第八單元低合金鋼和合金鋼

Q

235

—

A

·

F沸騰鋼A等級235MPa屈服強(qiáng)度

45

Wc=0.45%T

12

A高級優(yōu)質(zhì)Wc=1.2%碳素工具鋼ZG

200-400Rm≥400MPaRel

≥200MPa鑄鋼碳鋼在性能上的不足

淬透性低

一般情況下，碳鋼水淬的最大淬透直徑只有10mm-20mm。強(qiáng)度較低

如普通碳鋼Q235鋼的Rel為235MPa，而低合金結(jié)構(gòu)鋼16Mn的ReL則為360MPa以上。40鋼的Rel/Rm僅為0.43,而合金鋼35CrNi3Mo的Rel/Rm

高達(dá)0.74。

碳鋼在性能上的不足

回火穩(wěn)定性差碳鋼在進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理時(shí)，為了保證較高的強(qiáng)度需采用較低的回火溫度，這樣鋼的韌性就偏低；為了保證較好的韌性，采用高的回火溫度時(shí)強(qiáng)度又偏低，所以碳鋼的綜合機(jī)械性能水平不高。不能滿足特殊性能的要求碳鋼在抗氧化、耐蝕、耐熱、耐低溫、耐磨損以及特殊電磁性等方面往往較差，不能滿足特殊使用性能的需求。

碳鋼不能完全滿足科學(xué)技術(shù)和工業(yè)的發(fā)展要求。為了提高鋼的性能，在鐵碳合金中特意加入合金元素所獲得的鋼種，稱為合金鋼。合金鋼有較好的性能，但也有不少缺點(diǎn)。最主要的是由于含有合金元素，其生產(chǎn)和加工工藝比碳鋼差，也比較復(fù)雜，價(jià)格也較昂貴。因此，在應(yīng)用碳鋼能夠滿足要求時(shí)，一般不使用合金鋼。模塊一概述

為了提高鋼的性能，在冶煉時(shí)特意加入一些合金元素（主要是過渡族元素）所得到的鋼稱為合金鋼。合金元素的作用：提高強(qiáng)度，塑韌性；提高淬透性提高高溫強(qiáng)度、熱硬性提高抗氧化、耐腐蝕、耐熱、耐磨、電磁等特殊性能碳鋼的缺點(diǎn)：1.基本相(F、Fe3C)性能不夠好；2.淬透性低；3.工具鋼使用溫度不能超過200℃；4.沒有特殊性能，如耐腐蝕、抗氧化、高耐磨……。模塊一概述鋼中常用的合金元素Ni、Co、Si、Al、N、Mn、Cr、Mo、W、V、Ti、Nb、Zr、Re。結(jié)合中國國情，樹立具有中國特色的合金化思想。合金元素的存在形式合金元素在鋼中可以兩種形式存在：一是溶解于碳鋼原有的相中，二是形成某些碳鋼中所沒有的新相，在高合金鋼中還可能形成金屬間化合物。

按合金元素含量多少，分為

低合金鋼（合金元素總量低于5%）

中合金鋼（合金元素總量為5%-10%）

高合金鋼（合金元素總量高于10%）

按用途分類

合金結(jié)構(gòu)鋼

合金工具鋼

特殊性能鋼

按所含的主要合金元素，分為

鉻鋼（Cr-Fe-C)

鉻鎳鋼（Cr-Ni-Fe-C)

錳鋼（Mn-Fe-C)

硅錳鋼（Si-Mn-Fe-C)按小試樣正火或鑄態(tài)組織，分為

珠光體鋼

馬氏體鋼

鐵素體鋼

奧氏體鋼

合金鋼的性能比碳鋼優(yōu)良，原因是加入合金元素后，鋼的基本組元鐵和碳與加入的合金元素會發(fā)生交互作用，鋼的合金化目的就是希望利用合金元素與改善鋼的組織和性能。

模塊二合金元素在鋼中的作用

合金元素與鐵、碳的作用

合金元素對Fe-Fe3C相圖的影響。

合金元素對鋼的熱處理的影響。一、合金元素與鐵的作用幾乎所有的合金元素（除Pb外）都可溶入鐵中,形成合金鐵素體或合金奧氏體；合金元素可溶于鐵素體中，由于與鐵的晶格類型和原子半徑不同而造成晶格畸變；另外合金元素易分布于位錯線附近，對位錯線的移動起牽制作用，降低位錯的易動性，從而提高塑變抗力，產(chǎn)生固溶強(qiáng)化效果。1.溶于基體中形成合金F或合金A1.溶于基體中形成合金F或合金A二、合金元素與碳的作用在一般的合金化理論中，按與碳親合力的大小，可將合金元素分為碳化物形成元素與非碳化物形成元素兩大類。

非碳化物形成元素：Ni、Co、Cu、Si、Al、N、B；

碳化物形成元素：Mn、Cr、Mo、W、V、Nb、Zr、Ti。

凡是在化學(xué)元素周期表中排在鐵（第26號）右側(cè)的合金元素，它們與碳的結(jié)合力小于鐵，都是非碳化物形成元素，它們是Ni、Co、Cu、Si、Al、N、B等。由于不能形成碳化物，除了在極少數(shù)高合金鋼中可形成金屬間化合物外，這些元素幾乎都溶解在鐵素體、奧氏體或馬氏體中。凡是在化學(xué)元素周期表中排在鐵左側(cè)的合金元素，它們與碳的結(jié)合力大于鐵，都是碳化物形成元素，與碳結(jié)合形成合金滲碳體或碳化物。而且離鐵越遠(yuǎn)，越易形成比Fe3C更穩(wěn)定的碳化物。按它們與碳結(jié)合的能力，由由強(qiáng)到弱為：Ti、Zr、Nb、V、W、Mo、Cr、Mn、Fe。Fe、Mn、Cr、Mo、W、V、Nb、Zr、Ti弱強(qiáng)

弱碳化物元素:Fe、Mn。

中強(qiáng)碳化物元素:Cr、Mo、W。

強(qiáng)碳化物元素:V、Ti、Nb、Zr。碳化物的影響

碳化物是鋼中的重要相之一，碳化物的類型、數(shù)量、大小、形狀及分布對鋼的性能有很重要的影響。

熔點(diǎn)、硬度、耐磨性最高。細(xì)化晶粒。提高耐熱性．

TiC、NbC、VC。圓、小、勻三、合金元素對Fe-Fe3C相圖的影響擴(kuò)大奧氏體區(qū)縮小奧氏體區(qū)改變Ｅ和共析點(diǎn)Ｓ的參數(shù)1.合金元素對A、F相區(qū)的影響加入合金元素，可使α與γ存在范圍發(fā)生變化。按照對α或γ的作用，可將合金元素分為兩大類。

