合金元素在钢中的作用.docx
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合金元素在钢中的作用
第六章合金钢
第七章
合金钢的优点:
高的强度和淬透性
第一节合金元素在钢中的作用
常用合金元素:
非碳化物形成元素——CoNiCuSiAl
碳化物形成元素——ZrNbVTiWMoCrMnFe
强中强弱
一、合金元素对钢中基本相的影响
1、形成合金铁素体
合金元素→溶入A→形成合金铁素体→固溶强化(Cr,Ni较好)
2、形成合金碳化物
弱碳化物形成元素形成合金渗碳体(Fe,Mn)3C
中强碳化物形成元素形成合金碳化物(Cr23C6,Fe3W3C)
强碳化物形成元素形成特殊碳化物(VC,TiC)
熔点、硬度和稳定性:
特殊碳化物>合金碳化物>合金渗碳体>Fe3C
二、合金元素对Fe-FeC相图的影响
合金元素对A相区影响
扩大A相区元素(Mn)——E、S点左下移
缩小A相区元素(Cr)——E、S点左上移
奥氏体钢:
1Cr18Ni9
铁素体钢:
1Cr17
莱氏体钢:
W18Cr4V
三、合金元素对热处理的影响
1、对加热的影响
多数元素减缓A形成,阻碍晶粒长大
2、对冷却的影响
多数元素溶入A后→过冷A稳定性↑→Vc↑→淬透性↑
→Ms点↓→残余A量↑
提高淬透性的意义:
①增加淬硬层深度
②减少工件变形、开裂倾向
3、对回火的影响
①回火稳定性→抗回火软化的能力
②产生二次硬化(析出特殊碳化物,产生弥散强化;A残→M或B下)
第二节低合金钢
一、低合金高强度钢
碳素结构钢:
Q195,Q215,Q235,Q255,Q275
低合金高强度钢:
Q295,Q345,Q390,Q420,Q460
Q235+Me(<3%)→Q345
1、成分:
0.1~0.2%C,合金元素2~3%
主加元素:
Mn——固溶强化
辅加元素:
Ti,Cr,Nb——弥散强化
使用状态:
热轧或正火(F+P),不需最终热处理
2、性能:
较高的σs,良好的塑性韧性,
焊接性,抗蚀性,冷脆转变温度低
3、常用钢号:
Q295(09Mn2),Q345(16Mn)
用途:
工程结构——桥梁,船舶,车辆外壳、支架、压力容器
二、易切削结构钢
牌号:
Y12,Y12Pb,Y30,Y40Mn
性能:
良好的切削加工性(170~240HBS,塑性低)
切削抗力小,刀具不易磨损,加工表面粗糙度低
应用:
成批、大量生产时,制作性能要求不高的紧固件和小型零件
第三节合金钢的分类与牌号
一、合金钢分类
低合金钢——低合金高强度钢、易切削结构钢
合金结构钢——渗碳钢、调质钢、弹簧钢、滚动轴承钢
合金工具钢——合金工具钢、高速钢
特殊性能钢——不锈钢、耐热钢、耐磨钢
二、合金钢牌号
1、合金结构钢——20CrMnTi,60Si2Mn,25Cr2Ni4WA
2、滚动轴承钢——GCr15
3、合金工具钢——9Mn2V,CrWMn
4、高速钢——W18Cr4V,W6Mo5Cr4V2
5、不锈、耐热钢——4Cr13,0Cr18Ni11Ti,00Cr17Ni14Mo2
6、高锰耐磨钢——ZGMn13
学习思路:
用途→工作条件→性能要求→成分特点→热处理特点→典型钢种应用
第四节合金结构钢
一、渗碳钢
1、用途:
受冲击和强烈磨损、摩擦的零件(各类齿轮、凸轮)
2、性能:
表面——高的硬度、耐磨性
心部——强而韧
3、成分:
0.1~0.25%C——低碳钢
主加元素:
Cr,Ni,Mn,B——↑淬透性(心部得M板条)
辅加元素:
W,Mo,V,Ti——细化晶粒(VC,TIC,耐磨性↑),
4、最终热处理:
渗碳+淬火+低温回火
组织:
表层:
高碳回火M+Fe3C或碳化物+残A
心部:
淬透:
低碳回火M
未淬透:
F+P
5、常用钢号:
20,20Cr,20CrMnTi,18Cr2Ni4W
淬透性:
低中高
适用:
机床齿轮汽车变速齿轮飞机齿轮
二、调质钢
1、用途:
受复合应力的重要结构件(齿轮、连杆、机床主轴)
2、性能:
良好的综合机械性能
3、成分:
0.3~0.5%C——中碳钢
主加元素:
Cr,Ni,Mn,Si——↑淬透性,强化基体
辅加元素:
W,Mo,V,Ti——细化晶粒,↑回火稳定性
4、热处理:
预备:
正火——S——改善组织,消除锻造应力,便于切削加工
最终:
调质——回火S——获得良好的综合机械性能
