模具合金钢Word文档格式.docx

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（3）使钢具有良好的抗腐蚀性和抗氧化性。

缺点：

促进钢的回火脆性。

4、镍的作用

（1）可提高钢的强度而不显著降低其韧性。

（2）可提高钢的低温韧性。

（3）改善钢的加工性和可焊性。

（4）提高钢的抗腐蚀能力。

5、钼的作用

（1）对铁素体有固溶强化作用。

（2）提高钢热强性

（3）抗氢侵蚀的作用。

（4）提高钢的淬透性。

6、钨的作用

（1）提高强度

（2）提高钢的高温强度。

（3）提高钢的抗氢性能。

（4）使钢具有热硬性。

因此，钨是高速工具钢中的主要合金元素。

7、钒的作用

（1）提高钢的热强性。

（2）显著改善焊接性能。

8、钛的作用

（1）改善钢的热强性；

（2）提高钢在高温高压氢气中的稳定性（氢使渗碳体在高温下石墨化）。

因此，钛是高温元件所用的热强钢中的重要合金元素。

9、铌的作用

（1）细化晶粒，降低钢的过热敏感性和回火脆性。

（2）有极好的抗氢性能。

（3）提高钢的热强性

10、硼的作用；

11、铝的作用

（1）用作炼钢时的脱氧定氮剂，细化晶粒，抑制低碳钢的时效，改善钢在低温时的韧性，特别是降低了钢的脆性转变温度；

（2）常把铝加入耐热钢中，提高钢的高温抗氧化性能。

①用铝量过多，将促进钢的石墨化倾向。

②用铝量过多，将降低钢的高温强度和韧性。

12、稀土元素（Xt、RE）：

脱氢、脱硫和消除其它有害杂质；

大幅度提高不锈耐酸钢的耐蚀性。

一、合金元素对钢性能的影响

1.对钢力学性能的影响

（1）强化铁素体

大多数合金元素能溶于铁素体，产生固溶强化。

（2）形成合金碳化物

合金碳化物比渗碳体具有更高的硬度、耐磨性，且熔点高，不易分解。

细小的合金碳化物能大大提高钢的强度和耐磨性，但不增加脆性——称弥散强化。

弥散：

指微小粒子在材料微观组织中的分布。

弥散强化：

在材料中加入硬质颗粒并均匀分布，提高材料强度。

金属的强化方法：

固溶强化、弥散强化、沉淀强化、细化晶粒强化、相变强化等。

（3）细化晶粒

晶粒越小,钢的强度和韧性越好。

2.合金元素对钢的加工性能的影响

（1）对铸造性能的影响

　合金元素一般会降低铸造时金属的流动性，增加偏析倾向，使钢的铸造性能变差。

（2）对锻造性能的影响

在锻造时塑性降低，变形抗力增加，锻造性能明显下降。

（3）对焊接性能的影响

碳、磷、硫等元素会加剧钢的淬硬和冷裂倾向，焊接性能恶化。

　　钛、锆、铌、钒可改善焊接性能。

　　总的说来，合金钢的焊接性不如碳钢。

（4）对热处理工艺性的影响

提高淬透性——合金元素最重要的作用是提高了钢的淬透性。

提高回火稳定性（淬火后回火时抵抗硬度下降的能力）。

淬透性（P28）：

是指钢在淬火时获得淬硬深度的能力，也就是获得马氏体的能力。

●钢淬火时，表面的冷却速度最快，愈到中心冷却速度愈慢，在距表面某一深处的冷却速度小于该钢的临界冷却速度（或称马氏体临界冷却速度——能够得到马氏体的最低冷却速度），则淬火后将有非马氏体组织出现。

