构造用合金钢介绍

构造用合金钢介绍

构造用合金钢是指使用在构成机械的零件或建筑土木等各项工程结构上的钢料，例如：大型机械轴、压力容器、高层建筑、桥梁钢架或高强度螺栓、齿轮等。这些场合所需要的材料特性为：较高的抗拉强度、伸长率、冲击值、疲劳限度等，同时也需要具备良好的铸造、锻制、切削或焊接的能力，以符合应用上的需要。

实用上，构造用合金钢由于使用的场合不同，一般区分为非热处理型和热处理型两类，前者大多是属于低含碳量和低合金量，构成之后也无法再实施热处理，大多用于车架或车箱、火车及船体，它包括高强度低合金钢、易切钢等。后者多属于热处理用中合金钢，大多用于机械组件例如：曲柄轴、高强度螺栓等，其中加入合金元素，主要是可以增进钢的硬化能及降低质量效果，而经由热处理则可以得到更强韧的机械性质，这类钢料包括镍钢、铬钢、镍铬钢、铬钼钢、镍铬钼钢等。

1、高强度合金钢(HSLA Steel)

高强度低合金钢主要是替代在构造上使用的低碳钢，由于工程结构上使用的钢料大多需要焊接，如果使用高碳钢，容易使焊道在焊接冷却时产生淬火脆化的麻田散铁组织，因此为避免材料因热影响而转劣，必须使用较低含碳量但强度较高的材料，高强度低合金钢就是一

此要求而发展出来。

这种钢料是将少量特殊元素固溶在钢中，尤其是在低碳钢中占绝大部分的肥粒铁基地，使之强化而改变钢的机械性质，增进其机械强度。由于大型结构物焊接完成之后都难以热处理，所以在正常化或是轧延状态就要有高强度，也就是以固溶的方式在制造材料时就已完成强化。

高强度低合金钢的种类很多，一般抗拉强度必须在50kg/mm2以上，高强度低合金钢的分类通常是以机械性质如：抗拉强度、降伏强度、延伸率等区分，而不是以成份来区分。添加的元素为以Mn、Si、Nb、V、N影响较大，Co、Cr的影响较小。高强度低合金钢由于强度高出普通碳钢甚多，因此对于同样的负荷而言，可以使用较小的断面，因而整体重量也可以减轻。

使HSLA钢之强度增强的方法，除了加入少量的合金元素，在轧钢厂中经由特殊的轧延及冷却过程中也可以加入。具备良好加工成形性的HSLA钢除了特有的合金元素外，另外还加入有稀土金属元素，例如：Ce、Nb、La等，此外，如: Co、V、Ti也有效果。制程方面，也可由降低加工硬化的速度或降低对应变速度、微化晶粒等来改进加工成形性。

加工成形性的需求，主要是为了适应诸如：汽车、船舶等结构成形的需要。早期HSLA钢在耐蚀性表现甚佳，但是为了改善加工成形性，因而必须牺牲一些防蚀能力，以换取较佳的成形性，又由于HSLA 钢所做成的机件比由普通碳钢所做成的机件更薄，因此一旦生锈，氧

化的锈层会使HSLA钢能承受荷重的断面大受影响。因此需加入像Cu 等能改进大气耐蚀性的元素进行，但由于会增加成本，因此后来的作法，是在HSLA钢之表面镀锌或其他防锈的表面处理，以增加其耐蚀性。

HSLA钢在汽车工业的应用上，它不但可以取代传统的普通低碳钢，也更可以使用较薄的断面而不致于降低强度、耐蚀性及抗拉强度，目前小汽车所使用的高张力钢板就属于HSLA钢，其厚度约在0.6mm 或更厚。其他如：货车、营建机械和其他重吨位车辆皆可使用HSLA 钢的薄板或厚板来做车架或车体构件。用于这些用途的HSLA之钢板原大致为1.5mm或更厚。构造用HSLA钢，且可用于沿海之钻油机、电力输送机、火车及船体。

2、易切钢(Free-machining steel)

易切钢是为了改善切削性和切削加工表面而发展的一种钢料，主要使用于在强度较低的小型零件。由于经济及迅速切削的需求，加上自动切削机械的发展，因此在不特别要求强度的小型零件，就可以采用此种钢来制造。

