项目九 机械结构及零件用合金钢.docx

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项目九机械结构及零件用合金钢

项目九机械结构及零件用合金钢

【内容简介】

对于碳钢不能满足要求的零件，就要选择合金钢。

本项目主要介绍合金元素对钢性能的影响，合金渗碳钢、调质钢、轴承钢等合金钢化学成分，热处理特点、性能、用途等内容。

【学习目标】

（1）了解合金元素对钢的影响；

（2）掌握合金钢的分类、牌号和用途。

§9.1合金元素在钢中的作用

一、合金元素对钢中基本相的影响

1.与碳亲和力很弱的元素

镍、硅、铝、钴、铜等元素与碳亲和力很弱，在钢中不与碳化合，但能溶入铁素体，称为合金铁素体。

合金元素融入后，引起固溶体晶格畸变，起固溶强化作用。

2.与碳亲和力较强的元素

锰、铬、钼、钨、钒、铌、锆、钛等元素与碳亲和力较强，在钢中形成碳化物，它们在钢中形成的碳化物可分为两类：

●合金渗碳体：

锰、铬、钼、钨等弱和中强碳化物形成元素，一般倾向于形成合金渗碳体，如（Fe,Cr）3C、（Fe,W）3C等。

●特殊碳化物：

钒、铌、锆、钛等强碳化物与碳的亲和力强，首先形成碳化物，当含量多时，也溶于铁素体中。

二、合金元素对Fe—Fe3C相图的影响

合金元素的加入使相图各特性点的位置发生变动，同时钢的显微组织相应发生变化。

1.影响相图临界点（S、E）的位置

所有合金元素均使S、E点左移

S点左移，发生共析反应的C含量降低，E点左移，出现莱氏体的含碳量降低。

2.对相区的影响

扩大γ相区，使A3↓,A4↑：

Ni、Mn、Cu、Co；

缩小γ相区，使A3↑,A4↓：

Cr、Si、W、Mo、V、Ti、Al、B、Nb、Zr

意义：

在室温下可能获得单相奥氏体组织或单相铁素体组织。

单相组织的合金，一般都是不锈钢或耐热钢。

三、合金元素对钢热处理的影响

1.对奥氏体化和其晶粒长大的影响

（1）就合金元素对碳在奥氏体中扩散的影响而言，除镍、钴外，大多数合金元素对奥氏体的形成有一定的阻碍作用。

（2）合金元素对奥氏体晶粒长大的影响

钢中加入碳、磷、锰、硼等元素会促进奥氏体晶粒长大；加入铝、钛、钒、铌等元素会强烈阻止奥氏体晶粒长大；加入钨、钼等元素会中等阻止奥氏体晶粒长大。

2.对C曲线、淬透性和残余奥氏体的影响

（1）非（弱）碳化物形成元素（Si、Ni、Cu、Mn）

不改变形状，整个曲线向右不同程度的移动。

（2）强碳化物形成元素（Ti、V、Mo、W）

位置右移，形状出现两个鼻尖

意义：

C曲线右移，淬火临界冷却速度减小，一方面增大淬透性，另一方面淬火可以采取缓慢冷却介质，减小零件变形与开裂的危险性。

除估外，所有合金元素都不同程度增大钢淬透性。

合金元素提高淬透性的顺序（由强至弱）：

Mo、Mn、W、Cr、Ni、Cu、Si、V、Al

注:

①合金元素需溶入奥氏体中，否则有未溶碳化物存在，反而减小淬透性；

②含较多提高淬透性元素的钢可能在空冷条件下获马氏体（例如：

W18Cr4V）；

③C曲线右移使退火变得困难，因为必须冷得很慢。

含有大量增高淬透性合金元素的钢，过冷奥氏体非常稳定，甚至空冷也能形成马氏体，称这类钢为马氏体钢。

3.对钢回火转变的影响

合金元素能使淬火钢在回火过程中的组织分解和转变速度减慢。

（1）增大回火抗力（回火稳定性）

定义：

淬火钢在回火过程中抵抗软化的能力称为回火抗力。

原因：

合金元素使原子扩散速度减慢，回火过程中马氏体不易分解，碳化物不易析出，析出后也难聚集长大。

相同温度下回火，合金钢比碳钢有更高的强硬度；相同强度下合金钢比碳钢可在更高温度下回火，内应力消除的更充分些，韧性就更好一些。

（2）产生二次硬化

二次硬化：

一般是回火温度升高，硬度下降。

但含较多W、Mo、V、Ti的钢回火时，由于从马氏体中析出特殊碳化物Mo2C、VC、TiC高度弥散分布在马氏体基体上，阻碍位错运动，使硬度反而上升，这种现象称为“二次硬化”。