●钢的淬透性主要取决于钢的临界冷却速度，在相同条件下，该速度越小，生成越多的马氏体。

而钢的临界冷却速度取决于过冷奥氏体的稳定性。

●固溶于奥氏体中的合金元素（除钴以外），均程度不同地增加过冷奥氏体的稳定性（C曲线右移），使钢的淬透性增加。

简言之：

增加过冷奥氏体的稳定性→→降低马氏体临界冷却速度→→提高钢的淬透性

●影响钢材淬透性的主要因素：

钢材的化学成分、淬火方法（加热方法、加热温度、冷却介质的特性、冷却方式）、零件的形状尺寸等。

（5）对切削加工性能的影响

　　合金钢的强度及韧性一般较高，使切削抗力增加，断屑变难，切削性能一般比碳钢差。

3.合金元素使钢获得特殊性能

（1）提高耐蚀性

在钢表面形成致密稳定的氧化膜，使钢提高耐蚀性。

（2）提高耐热性

耐热性包括高温抗氧化性和高温强度两方面的涵义。

铬、硅、铝等元素形成致密高熔点氧化膜，能增加钢的抗高温氧化能力。

钛、钼等合金元素使钢在高温下不易塑性变形，提高了钢的高温强度，使钢有较高的热强性。

（3）提高热硬性及耐磨性

合金元素提高了钢的回火稳定性。

二合金钢的分类和牌号

（一）合金钢的分类（课本P39）

1按合金元素的含量分类

低合金钢合金元素总量<

5%

中合金钢合金元素总量5%~10%

高合金钢合金元素总量>

10%

2按用途分类

合金结构钢

合金工具钢

特殊性能钢如不锈、耐蚀和耐热钢。

专用钢用于专门用途，如滚珠轴承钢、弹簧钢。

（二）合金钢的牌号

1合金结构钢

例：

60Si2CrA

表示Wc=0.6%、Wsi=2%、Wcr<

1.5%）。

A表示质量等级（含S、P量）

●以两位数字表示碳含量的万分数

　●标出合金元素含量的百分数；

若含量小于1.5%，不标。

2合金工具钢（量具刃具用钢、冷作模具钢、热作模具钢）

9SiCr

表示Wc＝0.9%、Wsi<

1.5%、Wcr<

1.5%的合金工具钢。

●当钢中的Wc＜1%时，用一位数字表示含碳量的千分数；

当钢中的Wc≥1%时，不标含碳量。

●标出合金元素含量的百分数；

3高速工具钢

　不标出含碳量，只标出其他合金元素含量的百分数。

W18Cr4V，

表示Ww=18%、Wcr=4.0%、Wv<

1.5%的高速工具钢。

4不锈钢和耐热钢

表示方法与合金工具钢相同。

3Cr13。

表示平均Wc=0.3%、Wcr=13%的不锈钢。

5滚珠轴承钢

滚珠轴承钢在编号前标以“G”字，其后为铬（Cr）+数字

GCr15SiMn

表示Wcr=1.5%、Wsi<

1.5%、Wmn<

1.5%的滚动轴承钢。

含铬量以千分数标示。

其他元素仍按百分数表示。

（原因：

铬是滚珠轴承钢中最重要的元素）

6合金铸钢

　例：

ZGMn13

表示Wmn=13%（平均含锰量的百分数）的高锰耐磨钢。

小结：

牌号前的数字都是指含碳量；

对结构钢，含碳量以万分数表示，对工具钢，含碳量以千分数表示（大于1%，不标出）；

合金元素的含量都以百分数表示（小于1.5%，不标出）；

滚珠轴承钢的铬Cr例外。

反之，若钢号前的数字是两位，则为结构钢；

一位或没有数字，则为工具钢。

三合金钢的性能及热处理方式

（一）合金结构钢

1低合金结构钢

　　含有少量合金元素，具有较高强度。

用途：

主要用来制造各种强度要求较高的结构件，如船舶、车辆、高压容器、输油输气管道、大型钢结构等。

热处理：

与碳素钢类似。

低合金结构钢中，16Mn最具有代表性。

16Mn是二十世纪三十年代发展起来的世界上第一种低合金高强度钢，是目前我国用量最多，产量最大的一种低合金高强度钢。

（只含锰的钢也可归类于优质碳素结构钢）

2合金渗碳钢

属于表面渗碳硬化的合金结构钢，用以制造渗碳硬化零件。

渗碳钢常用在受冲击和磨损条件下工作的一些机械零件，如汽车、拖拉机上的变速齿轮等。

要求表面硬、耐磨，而零件心部则要求有较高的韧性和强度以承受冲击。

渗碳钢的热处理：

　　渗碳→→淬火（一次淬火或二次淬火）→→低温回火。

