第四章 合金钢及铸铁pptConvertor.docx

1、第四章 合金钢及铸铁pptConvertor第四章 合金钢及铸铁碳素钢的主要缺点：1. 综合机械性能差；2. 热稳定性差；3. 耐腐蚀性差；4. 淬透性差；5. 不能满足某些特殊性能。1钢的淬透性和淬硬性 钢的淬透性是指钢在淬火时获得马氏体的能力。其大小通常用规定条件下淬火获得淬透层的深度（又称有效淬硬深度）的距离作为淬透层深度。 钢的淬硬性是指淬火后马氏体所能达到的最高硬度，淬硬性主要决定于马氏体的碳含量。 2淬透性的应用：（1）淬透性大的工件易淬透，组织和性能均匀一致；（2）淬透性大的工件在淬火时，可选用冷却能力较小的 淬火介质以减小淬火应力。（3）对受力大而复杂的工件，为确保组织性能均匀

2、一致，可选用淬透性大的钢。（4）当要求工件表面硬度高，而心部韧性好时，可选用 低淬透性钢。3 一、合金元素在钢中的作用合金钢为改善钢的组织、性能，在冶炼时特意加入合金元素的钢。 有Mn、Si、Cr、Ni、Mo、W、Ti、B、Al、Nb（铌）、Zr（锆）等。1.强化固溶强化细化晶粒2.稳定组织，细化晶粒3.提高淬透性 4.提高抗氧化和耐蚀能力第一节 合金钢概述4二、合金钢的分类5数字+化学元素+数字 的方法表示。 1. 结构钢的含碳量用两位数字表示。碳质量分数以万分之一为单位的数字。如60Si2Mn;20CrMnTi。 2. 工具钢和特殊性能钢以千分之一为单位的数字（一位数）来表示碳质量分数，用

3、一位数字表示，含碳量大于1%时不标出。 如5CrMnMo;Cr12注：碳质量分数数字之后，为钢中主要合金元素，质量分数由其后面的数字标明，平均质量分数少于1.5%时不标数，平均质量分数为1.5%2.49%、2.5%3.49%时，相应地标以2、3。三、合金钢的编号6合金结构钢用于制造各种机器零件和各类工程结构的钢。 主要包括： 1.合金渗碳钢 2.合金调质钢 3.合金弹簧钢 4.滚动轴承钢。 第二节 合金结构钢7 容器 船舶 车辆桥梁储气罐8 1. 合金渗碳钢 a. 用途 在工作中主要经受强烈的摩擦磨损，同时又承受较大的交变载荷，特别是冲击载荷。 如汽车、拖拉机中的变速齿轮，内燃机上的凸轮轴、活

4、塞销等机器零件。拨叉变速齿轮9 b. 性能要求表面渗碳层硬度高，以保证耐磨性和接触疲劳抗力。 心部具有高的韧性和一定高的强度。 有良好的热处理工艺性能 在高的渗碳温度（900 950 ）下，奥氏体晶粒不易长大，并有良好的淬透性。10 c. 成分特点低碳：Wc:0.10%0.25%。 加入提高淬透性的合金元素： 常加入Cr、Ni、Mn、B等。加入阻碍奥氏体晶粒长大的元素： 主要加入少量合金元素Ti、V、W、Mo等，形成稳定的合金碳化物。 11e. 热处理方法 热处理工艺： 一般是渗碳后直接淬火低温回火。热处理后： 渗碳层硬度为60 HRC62 HRC。 心部硬度为25 HRC48 HRC； 心部

5、冲击韧性一般都高于70 kJ/cm2。 d. 典型钢种及牌号 20Cr、20Mn2、20CrMnTi 、18Cr2Ni4W、20Cr2Ni4A。 122. 合金调质钢 . 用途 用于制造汽车、拖拉机、机床和其它机器上的各种重要零件，如齿轮、轴类件、连杆、螺栓等。齿轮曲轴汽车万向节连杆13. 性能要求 大多承受多种工作载荷，受力复杂，要求高的综合机械性能，还要求有很好的淬透性。. 成分特点 中碳：Wc:0.25%0.50%之间，以0.4%居多； 加入提高淬透性的元素Cr、Mn、Ni、Si等： 除了提高淬透性外，还能提高钢的强度。 提高回火稳定性的元素： Mo、W、V、Al等。14d. 钢种及牌号