（1）擴(kuò)大奧氏體區(qū)的合金元素?cái)U(kuò)大奧氏體區(qū)域的元素有鎳、錳、碳、氮等，這些元素使A1和A3溫度降低，使S點(diǎn)、E點(diǎn)向左下方移動，從而使奧氏體區(qū)域擴(kuò)大。其中與γ－Fe無限互溶的元素鎳或錳的含量較多時(shí)，可使鋼在室溫下以奧氏體單相存在而成為一種奧氏體鋼。如Ni%>9%的不銹鋼和Mn%>13%的ZGMn13耐磨鋼均屬奧氏體鋼。Mn元素對奧氏體區(qū)的影響縮小奧氏體區(qū)的元素有鉻、鉬、硅、鎢等，使A1和A3溫度升高，使S點(diǎn)、E點(diǎn)向左上方移動，從而使奧氏體區(qū)域縮小。由于A1和A3溫度升高了，這類鋼的淬火溫度也相應(yīng)地提高了。當(dāng)加入的元素超過一定含量后，則奧氏體可能完全消失，此時(shí)，鋼在包括室溫在內(nèi)的廣大溫度范圍內(nèi)獲得單相鐵素體，通常稱之為鐵素體鋼。如含17%～28%Cr的Cr17、Cr25、Cr28不銹鋼就是鐵素體不銹鋼。（2）縮小奧氏體區(qū)的元素Cr元素對奧氏體區(qū)的影響2.改變Ｅ和共析點(diǎn)參數(shù)的元素?cái)U(kuò)大奧氏體相區(qū)的元素使Fe-Fe3C相圖中的共析轉(zhuǎn)變溫度(A1)下降，縮小奧氏體相區(qū)的元素則使其上升。合金元素對S點(diǎn)的影響對Fe-Fe3C相圖臨界點(diǎn)(S和E點(diǎn))的影響由于共析溫度降低或升高，直接地影響熱處理加熱的溫度，所以錳鋼、鎳鋼的淬火溫度低于非合金鋼，在熱處理加熱時(shí)容易出現(xiàn)過熱現(xiàn)象；而含有縮小奧氏體相區(qū)元素的鋼，其淬火溫度就相應(yīng)地提高了。由于S點(diǎn)的左移，使共析成分降低，與同樣含碳量的亞共析鋼相比，組織中的珠光體數(shù)量增加，而使鋼得到強(qiáng)化。由于E點(diǎn)的左移，又會使發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變的含碳量降低，在C%較低時(shí)，使鋼具有萊氏體組織。如在高速鋼中，雖然含碳量只有0.7%~0.8%,但是由于E點(diǎn)的左移,在鑄態(tài)下會得到萊氏體組織,成為萊氏體鋼。三、合金元素對熱處理的影響熱處理有三個(gè)過程：加熱、保溫和冷卻；合金元素對熱處理的影響就是對上述三個(gè)過程的影響；

1．合金元素對加熱轉(zhuǎn)變的影響

對奧氏體形成速度的影響

1.大多數(shù)合金元素會遲緩?qiáng)W氏體化過程，而Co、Ni等部分非碳化物使奧氏體的形成速度加快。

2、Al、Si、Mn等對奧氏體形成速度影響不大。

對奧氏體晶粒大小的影響

1.強(qiáng)碳化物形成元素Mo、W、V、Ti等抑制奧氏體晶粒長大；其中以鈦的作用最強(qiáng)。

2.非碳化物形成元素Si、Co、Ni等阻止奧氏體晶粒長大的作用減弱。

3.Mn、P具有促進(jìn)奧氏體晶粒長大的傾向。2．合金元素對過冷奧氏體分解轉(zhuǎn)變的影響

除Co外,幾乎所有合金元素都增大過冷奧氏體的穩(wěn)定性,推遲珠光體類型組織的轉(zhuǎn)變,使C曲線右移,即提高鋼的淬透性。常用提高淬透性的元素有：Mo、Mn、Cr、Ni、Si、B等。進(jìn)入下一節(jié)必須指出,加入的合金元素,只有完全溶于奧氏體時(shí),才能提高淬透性。如果未完全溶解,則碳化物會成為珠光體的核心,反而降低鋼的淬透性。另外,兩種或多種合金元素的同時(shí)加入(如,鉻錳鋼、鉻鎳鋼等),比單個(gè)元素對淬透性的影響要強(qiáng)得多。除Co、Al外,多數(shù)合金元素都使Ms和Mf點(diǎn)下降。其作用大小的次序是：Mn、Cr、Ni、Mo、W、Si。其中Mn的作用最強(qiáng),Si實(shí)際上無影響。Ms和Mf點(diǎn)的下降,使淬火后鋼中殘余奧氏體量增多。殘余奧氏體量過多時(shí),可進(jìn)行冷處理(冷至Mf點(diǎn)以下),以使其轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體;或進(jìn)行多次回火,這時(shí)殘余奧氏體因析出合金碳化物會使Ms、Mf點(diǎn)上升,并在冷卻過程中轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體或貝氏體(即發(fā)生所謂二次淬火)。3.合金元素對回火轉(zhuǎn)變的影響

提高鋼的回火穩(wěn)定性

1.合金元素在回火過程中推遲了馬氏體的分解和殘余奧氏體的轉(zhuǎn)變，提高了鐵素體的再結(jié)晶溫度，使碳化物難以聚集長大而保持較大的彌散度，從而提高了鋼對回火軟化的抗力，即提高了鋼的回火穩(wěn)定性。

2.Si可提高鋼的低溫回火穩(wěn)定性，使相同回火溫度下的合金鋼的硬度高于碳鋼。由于合金鋼的回火穩(wěn)定性比非合金鋼高，在相同的回火溫度下，合金鋼的強(qiáng)度、硬度高于非合金鋼。若要求得到同樣的回火硬度時(shí)，則合金鋼的回火溫度就比同樣碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的非合金鋼高，回火的時(shí)間也長，內(nèi)應(yīng)力消除得好，鋼的塑性和韌度指標(biāo)就高。產(chǎn)生二次硬化

一些Mo、W、V含量較高的高合金鋼回火時(shí),硬度不是隨回火溫度升高而單調(diào)降低,而是到某一溫度(約400℃)后反而開始增大,并在另一更高溫度(一般為550℃左右)達(dá)到峰值。二次硬化現(xiàn)象與回火析出物的性質(zhì)有關(guān)。當(dāng)回火溫度低于450℃時(shí),鋼中析出滲碳體;在450℃以上滲碳體溶解,鋼中開始沉淀出彌散穩(wěn)定的難熔碳化物Mo2C、W2C、VC等,使硬度重新升高,稱為沉淀硬化。回火時(shí)冷卻過程中殘余奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體的二次淬火所也可導(dǎo)致二次硬化。合金元素對第二類回火脆性的影響

Mn、Ni、Cr都會促進(jìn)第二類回火脆性。細(xì)化A晶粒Ti、V、Nb、Zr、Al提高淬透性除Co以外，如Mn、Cr、W、Mo提高回火抗力Cr、W、Mo、V固溶強(qiáng)化Si、Mn、Cr、Mo、W第二相強(qiáng)化Mn、Cr、Mo、W擴(kuò)大A相Ni、Mn、Co；C、Cu、N擴(kuò)大F相Si、Cr、W、Mo、V、Ti、Al在普通碳素結(jié)構(gòu)鋼基礎(chǔ)上加少量合金元素形成的鋼；主要用于制造橋梁、船舶、車輛、鍋爐、高壓容器、輸油輸氣管道、大型鋼結(jié)構(gòu)等。模塊三低合金鋼一、低合金鋼的分類

碳素構(gòu)件用鋼（普碳鋼）低合金結(jié)構(gòu)鋼（普低鋼）新型及微合金化低碳高強(qiáng)度鋼輸油管線根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T13304.2-2008《鋼分類》第二部分，低合金鋼分類如下。（1）按主要質(zhì)量等級分為普通質(zhì)量低合金鋼、優(yōu)質(zhì)低合金鋼、特殊質(zhì)量低合金鋼三類。（2）按主要性能和使用特性分為一般用途的低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼、橋梁用鋼、船舶及海洋工程結(jié)構(gòu)用鋼、鍋爐用鋼、管線用鋼、容器用鋼、低合金耐候鋼、低合金鋼筋鋼、低合金沖壓鋼、鐵道用低合金鋼、礦用低合金鋼及低溫用鋼等。此外，在正火鋼中，還有具有良好抗層狀撕裂性能的Z向（沿厚度方向）鋼，主要用于海上采油平臺、核反應(yīng)堆及潛艇等大型厚板結(jié)構(gòu)。低合金鋼高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼是在碳素工程結(jié)構(gòu)鋼的基礎(chǔ)上，加入少量合金元素（主要是Mn、Si和微合金元素Nb、V、Ti等)而形成的鋼。“低合金”和“高強(qiáng)度”是指相對于合金元素含量較高的合金鋼和較低強(qiáng)度的普通碳素結(jié)構(gòu)鋼而言的。低合金鋼高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼的名稱幾經(jīng)變化，如低合金建筑鋼、普通低合金鋼、低合金鋼等，至1994年叫做低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼。二、低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼

