模具合金钢.docx

1、模具合金钢1. 4 合 金 钢本节主要内容：合金钢中加入了哪些元素？这些元素起到什么作用？某些合金钢的特殊性能，如不锈钢，到底是怎么做到“不锈”的？合金钢的牌号。合金钢：在普通碳素钢中添加适量的一种或多种合金元素。合金钢最显著的优点：高的强度和淬透性。高强度、高韧性、耐磨、耐腐蚀、耐低温、耐高温、无磁性等。 常用的合金元素：硅、锰、铬、镍、钼、钨、钒、钛、铌、锆、钴、铝、铜、硼、稀土等。钒、钛、铌、锆、锰、铬、钨、钼等在钢中形成各自的碳化物或固溶体；铝、铜、镍、钴、硅只形成固溶体。 常用合金元素在钢中的作用1、硅的作用: (1) 使钢的韧性和塑性降低。 (2)显著地提高钢的弹性极限、屈服极限和

2、屈强比,这是一般弹簧钢必须的。 (3)耐腐蚀性，是很好的耐酸材料。加热时表面形成一层SiO2薄膜，提高钢的抗氧化性。 （4）使钢的焊接性能恶化。2、锰的作用 （1）提高钢的淬透性。 （2）提高钢的强度和耐磨性。 锰钢的主要缺点：含锰较高时，有较明显的回火脆性现象；使钢的焊接性能变坏锰有促进晶粒长大的作用，因此锰钢对过热较敏感。使钢的耐锈蚀性能降低。 3、铬的作用 （1）提高钢的强度和硬度。 （2）提高淬透性。（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）

3、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

4、高钢的热强性 10、硼的作用 ； （1）提高钢的淬透性。 （2）提高钢的高温强度。 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。 缺点：用铝量过多，将促进钢的石墨化倾向。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

5、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、

6、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

7、（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

8、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%、 Wcr1.5%）。 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（

9、量具刃具用钢、冷作模具钢、热作模具钢）例：9SiCr表示Wc0.9%、Wsi1.5%、Wcr1.5%的合金工具钢。当钢中的Wc1%时，用一位数字表示含碳量的千分数；当钢中的Wc1%时，不标含碳量。标出合金元素含量的百分数；若含量小于1.5%，不标。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。例： W18Cr4V，表示Ww=18%、Wcr=4.0%、Wv1.5%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。例：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）+数字例：GCr15SiMn表示

10、Wcr=1.5%、Wsi1.5%、Wmn1.5%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

11、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。用途：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。例：20CrMnTi钢齿轮的加工工艺路

12、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。用途：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：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。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。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

13、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0.450.70%。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，

14、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。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。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250300，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

15、等。1 低合金工具钢含碳量一般为0.751.50%。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 含较多的碳，保证淬硬性。 含较多的钨，提高钢的红硬性。 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。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

16、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）高速钢的热处理：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11.5h。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

17、“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500600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+低温回火时效处理例：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

18、 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：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。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。加入合金元素，在金属表面形

19、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0.10.45%，含铬量为1214%，属于铬不锈钢。b）铁素体不锈钢含碳量低于0.15%,含铬量为1230%，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811%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

20、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r2O3、SiO2、l2O3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：固溶强化在钢中加

21、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。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。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350550。 b）马氏体耐热钢工作温度550580。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600700。 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。