第07章合金钢.ppt.ppt
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1、第7章 合 金 钢,所谓合金钢,就是在碳钢的基础上,为了改善钢的某些性能,在冶炼时有目的地加入一些合金元素的钢。钢中加入的合金元素主要有:硅、锰、铬、钨、镍、钼、钒、钛、硼和稀土元素等。,7.1 合金钢的分类,合金钢的分类方法很多,但常用下面几种分类方法。(1)按化学成分分类。按钢中所含合金元素的种类可分为锰钢、硅钢、硅锰钢和铬锰钛钢等。按钢中合金元素总含量可分为:低合金钢,合金元素总含量小于5%;中合金钢,合金元素总含量5%10%;高合金钢,合金元素总含量大于10%。(2)按用途分类。合金结构钢。合金工具钢。特殊性能钢。,7.2 合金元素在钢中的作用,7.2.1 合金元素对钢中基本相的影响7
2、.2.1.1 形成合金铁素体大多数合金元素(除铅外)都能溶入铁素体,形成合金铁素体。由于合金元素与铁的晶格类型和原子半径的差异,必然引起铁素体晶格畸变,产生“固溶强化”,使铁素体的强度、硬度提高,但塑性、韧性下降。如图7-1和7-2所示。在退火、正火、调质状态下,铁素体是大多数钢中的基本组织,所以合金元素通过形成合金铁素体而影响钢的性能。,图7-1 合金元素对铁素体硬度的影响,图7-2 合金元素对铁素体韧性的影响,7.2.1.2 形成合金碳化物锰、铬、钨、钒和钛等元素与碳能形成碳化物。根据合金元素与碳的亲和力不同,将形成的碳化物分为两类。(1)形成合金渗碳体。弱碳化物形成元素(如锰)或中强碳化
3、物形成元素(铬、钼和钨等)在钢中含量不多时,一般都倾向于形成合金渗碳体。(2)形成特殊碳化物。强碳化物形成元素(如钒、铌和钛等)或中强碳化物形成元素在钢中含量足够高(5%)时,形成与渗碳体晶格不同的特殊碳化物,如VC、NbC、TiC、WC和MoC等。特殊碳化物比合金渗碳体具有更高的熔点、硬度、耐磨性和稳定性,能显著提高钢的强度、硬度和耐磨性。合金元素与碳亲和力的强弱排列为:Fe、Mn、Cr、Mo、W、V、Nb、Zr、Ti等。,7.2.1.3 形成合金奥氏体合金元素在加热时都能溶入奥氏体中,形成合金奥氏体,引起固溶强化。所以大部分合金钢在高温奥氏体状态下压力加工时,比碳钢的变形抗力大。,7.2.
4、2 合金元素对Fe-Fe3C相图的影响,7.2.2.1 对奥氏体相区的影响(1)扩大奥氏体相区。Ni、Mn、Co和Cu等合金元素加入钢中后将扩大奥氏体单相区,如图7-3(a)所示。若钢中含有大量的Ni或Mn等扩大奥氏体相区的元素时,有可能将相图中的奥氏体相区延展到室温以下。此时钢在室温时的组织为奥氏体,这种钢称为奥氏体钢。如1Cr18Ni9Ti和ZGMn13均为奥氏体钢。(2)缩小奥氏体相区。Cr、W、Mo、V、Ti、Al和Si等合金元素加入钢中后将缩小奥氏体单相区,如图7-3(b)所示。若钢中含有大量的Cr和Si等缩小奥氏体单相区的元素时,会使奥氏体相区完全消失,此时钢在室温下的平衡组织是铁
5、素体,这种钢称为铁素体钢。如1 Cr17为铁素体钢。,(a)Mn对Fe-Fe3C相图的影响(b)Cr对Fe-Fe3C相图的影响图7-3 合金元素对Fe-Fe3C相图的影响,7.2.2.2 对S、E点位置的影响溶入奥氏体中的大多数合金元素均使S、E点左移。S点左移表明共析点含碳量降低,使含碳量相同的碳钢与合金钢具有不同的组织和性能,如在退火状态下合金钢中珠光体含量较多,其强度也较高。E点左移表明出现莱氏体的含碳量降低,有可能在钢中出现莱氏体。如高速钢中含碳量仅为0.7%0.8%(远低于2.11%),但在铸态组织中却出现合金莱氏体组织。7.2.2.3 对共析转变温度A1的影响凡扩大奥氏体相区的合金
