合金钢应用综述.docx

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合金钢应用综述

合金钢应用综述

合金钢的分类:

金钢的分类方法很多。

例如按合金元素质量分数多少，可分为低合金钢（合金元素总质量分数低于5%）、中合金钢（合金元素总质量分数为5%～10%）和高合金钢（合金元素总质量分数高于10%）。

按所含的主要合金元素，可分为铬钢、铬镍钢、锰钢、硅锰钢等。

按小试样正火或铸造状态的组织，可分为珠光体钢、马氏体钢、铁素体钢、奥氏体钢和莱氏体钢等。

我国常采用按用途来分类，可分为结构钢、工具钢和特殊性能钢三大类。

1.合金结构钢

用作机械零件和各种工程构件并含有一种或数种一定量的合金元素的钢。

这类钢,由于具有合适的淬透性，经适宜的金属热处理后，显微组织为均匀的索氏体、贝氏体或极细的珠光体，因而具有较高的抗拉强度和屈强比（一般在0.85左右），较高的韧性和疲劳强度，和较低的韧性－脆性转变温度，可用于制造截面尺寸较大的机器零件。

（1）合金元素作用

有三个方面：

①增大钢的淬透性。

淬透性是指钢淬火时，从表层起淬成马氏体层的深度，是取得良好综合性能的主要参数。

除Co外，几乎所有合金元素如Mn、Mo、Cr、Ni、Si和C、N、B等都能提高钢的淬透性，其中Mn、Mo、Cr、B的作用最强，其次是Ni、Si、Cu。

而强碳化物形成元素如V、Ti、Nb等，只有溶于奥氏体中时才能增大钢的淬透性。

②影响钢的回火过程。

由于合金元素在回火时能阻碍钢中各种原子的扩散，因而在同样温度下和碳素钢相比，一般均起到延迟马氏体的分解和碳化物的聚集长大作用，从而提高钢的回火稳定性,即提高钢的抗回火软化能力,V、W、Ti、Cr、Mo、Si的作用比较显著，Al、Mn、Ni的作用不明显。

含有较高含量的碳化物形成元素如V、W、Mo等的钢，在500～600℃回火时，析出细小弥散的特殊碳化物质点如V4C3、Mo2C、W2C等,代替部分较粗大的合金渗碳体,使钢的强度不再下降反而升高,即出现二次硬化（见回火）。

Mo对钢的回火脆性有阻止或减弱的作用。

③影响钢的强化和韧化。

Ni以固溶强化方式强化铁素体；Mo、V、Nb等碳化物形成元素,既以弥散硬化方式又以固溶强化方式提高钢的屈服强度；碳的强化作用最显著。

此外，加入这些合金元素，一般都细化奥氏体晶粒，增加晶界的强化作用。

影响钢的韧性因素比较复杂，Ni改善钢的韧性；Mn易使奥氏体晶粒粗化，对回火脆性敏感；降低P、S含量，提高钢的纯净度，对改善钢的韧性有重要作用。

（2）分类

合金结构钢一般分为调质结构钢和表面硬化结构钢。

①调质结构钢这类钢的含碳量一般约为0.25%～0.55%，对于既定截面尺寸的结构件，在调质处理（淬火加回火）时，如果沿截面淬透，则力学性能良好，如果淬不透，显微组织中出现有自由铁素体，则韧性下降。

对具有回火脆性倾向的钢如锰钢、铬钢、镍铬钢等，回火后应快冷。

这类钢的淬火临界直径，随晶粒度和合金元素含量的增加而增大，例如，40Cr和35SiMn钢约为30～40mm，而40CrNiMo和30CrNi2MoV钢则约为60～100mm，常用于制造承受较大载荷的轴、连杆等结构件。