6、 40Cr 、35CrMo 、40CrNiMo等。e. 热处理方法预先热处理: 退火或正火。最终热处理: 淬火+高温回火。153. 合金弹簧钢. 用途 合金弹簧钢是一种专用结构钢，主要用于制造各种弹簧和弹性元件。 弹簧拉力弹簧离合器弹簧蝶形弹簧16. 性能要求 高的弹性极限e，尤其是高的屈强比s /b以保证弹簧有足够高的弹性变形能力和较大的承载能力。 高的疲劳强度r，以防止在震动和交变应力作用下产生疲劳断裂。 足够的塑性和韧性，以免受冲击时脆断。此外，弹簧钢还要求有较好的淬透性，不易脱碳和过热，容易绕卷成形等。17. 成分特点中、高碳 Wc:0.50%0.70%。 主加元素Si、Mn 、 Cr

7、 提高淬透性的，回火稳定性和屈强比。 辅加元素W 、Mo 、V 减小脱碳和过热敏感性，进一步提高弹性极限和屈强比。此外，弹簧的冶金质量对疲劳强度有很大的影响，所以弹簧钢均为优质钢或高级优质钢。 屈强比越大，结构零件的可靠性越低，一般碳素钢屈强比为0.6-0.65，低合金结构钢为0.65-0.75，合金结构钢为0.84-0.86。 18. 钢种和牌号 以Si、Mn为主要合金元素的弹簧钢：65Mn和60Si2Mn。价格便宜，淬透性明显优于碳素弹簧钢。主要用于汽车、拖拉机上的板簧和螺旋弹簧。在Si、Mn基础上，加Cr、V、W等元素的弹簧钢：50CrVA。 大大提高钢的淬透性，而且还有较高的高温强度、

8、韧性和热处理工艺性能。可制作在350400 温度下承受重载的较大弹簧。如高速汽油机的气门弹簧。 19. 加工、热处理与性能 弹簧按加工和热处理可分为两类： 热成形弹簧 用热轧钢丝或钢板制成，具有高的屈服强度和弹性极限，并有一定的塑性和韧性，一般用来制作为较大型的弹簧。 冷成形弹簧 小尺寸弹簧一般用冷拉钢丝冷卷成形。204. 滚动轴承钢. 用途 主要用来制造滚动轴承的滚动体（滚珠、滚柱、滚针）、内外套圈等。从化学成分上看它属于工具钢，所以也用于制造精密量具、冷冲模、机床丝杠等耐磨件。滚珠滚珠轴承 21. 性能要求高的接触疲劳强度：轴承元件如滚珠与套圈，运动时为点或线接触，接触处的压应力高达150

9、0 MPa5000 MPa；应力交变易造成接触疲劳破坏，产生麻点或剥落，所以轴承钢疲劳强度应很高。 高的硬度和耐磨性：硬度一般为62HRC64HRC。足够的韧性和淬透性。此外，还要求在大气和润滑介质中有一定的耐蚀能力和良好的尺寸稳定性。22. 成分特点高碳 Wc:0.95%1.10%。铬为主加元素。 提高淬透性和耐磨性，特别是疲劳强度。适宜Wcr: 0.40%1.65%。加入硅、锰、钒等。 Si、Mn进一步提高淬透性。 V提高钢的耐磨性并防止过热。 纯度要求极高。 Ws0.02%；Wp 0.027%。 因此，轴承钢一般采用电炉冶炼和真空去气处理。 23. 钢种和牌号 铬轴承钢最常用的是GCr1

10、5。使用量占轴承钢的绝大部分。 添加Mn、Si、Mo、V的轴承钢 如GCr15SiMn、GCr15SiMnMoV等。. 热处理方法 热处理：球化退火、淬火和低温回火。24第三节 合金工具钢工具钢按用途分为 1.刃具钢 2.模具钢 3.量具钢251.合金刃具钢 主要用于制造各种金属切削刀具，如车刀、铣刀、钻头等。铣刀英制模板刀26a. 性能要求 基本性能要求：高硬度 金属切削刀具的硬度一般都在60 HRC以上高耐磨性高热硬性 热硬性是指钢在高温下保持高硬度的能力（亦称红硬性）足够的塑性和韧性 以防刃具受冲击震动时折断和崩刃。 27 c. 成分特点 （1） 低合金刃具钢最高工作温度不超过300 。