6、元素如Ni、Mn、Co和Cu等,均降低A1温度;凡缩小奥氏体相区的合金元素如Cr、W、Mo、V、Ti、Al和Si等,都能提高A1温度。因此大多数合金钢的奥氏体化温度比相同含碳量的碳钢高,即除含较多Ni和Mn等元素的合金钢外,多数合金钢的热处理温度要高一些。,7.2.3 合金元素对钢热处理的影响,7.2.3.1 合金元素对钢在加热时组织转变的影响合金钢加热时的奥氏体化过程与碳钢相同,也包括奥氏体形核与长大、未溶渗碳体的溶解、奥氏体成分的均匀化4个过程。奥氏体化过程与碳的扩散能力有关,除钴和镍等元素外的大多数合金元素均使碳的扩散能力降低,尤其是强碳化物形成元素所形成的特殊碳化物,能阻碍碳的扩散。所
7、以,大多数合金钢为获得成分均匀的奥氏体,需提高加热温度和延长保温时间。又因形成的碳化物在高温下较稳定,且呈弥散质点分布于奥氏体晶界上,能阻碍奥氏体晶粒长大,因此,合金钢热处理后的晶粒比相同含碳量的碳钢更细小,其性能较高。,7.2.3.2 合金元素对钢在冷却时组织转变的影响1合金元素对过冷奥氏体等温转变的影响除钴、铝外的合金元素溶入奥氏体后,均不同程度地阻碍碳的扩散,使奥氏体的稳定性增加,从而使C曲线右移。碳化物形成元素Cr、W、Mo和V等溶入奥氏体后,不仅使C曲线右移,而且改变了C曲线的形状,使C曲线明显地分为珠光体转变区和贝氏体转变区,如图7-4所示。,(a)非碳化物形成元素(b)碳化物形成
8、元素图7-4 合金元素对C曲线的影响,由于合金元素使C曲线右移,因而降低了淬火临界冷却速度,增加了钢的淬透性。特别是多种合金元素同时加入钢中,对提高淬透性的作用比单纯加入某一种元素的效果更显著。因此,淬透性好的钢大多采用“多元少量”的合金化原则。2合金元素对马氏体转变的影响除Co、Al外,溶入奥氏体中的合金元素都使马氏体转变温度Ms和Mf点下降,其中锰的作用最显著,如图7-5所示。从而增加了淬火后钢中残余奥氏体量,如图7-6所示。,图7-5 合金元素对马氏体开始转变温度Ms点的影响,图7-6 合金元素对残余奥氏体量的影响(含1.0%C的钢在1150淬火),7.2.3.3 合金元素对淬火钢回火转
9、变的影响1提高钢的回火稳定性 淬火钢在回火时,抵抗硬度、强度(软化)下降的能力称为回火稳定性。大多数合金元素,尤其是强碳化物形成元素,对原子扩散起阻碍作用,延缓了马氏体分解。因此,在相同回火温度下,合金钢的强度、硬度比相同含碳量的碳钢高,即合金元素提高了钢的耐回火性。2回火时产生二次硬化含有较多的Cr、W、Mo和V等碳化物形成元素的合金钢,在500600回火时,将从马氏体中析出特殊碳化物,如Cr7C3、W2C、Mo2C和VC等。这类碳化物硬度高、颗粒细小、数量多、分布均匀,使钢回火后硬度有所提高,称此现象为“二次硬化”。另外,某些合金钢在回火时,残留的奥氏体将要转变成马氏体或贝氏体,提高了硬度
10、,也是产生二次硬化的一个原因。,7.3 合金结构钢,7.3.1 工程结构用合金钢低合金结构钢是在低碳钢的基础上加入少量合金元素的工程用钢。常加入的合金元素有硅、锰、钛、铌和钒等,其总含量不超过3%。常见的低合金结构钢的牌号、成分、性能、用途见表7-1和表7-2。,7.3.2 机械结构用合金钢,其牌号原则是依据国家标准GB307788的规定,采用“两位数字+化学元素符号+数字”的方法。前面的两位数字表示平均含碳量的万分数,所含合金元素用其化学元素符号表示,元素符号后面的数字表示它的含量,以百分数表示。当合金元素含量低于1.5%时,钢号中一般只标出元素符号而不表明含量。若为高级优质钢,则在钢号后面