二次淬火：

某些高合金钢淬火组织中，残余奥氏体较多，且十分稳定，在冷却时转变为马氏体的现象称为二次淬火。

（3）出现回火脆性

碳钢不产生高温回火脆性,合金钢尤含Mn、Cr的合金钢易产生回火脆性。

原因：

Mn、Cr促进杂质元素偏聚。

（4）增大氢脆倾向

当钢液从水蒸汽中或某些工序操作中溶解氢时，氢原子在钢中缺陷处聚集形成氢分子，其体积增大对钢造成很大压力，促使钢的塑性及韧性下降，这种现象称为氢脆。

总结：

合金元素的影响（有益）

●强化铁素体

●形成合金化合物

●阻碍奥氏体晶粒长大

●提高钢的淬透性

●提高淬火钢的回火稳定性

●

§9.2合金钢的分类

为了提高钢的性能，在铁碳合金中特意加入合金元素。

所获得的钢种称为合金钢。

1.按用途可分：

2.按合金元素含量多少分类

●低合金钢（合金元素总量低于5%）

●中合金钢（合金元素总量低于5～10%）

●高合金钢（合金元素总量高于10%）

§9.3常用的合金结构钢的牌号及性能

机械结构用合金钢主要用于制造各种机械零件，其质量等级都属于特殊质量等级，大多须经热处理后才能使用，按其用途及热处理特点可分为渗碳钢、调质钢、弹簧钢、滚动轴承钢、超高强度钢和易切削钢等。

合金钢的编号采用“数字+化学元素+数字”，第一个数字表示碳含量的万分之及几。

化学元素后面的数字表示合金含量的百分数。

当其平均含量在0.8～1.5%之间时指标出元素符号，不表明含量。

含量在≥1.5%、≥2.5%、≥3.5%等时，在元素后相应标出2、3、4等。

如：

16Mn钢。

钢中的钒、钛、硼、钼、稀土金属等合金元素，虽然含量很低，但起重要作用，仍应在钢中标出。

如40CrNiMoA钢。

优质钢牌号后加A、特级优质钢加E。

保证淬透性钢的代号为H，如45H、40CrAH。

一、低合金高强度结构钢

1、应用：

在大气和海洋中工作的大型焊接结构件，如建筑结构、桥梁、车辆、船舶、输油输气管道、压力容器等。

2、特点：

尺寸大、需冷弯及焊接成型、形状复杂、长期处于低温或暴露在一定的环境介质中。

3、性能要求：

●较高的强度和屈强比

●较好的塑性和韧性

●良好的焊接性

●较低的缺口敏感性和冷弯后低的时效敏感性

●较低的韧脆转变温度

4、成分特点：

低碳、含Mn、Ti、V、Nb、RE元素。

（1）C＜0.25%（满足成型、焊接性要求）

（2）Me（＜3%）——微合金化或低合金化

Mn：

固溶强化、增加珠光体量、细化珠光体

V、Ti、Nb：

弥散强化、细化晶粒

Cu、Cr、Ni、Mo：

耐蚀

Cr、Ni：

提高钢的冲击韧度，改善钢的热处理性能，提高强度。

5、典型钢种

Q295、Q345、Q390、Q420、Q460

牌号：

Q+数字（屈服强度）

6、性能特点

与相同碳含量碳钢相比，低合金高强度钢综合性能更佳：

强度更高：

↑较碳钢提高25～50％

塑韧性更好：

δ↑15～23％，ak↑60~80%;

