第五章合金钢

• 3、特殊性能钢 • 这类钢牌号前面数字表示碳质量分数的千 分数。例如3Crl3钢，表示平均含碳量为wc ＝0.3％，平均wCr＝13％。当碳的质量分 数wc≤0.03％及wc≤0.08％时，则在牌号前 面分别冠以“00”及“0”表示，例如 00Cr17Ni14Mo2，0Cr19Ni9钢等。
• 4、滚动轴承钢 在牌号前面加“G”(“滚”字汉语拼音的首 位字母)，后面数字表示铬的质量分数的千 倍，其碳的质量分数不标出。例如GCr15 钢，就是平均铬的质量分数Cr＝1.5％的滚 动轴承钢。铬轴承钢中若含有除铬外的其 它合金元素时，这些元素的表示方法同一 般的合金结构钢。滚动轴承钢都是高级优 质钢，但牌号后不加“A”。
第二节 合金元素在钢中的主要作用
5.2.1 合金元素与钢的作用
一是溶解碳钢原有相中；二是形成新相。
存在形式决定于元素与碳亲和力、数量和性 质。
1、溶入原有相：
1）溶入F（α 相）形成合金F：非碳化物元素 和部分弱碳化物元素； 例如：Mn、Ni、Co、Si、Al、B 产生固溶
合金元素对铁素体相性能的影响
渗 碳 炉
⑵ 良好的热处理性能,如 淬透性和渗碳能力。
渗碳件—传动齿轮
三、合金渗碳钢
2、成分特点 ⑴ 低碳：0.1~0.25%C ⑵ 合金元素作用： ① 提高淬透性： Cr、Mn、Ni、B ② 强化铁素体： Cr、Mn、Ni ③ 细化晶粒： W、Mo、Ti、V
渗碳件 高精密 独立导 柱
三、合金渗碳钢
增压柴油机曲轴 汽 车 变 速 箱 齿 轮
四、合金弹簧钢
制造弹簧或类似性能零件的钢种。
1、性能要求
弹簧是利用弹性变形储存能量或 缓和冲击的零件。 （1）高的σe，σs/σb； （2）高的σ-1；足够的塑性和韧性 （3）高的淬透性。
四、合金弹簧钢
2、成分特点
⑴ 中高碳： 碳素弹簧钢为0.6~0.9%C 合金弹簧钢为0.5~0.7%C
5.1.1合金钢的分类
• 1、按用途分类 • （1）合金结构钢。指用于制造各种机械零件和
工程结构的钢。主要包括低合金结构钢、合金渗 碳钢、合金调质钢、合金弹簧钢、滚动轴承钢 （2）合金工具钢。指用于制造各种工具的钢。 主要包括合金刃具钢、合金模具钢、和合金量具 钢等。 （3）特殊性能钢。指具有特殊物理化学性能的 钢。主要包括不锈钢、耐热钢、耐磨钢等。
Mn对奥氏体区的影响 S、E点左移，因而合金钢中 的共析体的含碳量就不再是0.77%
Cr对奥氏体区的影响
2. 使S、E点左移，并使A1线的温度变化。
合金元素对 S 点成分的影响
合金元素对A1线的影响
三．合金元素对钢的热处理的影响
1. 加热时对奥氏体形成的影响
① 减缓A化过程（Ni、Co除外）
合金碳化物熔点高、难分解，障碍C的扩
•
• 2、合金工具钢 这类钢的编号方法与合金结构钢的区别仅在于： 当c＜1％时，用一位数字表示碳的质量分数的千 倍；当碳的质量分数≥1%时，则不予标出。例如 Cr12MoV钢，其平均碳的质量分数为?c=1.45％ ~1.70%，所以不标出；Cr的平均质量分数为12 ％，Mo和V的质量分数都是小于1.5%。又如 9SiCr钢，其平均?c=0.9％，平均?Cr均＜1.5％。 不过高速工具钢例外，其平均碳的质量分数无论 多少均不标出。因合金工具钢及高速工具钢都是 高级优质钢，所以它的牌号后面也不必再标“A”。 • 高速工具钢是工具钢的一类，通常用作高速切削 工具，简称高速钢,俗称锋钢。 • 编号与合金工具钢基本相同。主要区别是钢中平 均含碳量Wc<1%时也不标数字。
滚针轴承
滚珠轴承
大 型 轴 承
第四节
一、合金刃具钢 二、合金模具钢 三、量具用钢
刃具
合金工具钢
模 具
量具
一、合金刃具钢
用来制造各种切削刀具的钢种。
切削加工
1 、性能要求 （1）高硬度：（60HRC以 上），主要取决于含碳量。 （2）高的耐磨性：靠高硬度和 析出细小均匀硬碳化物来达 到。 （3）高的热硬性（红硬性）： 即高温下保持高硬度的能力。