最新研究成果：如F晶粒尺寸細(xì)化到μ級，則F-P類低合金高強(qiáng)度鋼的強(qiáng)度也可達(dá)到800MPa組織：10~25％片層狀P+75~90％多邊形F。P-F鋼分類碳素工程結(jié)構(gòu)鋼（普通）低合金高強(qiáng)度鋼微合金化低合金高強(qiáng)度鋼

1.化學(xué)成分特點(diǎn)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)不超過0.20%。在微合金鋼中為形成一定量的碳氮化物，碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)只需要0.01%～0.02%；所以降碳是這類鋼發(fā)展的必然趨勢，從而可大大改善鋼的韌度和焊接性能。主加元素為Mn，其主要作用是通過溶入鐵素體中，起固溶強(qiáng)化作用；還通過細(xì)化晶粒，改善塑性、韌度，是一種固溶強(qiáng)化效果顯著又比較便宜的元素，為保證鋼的塑性和韌度加入量不超過1.8%。

低碳：由于韌性、焊接性和冷成形性能的要求高，其碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)不超過0.20%。

加入以錳為主的合金元素，Mn1.8%以內(nèi)。

加入鈮、鈦或釩等輔加元素：少量的鈮、鈦或釩在鋼中形成細(xì)碳化物或碳氮化物，有利于獲得細(xì)小的鐵素體晶粒和提高鋼的強(qiáng)度和韌性。加入少量Cu（≤0.4%）和P（0.1%左右）等，可提高抗大氣腐蝕性能。少量稀土元素RE(0.001%左右)不影響鋼的強(qiáng)度。2.性能特點(diǎn)低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼強(qiáng)度高，一般屈服強(qiáng)度在300MPa以上，使鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性三個(gè)主要控制指標(biāo)都能充分發(fā)揮。低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼塑性、韌度好，并且韌-脆轉(zhuǎn)變溫度低。斷后伸長率為15%～20%，室溫沖擊吸收能量大于30J。E級鋼的韌-脆轉(zhuǎn)變溫度可達(dá)-50℃。低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼具有良好的焊接性能和冷成形性能，抗大氣腐蝕性高。1.大多數(shù)在熱軋狀態(tài)使用，組織為F＋P；2.有些鋼種為了獲得均勻組織和穩(wěn)定的性能，可采用高溫回火或調(diào)質(zhì)處理；為低碳貝氏體組織或淬火成低碳馬氏體組織。3.屈服強(qiáng)度要求高的材料還采用軋后控冷工藝；4.有些鋼種還應(yīng)用于沖壓用鋼，耐海水腐蝕的結(jié)構(gòu)、化工設(shè)備和管線用鋼，因此發(fā)展成為各種專業(yè)用鋼。

3.使用狀態(tài)Q355ND

質(zhì)量等級為D級交貨狀態(tài)為正火ReH≥355MPa屈服強(qiáng)度4.牌號表示方法Q＋最小上屈服強(qiáng)度數(shù)值＋交貨狀態(tài)代號+質(zhì)量等級代號交貨狀態(tài)為熱軋時(shí)用AR表示，代號可省略。交貨狀態(tài)為正火或正火軋制時(shí)用N表示。交貨狀態(tài)為熱機(jī)械軋制時(shí)用M表示。質(zhì)量等級代號用B、C、D、E、F表示，字母排序越后，質(zhì)量等級越高。交貨代號質(zhì)量等級代號Q355NDZ25

沿厚度方向的斷面收縮率為25%當(dāng)需方要求鋼板具有厚度方向的性能時(shí)，則在上述規(guī)定的牌號后加上代表厚度方向(Z向)性能級別的符號。Q345響應(yīng)一帶一路，與國外接軌，與歐盟S355牌號對應(yīng)Q355取代5.低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼的工程應(yīng)用在GB/T1591—2018中，低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼分為Q355、Q390、Q420、Q460共4個(gè)主要牌號。Q355鋼是我國低合金高強(qiáng)鋼中用量最多、產(chǎn)量最大的鋼種。使用狀態(tài)的組織為細(xì)晶粒的鐵素體—珠光體，強(qiáng)度比普通碳素結(jié)構(gòu)鋼Q235高約50%，耐大氣腐蝕性能高20%～38%，用于橋梁、車輛、壓力容器等鋼結(jié)構(gòu)。Q355鋼Q390鋼是中等級別強(qiáng)度鋼中使用最多的鋼種。鋼中加入Nb、V、Ti等元素，使晶粒細(xì)化，提高強(qiáng)度，且韌度、焊接性及低溫韌度也較好，被廣泛用于制造橋梁、建筑構(gòu)件和中等壓力的容器。Q390鋼Q390鋼央視新大樓大量采用了Q390鋼強(qiáng)度級別超過450MPa后，鋼的顯微組織為低碳貝氏體鋼。Q460E鋼含Mo、B元素，正火組織為貝氏體。通過控制碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)、微合金化和控制軋制，保證了鋼的強(qiáng)度、低溫韌性和焊接工藝性能。Q460鋼Q460鋼

機(jī)械制造結(jié)構(gòu)用鋼也稱機(jī)器零件用鋼，是用于制造各種機(jī)械零件的鋼種。機(jī)械制造結(jié)構(gòu)用鋼是在優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，如各種齒輪零件、軸（桿）類零件、彈簧、軸承及高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)件等。廣泛應(yīng)用在汽車、拖拉機(jī)、機(jī)床、工程機(jī)械、電站設(shè)備、飛機(jī)及火箭等裝置上。模塊四機(jī)械結(jié)構(gòu)用鋼滲碳鋼調(diào)質(zhì)鋼彈簧鋼滾動軸承鋼機(jī)械結(jié)構(gòu)用鋼的分類其他合金結(jié)構(gòu)鋼按熱處理強(qiáng)化工藝特點(diǎn)，整體強(qiáng)化態(tài)鋼和表面強(qiáng)化態(tài)鋼。撥叉變速齒輪變速箱齒輪曲軸汽車萬向節(jié)連桿彈簧離合器彈簧蝶形彈簧板彈簧拉力彈簧滾珠軸承滾珠軸承調(diào)心球軸承履帶鐵軌分道叉破碎機(jī)顎板挖掘機(jī)斗齒兩位數(shù)字（表示平均含碳量的萬分之幾）+合金元素符號+該元素百分含量數(shù)字+……當(dāng)合金元素的平均含量小于1.50%時(shí)，只標(biāo)元素符號，不標(biāo)含量。一、牌號表示方法當(dāng)合金元素的平均含量為1.50%~2.49%、2.50%~3.49%、3.50%~4.49%、4.50%~5.49%、……時(shí)，在相應(yīng)的合金元素符號后標(biāo)2、3、4、5……等數(shù)字。如20CrNi3。高級優(yōu)質(zhì)鋼在牌號后加字母A，如60Si2MnA。特級優(yōu)質(zhì)鋼在牌號后加字母E，如30CrMnSiE。

所有合金鋼的合金元素量標(biāo)法相同20Mn2Ti

A等級:高級優(yōu)質(zhì)含鈦量WTi＜1.5%含錳量WMn

2%含碳量WC

0.20%專用鋼用其用途的漢語拼音字首來標(biāo)明。如:滾珠軸承鋼，在鋼號前標(biāo)以“G”。

GCr15表示碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)約1.0%、鉻質(zhì)量分?jǐn)?shù)約1.5%(這是一個(gè)特例,鉻質(zhì)量分?jǐn)?shù)以千分之一為單位的數(shù)字表示)的滾珠軸承鋼。

Y40Mn,表示碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.4%、錳質(zhì)量分?jǐn)?shù)少于1.5%的易切削鋼等等。

二、合金滲碳鋼性能要求成分特點(diǎn)常用鋼號熱處理及組織滲碳件高精密獨(dú)立導(dǎo)柱1.成分特點(diǎn)

低碳：碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般為0.10%～0.25%，使零件心部有足夠的塑性和韌性。