脆性转变温度更低（-30℃）。

二、合金渗碳钢

渗碳钢—用于制造渗碳零件的钢称为渗碳钢，一般为低碳优质碳素钢或低碳合金结构钢。

用作整体受冲击或交变应力，表面受磨损的零件，这些零件要求表面硬、心部韧，如机床、汽车、拖拉机的变速齿轮、活塞销，内燃机的凸轮轴等。

1、成分特点：

成分：

Wc：

0.10—0.25%，

常加元素：

Cr,Ni,Mn,B（↑淬透性，↑强韧性）

微量元素：

V,Ti,W,Mo（阻碍A晶粒长大）

2、典型渗碳钢种

（1）低淬透性——小载荷件

20Cr、20Mn2、20MnV、20CrV

合金总量<2％，D水淬临界大约20～35mm

（2）中淬透性——中等载荷件

20CrMn、20CrMnTi、20MnTiB

合金总量2～5％，D水淬临界大约25～60mm

（3）高淬透性——高载荷、重要耐磨件

20Cr2Ni4A、18Cr2Ni4WA

合金总量5～7.5％，D水淬临界>100mm

3、热处理及使用状态的组织：

（1）热处理工艺：

渗碳+淬火+低温回火

（2）组织：

表面：

高碳回火马氏体+碳化物

心部：

低碳回火马氏体

4、性能（“表硬心韧”）

表面硬——耐磨；

心部韧——抗冲击。

三、合金调质钢与非调质钢

（一）合金调质钢

采用中碳含量加某些合金元素的成分配置，通过调质处理来达到性能要求，因此称为调质钢。

1、应用：

用于制造在重载荷作用下同时又受冲击载荷作用的一些重要零件，要求零件具有高强度、高韧性相结合的良好综合性能。

如：

精密机床主轴、火车发动机曲轴、连杆螺栓、汽车后桥半轴等。

2、成分特点

（1）中碳（Wc：

0.25—0.50%，多数0.4%）

C过低：

淬硬性不够——回火后强度不够

C过高：

韧性不够

（2）加入提高淬透性合金元素：

Cr、Ni、Mn、Si、B；

（3）加入防第二类回火脆性元素：

W、Mo等

（4）细化晶粒、提高回火抗力：

W、Mo、Ti、V

3、常用合金调质钢

低淬透性合金调质钢：

40Cr、40MnB

中淬透性合金调质钢：

35CrMo、38CrSi

高淬透性合金调质钢：

38CrMoAlA、40CrNiMoA 

4、热处理工艺

淬火+高温回火（调质处理）

使用态组织：

回火索氏体

（二）非调质钢

非调质钢是在中碳钢中添加微量合金元素（V、Ti、Nb和N等），钢材加热时，这些元素固溶在奥氏体中，通过控温轧制、控温冷却，在铁素体和珠光体中弥散析出碳、氮化物为强化相，使钢在轧制后不经调质处理即可获得碳素结构钢或合金结构钢经调质处理后所达到的力学性能的钢种。

根据加工方法不同分两类：

1、切削加工用牌号以YF为首，如：

YF35MnV

2、热锻用牌号以F为首，如：

F40MnV

四、合金弹簧钢

1、应用：

用于制造汽车、拖拉机和火车的板弹簧或螺旋弹簧。

2、性能：

具有高的弹性极限以及屈服强度，还具有高的疲劳强度和足够的塑性、韧性。

3、成分特点：

Wc0.45—0.70%，多数0.6%，

合金弹簧钢:

0.45%~0.7%C;

碳素弹簧钢：

0.6~0.9%C

合金元素及作用：

Si、Mn、Cr、V：

↑淬透性，固溶强化

Nb,Mo,W：

防第二类回火脆性

4、常用牌号

65Mn、60Si2Mn以Si、Mn为主要合金元素的弹簧钢，价格便宜，淬透性明显优于碳素弹簧钢，这类钢主要用于汽车、拖拉机上的板簧和螺旋弹簧。

50CrVA含Cr、W、V等元素的弹簧钢，Cr、V复合合金化，不仅大大提高钢的淬透性，而且还提高钢的高温强度、韧性和热处理工艺性能。

这类钢可制作350～400℃温度下承受重载的较大弹簧。

5、加工、热处理与性能

弹簧按加工和热处理可分为两类：

（1）冷成形弹簧

小尺寸弹簧（8~10mm）一般用冷拔弹簧钢丝（片）卷成。

（2）热成形弹簧

用热轧钢丝或钢板制成，然后淬火和中温回火，这种弹簧具有很高的屈服强度和弹性极限，并有一定的塑性和韧性，一般用来制作较大型的弹簧。

五、滚动轴承钢

1、用途（用于制造滚动轴承）：

主要用来制造滚动轴承的滚动体、内外套圈等，属于专用结构钢。

轴承转动时，套圈与滚动体呈点或线接触，接触面上承受极大的压应力和交变载荷，易造成接触疲劳破坏。

2、性能要求：

交变应力——高的接触疲劳强度（1500～5000MPa）

摩擦——高硬度与耐磨性（HRC62～64）

冲击载荷——高的弹性极限和一定的冲击韧度

大气、润滑油介质——耐蚀性

3、成分特点

（1）高碳:

0.95~1.15%C，保证其高硬度