11、 高碳：Wc:0.9%1.1%。 加入Cr、Mn、Si、W、V等合金元素。 Cr、Mn、Si主要是提高钢的淬透性，Si还能提高钢的回火稳定性； W、V能提高硬度和耐磨性，并防止加热时过热，保持细小的晶粒。 28（2） 高速钢 具有很高的热硬性。 高碳：Wc:0.70%1.6%。 加入Cr、W、Mo、V等合金元素： Cr 提高淬透性。 W 、Mo 保证高的热硬性。 V 提高耐磨性，细化晶粒。29d. 钢种及牌号 （1）低合金刃具钢 典型钢种：9SiCr。 加工过程： 球化退火机加工淬火低温回火。 （2）高速钢 W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2钢 齿轮滚刀（W18Cr4V钢）工艺路线： 锻造球

12、化退火粗加工淬火回火精加工表面处理。30 1. 碳素工具钢：热硬性差，随使用温度提高迅速软化。 2. 低合金刃具钢：9SiCr要保持同样的硬度，工作温度不能超过350 。 3. 高速钢：W18Cr4V在600 还保持60 HRC的高硬度。31 2.合金模具钢按用途分：冷作模具钢和热作模具钢两大类。 模具 32（1） 冷作模具钢A.用途 冷模具用于制造各种冷冲模、冷镦模、冷挤压模和拉丝模等，工作温度不超过200 300 。 B. 性能要求 冷模具工作时承受很大的压力、弯曲力、冲击载荷和摩擦。 应具有以下基本性能： 高硬度，一般为58 HRC62 HRC； 高耐磨性； 足够的韧性和疲劳抗力； 热处

13、理变形小。33C. 成分特点 高碳 Wc:1.0% 2.2%。 高铬 为主加合金元素，含量高达12%。 提高钢的耐磨性和淬透性。辅加Mo、W、V等合金元素改善钢的淬透性。 34D. 钢种和牌号 9Mn2V、9SiCr、CrWMn 要求不高的冷模具用低合金刃具钢制造。 Cr12大型冷模具用钢，热处理变形很小，制造重载和形状复杂的模具。 E. 热处理方法 球化退火淬火、回火。35( 2 )热作模具钢A. 用途 用于制造各种热锻模、热压模、热挤压模和压铸模等，工作时型腔表面温度可达600 以上。 B. 性能要求 性能要求： 高的热硬性和高温耐磨性； 高的抗氧化性能； 高的热强性和足够的韧性，尤其是受

14、冲击较大的热锻模钢； 高的热疲劳抗力，以防止龟裂破坏； 由于热模具一般较大，所以还要求热模具钢有高的淬透性和导热性。36 C. 成分特点 中碳 Wc:0.3%0.6%。 主加Cr、Ni、Mn、Si等 提高淬透性和耐热疲劳性能，并增加钢的韧性。 辅加元素Mo、W、V等 提高高温强度和回火稳定性。 37 D.钢种和牌号 5CrMnMo、5CrNiMo、3Cr2W8V等。 E. 热处理方法 预先热处理：锻造后球化退火 最终热处理：淬火高温回火，383.量具用钢A. 用途 用于制造各种量测工具，如卡尺、千分尺、螺旋测微仪、块规、塞规等。 螺纹规游标卡尺千分尺 39 B. 性能要求 主要性能要求: (1

15、) 高硬度（大于56 HRC）和高耐磨性； (2) 高尺寸稳定性 热处理变形要小。 C. 成分特点 (1)高碳 Wc:0.9%1.5%； (2)加入元素Cr、W、Mn等。40 D. 量具用钢 （1）尺寸小、形状简单、精度较低的量具，选用高碳钢制造； （2）复杂的精密量具一般选用低合金刃具钢； （3）精度要求高的量具选用CrMn、CrWMn、GCr15等制造。 E. 热处理方法 锻造后球化退火机加工淬火、回火。41 特殊性能钢是指具有特殊物理化学性能并可在特殊环境下工作的钢，如不锈钢， 耐热钢，耐磨钢等。第四节 特殊性能钢42 1.不锈钢不锈钢与耐酸钢的总称。（1） 用途及性能要求 在石油、化工