加入提高淬透性的合金元素：常加入Cr、Ni、Mn、B等。

加入阻礙奧氏體晶粒長大的元素：主要加入少量強(qiáng)碳化物形成元素Ti、V、W、Mo等，形成穩(wěn)定的合金碳化物。

Wc≤0.25%Wc=0.15～0.25%合金元素:Cr、Mn、

Ni、B、V、W、

Mo、Ti等。表層:M回+Fe3C+A殘心部:F+P表層:M回+Cm+A殘心部:低碳M回

+F碳素滲碳鋼合金滲碳鋼化學(xué)成分熱處理后的組織

2.常用鋼種

20Cr低淬透性合金滲碳鋼。淬透性較低，心部強(qiáng)度較低。

20CrMnTi中淬透性合金滲碳鋼。淬透性較高、過熱敏感性較小，滲碳過渡層比較均勻，具有良好的機(jī)械性能和工藝性能。

18Cr2Ni4WA和20Cr2Ni4A高淬透性合金滲碳鋼。含有較多的Cr、Ni等元素，淬透性很高，且具有很好的韌性和低溫沖擊韌性。

低淬透性合金滲碳鋼含合金元素總量＜3%，如15Cr、20Cr、20Mn2。用于力小的耐磨件，如柴油機(jī)的活塞銷、凸輪軸。活塞銷(20Cr)中淬透性合金滲碳鋼含合金元素總量在4%左右。如20CrMn、20CrMnTi、20Mn2TiB。用于中等載荷的耐磨件，如變速箱齒輪。高淬透性合金滲碳鋼含合金元素總量在4%～6%。如18Cr2NiWA、

20Cr2Ni4A等。用于大載荷的耐磨件，如柴油機(jī)曲軸。柴油機(jī)曲軸

20CrMnTi鋼制造齒輪的熱處理工藝曲線

三、合金調(diào)質(zhì)鋼性能要求成分特點(diǎn)常用鋼號熱處理及組織

調(diào)質(zhì)件大多承受多種工作載荷，受力情況比較復(fù)雜，要求高的綜合機(jī)械性能，即具有高的強(qiáng)度和良好的塑性、韌性。合金調(diào)質(zhì)鋼還要求有很好的淬透性。但不同零件受力情況不同，對淬透性的要求不一樣。

合金調(diào)質(zhì)鋼廣泛用于制造汽車、拖拉機(jī)、機(jī)床和其它機(jī)器上的各種重要零件，如齒輪、軸類件、連桿、螺栓等。

1.成分特點(diǎn)

中碳：碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般在0.25%～0.50%之間，以0.4%居多；

加入提高淬透性的元素Cr、Mn、Ni、Si等：這些合金元素除了提高淬透性外，還能形成合金鐵素體，提高鋼的強(qiáng)度。如調(diào)質(zhì)處理后的40Cr鋼的性能比45鋼的性能高很多；加入防止第二類回火脆性的元素：含Ni、Cr、Mn的合金調(diào)質(zhì)鋼，高溫回火慢冷時(shí)易產(chǎn)生第二類回火脆性。在鋼中加入Mo、W可以防止第二類回火脆性，其適宜含量：Mo的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.15%～0.30%，或W的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.8%～1.2%。

合金調(diào)質(zhì)鋼的最終熱處理是淬火加高溫回火。合金調(diào)質(zhì)鋼淬透性較高，一般都用油淬，淬透性特別大時(shí)甚至可以空冷，這能減少熱處理缺陷。

合金調(diào)質(zhì)鋼的最終性能決定于回火溫度。一般采用500℃～650℃回火。通過選擇回火溫度，可以獲得所要求的性能。為防止第二類回火脆性，回火后快冷（水冷或油冷），有利于韌性的提高。2.熱處理特點(diǎn)

合金調(diào)質(zhì)鋼常規(guī)熱處理后的組織是回火索氏體。對于表面要求耐磨的零件（如齒輪、主軸），再進(jìn)行感應(yīng)加熱表面淬火及低溫回火，表面組織為回火馬氏體。表面硬度可達(dá)55HRC～58HRC。合金調(diào)質(zhì)鋼淬透調(diào)質(zhì)后的屈服強(qiáng)度約為800MPa,沖擊韌性在800kJ/m2心部硬度可達(dá)22HRC～25HRC。若截面尺寸大而未淬透時(shí)，性能顯著降低。3.常用的調(diào)質(zhì)鋼

在機(jī)械制造工業(yè)中，調(diào)質(zhì)鋼是按淬透性高低來分級的。DC為油淬臨界直徑

低淬透性合金鋼:DC<30~40mm,有40Cr、40Mn2、42SiMn、42Mn2V等

中淬透性合金鋼:DC:40~60mm,有35CrMo、40CrNi、42CrMo、40CrMn、30CrMnSi等高淬透性合金鋼:DC≥60~100mm,有37CrNi3、40CrNiMo、40CrMnMo等

分析比較：40Cr→40CrNi→40CrNiMo淬透性回脆性回穩(wěn)性塑韌性

40CrNiMo>40CrNi>40Cr

40CrNiMo>40CrNi>40Cr

40CrNiMo>40CrNi>40Cr

40CrNi>40Cr>40CrNiMo

四、合金彈簧鋼性能要求成分特點(diǎn)常用鋼號熱處理及組織

合金彈簧鋼是一種專用結(jié)構(gòu)鋼，主要用于制造各種彈簧和彈性元件。彈簧拉力彈簧離合器彈簧蝶形彈簧

1.性能要求高的彈性極限，尤其是高的屈強(qiáng)比以保證彈簧有足夠高的彈性變形能力和較大的承載能力。高的疲勞強(qiáng)度，以防止在震動和交變應(yīng)力作用下產(chǎn)生疲勞斷裂。足夠的塑性和韌性，以免受沖擊時(shí)脆斷。

此外，彈簧鋼還要求有較好的淬透性，不易脫碳和過熱，容易繞卷成形等。一些特殊彈簧鋼還要求耐熱性、耐蝕性等。2.成分特點(diǎn)

中、高碳高的屈強(qiáng)比要求彈簧鋼的碳含量比調(diào)質(zhì)鋼高，碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般為0.50%～0.70%。碳含量過高時(shí)，塑性、韌性降低，疲勞抗力也下降。

加入以Si、Mn為主的提高淬透性的元素，Si和Mn同時(shí)也提高了屈強(qiáng)比。重要用途的彈簧鋼還必須加入Cr、V、W等元素。基本工藝方式熱成形彈簧冷成形彈簧大型彈簧

熱成形后+淬火、回火小型彈簧冷變形或熱處理強(qiáng)化+冷成形+低溫退火3.彈簧的成形方式大型熱卷彈簧熱處理工藝淬火和中溫回火回火托氏體具有一定的沖擊韌度，較高的彈性極限、屈強(qiáng)比和最高的疲勞強(qiáng)度關(guān)鍵問題:彈性參數(shù)和韌性參數(shù)之間的平衡或最佳配合。4.彈簧鋼的熱處理冷成型彈簧（強(qiáng)化后成型）：小型彈簧，先最終熱處理+成型+低溫退火（200-400℃）（冷拔彈簧鋼絲）熱成形彈簧：用熱軋鋼絲或鋼板制成，然后淬火+中溫（450℃～550℃）回火，獲得回火托氏體組織，具有很高的屈服強(qiáng)度和彈性極限，并有一定的塑性和韌性，一般用來制作為較大型的彈簧。

5.常用彈簧鋼

1.碳素彈簧鋼代表鋼種：65鋼特點(diǎn)：淬透性差，適用制作小截面彈簧，冷成形制造。

2.合金彈簧鋼代表鋼種：65Mn，60Si2Mn，50CrVA，60CrMnBA

特點(diǎn)：較好的強(qiáng)度、硬度、淬透性，制造較尺寸的彈簧。

60Si2Mn:①Si、Mn復(fù)合,強(qiáng)化F,→↑σe，σs/σb可達(dá)到0.8~0.9；

②

Si

/Mn

↑淬透性，Ms不過分↓,開裂傾向小;

③

Si有效↑回穩(wěn)性,但↑脫C傾向;

④

Si、Mn復(fù)合，脫碳和過熱敏感性較硅鋼、錳鋼為小.主要用于汽車、拖拉機(jī)和機(jī)車上的板簧和螺旋彈簧等。常用硅錳板簧鋼有65Mn，60Si2Mn等。常用螺旋彈簧鋼有50CrVA等。

50CrVA:①Cr、V均↑回穩(wěn)性,韌性好；

②

V細(xì)化晶粒,↓過熱敏感性;

③

含Si少,脫C敏感性↓,熱處理不易脫C;

常用于受應(yīng)力高的螺旋彈簧及<300℃工作的閥門彈簧.