11、加“A”。滚动轴承钢是一类专用钢,为了表示钢的用途,在钢号后面冠以“G(“滚”字的汉语拼音首字母)+Cr+数字+化学元素符号+数字”。牌号中不标含碳量,Cr后面的数字表示铬含量的千分之几。,7.3.2.1 合金渗碳钢用于制造渗碳零件的钢称为渗碳钢。许多机械零件如汽车、凸轮和活塞销等是在冲击力和表面受到强烈摩擦、磨损条件下工作的,因此,要求零件表面有高的硬度和耐磨性,心部有足够的强度和韧性。对这些要求较高的渗碳件应采用合金渗碳钢制造。合金渗碳钢属于表面硬化合金结构钢。1化学成分合金渗碳钢的含碳量为0.1%0.25%,属于低碳钢,这样低的碳含量可保证渗碳零件心部具有足够的韧性和塑性。加入铬、镍、锰
12、和硼可提高淬透性;加入少量钛、钒、钨和钼等碳化物形成元素,以阻碍奥氏体晶粒长大,起细化晶粒的作用。,2热处理特点(1)预先热处理。渗碳钢在锻压后采用正火,可改善切削加工性能。(2)最终热处理。渗碳钢的最终热处理一般是渗碳后淬火、低温回火。表层组织为高硬度、高耐磨性的高碳回火马氏体和合金碳化物,其硬度为5864HRC;心部组织则取决于钢是否淬透,全淬透时是低碳回火马氏体,未淬透时可能是屈氏体与低碳马氏体或铁素体与低碳马氏体的混合组织。,3常用的牌号、成分、性能、热处理特点和用途 常用渗碳钢的牌号、成分、性能、热处理特点和用途见表7-3。其中典型钢种有20Cr、20MnV和20CrMnTi等。表中
13、低淬透性钢是指水淬临界淬透直径为2035mm;中淬透性钢是指油淬临界淬透直径为2560mm;高淬透性钢是指油淬临界淬透直径为100mm以上。由于低碳马氏体具有高强度的同时,还具有良好的韧性与塑性,因而近年来,我国有些工厂采用渗碳钢直接进行淬火和低温回火,以获得马氏体组织,制造某些要求综合力学性能较高的零件(如传递动力的轴和重要的螺栓等)。,7.3.2.2 合金调质钢合金调质钢是指经调质处理后使用的合金钢。主要用于制作要求综合力学性能好的重要零件,如机床主轴、汽车半轴、连杆和齿轮等。1化学成分 合金调质钢的含碳量为0.25%0.5%。含碳量过高,则韧性不足;含碳量过低,则强度、硬度不够。要求较高
14、强度、硬度为主的零件,应选上限;要求较高塑性、韧性的零件,应选下限。常用钢的含碳量为0.4%左右。加入的合金元素均能提高淬透性;加入的W、Mo、V和Ti等碳化物形成元素可细化晶粒、提高回火稳定性。,2热处理特点(1)预先热处理。为改善合金调质钢锻造后的组织和切削加工性能,一般可在切削加工前进行退火或正火处理。(2)最终热处理。最终热处理一般是淬火、高温回火,回火后的组织为回火索氏体,以获得良好的综合力学性能。另外,某些零件不仅要求有良好的综合力学性能,而且在某些部位还要求硬度高、耐磨性好,对于这类零件在调质后,还可进行表面淬火及低温回火,或氮化处理。3常用的牌号、成分、性能、热处理特点和用途常
15、用调质钢的牌号、成分、性能、热处理特点和用途见表7-4。其中典型钢种有40Cr、40CrMn和40CrNiMo等。,7.3.2.3 合金弹簧钢合金弹簧钢主要用来制造各种机械和仪表中的弹簧。弹簧在冲击、振动或周期性弯曲和扭转等交变应力下工作,常产生疲劳破坏。因此,要求弹簧具有高的弹性极限、疲劳强度、足够的韧性,良好的淬透性、耐蚀性和不易脱碳性等。一些特殊用途的弹簧钢还要求有高的屈强比。1化学成分合金弹簧钢的含碳量一般为0.5%0.7%。加入合金元素锰、硅、铬、钼和钒等主要是提高淬透性、回火稳定性和强化铁素体,从而提高钢的弹性极限和屈强比,但硅易使钢脱碳和产生石墨化倾向,使疲劳强度降低。加入铬、钼
