單元五合金鋼概述01合金元素在鋼中的作用02合金結(jié)構(gòu)鋼03合金工具鋼04特殊性能鋼05本章內(nèi)容鋼按其化學(xué)成分可分為碳素鋼和合金鋼兩大類。碳鋼具有較好的力學(xué)性能和工藝性能，且價(jià)格便宜，是機(jī)械行業(yè)中應(yīng)用較為廣泛的金屬材料，在碳鋼中有意添加Ni、Cr、W、Mo、V、Ti、B等元素或者Si、Mn含量超過(guò)碳鋼中含量標(biāo)準(zhǔn)的鋼稱為合金鋼。合金鋼可以滿足某些特殊的性能要求，如耐熱性、耐低溫性、耐腐蝕性、高磁性、無(wú)磁性、高耐磨性等，但也存在不足之處，例如，在鋼中加入合金元素會(huì)使其冶煉、鑄造、鍛造、焊接及熱處理等工藝趨于復(fù)雜，成本提高。因此當(dāng)碳鋼能滿足使用要求時(shí)，應(yīng)盡量選用碳鋼，以降低生產(chǎn)成本。項(xiàng)目目標(biāo)項(xiàng)目目標(biāo)了解常見合金鋼的組成及應(yīng)用；03了解合金鋼的分類，性能特點(diǎn)及應(yīng)用；01了解合金元素對(duì)鋼中的作用，重點(diǎn)掌握對(duì)鋼的性能的影響；02一、合金鋼的分類鋼的種類很多，有多種分類方法，常用的分類方法如下。按用途分類按照鋼的用途不同可分為合金結(jié)構(gòu)鋼、合金工具鋼和特殊性能鋼。合金結(jié)構(gòu)鋼：包括普通低合金鋼、滲碳鋼、調(diào)質(zhì)鋼、彈簧鋼、滾動(dòng)軸承鋼等。多數(shù)為低、中碳鋼。合金工具鋼：包括刃具鋼、模具鋼、量具鋼等。一般都是高碳鋼，且都是優(yōu)質(zhì)鋼或高級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼。特殊性能鋼：包括不銹鋼、耐熱鋼、耐磨鋼等。按合金元素含量分類（1）低合金鋼：合金元素的總含量在5%以下。（2）中合金鋼：合金元素的總含量為5%～10%。（3）高合金鋼：合金元素的總含量在10%以上。在合金鋼中，經(jīng)常添加的合金元素有錳（Mn）、硅（Si）、鉻（Cr）、鎳（Ni）、鉬（Mo）、鎢（W）、釩（V）、鈦（Ti）、鈮（Nb）、鋯（Zr）、稀土元素（RE）等。合金元素在鋼中的作用是非常復(fù)雜的，現(xiàn)在對(duì)它的認(rèn)識(shí)還很不全面。下面著重分折合金元素對(duì)鋼中基本相、Fe-Fe3C

相圖以及鋼的熱處理的影響。一、合金元素在鋼中的存在形式合金元素與碳的作用直接決定其在鋼中的存在形式。按與碳的親和力大小，可將合金元素分為兩類。（1）非碳化物形成元素：與碳的親和力很弱，一般不與碳化合。如鎳、硅、鋁、鈷、銅等。（2）碳化物形成元素：與碳的親和力依次由弱增強(qiáng)的元素有鐵、錳、鉻、鉬、鎢、釩、鈮、鋯、鈦等，與碳的親和力越強(qiáng)，所形成的碳化物愈穩(wěn)定。合金元素在鋼中以四種形式存在：①溶入鐵素體、奧氏體和馬氏體中，形成合金鐵素體，以固溶體的溶質(zhì)形式存在。②形成強(qiáng)化相，如溶入滲碳體形成合金滲碳體，形成金屬碳化物或金屬間化合物等。③形成非金屬化合物，如合金元素與O、N、S作用形成氧化物、氮化物和硫化物。④以游離狀態(tài)存在，如Pb、Cu等。二、合金元素對(duì)Fe-Fe3C相圖的影響由于多元相圖測(cè)試上存在困難，所以在很多情況下，往往借助于考察某一合金元素對(duì)鐵-碳二元系的影響來(lái)近似考慮多元系的情況。根據(jù)合金元素對(duì)鐵-碳相圖的影響，可以把合金元素的影響分為兩大類。圖5-2為合金元素對(duì)相區(qū)影響的示意圖。1.