20CrMnTi钢齿轮的加工工艺路线：

下料→锻造→正火→加工齿形→滲碳，淬火→低温回火→磨齿。

3合金调质钢

采用调质处理，即淬火+高温回火。

综合力学性能好，用于受力较复杂的重要结构零件。

分类：

按淬透性的高低，分为三类：

①低淬透性调质钢。

典型钢种是40Cr，广泛用于制造一般尺寸的重要零件，如轴、齿轮、连杆螺栓等。

②中淬透性调质钢。

典型钢种为40CrNi，含有较多的合金元素，用于制造截面较大、承受较重载荷的零件，如曲轴、连杆等。

③高淬透性调质钢。

典型钢种为40CrNiMoA，多半为铬镍钢。

铬、镍的适当配合，可大大提高淬透性，并能获得比较优良的综合机械性能。

用于制造大截面、承受重负荷的重要零件，如汽轮机主轴、压力机曲轴、航空发动机曲轴等。

调质钢的热处理：

以40Cr钢制造拖拉机上的连杆、螺栓，其工艺路线为：

下料→锻造→退火→粗机加工→调质→精机加工→装配。

预备热处理采用退火（或正火），其目的是改善锻造组织，消除缺陷，细化晶粒；

调整硬度、便于切削加工；

为淬火做好组织准备。

调质采处理用830℃加热、油淬，得到马氏体组织，然后在525℃回火。

4合金弹簧钢

a）性能要求

　　具有高的弹性极限（即具有高的屈服点或屈强比），高的疲劳极限与足够的塑性和韧性。

b）成分特点

　　含碳量一般为0.45～0.70%。

含碳量过高，塑性和韧性降低，疲劳极限也下降。

含硅及锰、铬、矾和钨等。

加入锰、硅主要是提高淬透性，同时也提高屈强比。

硅、锰元素的不足之处是硅会促使钢材表面在加热时脱碳，锰则使钢易于过热。

因此，重要用途的弹簧钢必须加入铬、矾、钨等。

它们不仅使钢材有更高的淬透性，不易脱碳和过热，而且有更高的高温强度和韧性。

弹簧钢的热处理：

　　根据弹簧钢的生产方式，可分为热成型弹簧和冷成型弹簧两类。

　　①热成形弹簧——加热时成形，然后

淬火+中温回火

具有很高的屈服强度和弹性极限，并有一定的塑性和韧性。

　　②冷成形弹簧——通过冷拔（或冷拉）、冷卷成型，然后

低温回火

※不必进行淬火处理

※低温回火目的是定型处理（消除内应力和稳定尺寸）。

※加热到250～300℃，保温一段时间，从炉内取出空冷。

　弹簧经热处理后，一般进行噴丸处理，使表面强化并在表面产生残余压应力，以提高疲劳强度。

（二）合金工具钢

包括：

量具、刃具用钢和模具钢等。

1低合金工具钢

含碳量一般为0.75～1.50%。

常加入的合金元素有硅、锰、铬、钼、钨、矾等。

热处理工艺：

　锻造→→球化退火（预备热处理）→→淬火+低温回火（最终热处理）

2高速钢

　①含较多的碳，保证淬硬性。

②含较多的钨，提高钢的红硬性。

③铬元素Cr：

提高钢的淬透性；

形成碳化物强化相——相变强化；

Cr在高温下可形成Cr2O3，起到氧化膜的保护作用。

④钒元素V：

V与C的亲和力很强，在高速钢中形成碳化物（VC），它有很高的稳定性和硬度，呈弥散状析出——弥散强化。

高速钢的热处理：

　高速钢淬透性好，在空气中冷却就可得到马氏体组织。

　　●　铸造刀具：

反复的压力热加工（一般选择多次轧制和锻压）

铸造后不能热处理，否则易变形。

●　锻造刀具：

锻造→→球化退火→→高温淬火→→高温回火

（高温使较多的W、V元素溶入奥氏体中，提高刃具红硬性）

分级加热、分级冷却、三次回火

1关于淬火：

淬火前的加热温度及回火温度尽量高些，这样可以使较多的W、V（提高刃具红硬性的元素）溶入奥氏体中。

由于合金元素含量高，高速钢的导热性很差，所以淬火加热时采用分级加热。

淬火冷却采用油中分级淬火法。

2关于回火：

回火一般进行三次，回火温度560℃，每次1∽1.5h。

第一次回火，只对淬火马氏体起回火作用，发生残余奥氏体的转变。

第二次回火，残余奥氏体继续发生新的转变，又产生新的内应力。

第三次回火，残余奥氏体仍保留有3%~4%，与此同时，高硬度的碳化物析出量增多，增强“弥散强化”作用（称“二次硬化”），提高刃具性能。

二次硬化：