五、滾動軸承鋼(bearingsteel)性能要求成分特點(diǎn)常用鋼號熱處理及組織

1.性能要求高的硬度強(qiáng)度和耐磨性;高的接觸疲勞強(qiáng)度;足夠的韌性和耐蝕性;高的純凈度;

2.成分特點(diǎn)高碳,Wc=0.9～1.1%，以保證其高硬度、高耐磨性和高強(qiáng)度；主加Cr,鉻提高淬透性；形成合金滲碳體(Fe,Cr)3C呈細(xì)密、均勻分布，提高鋼的耐磨性,特別是疲勞強(qiáng)度。適宜的鉻質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.40%～1.65%。加入硅、錳、釩等Si、Mn進(jìn)一步提高淬透性，便于制造大型軸承。V部分溶于奧氏體中，部分形成碳化物VC，提高鋼的耐磨性并防止過熱。高的冶金質(zhì)量軸承鋼中非金屬夾雜和碳化物的不均勻性對鋼的性能尤其是接觸疲勞強(qiáng)度影響很大。因此，軸承鋼一般采用電爐冶煉和真空去氣處理。

3.常用的滾動軸承鋼G

Cr15

含Cr量WCr≈1.5%

滾動軸承鋼

4.熱處理特點(diǎn)球化退火+淬火+低溫回火極細(xì)回火馬氏體+細(xì)粒狀碳化物+少量殘余奧氏體

工藝特點(diǎn)是簡單而要求高。熱處理特點(diǎn)

球化退火→為最終淬火作組織準(zhǔn)備淬回火工藝參數(shù)對疲勞壽命有很大影響一般采用保護(hù)氣氛加熱或真空加熱160℃保溫3h或更長回火，硬度62~66HRC如要求消除AR→淬火后立即冷處理,而后立即低溫回火。GCr15軸承鋼的典型成形與熱處理工藝為：球化退火機(jī)加工（840

C左右）加熱淬火立即低溫回火（150~160

C/2~3h）磨削加工附加低溫回火

GCr15正常的淬火、回火組織：

80%左右的回火馬氏體（隱晶馬氏體）+5%~10%顆粒狀碳化物+5%~10%殘余奧氏體

黑區(qū)為:回火隱針馬氏體亮區(qū)為:回火細(xì)小的針狀馬氏體＋少量殘余奧氏體白色小顆粒為碳化物。GCr15850℃淬火，160℃回火

模塊五合金工具鋼

模具刃具量具合金工具鋼碳素工具鋼高速工具鋼國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T221—2008含碳量+合金元素符號+該元素百分含量當(dāng)含碳量小于1.00%時(shí)，含碳量用一位數(shù)字標(biāo)明，這一位數(shù)字表示平均含碳量的千分之幾，如8MnSi.當(dāng)含碳量大于1.00%時(shí)，不標(biāo)含碳量。一、合金工具鋼的牌號表示方法

5CrNi

MoWMo≤1.5%WNi≤1.5%WCr≤1.5%

含碳量WC0.5%

Cr12MoVWV≤1.5%含鉬量WMo≤1.5%含鉻量WCr=12%

含碳量WC>1.0%高速鋼不標(biāo)含碳量，如W6Mo5Cr4V2(含0.85%C).但當(dāng)合金成分相同，僅碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)不同時(shí)，對碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高者牌號前冠以“C”字。如牌號W6Mo5Cr4V2和CW6Mo5Cr4V2，前者碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.80%～0.90%，后者為0.95%～1.05%。含鉻量小于1%時(shí)，在含鉻量(以千分之一為單位)前加數(shù)字“0”，如Cr06。導(dǎo)入

T7～T13做低速切削的刃具和簡單的冷沖模。淬透性低，斷面尺寸小于15mm的、最高工作溫度200℃以下的工具。

T7有較好塑韌性，宜做受沖擊的刃具，如鑿子等；

T8易過熱，制造形狀簡單的木工工具等；

T10、T12耐磨性較好，強(qiáng)度高，但韌度低，制造不受沖擊或沖擊較小形狀簡單的工具，如車刀、銑刀等淬火冷卻方式常用水-油雙液淬火、分級淬火.

成本低、工藝性能好、用量大。碳素工具鋼為了克服碳素工具鋼淬透性差，淬火易變形和開裂及熱硬性差等缺點(diǎn)，在碳素工具鋼的基礎(chǔ)上加入少量的合金元素，總量一般不超過3%～5%，就形成了低合金刃具鋼。

最高工作溫度300℃以下的工具一、低合金刃具鋼

1.性能要求：高硬度（≥60HRC）高耐磨性；有的高熱硬性；含義:高溫下保持高硬度的能力；表征：60HRC的溫度或560℃下硬度。有較高的淬透性和較小的淬火變形傾向。工具鋼基本性能及檢測方法

強(qiáng)度塑性

靜彎或扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)→彎曲強(qiáng)度、撓度和扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度、扭轉(zhuǎn)角；?韌度硬度熱穩(wěn)定性一般采用無缺口沖擊試樣?一般硬度60HRC以上，K可適當(dāng)↑硬度2~3HRC

對高速鋼，通常就是紅硬性碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)含碳量一般為0.75%～1.50%，高的含碳量可保證鋼在淬火后馬氏體的高硬度及形成足夠的合金碳化物，提高耐磨性。合金化

Cr、Si、W、Mo、Mn、V等元素，↑耐磨性和回穩(wěn)性，↑淬透性→采用緩冷方式，↓變形開裂。2.化學(xué)成分

Cr:1%左右，細(xì)化K，均勻分布；

Mn:主要↑淬透性;Si:↑低溫回穩(wěn)性，Si強(qiáng)化F,↓切削加工性,↑脫碳敏感性，不單獨(dú)加入；?W:0.5%~1.5%，W含量太多→K類型轉(zhuǎn)變，且使K分布不均勻，惡化性能。

V:↓過熱敏感性,細(xì)化晶粒,↑回穩(wěn)性合金元素具體作用淬火工藝T淬為Ac1+30~50℃油冷，熔鹽分級淬火，等溫淬火(B等溫淬火或M等溫淬火)

一般組織含碳量0.5％~0.6％的M+未溶粒狀K3.低合金刃具鋼的熱處理球化退火淬火+低溫回火

4.常用的低合金刃具鋼9SiCr：

①Si/Cr↑淬透性，D油<40mm；②Si/Cr↑回穩(wěn)性，~250℃回火，>60HRC；③K細(xì)小、均勻→不容易崩刃；④分級淬火或等溫淬火處理，變形較小；⑤Si使鋼的脫碳傾向較大。

適于制作形狀較復(fù)雜、變形要求小工件，特別是薄刃工具，如絲錐、扳牙、鉸刀等。9SiCr鋼板牙球化退火工藝曲線9SiCr鋼板牙淬火-回火工藝曲線板牙三、高速鋼(high–speedsteel)在600℃時(shí)仍保持高的硬度，可達(dá)60HRC以上，故可在較高溫度條件下保持高速切削能力和高耐磨性；同時(shí)具有足夠高的強(qiáng)度，并兼有適當(dāng)?shù)乃苄院晚g度。高速鋼---鋒鋼、風(fēng)鋼。車刀銑刀鉆頭

