示。,23,二、模具钢 模具钢分为冷作模具钢和热作模具钢。（一）冷作模具钢主要用于制造各种冷成型模具，如冷冲模、冷挤压模、冷镦模和

16、拔丝模等，工作温度一般不超过200300 1、性能要求材料在冷态变形抗力较大，因而冷模具在工作时承受很大的载荷及冲击、摩擦作用，磨损、变形和断裂是其失效的主要形式。为此，要求冷作模具钢具有以下性能：（1）高硬度(58HRC62HRC)和高耐磨性；（2）足够的强度和韧性。（3）良好的工艺性能，如淬透性、切削加工性等。,24,2、冷作模具钢的类型（1）碳素工具钢和低合金工具钢 用于制造小尺寸、形状简单、受力不大的模具，如T8A、9Mn2V、9SiCr、CrWMn等。（2）耐冲击工具用钢 用于制造冶金、机械工业中剪切钢板或型材用的冷剪刀片和热剪刀片，如4CrW2Si、5CrW2Si等。合金元素Cr、W、Si的作用是提高淬透性、耐磨性和耐回火性。,