②表面硬化结构钢用以制造表层坚硬耐磨而心部柔韧的零部件,如齿轮、轴等。

为使零件心部韧性高,钢中含碳量应低，一般在0.12～0.25%，同时还有适量的合金元素，以保证适宜的淬透性。

氮化钢还需加入易形成氮化物的合金元素（如Al、Cr、Mo等）。

渗碳或碳氮共渗钢，经850～950℃渗碳或碳氮共渗后，淬火并在低温回火（约200℃）状态下使用。

氮化钢经氮化处理（480～580℃），直接使用，不再经淬火与回火处理。

（4）生产工艺

根据钢种和钢的质量要求，合金结构钢的冶炼，可采用氧气顶吹转炉、平炉、电弧炉；或再加电渣重熔、真空除气。

铸锭可采用连铸或模铸。

钢锭应缓慢冷却或热送锻造、轧制。

钢锭加热时，应力求温度均匀并有足够的保温时间，以改善偏析缺陷和避免锻、轧时变形不均匀；锻、轧后的钢材，尺寸小的、特别是含碳0.2%左右的渗碳钢,在600℃以上时应快速冷却,以免加重带状组织；截面较大的锻件，应采取措施消除内应力和白点。

调质钢应尽可能淬火成马氏体组织，然后回火成索氏体组织；渗碳钢在渗碳过程中，渗层浓度梯度不宜过大,以免在渗层晶界上出现连续网状碳化物;氮化钢必需先经热处理得到所需的性能，再经最后精加工才能进行氮化。

氮化处理后除将脆薄的“白层”研磨除去外，不再加工。

可分为普通合金结构钢和特殊用途合金结构钢。

前者包括低合金高强度钢、低温用钢、超高强度钢、渗碳钢、调质钢和非调质钢；后者包括弹簧钢、滚珠轴承钢、易切削钢、冷冲压钢等。

要求具有较高的屈服强度、抗拉强度和疲劳强度，还有足够的塑性和韧性。

一般采用电弧炉和氧气顶吹转炉冶炼，要求高的采用炉外精炼、电渣重熔或真空处理、真空感应炉冶炼或双真空冶炼、合适的热处理。

这类钢的合金元素含量都相当高，主要有耐蚀钢、耐热钢、耐磨钢、磁钢以及具有其他特殊物理和化学性能的特殊钢。

合金结构钢广泛用于船舶、车辆、飞机、导弹、兵器、铁路、桥梁、压力容器、机床等结构上。

合金结构钢比碳素钢有更好的力学性能，特别是热处理性能优良。

其牌号通常是以“数字+元素符号+数字”的方法来表示。

牌号中起首的两位数字表示钢的平均含碳量的万分数，元素符号及其后的数字表示所含合金元素及其平均含量的百分数。

若合金元素含量小于1.5%，则不标其含量。

高级优质钢在牌号尾部增加符号“A”例如，16Mn、20Cr、40Mn2、30CrMnSi、38CrMoAlA等。

下面就滚珠轴承钢做分析:

滚珠轴承钢是指用于制造各种环境中工作的各类滚动轴承圈和滚动体的钢。

这类钢虽化学成分不复杂（含碳1%左右，含铬最高1.65%），但由于滚珠轴承是在高速度的转动和滑动的条件下工作，相互间产生极大的摩擦，因此要求具有高而均匀的硬度和耐磨性。