16、、原子能、宇航、海洋开发、国防工业和一些尖端科学技术及日常生活中都得到广泛应用，例如化工装置中的各种管道、阀门和泵，热裂设备零件，医疗手术器械，防锈刃具和量具等。性能要求： （1）耐蚀性； （2）高硬度、高强度、高耐磨性； （3）较好的加工性能。43 （2） 成分特点 碳含量 耐蚀性要求愈高，碳含量应愈低。大多数Wc:0.1%0.2%。 主加合金元素铬、镍。 铬含量:Wcr: 12%30%。提高钢的耐蚀性。 镍含量可达8%11%，可提高钢的强度。 加入钼、铜、钛、铌、锰等。 提高钢的耐蚀性。44 铁素体型不锈钢 1Cr17、1Cr17Ti等 耐蚀性比Cr13型钢更好，但强度较低。主要用作耐蚀性

17、要求很高而强度要求不高的构件，例如化工设备、容器和管道等。 奥氏体型不锈钢 Cr18Ni9型 这类钢碳含量很低（约0.1%），强度、硬度低，无磁性， 塑性、韧性和耐蚀性均较Cr13型不锈钢更好。（3）常用不锈钢 马氏体不锈钢 1Cr13、2Cr13、3Cr13、4Cr13等。 有较高的硬度、耐磨性，但耐蚀性很低。45 1Cr18Ni9Ti不锈钢表带不锈钢容器不锈钢船用螺旋桨不锈钢剪刀46 2.耐热钢是指在高温下具有高的热化学稳定性和热强性的特殊钢。（1） 用途及性能要求 用于制造加热炉、锅炉、燃气轮机等高温装置中的零部件。要求在高温下具有良好的抗蠕变和抗断裂的能力，良好的抗氧化能力、必要的韧性

18、以及优良的加工性能。具有较好的抗高温氧化性能和高温强度（热强性）。 燃气轮机47 （2）成分特点 耐热钢中不可缺少的合金元素是Cr、Si或Al，特别是Cr。 它们的加入，提高钢的抗氧化性，Cr还有利于热强性。Mo、W、V、Ti等元素加入钢中，能提高室温和高温强度及抗氧化性。（3）常用钢种 常用钢种有0Cr13Al、1Cr17；1Cr18Ni9Ti、2Cr21Ni12N、2Cr23Ni13、4Cr14Ni14W2Mo 、4Cr9Si2、1Cr11MoV等。 48 3.耐磨钢（1） 用途及性能要求 主要用于运转过程中承受严重磨损和强烈冲击的零件，如车辆履带、挖掘机铲斗、破碎机颚板和铁轨分道叉等。对

19、耐磨钢的主要要求是有很高的耐磨性和韧性。高锰钢是目前最主要的耐磨钢。49 破碎机颚板挖掘机斗齿铁轨分道叉履带50 （2）成分特点 高碳 Wc:1.0%1.3%。 高锰 锰是扩大奥氏体区的元素，它和WMn: 1114%。 一定量的硅 硅可改善钢水的流动性，并起固溶强化的作用。WSi:0.3%0.8%。（3）典型钢种 ZGMn13 高锰钢由于机械加工困难，故基本上是铸态下使用。51 铸铁Wc2.11%、并常含有较多的Si、Mn、S、P等元素的铁碳合金。第五节 铸 铁箱 体可用于制造各种机器零件，如机床的床身、床头箱；发动机的汽缸体、缸套、活塞环、曲轴、凸轮轴；轧机的轧辊及机器的底座等。一、铸铁概述

20、52（1）灰铸铁 碳主要以片状石墨形式出现的铸铁；（2）可锻铸铁 碳主要以团絮状石墨形式出现的铸铁；（3）球墨铸铁 碳主要以球状石墨形式出现的铸铁；（4）蠕墨铸铁 碳主要以蠕虫状石墨形式出现的铸铁。二、铸铁的分类按铸铁中石墨形态的不同分为：53 （一） 灰铸铁1. 性能良好的铸造性能 良好的减震性较低的缺口敏感性良好的切削加工性良好的减摩性良好的抗压性能灰铸铁是价格便宜、应用最广泛的铸铁材料。542. 灰铸铁的牌号 “HT”表示“灰铁”，后面数字表示最低抗拉强度。类 别牌号用 途 举 例铁素体灰铸铁HTl00低载荷和不重要零件，如盖、外罩、手轮、支架等铁索体珠光体灰铸铁HT150承受中等应力的