一些含有较多量钨、钼、钒、钛等元素的高合金钢，在500～600℃回火时，高硬度的碳化物以高度弥散的颗粒析出，使钢的硬度再次升高。

二次硬化对要求有较高热硬性的工具钢具有重要的意义。

3量具用钢

　量具工作时承受外力很小，主要受磨擦而磨损，

要求量具有高和硬度，耐磨性和尺寸稳定性。

一般都采用含碳量高的钢，通过淬火得到马氏体。

　　最常用的量具用钢为碳素工具钢和低合金工具钢。

　　量具钢在淬火后，尺寸一般会膨胀，常采用长时间的低温时效处理。

球化退火→→淬火+低温回火→→时效处理

用GCr15制作量规，其工艺路线为：

　　锻造→球化退火→机加工→粗磨→淬火+低温回火→精磨→时效→涂油。

4模具钢

（略，属2.7节内容）

（三）特殊性能钢

1不锈钢

（1）金属腐蚀的一般概念

　　腐蚀通常分为两种：

化学腐蚀（化学反应）

电化学腐蚀（电池作用）　　

电化学腐蚀是金属被腐蚀的主要原因。

提高金属的抗电化学腐蚀能力，通常采取以下措施：

①尽量使金属获得均匀的单相组织。

若金属是单相组织，在电解质溶液中难以形成微电池。

（相当于原电池只有只有一个极）

如在钢中加入大于24%的Ni，会使钢在常温下获得单相的奥氏体组织。

②加入合金元素提高金属基体的电极电位。

例如在钢中加入大于13%的铬Cr，则基体（一般是铁素体）的电极电位由-0.56V提高到0.2V，不易失去电子，从而提高金属的抗腐蚀性。

③加入合金元素，在金属表面形成一层致密的氧化膜（钝化膜）。

又称钝化膜，把金属与介质分隔开，防止进一步的腐蚀。

铬是不锈钢合金的主要元素。

钢中加入铬，一是提高金属基体电位，提高钢的耐腐蚀性能。

二是在金属表面形成一层钝化膜，阻止腐蚀过程。

（2）常用不锈钢

　　马氏体不锈钢

铁素体不锈钢

奥氏体不锈钢

a）马氏体不锈钢

　　含碳量为0.1~0.45%，含铬量为12~14%，属于铬不锈钢。

b）铁素体不锈钢

　含碳量低于0.15%,含铬量为12~30%，也属于铬不锈钢。

由于含碳量降低，含铬量相应提高，钢的组织接近单相组织，其耐蚀性优于马氏体不锈钢。

c）奥氏体不锈钢

　　在含Cr18%的钢中加入8~11%的镍Ni，属于镍不锈钢,。

由于镍的加入，扩大了奥氏体区域，得到单相奥氏体组织,因而具有比铬不锈钢更高耐腐蚀性，是目前应用最多的一类不锈钢。

　　防锈性能：

奥氏体不锈钢＞铁素体不锈钢＞马氏体不锈钢

2耐热钢

（1）耐热钢的一般概念

　　耐热性包括高温抗氧化性和高温强度两方面。

高温抗氧化性：

金属在高温下对氧化作用的抗力；

高温强度：

钢在高温下仍能保持原有高强度的能力。

a）高温抗氧化性

　　主要取决于金属表面能形成致密且熔点高的氧化膜，阻止金属的进一步氧化。

加入铬、硅、铝等元素，在表面上形成致密的高熔点的Ｃr2O3、SiO2、Ａl2O3等氧化膜，提高抗氧化性。

b）高温强度

　　金属在高温下，会发生极其缓慢的塑性变形，这种现象叫做“蠕变”。

　　为了提高钢的高温强度，通常采用以下几种措施：

①固溶强化

在钢中加入合金元素，使晶格畸变，提高了原子结合力，增大位错运动的阻力，减缓元素的扩散，能进一步提高热强性。

②弥散强化（析出强化）

在固溶体中沉淀析出稳定的碳化物、金属间化合物，在晶内弥散，阻碍位错滑移，提高塑变抗力，提高热强性。

③强化晶界

高温下材料的晶界强度低于晶内强度。

通过加入钼、锆、钒、硼等晶界吸附元素，使晶界强化，提高钢的热强性。

（2）耐热钢

多用来制作在高温下工作的锅炉、汽轮机、燃气机和内燃机的某些零件或构件。

a）珠光体耐热钢

　　其显微组织为珠光体+铁素体，工作温度为350~550℃。

b）马氏体耐热钢

　　工作温度550~580℃。

c）奥氏体耐热钢

　　奥氏体耐热钢的耐热性能优于珠光体耐热钢和马氏体耐热钢，工作温度600~700℃。

小结：

合金元素的作用只有通过热处理才能充分发挥和表现出来。

由于合金元素能细化晶粒，提高钢的淬透性及耐回火性、产生二次硬化等，使合金钢具有良好的强度及韧性，并能提高合金工具钢的热硬性。