W18Cr4V熱硬性好，在600℃仍保持650HV(56HRC)的高硬度。

T12、9SiCr、W18Cr4V的硬度與溫度的關(guān)系

W18Cr4V的熱硬性1.高速鋼的分類按用途不同高速鋼可分為通用型和特殊用途型兩種。通用型主要包括鎢系和鎢相系高速鋼。鎢系高速鋼的典型牌號為W18Cr4V（簡稱18-4-1），是廣泛應(yīng)用的鋼種。鎢鉬系高速鋼高速鋼的典型牌號為W6Mo5Cr4V2（簡稱6-5-4-2），應(yīng)用最普遍。特殊用途高速鋼也稱高性能高速鋼、超硬型高速鋼，包括分別為高碳系高速鋼、高釩系高速鋼、含鈷系高速鋼和鋁高速鋼等四種。通用型高速鋼：18-4-1、6-5-4-2特殊用途高速鋼：高碳高釩型（C：1.2%-1.5%V：3%-5%65-67HRC，紅硬性高于18-4-1W12Cr4V4Mo,W6Mo5Cr4V3）、含鈷型（W7Mo4Cr4V2Co5W2Mo9Cr4VCo8）、超硬型（W6Mo5Cr4V2Co12(M44)和W6Mo5Cr4V2Al，68-70HRC）2.高速鋼的化學(xué)成分C

定比碳經(jīng)驗(yàn)規(guī)律設(shè)計(jì)→最大二次硬化效應(yīng)

C%＝0.033%W+0.063%Mo+0.20%V+0.060%Cr→合金元素之間的相對控制法.必須解決成分-性能間數(shù)學(xué)模型,控制參數(shù)的數(shù)值范圍。

一般高速鋼含C量0.7%～1.65%。(質(zhì)量分?jǐn)?shù))作用規(guī)律C↑:↑硬度，但↓熔點(diǎn),易過熱;↑K量,↑不均勻性;↑AR→↑回火次數(shù);↓σ和KUWMo

鎢是鋼獲得紅硬性的主要元素。M6C型K，淬火加熱（~1300℃）:約1/2溶入A→快冷M（高回火穩(wěn)定性）→高溫回火→回M（析出極高硬度、高彌散、與M共格的W2C）→二次硬化。（未溶的M6C細(xì)化A、↑耐磨性）W↓↓熱導(dǎo)率→鋼導(dǎo)熱性差鉬和鎢相似，1％Mo可取代1.5%~2.0％WCr

Cr

加熱時(shí)全溶，保證鋼淬透性，4％Cr。改善抗氧化能力、切削能力。Co

Co可顯著提高鋼的紅硬性，5%、8%和12％三個(gè)級別。但↓鋼韌性、↑鋼脫碳傾向。微量元素

微量氮增加硬度和熱硬性，一般~0.10％。稀土可明顯改善熱塑性,↓硫在晶界的偏聚。V

V

顯著↑紅硬性、↑硬度和耐磨性，細(xì)化晶粒，↓過熱敏感性。以VC存在。魚骨狀萊氏體（Ld）、黑色組織（δ共析體等）和白亮組織（M+AR）

W18Cr4V鋼的鑄態(tài)組織（400×）3.高速鋼的鑄態(tài)組織萊氏體δ共析體M+殘余AW18Cr4V鑄態(tài)組織420

鍛造:魚骨狀碳化物不能用熱處理來消除，只能依靠反復(fù)多次鍛打來擊碎。K不均勻性結(jié)果①各向異性；②形變時(shí)易應(yīng)力集中開裂；③熱處理工藝性變壞關(guān)鍵是必須經(jīng)過正確的鍛造控制終鍛溫度；用合適的鍛壓比；鍛造時(shí)先輕錘快打，后重錘鍛打；?

鍛后要緩慢冷卻；鍛后進(jìn)行退火。?W18Cr4V鍛造組織210

4.高速鋼的熱處理高速鋼的熱處理工藝較復(fù)雜，其預(yù)備熱處理為鍛造后球化退火，最終熱處理為1220～1280℃淬火＋三次550～570℃回火.（1）球化退火:消除應(yīng)力,調(diào)整組織,降低硬度，便于機(jī)加工,為淬火作好組織準(zhǔn)備。W18Cr4V鋼的退火組織退火后組織：S+30%K，200～250HBW，易切削

淬火目的:獲得高合金元素含量的馬氏體。因此淬火溫度高(>1200℃)。特點(diǎn)：預(yù)熱，高速鋼導(dǎo)熱性差；

加熱溫度高：高速鋼淬火溫度是在不發(fā)生過熱的前提下，淬火溫度越高越好。（2）淬火預(yù)熱:高速鋼工具一般在高溫鹽浴爐中加熱，速度較快，常采用一次或多次預(yù)熱

為什么？

預(yù)熱有什么作用？高速鋼導(dǎo)熱性差,加熱溫度又高,預(yù)熱—

①↓淬火加熱過程中的變形開裂傾向；②縮短高溫保溫時(shí)間，減少氧化脫碳；③準(zhǔn)確地控制爐溫穩(wěn)定性。可采用一次預(yù)熱和二次預(yù)熱。思考題:

高速鋼Ac1

在820~840℃范圍，但其淬火加熱溫度必須在Ac1+400℃以上,

為什么？

為了在加熱時(shí)獲得高合金的奧氏體，淬火后獲得高合金的馬氏體，具有高的回火穩(wěn)定性，在高溫回火時(shí)析出彌散碳化物，產(chǎn)生二次硬化，使鋼具有高的硬度和熱硬性。高速鋼中的合金碳化物比較穩(wěn)定，必須在高溫下才能使其溶入奧氏體，淬火溫度一般較低合金刃具鋼要高得多，必須在Ac1＋400℃，一般為1220～1280℃。淬火態(tài)加熱時(shí)，K溶解順序?yàn)椋?/p>

M7C3\M23C6型在1000℃左右溶解完→

M6C型在1200℃時(shí)部分溶解→MC型比較穩(wěn)定，在1200℃時(shí)開始少量溶解。過熱過燒欠熱

T淬過高，晶粒長大，K溶解過多，K發(fā)生角狀化；奧氏體中合金度過高，冷卻時(shí)易在晶界上析出網(wǎng)狀K。

溫度再高→晶界熔化→鑄態(tài)組織特征，主要為魚骨狀共晶萊氏體及黑色組織。

淬火溫度較低，大量K未溶,且晶粒特別細(xì)小。淬火溫度：精確控制可以從金相組織上初步判斷工藝因素金相組織

正常淬火組織(400X)

欠熱組織(400X)

過熱組織(400X)

過燒組織(200X).淬火后組織：

M+未溶碳化物(~10%)+AR(~20%)W18Cr4V鋼的淬火組織

目的：主要為減少AR。穩(wěn)定組織,消除內(nèi)應(yīng)力。常用560℃三次回火。回火時(shí)的組織變化：①析出W、Mo、V的碳化物，產(chǎn)生二次硬化。②碳及合金元素含量下降，Ms點(diǎn)上升，回火冷卻時(shí)，AR轉(zhuǎn)變?yōu)镸。

③每次回火加熱都使前一次的淬火馬氏體回火。（3）回火在560℃回火時(shí),產(chǎn)生二次硬化。高速鋼硬度與回火溫度關(guān)系高速鋼一般需要在560℃左右三次回火淬火態(tài)

M+大約30%AR+K回火Ⅰ

M回

+M+>10%AR+K1回火Ⅱ回火Ⅲ

M回

+M+少量AR+K2

M回

+AR

（少量）+K3（K1

等以示區(qū)別）W18Cr4V鋼淬火、回火后的組織

M回+顆粒狀碳化物+AR（少量）

5.常用鋼號及用途常用鋼號為W18Cr4V(18-4-1)和W6Mo5Cr4V2(6-5-4-2)。用于高速切削刃具，如車刀、刨刀、銑刀、鉆頭等。車刀銑刀高速鋼銑刀鉆頭根據(jù)工作條件的不同，模具鋼又可分為冷作模具鋼和熱作模具鋼兩大類。使金屬在冷狀態(tài)下變形的冷模具鋼，冷模具的工作溫度小于250℃；使金屬在熱狀態(tài)下變形的熱模具鋼，其模腔的表面溫度高于600℃。合金模具鋼(alloydiesteel)四、冷作模具鋼