合金元素對(duì)相區(qū)的影響（1）擴(kuò)大γ相區(qū)的合金元素。Ni、Mn等元素是擴(kuò)大γ區(qū)的元素，它們使A4和NJ線升高，A3和GS線降低，使γ區(qū)增大，當(dāng)擴(kuò)大γ區(qū)的元素含量很高時(shí)，可把A3點(diǎn)溫度降至室溫以下，這時(shí)鋼在室溫下就得到奧氏體組織，稱為奧氏體鋼。如含13%Mn的Mn13耐磨鋼，含9%Ni的Cr18Ni9不銹鋼等，均屬奧氏體鋼。（2）縮小γ相區(qū)的元素。Cr、W、Mo、V、Ti、Al、Si等是縮小γγ區(qū)的元素，它們能使A4和NJ線下降，此時(shí)鋼在冷卻時(shí)便不發(fā)生組織轉(zhuǎn)變，室溫下組織鐵素體組織，稱為鐵素體鋼，如含17%～28%Cr的Cr17、Cr25、Cr28等鉻不銹鋼等，均屬鐵素體鋼。奧氏體鋼和鐵素體鋼具有特殊性能，如耐熱、耐腐蝕、耐低溫等。二、合金元素對(duì)Fe-Fe3C相圖的影響2、合金元素對(duì)臨界點(diǎn)的影響此外，無(wú)論是擴(kuò)大γγ區(qū)的合金元素，還是縮小γγ區(qū)的合金均使E點(diǎn)和S點(diǎn)左移，即降低共析點(diǎn)的含碳量及碳在奧氏體中的最大溶解度，如圖5-3所示。二、合金元素對(duì)Fe-Fe3C相圖的影響S

點(diǎn)左移，意味著降低了共析轉(zhuǎn)變點(diǎn)的含碳量，在含碳量相同的情況下，可得到更多的珠光體組織。例如，Wc=0.

4%的碳鋼為亞共析組織，當(dāng)添加了14%Cr

后，由于S點(diǎn)的左移，使得該合金鋼具有過(guò)共析鋼的平衡組織。E

點(diǎn)左移時(shí)，出現(xiàn)萊氏體的含碳量降低。如高速鋼中含碳量?jī)H0.

8%，但已出現(xiàn)萊氏體組織，這種鋼也稱為萊氏體鋼。二、合金元素對(duì)Fe-Fe3C相圖的影響合金結(jié)構(gòu)鋼按用途分為機(jī)器零件用鋼和工程構(gòu)件用鋼兩大類，是應(yīng)用很多的一類合金鋼。機(jī)器零件用鋼主要用來(lái)制造各類零件，如軸類、連桿類、齒輪等，一般需要經(jīng)過(guò)熱處理后使用。工程構(gòu)件用鋼用于各種工程結(jié)構(gòu)，如橋梁、船體、建筑等，這類鋼一般不需要熱處理，而直接在供應(yīng)狀態(tài)下使用。合金結(jié)構(gòu)鋼主要包括低合金結(jié)構(gòu)鋼、調(diào)質(zhì)鋼、滲碳鋼、彈簧鋼、滾動(dòng)軸承鋼等。一、低合金結(jié)構(gòu)鋼低合金結(jié)構(gòu)鋼是一種低碳結(jié)構(gòu)用鋼，合金元素含量較少，一般在3%以下，主要起細(xì)化晶粒和提高強(qiáng)度的作用。鋼中的硅和加入的錳固溶化鐵素體；釩和鈦等產(chǎn)生細(xì)晶強(qiáng)化和碳化物彌散強(qiáng)化；合金元素使相圖共析成分S點(diǎn)左移，增加了珠光體的數(shù)量。低合金結(jié)構(gòu)鋼的強(qiáng)度比普通碳素鋼高30%～50%，故又稱之為低合金高強(qiáng)度鋼。目前已大量用于橋梁、船舶、車輛、高壓容器、管道、建筑物等方面，以減輕重量，節(jié)約鋼材。表5-1列出了我國(guó)生產(chǎn)的幾種普通低合金結(jié)構(gòu)鋼的成分、性能及用途。表5-1普通低合金結(jié)構(gòu)鋼的成分、性能及用途。二、滾動(dòng)軸承鋼用于制造滾動(dòng)軸承的鋼稱為滾動(dòng)軸承鋼。