除 Co、Al 元素外， 所有的合金元素都使马氏体转变
度下降。
3、对M转变的影响
• 除Co、Al之外，其余合金元素均使Ms、Mz 点下降。 结果增加A残量 例：W18Cr4V钢，淬火后A残量达25%； 处理办法：冷处理，多次回火
4、合金元素对回火转变的影响
– 提高钢的回火稳定性：Cr Mo W V Nb Si
5、常用钢号及用途
（1）Cr、V 、 W弹簧钢，如50CrV，用于大截面、大载荷、 耐热的弹簧。 （2）Si、Mn弹簧钢，如65Mn、60Si2Mn，用于制造较大截面 弹簧。
汽车板簧
大型热卷弹簧
五、滚珠轴承钢
用于制造轴承套和滚动体的专用钢种。
1、性能特点 轴承工作时, 承受接触应力
(达3000~3500MPa)、周期
弹簧丝
⑵ 合金元素作用： ①提高淬透性、强化铁素体：Mn、 Si、Cr ② 提高s/b：Mn，Si
③ 细化晶粒：V
汽车弹簧
四、合金弹簧钢
3、热处理及组织特点
⑴ 冷成型弹簧： 冷拔→冷成型→定型处理 (250~300℃)。 用于<φ10mm弹簧。 ⑵ 热成型弹簧：
冷卷螺旋压缩弹簧
汽车板簧淬火线
（4）具有一定的强度、韧性和 塑性，以防止脆断和崩刃。
一、合金刃具钢
2、成分特点： 合金刃具钢 ⑴ 高碳：0.9~1.1%C，保证高硬 度和耐磨性。 ⑵ 合金元素作用 ① 提高淬透性: Cr、Mn、Si
② 提高耐回火性：Si
③ 提高硬度和耐磨性、防止加热 时过热、细化晶粒: W、V
回火后63~65HRC。
W、Mo、V 等碳化物在550℃ 时，使钢达到最高硬度， 产 生二次硬化。
第三节
1、性能要求 （1）高强度及足够韧性。
合金结构钢
一、低合金结构钢（普通低合金钢）
（2）良好的焊接性能和冷成型性能。
（3）良好的耐蚀性及低的冷脆转变温度。
2、成分特点 （1）低碳：≤0.2%C。 （2）合金元素：主要是Mn，还有少量V、Ti、Nb等。 ① Mn的作用是强化铁素体；增加珠光体的量。 ② V、Ti、Nb等起细化晶粒和弥散强化作用。 ③ 另外加Cu、P可提高耐蚀性；加RE可提高韧性、疲劳 极限，降低冷脆转变温度。
④防止第二类回火脆性: W、Mo
二、合金调质钢
3、热处理及组织特点
调质件的加工工艺路线为：下料→锻造→退火→粗加工→调
质→精加工→装配 调质目的：获得良好综合力学性能 使用状态下的组织为：S回 为提高表面耐磨性，调质后可进行 表面淬火或氮化。
调质处理车间
回火索氏体
三、合金渗碳钢
1、性能要求 ⑴ 表面具有高硬度、高耐 磨性，心部具有足够相图的影响
影响A和F存在的范围 如1Cr18Ni9 Ti和Mn13，室温下只有单相A，
Mn、Ni、Co等扩大γ相区，扩大A存在的区域，
形成A钢。
Cr、Mo、W、V、Ti、Si缩小γ相区均缩小A存
在区域，有可能在室温下只有单相F存在而成
为F钢。 如1Cr17Ti高铬铁素体不锈钢
热成型→淬火+中温回火
使用状态下的组织：T回 用于大截面弹簧(>φ10mm)
四、合金弹簧钢
4、弹簧的表面质量
弹簧的表面质量对其寿命 影响很大。 提高表面质量的方法: ①防止表面脱碳；
②避免表面缺陷； ③进行喷丸处理，使表 面产生压应力。
板 簧 喷 丸 处 理 示 意 图
四、合金弹簧钢
3、常用钢种与牌号 低淬透性钢：20Cr、 20CrV。
活塞销(20Cr)
柴油机凸轮轴
用于受力小的
耐磨件，如柴油
机的活塞销、凸 轮轴等。
三、合金渗碳钢
3、常用钢种与牌号 中淬透性钢： 20CrMnTi。用于 中等载荷的耐磨 件，如变速箱齿 轮。 高淬透性钢： 18Cr2Ni4WA。 用于大载荷的耐 磨件，如柴油机 曲轴。
• 提高了回火温度，提高了韧性 • 同样的回火温度，硬度较高 原因：减缓碳的扩散和碳化物的长大，推 迟马氏体的分解。
（2）产生二次硬化：Mo W V Ti等合金元素 使钢在500~600℃回火时硬度升高的现象。
原因：1、A残发生向M的转变
2、析出弥散碳化物 例：W18Cr4V钢，淬火后