改善钢切削性的方法有：在钢中加入合金元素，以弛力退火减少残留应力或调整显微组织的性质等，而易切钢主要就是在钢中添加磷、硫、铅等合金元素的方法。加硫0.1~0.25%的易切钢称为硫易切钢，加铅0.1~0.3%的易切钢称为铅易切钢。

由于加硫可以与钢中的锰形成MnS，使得切屑变小且没有黏滞

性，因此可以改良切削性，添加磷可以使钢质变脆，可以增加切削加工面的光滑度，加铅也可以使切屑变小，并有润滑作用，但由于硫及磷对机械性质有害，因此这种钢料多用在不重视强度的螺丝及螺帽等。

此外，如钙Ca、碲Te、硒Se、铋Bi也都有改善切削性的功能，Ca易切钢是炼钢时用Ca脱氧，其能形成易切的原理与S、P和Pb 不同，Ca易切钢是脱氧时的生成物，在切削时熔着于切刃边，能产生减少磨擦的作用，而且具有保护刀具，增加刀具寿命的功能。

3、热处理用合金钢

上一节曾经提到，在肥粒铁基地中加入合金元素，可以改良在正常化状态使用的钢之性质，但是如果要更充分的发挥这一类合金钢的机械性质，以得到更高的硬度、强度和韧性，就应该实施淬火及回火处理，只是由于大型结构物可焊性的要求和不易实施热处理的特性，因此合金元素的作用主要是在固溶于肥粒铁，而达到强化的目的(这

样的方式称为固溶强化)。

热处理用合金钢大多是应用于机械构成的零件，例如：曲柄轴、齿轮、强力螺栓、键、销等，这些组件注重强度，而且接合的方式也大多不使用焊接，因此假如能利用热处理，使这一类合金钢形成回火麻田散铁的组织而加以应用，就可以得到兼具强、韧的效果。热处理用合金钢就是在碳钢中加入合金元素，并且经由热处理而可以得到强韧性质的钢料，因此也称为强韧钢。

碳钢如果用于构造上有两个主要的缺点：一是硬化能较差、质量

效果大，另一是回火时机械强度降低甚大。

前面提过，硬化能是指淬火后，距离淬火端硬度降低的程度。质量效果是指当尺寸较大的零件，在淬火时其中心部份得到硬化效果的难易程度。质量效果大的材料，淬火时中心的硬度降低甚快，这样的现象在碳钢比较显著。而如果碳钢中加入了特殊元素，恒温变态曲线(S曲线)就会右移，如此在相同的冷速下，中心也可以得到相当的硬度。因此加入适当的合金元素就可以使钢料容易得到淬火的效果，增高硬化能而减少质量效果。

其次，某些特殊元素不但可以改善硬化能，发挥淬火的效果，在回火处理时也可以减少硬度、强度受到的影响，即使回火到较高的温度，也可以得到强度及韧性高的组织。

现在我们已经暸解，在构造用合金钢中加入合金元素的目的，主要是增进硬化能及抵抗回火软化。在合金钢所加入的元素中，Cr、Mn、Mo的效果较大，其次是Ni，由于Ni的价格较高，因此如果只为减小质量效果或增加硬化能，就不需要添加Ni，而添加价格较低且效果好的Mn、Cr、Mo。

合金元素对硬化能的影响，大致可以由硬化能倍数(multiplying factor)看出，硬化能倍数大的元素，增加钢的硬化能也愈大。许多合金元素如P、Si对于钢硬化能也有帮助，但是有其添加的限制，所以并不适合。

在钢中添加Si也可以减缓回火软化的现象，但是与Cr或Mo比较就可以发现，添加Cr或Mo除了使回火软化减缓之外，在较高温

回火的情况下，还会产生二次硬化的现象，而使硬度能够再度上升。这种二次硬化的现象，在钨W、钒V等元素也有类似的现象，W、V 是合金工具钢的重要元素，二次硬化的现象对于工具钢会产生特殊的切削效果，这一部份将在下一节详细说明。

热处理用合金钢，因其使用目的的不同，所添加的合金元素和合金含量也不同，常用的热处理用合金钢有：镍钢、铬钢、钼钢、镍铬钢、铬钼钢、镍铬钼钢等。要特别注意的是，即使在这里合金元素的种类与随后要说明的某些特殊钢(例如：不锈钢)类似，但含量较少，所以效果也不一样。