21、零件，如底座、床身、工作台、阀体、管路附件及一般工作条件要求的零件珠光体灰铸铁HT200承受较大应力和较重要的零件，如汽缸体、齿轮、机座、床身、活塞、齿轮箱、油缸等HT250孕育铸铁HT300床身导轨，车床、冲床等受力较大的床身、机座、主轴箱、卡盘、齿轮等，高压油缸、泵体、阀体、衬套、凸轮，大型发动机的曲轴、汽缸体、汽缸盖等HT35055液压件阀门叶轮发动机飞轮56 较高的强度、塑性和冲击韧性，可部分代替碳钢。比灰铸铁性能优越；适用于薄壁、形状复杂的零件。但生产周期长、工艺复杂，成本较高，已逐步被球墨铸铁所代替。1. 性能特点（二）可锻铸铁由白口铸铁通过退火处理得到的一种高强铸铁。57类 别牌

22、号应用举例黑心可锻铸铁KTH300-06KTH330-08KTH35010KTH37012汽车、拖拉机的后桥外壳、转向机构、弹簧钢板支座等，机床上用的扳手，低压阀门，管接头，铁道扣板和农具等珠光体可锻铸铁KTZ550-04KTZ700-02曲轴，连杆，齿轮，凸轮轴，播臂，活塞环等2. 可锻铸铁的牌号（1）铁素体可锻铸铁以“KT”表示， KT350-10（2）珠光体可锻铸铁以“KTZ”表示， KTZ600-3其后两组数字表示最低抗拉强度和延伸率。 58 （三）球墨铸铁 它是向出炉的铁水中加入球化剂和孕育剂而得到的。1. 性能 球墨铸铁与灰铸铁相比，有高的强度和良好的塑性与韧性。其综合机械性能接近

23、于钢，因其铸造性能好，成本低廉，生产方便，在工业中得到了广泛的应用。 59 2. 球墨铸铁的成分和球化处理 （1）成分要求严格，一般范围是：WC:3.6%3.9%, WSi2.2%2.8%, WS0.07%, WP0.1%。(2) 球化处理:球化剂:稀土镁合金；孕育剂：硅铁和硅钙合金等。60基体类型牌号用途举例铁素体QT400-15QT400-10阀体，汽车、内燃机车零件，机床零件，减谴器壳铁素体+珠光体QT500-7机油泵齿轮，机车、车辆轴瓦珠光体QT700-2QT800-2柴油机曲轴、凸轮轴汽缸体、缸套，活塞环，部分磨床、铣床、车床的主轴等下贝氏体QT900-2汽车的螺旋锥齿轮，拖拉机减速

24、齿轮柴油机凸轮轴3. 球墨铸铁的牌号球墨铸铁牌号用“QT”标明，其后两组数值表示最低抗拉强度极限和延伸率。 QT420-10、QT600-2、QT800-2 61 球墨铸铁管道接口 62 （四） 蠕墨铸铁 蠕墨铸铁是一种新型高强铸铁材料。 蠕墨铸铁以“RuT”表示，其后的数字表示最低抗拉强度。 RuT300、RuT42063 蠕墨铸铁的组织示意图64 （五）特殊性能铸铁（合金铸铁） 在铸铁中加入某些 合金元素，得到一些具有各种特殊性能的合金铸铁。（1） 耐磨铸铁是指不易磨损的铸铁。衬板铧式犁65 （2） 耐热铸铁 耐热铸铁是指可以在高温下使用，其抗氧化或抗生长性能符合使用要求的铸铁。扇形扩散器 排气管 66 （3）耐蚀铸铁 耐蚀铸铁是指能耐化学、电化学腐蚀的铸铁。主要用于化工部件，如阀门、管道、泵、容器等。67 铝合金、铜合金、轴承合金、硬质合金以及钛合金、镁合金等。此外还有耐蚀合金、高温合金、形状记忆合金、超塑性合金、超导材料、非晶态合金等大多也属于非铁金属材料。第六节 有色金属 除了钢铁（黑色）以外其他金属的统称。 68