金屬在冷態(tài)下變形

拉延、沖壓、冷鐓或冷擠成形等共同特點(diǎn)

工作溫度不高，模具主要承受高壓力或沖擊力，有強(qiáng)烈的摩擦

主要技術(shù)要求為具有高硬度和耐磨性，有一定韌性技術(shù)要求制造冷沖模、冷鐓模、冷擠壓模和拉絲模等，工作溫度不超過200℃～300℃。典型沖壓模及產(chǎn)品1.冷作模具鋼的性能要求

冷作模具工作時(shí)承受很大的壓力、彎曲力、沖擊載荷和摩擦。主要失效形式是磨損，也常出現(xiàn)崩刃、斷裂和變形等失效現(xiàn)象。因此，冷模具鋼應(yīng)具有以下基本性能：

①高硬度（58～62HRC）、高耐磨性;

②足夠的韌性和疲勞抗力;

③熱處理變形小;④良好的工藝性能（鍛、切、淬硬性、熱處理變形小）。2.成分特點(diǎn)①高碳碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)多在1.0%以上，個(gè)別甚至達(dá)到2.0%，以保證高的硬度和高耐磨性。②加入Cr、Mo、W、V等合金元素形成難熔碳化物，提高耐磨性，尤其是Cr。典型鋼種是Cr12型鋼，鉻的含量高達(dá)12%。鉻與碳形成M7C3型碳化物，能極大提高鋼的耐磨性，鉻還顯著提高鋼的淬透性。3.鋼種及牌號T7A、T8A、T10A、T12A等用于尺寸小、形狀簡單、輕負(fù)荷的冷模具9Mn2V、9SiCr、CrWMn

要求不高的冷模具用低合金刃具鋼制造。Cr12、Cr12Mo、Cr12MoV、Cr6WV、Cr4W2MoV大型冷模具用鋼，熱處理變形很小，制造重載和形狀復(fù)雜的模具。冷擠壓模工作時(shí)受力很大，條件苛刻，選用基體鋼（成分與高速鋼基體相同）或馬氏體時(shí)效鋼制造。高鉻和中鉻模具鋼

1）高碳高鉻模具鋼主要有Cr12、Cr12MoV鋼。

Cr12MoV鋼具有高淬透性，截面200~300mm以下可以完全淬透。

Cr12MoV鋼主要制造大尺寸、形狀復(fù)雜、承受載荷較大的模具，曾經(jīng)有“冷作模具王牌”之稱。一次硬化法

低淬和低回→晶粒細(xì)小，強(qiáng)韌性好。980~1030℃淬火×150~170℃回火，硬度為61~63HRC，殘奧量少。12％左右未溶（Cr，F(xiàn)e）7C3碳化物。一次硬化法使用較普遍二次硬化法

1050~l100℃×500℃左右多次回火，硬度回升到60~62HRC。熱硬性較好，強(qiáng)韌性較低。二次硬化法適合于工作溫度比較高（400~500℃）且受載荷不大或淬火后表面需要氧化處理的模具。

用于制造熱鍛模、熱壓模、熱擠壓模和壓鑄模等，工作時(shí)型腔表面溫度可達(dá)600℃以上。五、熱作模具鋼

使熱或液態(tài)金屬獲得所需形狀

模具是在反復(fù)受熱和冷卻條件下工作.模具受熱時(shí)間越長，受熱程度就越嚴(yán)重.

許多模具還受到較大沖擊力。工作條件苛刻模具鋼應(yīng)具有高抗熱塑性變形能力、高韌性、高抗熱疲勞、良好的抗熱燒蝕性服役條件技術(shù)要求1.熱作模具鋼的性能要求2.成分特點(diǎn)①中碳：0.3%～0.6%，以保證高強(qiáng)度、高韌性、較高的硬度（35HRC～52HRC）和較高的熱疲勞抗力。②加入較多的提高淬透性的元素Cr、Ni、Mn、Si等。Cr是提高淬透性的主要元素，同時(shí)和Ni一起提高鋼的回火穩(wěn)定性。Ni在強(qiáng)化鐵素體的同時(shí)還增加鋼的韌性，并與Cr、Mo一起提高鋼的淬透性和耐熱疲勞性能。③加入產(chǎn)生二次硬化的Mo、W、V等元素，Mo還能防止第二類回火脆性，提高高溫強(qiáng)度和回火穩(wěn)定性。5Cr06NiMo——適合形狀復(fù)雜，沖擊負(fù)荷重，要求強(qiáng)度和韌性較高的大型模具。5Cr08MnMo——與5CrNiMo相比，韌性和淬透性、疲勞性能稍差，但成本低，適用于中小型錘鍛模。

使用最廣泛的是5Cr06NiMo和5Cr08MnMo鋼。

模塊六特殊性能鋼不銹鋼(stainlesssteel)耐熱鋼(heat–resistantsteel)耐磨鋼(wear–resistantsteel)

一、不銹鋼不銹鋼在石油、化工、原子能、宇航、海洋開發(fā)、國防工業(yè)和一些尖端科學(xué)技術(shù)及日常生活中都得到廣泛應(yīng)用，例如化工裝置中的各種管道、閥門和泵，熱裂設(shè)備零件，醫(yī)療手術(shù)器械，防銹刃具和量具，等等。不銹鋼——在空氣和弱腐蝕介質(zhì)中抵抗腐蝕的鋼耐酸鋼——在酸、鹽溶液等強(qiáng)腐蝕介質(zhì)中抵抗腐蝕的鋼由于兩者在化學(xué)成分上的差異，前者不一定耐化學(xué)介質(zhì)腐蝕，而后者則一般均具有不銹性。統(tǒng)稱不銹耐酸鋼，簡稱不銹鋼。性能要求（1）不銹鋼具有較高的耐蝕性（2）不銹鋼應(yīng)具有一定的力學(xué)性能。很多構(gòu)件是在腐蝕介質(zhì)下承受一定的載荷（3）不銹鋼應(yīng)有良好的工藝性能。管材、板材、型材等要經(jīng)過加工變形制成構(gòu)件，如容器、管道、鍋爐等。因此不銹鋼的工藝性也很重要，主要有焊接性、冷變形性等。

不銹鋼的性能要求合金元素

不銹鋼中常見的合金元素：C、Cr、Ni、Mn、Si、N、Nb、Ti、Mo奧氏體形成元素：Ni、Mn、Co；C、N、Cu等鐵素體形成元素：Cr、Si、Ti、Nb、Al、Mo等

1.金屬的腐蝕和控制金屬在外界介質(zhì)的作用下使金屬逐漸受到破壞的現(xiàn)象稱為腐蝕。腐蝕是導(dǎo)致材料失效的三大因素之一，世界每年因腐蝕而報(bào)廢的鋼村約占鋼村年產(chǎn)量的1/4，所以金屬的防腐是一個(gè)重要課題。化工管道的腐蝕裂解管內(nèi)壁的高溫腐蝕減薄

（1）化學(xué)腐蝕

金屬與外界介質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)被破壞，如鋼的高溫氧化，這種腐蝕的產(chǎn)物一般覆蓋在金屬的表面。防止這種腐蝕發(fā)生發(fā)生的方法是在金屬表面形成一層鈍化膜，隔絕金屬和腐蝕介質(zhì)。如油漆、電鍍、發(fā)藍(lán)等，但對不銹鋼來講，最根本的是通過材料本身形成這層鈍化膜，如加入Cr、Al、Si等。

（2）電化學(xué)腐蝕金屬不僅與介質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，而且有電流產(chǎn)生，如金屬在常溫下的氧化。合金中的不同相電極電位不同，一般固溶體相的電位低，而金屬化合物的電位高，存在電位差。這樣在存在酸、堿等溶液時(shí)便形成了原電池，電位差越大，原電池越多，腐蝕越快。電化學(xué)腐蝕是金屬腐蝕更重要更普遍的形式，它是由于不同金屬或金屬的不同相之間，電極電位不同，構(gòu)成原電池而產(chǎn)生的。