根據(jù)滾動(dòng)軸承的工作條件，要求滾動(dòng)軸承鋼具有高而均勻的硬度和耐磨性，高的彈性極限和接觸疲勞強(qiáng)度，足夠的韌性和淬透性，同時(shí)在大氣或潤(rùn)滑劑中具有一定的抗蝕能力。此外，對(duì)鋼的純度（非金屬夾雜物等），組織均勻性，碳化物的分布狀況，以及脫碳程度等都有嚴(yán)格的要求，否則這些缺陷將會(huì)顯著縮短軸承的壽命。滾動(dòng)軸承鋼的牌號(hào)以“G”為標(biāo)志（G為“滾”字拼音字首），其后為鉻元素符號(hào)，該符號(hào)后面的數(shù)字表示含鉻量的千分?jǐn)?shù)，其余與合金鋼牌號(hào)規(guī)定相同。二、滾動(dòng)軸承鋼目前常用的是鉻軸承鋼，其含碳量為0.95%～1.15%，屬于過(guò)共析鋼，以此保證淬火后馬氏體的高硬度和碳化物的數(shù)量，提高耐磨性。加入0.40%～1.66%的鉻是為了提高鋼的淬透性和低溫回火時(shí)的回火穩(wěn)定性。對(duì)于大型軸承（如直徑>30～50mm的鋼珠），在GCr15基礎(chǔ)上，還可加入適量的Si（0.40%～0.65%）和Mn（0.90%～1.20%），以便進(jìn)一步改善淬透性，提高鋼的強(qiáng)度和彈性極限，而不降低韌性。此外，鉻軸承鋼對(duì)硫、磷含量限制極嚴(yán)（S<0.020%，P<0.007%），這是因?yàn)榱?、磷形成非金屬夾雜物，降低接觸疲勞極限。合金工具鋼按主要用途可分為三種：刃具鋼、模具鋼和量具鋼，按合金含量也可分為低合金工具鋼（合金總質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于3%）、中合金工具鋼（合金總質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%～10%）和高合金工具鋼（合金總質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于10%），它的性能比碳素工具鋼的淬透性、韌性、耐磨性和熱硬性都高。各類工具鋼并無(wú)嚴(yán)格的適用界限，可以交叉使用。一、刃具鋼刃具鋼主要指制造車刀、銑刀、鉆頭等切削刀具的鋼種。刀具的任務(wù)就是將鋼材或坯料通過(guò)切割，加工成為工件。在切削時(shí)，刀具受到工件的壓應(yīng)力和彎曲應(yīng)力，刃部與切屑之間發(fā)生相對(duì)摩擦，產(chǎn)生熱量，使溫度升高；切削速度越大，溫度越高，有時(shí)可達(dá)500～600℃；一般沖擊作用較小。因此，要求刃具材料有高的硬度和耐磨性，足夠的強(qiáng)度、塑性和沖擊韌性，高的紅硬性等。合金刃具鋼分為低合金刃具鋼和高速鋼。1.低合金刃具鋼這類鋼主要用來(lái)制造低速切削刃具（如車刀、銑刀、鉆頭等）、冷壓模具及量具等。鋼的含碳量一般為0.85%～1.5%，以使馬氏體中溶有足夠多的碳，并與合金元素形成足夠多的碳化物。主要加入的合金元素有Cr、Si、W和Mn等，主要是提高淬透性和回火穩(wěn)定性。一般低合金工具鋼中，含鉻量在1.6%以下。一、刃具鋼這類鋼供貨狀態(tài)均為球化退火，硬度不高，可機(jī)械加工成型，最后進(jìn)行淬火并低溫回火處理，得到高碳馬氏體和粒狀碳化物組織，從而保證性能要求。如果機(jī)械加工前進(jìn)行鍛造，則鍛后應(yīng)進(jìn)行退火處理，使組織均勻的同時(shí)也使碳化物球化，為淬火前的組織準(zhǔn)備。常見低合金鋼刃具的化學(xué)成分、熱處理及用途見表5.6。