16、、钒可防止脱碳,并能细化晶粒,提高屈强比、弹性极限和高温强度。,2热处理特点因弹簧成形工艺不同,故热处理特点也不同。(1)热成形弹簧的热处理特点。当弹簧直径或板簧厚度大于10 mm时,常采用热态下成形,将弹簧加热至比正常淬火温度高5080进行热卷成形,然后利用余热立即淬火、中温回火,获得回火托氏体,硬度为4048HRC,具有较高的弹性极限、疲劳强度和一定的塑性与韧性。以钢板为例,其生产工艺路线大致如下:扁钢剪断加热压弯成形后淬火、中温回火喷丸装配。弹簧的表面质量对使用寿命影响很大,因为微小的表面缺陷(如脱碳、裂纹、夹杂和斑疤等)即可造成应力集中,使钢的疲劳强度降低。因此,弹簧在热处理后还要进行
17、喷丸处理来强化表面,使弹簧表层产生残余压应力,以提高其疲劳强度。试验证明,采用60Si2Mn钢制作的汽车板弹簧经喷丸后,寿命可提高56倍。,(2)冷成形弹簧的热处理特点。当弹簧直径或板簧厚度小于10 mm时,常采用冷拉钢丝或弹簧钢带冷卷成形。按制造工艺不同,冷拉弹簧钢丝有3种。铅浴等温处理冷拉钢丝:钢丝在冷拉过程中经过一道快速等温冷却的工序,然后冷拉到所要求的尺寸。油淬回火钢丝:将钢丝冷拔到规定尺寸后连续进行淬火和中温回火。退火状态供应的合金弹簧丝:此类钢丝是退火状态供应的合金弹簧丝。钢丝经冷卷成形后,应进行淬火和中温回火,才能达到所需性能。一般回火时间为30min,时间再长也不会使性能进一步
18、改善。几种钢丝冷卷弹簧后的去应力回火温度范围见表7-5。,表7-5 冷卷钢丝弹簧去除内应力回火温度,3常用的牌号、成分、性能、热处理特点和用途常用弹簧钢的牌号、成分、性能、热处理特点和用途见表7-6。其中应用最广泛的是60Si2Mn钢,其淬透性、弹性极限、屈服点和疲劳强度均较高,价格较低。主要制作截面尺寸较大的弹簧。50CrVA钢的力学性能与60Si2Mn刚相近,但淬透性更高,且铬和钒能提高弹性极限、强度、韧性和耐回火性。常用于制作承受重载荷及工作温度较高、截面尺寸大的弹簧。,7.3.2.4 滚动轴承钢滚动轴承钢主要用于制作滚动体(滚珠、滚柱、滚针)和内、外套圈等,是专用结构钢。滚动轴承运转时
19、,套圈与滚动体之间为点或线接触,接触面要承受极高的交变载荷和强烈的滚动与摩擦,易使工作表面产生接触疲劳破坏和磨损。因此要求轴承钢具有高的硬度、耐磨性、弹性极限和接触疲劳极限,足够的韧性和耐蚀性。1化学成分滚动轴承钢的含碳量一般为0.95%1.15%。高的含碳量是为了保证高的硬度、耐磨性和强度。含铬量为0.4%1.65%,以提高淬透性,并使钢热处理后形成细小弥散分布的合金渗碳体,提高钢的强度、硬度、接触疲劳强度、耐磨性和耐蚀性。对于大型轴承钢,可加入硅和锰等,以进一步提高钢的淬透性,提高强度和弹性极限,2热处理特点(1)预先热处理。为降低锻造后钢的硬度、改善切削加工性能并为最终热处理作好组织准备
20、,首先要进行球化退火。球化退火后的组织是铁素体和均匀分布的细粒状碳化物。若钢原始组织中有粗大的网状渗碳体,应在球化退火前进行正火,以消除之。(2)最终热处理。淬火加低温回火是最终决定轴承钢性能的重要工序。目的是提高钢件的硬度、强度及耐磨性,并获得必要的韧性。最终热处理后的组织为回火马氏体基体、细小而均匀分布的球状碳化物和少量残余奥氏体,硬度为 6165HRC。对于精密轴承零件,为了稳定尺寸,可在淬火后立即进行冷处理(-60-80),以减少残余奥氏体,然后进行低温回火,消除应力,并在精磨后进行120130保温1015h的时效处理。,7.3.3 铸造合金钢,在“ZG”后面的一组数字表示铸钢平均含碳
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