珠光體電化學(xué)腐蝕示意圖用硝酸酒精浸蝕碳鋼能顯示珠光體就是這一原理。這種原電池腐蝕由于是在顯微組織之間產(chǎn)生的，故稱為微電池腐蝕。

電化學(xué)腐蝕的控制加入合金元素鉻鉻能提高鋼基體的電極電位。每向鋼中加入12.5%的鉻，鋼的電極電位急劇升高。鉻在氧化性介質(zhì)（如水蒸氣、大氣、海水、氧化性酸等）中極易鈍化，生成致密的氧化膜、使鋼的耐蝕性大大提高。加入鎳可獲得單相奧氏體組織，顯著提高耐蝕性；或形成奧氏體或鐵素體組織，通過熱處理，提高鋼的強(qiáng)度。

碳在不銹鋼中對組織的影響主要表現(xiàn)在兩方面，一方面碳是穩(wěn)定奧氏體的元素，并且作用的程度很大（約為鎳的30倍），另一方面由于碳和鉻的親和力很大，與鉻形成—系列復(fù)雜的碳化物。所以，從強(qiáng)度與耐腐燭性能兩方面來看，碳在不銹鋼中的作用是互相矛盾的。耐蝕性要求愈高，碳含量應(yīng)愈低。大多數(shù)不銹鋼的碳含量為0.1%～0.2%。對要求提高碳含量時(shí)（可達(dá)0.85%～0.95%），應(yīng)相應(yīng)地提高鉻含量。提高鋼耐腐蝕性能的途徑主要有：

（1）形成穩(wěn)定保護(hù)膜，→Cr、Al、Si有效。（2）↑固溶體電極電位或形成穩(wěn)定鈍化區(qū)→Cr、Ni、Si：Ni貴而緊缺，Si易使鋼脆化，Cr是理想的。（3）獲得單相組織→Cr、Ni、Mn→單相鐵素體、奧氏體組織。（4）機(jī)械保護(hù)措施或復(fù)蓋層，如電鍍、發(fā)蘭、涂漆等方法。合金元素的表示方法同合金結(jié)構(gòu)鋼和合金工具鋼。用兩位或三位阿拉伯?dāng)?shù)字表示碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)最佳控制值（以萬分之幾或十萬分之幾計(jì))。

2.牌號表示方法（1）只規(guī)定碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)上限者，當(dāng)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)上限不大于0.10%時(shí)，以其上限的3/4表示碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)；當(dāng)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)上限大于0.10%時(shí)，以其上限的4/5表示碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)。例如，碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)上限為0.08%，碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)以06表示；碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)上限為0.20%，碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)以16表示；碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)上限為0.15%，碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)以12表示。例如，碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)不大于0.08%，Cr含量為18%～20%，Ni含量為8.0%～11.0%的不銹鋼牌號為06Cr19Ni10。對超低碳不銹鋼（即碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)不大于0.030%)，用三位阿拉伯?dāng)?shù)字表示碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)最佳控制值（以十萬分之幾計(jì))。例如，碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)上限為0.030%時(shí)，其牌號中的碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)以022表示；碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)上限為0.020%，其牌號中的碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)以015表示。例如，碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)不大于0.030%，Cr含量為16%～19%，Ti含量為0.10%～1.0%的不銹鋼，牌號為022Cr18Ti。（2）規(guī)定上、下限者，以平均碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)×100表示。例如，碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.16%～0.25％時(shí)，其牌號中的碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)以20表示。例如，碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.16%～0.25%，Cr含量為12.0%～14.0%的不銹鋼，牌號為20Cr13。不銹鋼統(tǒng)一數(shù)字代號GB/T17616—1998《鋼鐵及合金牌號統(tǒng)一數(shù)字代號體系》規(guī)定，不銹鋼統(tǒng)一數(shù)字代號由“S+五位數(shù)字”組成，其中第一位數(shù)字表示不銹鋼的類型，具體為：S1表示鐵素體不銹鋼；S2表示雙相不銹鋼；S3表示奧氏體不銹鋼；S4表示馬氏體不銹鋼；S5表示沉淀硬化不銹鋼。例如，S30408表示Cr-Ni奧氏體不銹鋼06Cr19Ni10。

中外不銹鋼牌號對照由于我國不銹鋼進(jìn)口量較大，所以實(shí)際工程中不銹鋼還大量采用美國標(biāo)準(zhǔn)牌號，如304、316L等。不銹鋼美國牌號主要采用AISI（美國鋼鐵學(xué)會標(biāo)準(zhǔn)）的編號系統(tǒng)，牌號由三位阿拉伯?dāng)?shù)字組成，第一位數(shù)表示不銹鋼的類別。具體規(guī)定為：2—Cr-Mn-Ni-N奧氏體型不銹鋼，3—Cr-Ni奧氏體型不銹鋼，4—高鉻馬氏體型不銹鋼和鐵素體型不銹鋼，5—低鉻馬氏體型不銹鋼，6—沉淀硬化型不銹鋼。第二、三位數(shù)表示順序號。如為超低碳不銹鋼，則在牌號尾加“L”表示。序號中國（GB/T20878—2007）美國（AISI）日本(JIS)德國（DIN）數(shù)字代號牌號1S3535012Cr17Mn6Ni5N201SUS201X12CrMnNiN17-7-52S3545012Cr18Mn9Ni5N202SUS202—3S3011012Cr17Ni7301SUS301X5CrNi17-74S3021012Cr18Ni9302SUS302X10CrNi18-85S3040806Cr19Ni10304SUS304X5CrNi18-106S30403022Cr19Ni10304LSUS304LX2CrNi9-117S3160806Cr17Ni12Mo2316SUS316X5CrNiMo17-12-28S31603022Cr17Ni12Mo2316LSUS316LX2CrNiMo17-12-29S4101012Cr13410SUS410X12Cr1310S4202020Cr13420J1SUS420J1X20Cr1311S4312017Cr16Ni2431SUS431X17CrNi16-212S4407068Cr17440ASUS440A—13S44096108Cr17420CSUS440CX105CrMo1714S1134806Cr13Al405SUS405X6CrAl1315S22053022Cr23Ni5Mo3N2205——16S5174005Cr17Ni4Cu4Nb17-4PH，630SUS630X5CrNiCuNb16-4區(qū)分奧氏體鐵素體雙相鋼沉淀系馬氏體代表鋼種3044302205630420耐蝕性◎○◎◎△加工性◎○○○△焊接性○△○○×制造難易度普通高高高普通3.常用的不銹鋼

不銹鋼按正火狀態(tài)的組織可分為：

馬氏體不銹鋼；鐵素體不銹鋼；奧氏體不銹鋼；雙相不銹鋼。

1.成分、牌號、特點(diǎn)成分：含Cr12%～14%，含C：0.1%～0.4%，Cr13型。常用牌號：（400系）12Cr13（410）、20Cr13（420）、30Cr13、40Cr13、68Cr17（440）等。特點(diǎn)：含碳量較高，淬火后得到馬氏體組織；有較高的強(qiáng)度、硬度、耐磨性；通過熱處理得到所要求的性能；切削加工性能較好。焊接性能差；有回火脆性。

（1）馬氏體不銹鋼碳含量低的12Cr13、20Cr13鋼耐蝕性較好，且有較好的機(jī)械性能，一般調(diào)質(zhì)處理，如做汽輪機(jī)葉片等；30Cr13、40Cr13鋼因碳含量增加，強(qiáng)度和耐磨性提高，但耐蝕性降低，可以用于制造醫(yī)療器械和廚房刀具，如手術(shù)刀等。Cr13型不銹鋼的另一外不足是硬度低、耐磨性不好，這就是一些家用刀具容易鈍的原因。近來一些廠家使用68Cr17Mo取得了成功。

12Cr13（410）、20Cr13（420）醫(yī)療器械

30Cr13、40Cr13、68Cr17（440）菜刀是百姓日常生活必備的廚房刀具，非合金