表5-6常用低合金刃具鋼的化學(xué)成分、熱處理及用途牌號(hào)化學(xué)成分（%）淬火回火用途舉例CMnSiCr其他溫度/℃介（質(zhì)HRC不低于）溫度/℃HRC9SiCr0.85~0.950.3~0.61.2~1.60.95~1.25850~870油62190~20060~63板牙，絲錐，絞刀，搓絲板，冷沖模等CrWMn0.9~1.050.8~1.10.15~0.350.9~1.21.2~1.6W820~840油62140~16062~65長(zhǎng)絲錐，長(zhǎng)絞刀，板牙，拉刀，量具，冷沖模等CrMn1.3~1.50.45~0.75≤0.401.3~1.6840~860油62130~14062~65長(zhǎng)絲錐，拉刀，量具等9Mn2V0.85~0.951.7~2.0≤0.400.01~0.25V780~820油62150~20058~63絲錐，板牙，樣板，量規(guī)，中小型模具，磨床主軸，精密絲杠等二、模具鋼模具鋼是用來(lái)制造冷沖模、熱鍛模、壓鑄模等模具的鋼種，其種類繁多，在我國(guó)國(guó)標(biāo)中多達(dá)數(shù)十種。但是，根據(jù)模具的使用性質(zhì)通常分為兩大類：冷作模具鋼和熱作模具鋼。冷作模具鋼冷作模具包括拉延模、拔絲?；驂簭澞?、沖裁模、冷鐓模和冷擠壓模等，均屬于在室溫冷下對(duì)金屬進(jìn)行變形加工的模具，也稱為冷變形模具。由其工作條件可知，冷作模具鋼所要求的性能主要是高的硬度、良好的耐磨性以及足夠的強(qiáng)度和韌性。常用的冷模具鋼的材料有碳素工具鋼、低合金工具鋼和高碳高鉻鋼等。其中高碳高鉻鋼含有較高的C（1.4%～2.3%）和大量的Cr（11%～13%），有時(shí)還加入少量的Mo和V，典型牌號(hào)是Cr12和Cr12MoV，統(tǒng)稱為Cr12型鋼。主要用來(lái)制造尺寸大、精度和硬度高、耐磨性好的冷變形模具。T8、T10、T12等常用作簡(jiǎn)單小型模具的材料；9SiCr、9Mn2V、CrWMn等常用作制造復(fù)雜中型模具的材料；Cr12、Cr12MoV等常用作精密大型模具的材料。冷作模具鋼的熱處理主要包括鍛造后退火、淬火及回火。熱處理后的硬度為64HRC。各種常用冷作模具鋼選用舉例如表5-8所示。二、模具鋼表5-8冷作模具鋼選用舉例沖模種類鋼號(hào)備注簡(jiǎn)單（輕載）復(fù)雜（輕載）重載硅鋼片沖模Cr12，Cr12MoV，Cr6WV同左—因加工批量大，要求壽命較長(zhǎng)，故均采用高合金鋼沖孔落料模T10A，9Mn2V9Mn2V，Cr6WV，Cr12MoVCr12MoV壓彎模T10A，9Mn2V—Cr12，Cr12MoVCr6WV，拔絲拉伸模T10A，9Mn2V—Cr12，Cr12MoV冷擠壓模T10A，9Mn2V9Mn2V，Cr12MoV，Cr6WVCr12MoV，Cr6WV要求熱硬性時(shí)還可選用W18Cr4V，W6Mo5Cr4V2小沖頭T10A，9Mn2VCr12MoVW18Cr4V，W6Mo5Cr4V2冷擠壓鋼件，硬鋁沖頭還可選用超硬高速鋼冷鐓模T10A，9Mn2V—Cr12MoV，8Cr8Mo2SiV，Cr12MoV，W18Cr4V，Cr4W2MoV，8Cr8Mo2SiV2基體鋼*二、模具鋼2.熱作模具鋼熱作模具鋼是用來(lái)制作各種在一定壓力下將液態(tài)金屬或熱固態(tài)金屬加工成形所需要的模具，依次分為兩類：壓鑄模具鋼和熱擠壓模具鋼，熱擠壓模具鋼也稱為熱鍛模具用鋼。熱作模具鋼在工作過(guò)程中一方面承接巨大的機(jī)械應(yīng)力，另一方面又要與高溫的金屬和冷卻介質(zhì)（水、油和空氣）周期作用而引起很大的熱應(yīng)力。因此，熱作模具鋼不僅在常溫下應(yīng)有足夠的強(qiáng)度和韌性，而且在較高的溫度下也能保持這些性能。