这样，对钢的内部组织和化学成分的均匀性，所含非金属夹杂物和碳化物的数量与分布以及钢的脱碳程度等，比其他一般工业用钢都有更高的要求。

轴承钢分为高碳铬轴承钢、无铬轴承钢、渗碳轴承钢、不锈轴承钢及中、高温轴承钢五大类。

滚珠轴承钢包括GCr6、GCr9、GCrl5、GCrl5SiMn等是过共析珠光体类钢，其轧制特点为：

1）钢锭可以热装炉也可以冷装炉，但由于其导热性较差容易产生组织应力和热应力，加热速度不宜过快，以免产生裂纹，形成鸟巢裂口。

2）由于这类钢在浇注后的冷却过程中产生碳和铬的偏析，钢锭中心部分的碳化物以莱氏体共晶体存在,一般称为碳化物液析。

因此钢锭在11501200'C温度下要进行较长时间的髙温扩散退火，以消除或降低碳化物液析级别。

3）钢锭的加热温度过髙，超过122CTC时，产生内部过烧缺陷。

所以这类钢的加热极限温度是1220€。

4）钢坯比钢锭的加热温度低一些，一般在1050110（TC之间，在高温带加热时间尽量短，主要是为了防止脱碳和过热。

5）这类钢高温下塑性较好，变形抗力较低，可以采用较大的压下量轧制。

终轧温度应严格控制在800850'C之间，以利于破碎网状碳化物。

当终轧温舆>90（TC时，应该用水把钢材快速冷却至60065（TC（以防止网状碳化物继续析出）然后再进行缓冷。

终乳温度低于80CTC时，钢材易形成带状碳化物组织，并且容易因塑性降低而产生裂纹。

6）轧后的大断面钢坯（边长大于150mm）及少50mm以上的型钢应进行缓冷，小规格钢材可以在空气中堆冷。

缓冷的目的是消除白点缺陷，缓冷速度为2（TC/h，冷至10CTC终了。

7）钢材出厂前的热处理是球化退火，目的在于改善冷加工和切削加工性能，并为轴承零件热处理做好组织准备。

8）为了防止产生网状碳化物，热轧轴承钢管生产需要在均整之后由85（TC快冷（509（TC/min）至650°C或增加正火工序。

2.合金工具钢

合金工具钢是在碳素工具钢基础上加入铬、钼、钨、钒等合金元素以提高淬透性、韧性、耐磨性和耐热性的一类钢种。

它主要用于制造量具、刃具、耐冲击工具和冷、热模具及一些特殊用途的工具。

合金工具钢广泛用作刃具、冷、热变形模具和量具，也可用于制作柴油机燃料泵的活塞、阀门、阀座以及燃料阀喷嘴等。

合金工具钢的淬硬性、淬透性、耐磨性和韧性均比碳素工具钢高，按用途大致可分为刃具、模具和量具用钢3类。

其中碳含量高的钢（碳质量分数大于0080%）多用于制造刃具、量具和冷作模具，这类钢淬火后的硬度在HRC60以上，且具有足够的耐磨性；碳含量中等的钢（碳质量分数0.35%~0.70%）多用于制造热作模具，这类钢淬火后的硬度稍低，为HRC50~55,但韧性良好。

下面就合金刃具钢做分析:

合金刃具钢主要用于制造切削刀具，如车刀、铣刀、钻头、丝锥、板牙等。

刃具在工作时.受到复杂的切削力作用.刃部与切屑间产生强烈的摩擦，使刀刃磨损并发热。

切削量越大，切削速度越高，则单位时间产生的热量越多，刃部温度也就越高，有时可达500-600℃。

刃部温度的高低是影响刀具性能和使用寿命的重要因素。

例如车刀在工作时主要受压应力和弯曲应力，并受很大的摩擦力，还承受一定的冲击力与震动。

常见的失效形式是刃口变钝，不正常的破坏形式为折断、崩刃和塑性变形等。

在这种情况下.使用碳素工具钢已不能满足刃具在工作中对使用性能的要求，因此必须选用合金刃具钢。

合金刃具钢应具有下列性能。

（1）耐磨性:

高的硬度与耐磨性:

只有刃部的硬度大大高于被加工材料硬度时，才能顺利进行切削。

一般刃具的硬度都在HRC60以上。

刃具钢的硬度主要取决于马氏体的碳含量，因此刃具钢的碳含量都较高，达到0.75%--1.45%C,耐磨性是反映材料抵抗磨损的能力。

当磨损量超过所规定的尺寸范围时，刃部就丧失了切削能力，刀具便不能继续使用。

耐磨性的高低，直接影响着刀具的使用寿命。

耐磨性与刀具材料的硬度、碳化物之间有密切的关系。

一般认为合金刃具钢硬度愈高，其耐磨性愈好，随着硬度降低.其耐磨性变差，如硬度由HRC62--63降至HRC60时，其耐磨性减弱25%-30%;刃具钢，在淬火加低温回火状态下，硬度基本相同,则碳化物硬度、数量、颗粒大小及分布情况对耐磨性有很大影响。

事实证明，一定数量的硬而细小的碳化物均匀地分布在马氏体基体上，可获得良好的耐磨性。

（2）硬度:

高的红硬性:

红硬性是指刀具刃部在高温下保持高硬度（≥HRC60）的能力。

刃具钢的红硬性高低与回火稳定性及碳化物弥散沉淀有关。

若在刃具钢中加人钨、钒、铌等元素，既能增加回火稳定性.又能形成沉淀型碳化物，则将显著提高刃具钢的红硬性。

如含有这些元素的高速钢，其红硬性可达600℃左右，即刃部温度达到600℃左右时，硬度仍保持在HRC60以上。

3.特殊性能钢

特殊性能钢具有特殊物理或化学性能，用来制造除要求具有一定的机械性能外，还要求具有特殊性能的零件。

其种类很多，机械制造中主要使用不锈耐酸钢、耐热钢、耐磨钢。

不锈耐酸钢包括不锈钢与耐酸钢。

能抵抗大气腐蚀的钢称为不锈钢。

而在一些化学介质（如酸类等）中能抵抗腐蚀的钢称为耐酸钢。

通常也将这两类钢统称为不锈钢。

一般不锈钢不一定耐酸，而耐酸钢则一般都具有良好的耐蚀性能。

不锈钢的钢号前的数字表示平均含碳量的千分之几，合金元素仍以百分数表示。

当含碳量≤0.03%及≤0.08%者，在钢号前分别冠以“00”或“0”，例如不锈钢3Cr13的平均含碳量为0.3%、铬≈13%；0Cr13钢的平均含碳量≤0.08%、铬≈13%；00Cr18Ni10钢的平均含碳量≤0.03%、铬≈18%、镍≈10%

分类

马氏体不锈钢

常用马氏体不锈钢含碳量为0.1--0.45%,含铬量为12--14%，属铬不锈钢。

随着钢中含碳量的增加，钢的强度、硬度、耐磨性提高，但耐蚀性则下降。

为了提高耐蚀性及机械性能，这类钢最后热处理是淬火和回火。

它在空气中可淬硬，但一般仍用油冷。

这类钢多用于机械性能要求较高，而耐蚀性要求较低的零件。

如汽轮机叶片、各种泵的零件、弹簧、滚动轴承及一些医疗器械。

铁素体不锈钢

常用含碳量低于0.15%,含铬量为12--30%,也属于铬不锈钢。

其塑性、焊接性均较马氏体钢好。

这类钢广泛用于硝酸、氮肥、磷酸等化学工业中。

奥氏体不锈钢

这是应用最广泛的不锈钢，属镍铬钢。

抗氧化钢

一般钢铁在较高温度下（560℃以上）表面容易氧化，主要是由于在高温下生成松脆多孔的FeO，它较易剥落，最终导致零件破坏。

实际应用的抗氧化钢，大多数是在铬钢、铬镍钢、铬锰氮钢基础上添加硅、铝制成的。

和不锈钢一样，含碳量增多，会降低钢的抗氧化性。

故一般抗氧化钢为低碳钢。

热强钢

金属在高温下的强度有两个特点：

一是温度升高，金属原子间结合力减弱、强度下降；二是在再结晶温度以上，即使金属受的应力不超过该温度下的弹性极限，它也会缓慢地发生塑性变形，且变形量随时间的增长而增大，最后导致金属破坏。

这种现象称为蠕变。

产生的原因是：

在高温下金属原子扩散能力增大，使那些在低温下起强化作用的因素逐渐减弱或消失。

热强钢采用的合金元素，如铬、镍、钼、钨、硅等，除具有提高高温强度的作用外，还可提高高温抗氧化性。

分类

A．珠光体钢：

这类钢在350--600℃范围使用。

B．马氏体钢：

这类钢在低于620℃范围内使用。

C．奥氏体钢：

这类钢一般在600--700℃范围内使用。

耐磨钢

耐磨钢是指在强烈冲击载荷作用下才能发生硬化的高锰钢。

它只有在强烈冲击与摩擦的作用下，才具有耐磨性，在一般机器工作条件下，它并不耐磨。

主要用于制造坦克、拖拉机的履带，挖掘机铲斗的斗齿以及防弹钢板、保险箱钢板、铁路道岔等。

由于高锰钢极易加工硬化，使切削加工困难，故大多数高锰钢零件是采用铸造成型的。

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