表面要求高硬度,耐磨,↑σ-1,→表面淬火+低温回火(回火M)
5、常用钢号:
45,40Cr,40CrMnMo
三、弹簧钢
1、用途:
弹性元件
2、性能:
高的σe、σb、σ-1,一定的塑韧性
3、成分:
0.45~0.7%C(碳钢0.6~0.9%C)——保证↑σe
主加元素:
Mn,Si,Cr——↑淬透性,强化基体,↑回火稳定性
辅加元素:
Mo,W,V——防脱碳,细化,↑σe,
4、热处理:
热成型弹簧(尺寸大,60Si2Mn):
加热成型→淬火+中温回火→喷丸(回火T)38~50HRc
冷成型弹簧(尺寸小,65Mn):
冷拉钢丝→冷绕成型→去内应力退火(200~300℃)
5、常用钢号:
65,65Mn,小尺寸的沙发弹簧
60Si2Mn大尺寸的汽车板簧
四、滚动轴承钢
1、用途:
滚动轴承元件,冷冲模,量具(滚珠、滚柱、轴承套)
2、性能:
硬、耐磨,↑σ-1,一定的韧性
3、成分:
0.95~1.15%C——硬、耐磨
主加元素:
Cr——↑淬透性,硬,耐磨
4、热处理:
预备:
球化退火——球状P(180~270HBS),改善切削加工性
最终:
淬火+低温回火——回火M+合金碳化物+残A
5、常用钢号:
GCr15
第五节合金工具钢
一、刃具钢
性能:
高硬度、耐磨性,红硬性(热硬性),
足够的强度、韧性
1、合金刃具钢
⑴成分:
0.8~1.5%C——硬、耐磨
Cr,W,Mn,V——↑淬透性、回火稳定性,细化晶粒,
⑵热处理:
预备:
球化退火——改善切削加工性
最终:
淬火+低温回火——回火M+合金碳化物+残A↑HRC、耐磨性
⑶常用钢号:
9SiCr,CrWMn,9Mn2V
用于制作切削用量不大,形状复杂,精度较高的刀具:
丝锥,板牙,拉刀
2、高速钢
红硬性高(600℃),淬透性好——锋钢。
钢号:
W18Cr4V(红硬性↑),W6Mo5Cr4V2(韧性↑)
⑴成分特点:
含碳量0.7~1.2%C(不标)
合金元素W,Mo,Cr,V——产生二次硬化,热硬性↑
⑵锻造与热处理:
铸态:
莱氏体中的共晶碳化物呈鱼骨状
锻造:
使碳化物细化并均匀分布
预备:
球化退火——S+细粒状碳化物(HBS210~250)
最终:
淬火(1280℃)+三次回火(560℃)——回火M+合金碳化物+残A
(63~66HRc)
热处理特点:
预热次数多→防变形开裂
淬火温度高→使合金元素尽可能多地溶入A,保证红硬性
560℃回火→产生二次硬化(弥散强化+二次淬火)
回火次数多→消除残余A,及残余A→M产生的应力
二、模具钢
1、冷作模具钢
性能:
高硬度、耐磨性,足够的强度、韧性
模具钢:
T10,GCr15——尺寸小、形状简单的模具
9SiCr,9Mn2V,CrWMn——形状复杂模具
Cr12,Cr12MoV——大型复杂模具
热处理:
淬火+低温回火
2、热作模具钢
性能:
高温足够的强韧性、耐磨性,良好的抗疲劳性、导热性、淬透性
钢号:
5CrNiMo——中小型热锻模(亚共析钢)
5CrMnMo——中大型热锻模
3Cr2W8V——压铸模(过共析钢)
热处理:
淬火+高温回火(中温回火)——回火S(回火T)
三、量具钢
性能:
高硬度、耐磨性、尺寸稳定性
常用钢号:
T10A,T12A——简单量具
9SiCr,CrWMn,GCr15——高精度量具
提高尺寸稳定性方法:
淬火+冷处理+低温回火→精磨→人工时效120℃,2~3h
(消除残A)(稳定组织、尺寸)
第六节特殊性能钢
一、不锈钢
成分:
0.1~0.2%C——↑耐蚀性
主加元素Cr→↑基体电极电位
形成钝化膜(Cr2O3)
获得单相组织
常用钢种:
①铁素体不锈钢1Cr17——不能热处理强化
②马氏体不锈钢
1Cr13,2Cr13淬火+高温回火(回火S)耐蚀结构件
3Cr13,4Cr13淬火+低温回火(回火M)医疗器械、工具
③奥氏体不锈钢1Cr18Ni9Ti
热处理:
固溶处理(淬火)→单相A
区别于普通淬火:
无相变,淬火后硬度低
强化方式:
加工硬化
应用举例:
耐酸容器,餐具
二、耐热钢
性能:
抗氧化性,热强性
常用钢种:
15CrMo,25Cr2MoVA
1Cr13,1Cr17,1Cr18Ni9Ti
三、高锰耐磨钢
ZGMn13
成分:
0.9~1.4%C,13%Mn
水韧处理:
加热1100℃→水淬→单相A
冲击时:
表面A→M产生硬化
应用:
挖掘机铲斗、坦克履带、铁轨道岔、保险箱、防弹钢板等