A残量达25%，硬度60~63HRC，
性交变载荷(频率达数万次/ 分)和摩擦。 ⑴ 高而均匀的硬度和耐磨性。
圆柱滚 子轴承
⑵ 高的b和接触疲劳强度。
⑶ 足够的韧性、淬透性和耐蚀性。
自动调 心轴承
五、滚珠轴承钢
2、成分特点
⑴ 高碳：0. 95~1.10%C ⑵ 合金元素：以Cr为主,加入
Mn、Si。
Cr、Mn、Si的主要作用是提 高淬透性；
5.1.2合金钢的牌号
合金钢牌号的一般命名原则
（1）合金钢的含碳量、合金元素的种类、合金元素的含量 均应在牌号中体现出来。 （2）两位数字（表示平均含碳量的万分之几）+合金元素 符号+该元素百分含量数字+……
（3）当合金元素的平均含量小于1.50%时，只标元素符号，
不标含量； 例：合金弹簧钢 60Si2Mn 含碳量 ~0.6%；硅含量 ~2%；锰含量 Mn~1%。 高级优质钢在牌号后加字母A，如60Si2MnA。 特级优质钢在牌号后加字母E，如30CrMnSiE。
• 1、合金结构钢 其牌号由“两位数字十元素符号+数字”三部分组 成。前面两位数字代表钢中平均碳质量分数的万 倍，元素符号表示钢中所含的合金元素，元素符 号后面数字表示该元素的平均质量分数的百倍。 合金元素的平均质量分数Me＜1.5%时，一般只标 明元素而不标明数值；当平均质量分数≥1.5％、 ≥2.5％、≥3.5%，„时，则在合金元素后面相应 地标出2， 3，4，„。例如40Cr，其平均碳的质 量分数c=0.4％，平均铬的质量分数Cr＜1.5％。 如果是高级优质钢，则在牌号的末尾加“A”。例 如38CrMoAlA钢，则属于高级优质合金结构钢。
二、合金调质钢
1、性能特点
(1)调质处理后具有高强度与很好塑性及韧性的配合，即具 有良好的综合力学性能。 ⑵良好的淬透性。 2、成分特点 ⑴ 中碳：0.25~0.5%C，以0.4%居 多 ⑵ 合金元素作用： ①提高淬透性: Mn、Si、Cr、Ni、B ②强化铁素体: Mn、Si、Cr、Ni
③细化晶粒: Ti、V
2、按合金元素的含量分 （1）低合金钢 合金元素总含量小于等 于5%； （2）中合金钢 合金元素总含量在 5%~10%之间； （3）高合金钢 合金元素总含量大于等 于10%；
• 3、按正火后的组织分类 • 将一定截面的试样，在静止空气中冷却后， 按所得组织分为珠光体钢、马氏体钢、奥 氏体钢、铁素体钢等。
推力球轴承
Cr还提高耐磨性（形成合金渗碳体） 和耐蚀性。 当>1.65%Cr时,会因A'增加而使硬
度和稳定性下降。
滚针 轴承
五、滚珠轴承钢
3、钢种和牌号 应用最广的是GCr15，大量用于大中型轴 承； 大型轴承用GCr15SiMn。 这类钢还可用于制造模具、量具等。
滚柱轴承
向心球 轴承
第五章
合金钢
第一节 合金钢概述
碳素钢：生产简单，价格低廉，种类齐全，但碳素钢 的强度较低，淬透性差，热硬性、耐磨、耐蚀、耐热 性、回火稳定性差。且不具有特殊的物理化学性能。 满足不了特殊工况的使用要求。 合金钢：为了改善碳素钢的力学性能、工艺性能或某 些特殊物理、化学性能，有选择地加入一些合金元素， 这类钢称为合金钢。常用合金元素有：锰、铬、镍、 硅、钼、钨、钒、钛、铌、铜、钴、锆、铝、錋等。
合金元素溶入铁素体后，产生固溶强化，使铁素体 的强度、硬度提高，但塑性、韧性都有下降趋势。
2、形成新相
多是碳化物形成元素，与碳的亲合力比较 强，形成合金碳化物。 常见有Cr23C6、Fe4W2C、WC、VC、 TiC等； 它们具有比渗碳体更高的熔点和更高的硬 度。 这些元素提高钢的强硬度、耐磨性，降低 塑、韧性。
散，热处理时要提高加热温度或延长保温
时间。
② 影响A晶粒长大
•
强烈阻止A晶粒长大的元素：铝、钛、铌、
2. 冷却时对过冷A转变的影响
除Co外，合金元素的加入使C曲线右移。即增大过冷
的稳定性，提高钢的淬透性。增强淬透性常用的元素 Cr、Mn、Mo、Si、Ni、B等。
合金元素还可能使C曲线形状发生改变，甚至出现两 C曲线