1．Ni钢

钢中添加镍可以增加钢的强度，但是在淬火硬度上并没有很大的改善，同时在回火软化的抵抗性质上也并没有明显增加，加上镍的价格较高，因此单纯加镍的镍钢最近已不常用，Ni钢在钢料编号上是属于SAE 2XXX系，JIS对镍钢则不作规定。

Ni钢中镍的添加量约为3~5%，主要优点是可以增加钢的低温强度降低钢的转脆温度(Transition temp.)，同时也可以作为渗碳用钢。2．Cr钢

碳钢中加入1%铬左右，可以增加钢的硬化能和回火软化抵抗性，铬钢一般是由830℃~880℃淬火于油中，再回火于550℃~650℃附近，由于这种钢料在回火时容易产生材质变脆的现象(称为回火脆性)，所以在回火之后必须冷却于水中或油中以避免产生回火脆性，这类钢的直径如果大于60mm，就不容易得到充分的淬火效果。铬钢在钢的编

号上属于SAE 5XXX系，JIS编号为SCrxx。

铬钢经热处理淬火、回火后，硬度高、耐磨而且耐冲击，主要的用途有：挖土机重机械的钢齿、机斗、碎石机械等。

3．Mo钢

Mo的硬化能效果很大，因此淬火硬化的有效距离很大。Mo对于回火时软化的抵抗性也很好，因此可以经过高温回火，而得到极佳的强度和韧性。

钼钢含Mo量约0.2%~0.3%，另外含有少量Mn等元素，焊接性好，在钢料编号上属于SAE4XXX系，主要用途有：手工具、小型机械零件、螺栓等。

4．Ni-Cr钢

钢中加铬可以增加硬化能，但是Cr含量在超过1%以上时，效果就不会再增加，因此如果需要更好的硬化能，添加Ni是一种方法，因为Ni能有效的增加肥粒铁的强度和韧性。

Ni-Cr钢的镍含量约1%~3. 5%，铬含量约0.5%~1.0%。另外，由于铬及镍加入钢中，还有防腐蚀的效果，当铬、镍含量更高时，最主要的效果就变成以防蚀为主，而不是硬化能。在耐蚀钢中，含铬18%、镍8%的高合金钢，我们称为18-8钢，就是一种常用的不锈钢。

Ni-Cr钢在钢料编号上属于SAE3XXX及SAE43XX系，JIS编号为SNCXX，在构造用合金钢中，Ni-Cr钢是其中较为常用的，通常用于制造曲柄轴、连杆、齿轮等。

5．Cr-Mo钢

含有铬和钼的合金钢硬化能大、回火抵抗性高，而且较不会产生回火脆性，所以是一种用途很广的材料。

Cr-Mo钢是在含Cr量1％的钢料中，再添加0.15%~0.30%的Mo，某些场合可以替代Ni-Cr钢，在钢料的编号上是属于SAE41XX系，JIS编号为SCMXX。

Cr-Mo钢使用的场合，例如：汽车曲轴、锻造或机制的轴、轴环和叶轮等。

6．Ni-Cr-Mo钢

Ni-Cr-Mo钢是综合Ni、Cr、Mo三种合金元素的优点，其中添加元素分别为0.4%~3.5%Ni、0.4%~3.5%Cr、0.15%~0.70%Mo。Ni-Cr-Mo钢具有极佳的硬化能，淬火有效直径可以达200mm，淬火效果很好，此外Ni-Cr-Mo钢对于回火软化的抵抗性大，又因Mo可以显著改善Ni-Cr钢高温回火脆性的缺点，因此能回火至相当的高温，而得到优良的强韧性，所以Ni-Cr-Mo钢可以说是构造用合金钢中最优秀的。

Ni-Cr-Mo钢质量效果小，从淬火温度以空气冷却也可以淬硬，因此又称为自硬性钢(self hardening steel)或风硬性钢(air hardening steel)，一般由850℃~950℃冷却于空气中或淬火于油中，再回火于550℃~650℃，如果含Mo量高，回火后不须急冷。Ni-Cr-Mo 钢也适于大型零件，其钢料编号为SAE 8XXX，JIS编号为SNCMXX，用于大型轴、曲柄轴、高强度螺栓，以致于中小型轴或内燃机连杆等。

表2 碳钢与典型镍铬钼钢机械性质的比较