熱作模具一般體積較大，必須要有足夠的淬透性。另外，模具將多次反復(fù)受熱和冷卻易發(fā)生“熱疲勞”而龜裂。所以熱作模具鋼還要具有良好的耐熱疲勞性。二、模具鋼熱作模具鋼中的鉻是提高淬透性的重要元素，同時(shí)還能提高鋼的回火穩(wěn)定性。鎳與鉻能顯著提高鋼的淬透性；鎳固溶于鐵索體中，在強(qiáng)化鐵素體的同時(shí)，還可以增加鋼的韌性。錳能顯著提高鋼的淬透性，但錳固溶于鐵索體中，在強(qiáng)化鐵素體的同時(shí)使韌性有所降低。鉬的主要作用在于防止產(chǎn)生第二類回火脆性。同時(shí)，鉬可以細(xì)化晶粒、提高淬透性、提高回火穩(wěn)定性。目前，一般中小型熱鍛模具都采用5CrMnMo鋼制造。大型熱鍛模具采用5CrNiMo鋼制造。各種常用熱作模具的應(yīng)用如表5-9所示。熱作模具鋼的熱處理工藝主要包括鍛造后退火，淬火及回火。5CrMnMo鋼制熱鍛模淬火、回火工藝如圖5-7所示。二、模具鋼名稱類型選材舉例硬度HRC鍛模高度<250mm小型熱鍛模5CrMnMo，5Cr2MnMo39~47高度為250~400mm中型熱鍛模高度>400mm大型熱鍛模5CrNiMo，5Cr2MnMo35~39壽命要求高的熱鍛模3Cr2W8V，4Cr5MoSiV，4Cr5W2SiV40~54熱鐓模4Cr3W4Mo2VtiNb，4Cr5MnSiV，4Cr5W-2SiV，3Cr3Mo3V，基體鋼39~54精密鍛造或高速鍛模3Cr2W8V或4Cr5MoSiV，4Cr5W2SiV，4Cr3W4Mo2VtiNb45~54二、模具鋼名稱類型選材舉例硬度HRC壓鑄模壓鑄鋅、鋁、鎂合金4Cr5MoSiV，4Cr5W2SiV，3Cr2W8V43~50壓鑄銅和黃銅4Cr5MoSiV，4Cr5W2SiV，3Cr2W8V，鎢基粉末冶金材料，鉬、鈦、鋯難熔金屬壓鑄鋼鐵鎢基粉末冶金材料，鉬、鈦、鋯難熔金屬擠壓模溫?cái)D壓和溫鍛鐓（300~800℃）8Cr8Mo2SiV，基體鋼熱擠壓擠壓鋼、鈦或鎳合金用4Cr5MoSiV，3Cr2W8V（>1000℃）43~47擠壓銅或銅合金用3Cr2W8V（<1000℃）36~45擠壓鋁，鎂合金用4Cr5MoSiV，4Cr5W-2SiV（<500℃）46~50擠壓鋁用45號(hào)鋼（<100℃）16~20續(xù)表二、模具鋼三、量具鋼在機(jī)械制造行業(yè)大量使用的卡尺、千分尺、塊規(guī)、塞規(guī)、樣板等，都稱為量具。量具的用途是測(cè)量工件的尺寸，所以量具最重要的要求是具有穩(wěn)定而精確的尺寸。除此之外，還要求有高的硬度、耐磨性、尺寸穩(wěn)定性和一定的韌性、抗蝕性。量具鋼沒(méi)有專用的鋼號(hào)，都是選自各類結(jié)構(gòu)鋼和工具鋼等常用的鋼種來(lái)制造。為滿足性能要求，高精度的精密量具如塞規(guī)、塊規(guī)等，常采用熱處理變形較小的鋼制造，如CrMn、CrWMn、GCr15鋼等；精度較低、形狀簡(jiǎn)單的量具，如量規(guī)、樣套等可采用T10A、T12A、9SiCr等鋼制造，也可選用10、15鋼經(jīng)滲碳熱處理或50、55、60、60Mn、65Mn鋼經(jīng)高頻感應(yīng)加熱處理后制造精度要求不高，但使用頻繁，碰撞后不致折斷卡板、樣板、直尺等量具。精密量具的熱處理工藝比較復(fù)雜，關(guān)鍵在于如何使量具經(jīng)熱處理之后，在長(zhǎng)期的使用中不發(fā)生變形。一般量具都采用淬火及低溫回火的熱處理工藝，為使量具尺寸和形狀穩(wěn)定，確保其精度，對(duì)要求較高的精密量具，淬火溫度應(yīng)低一些，同時(shí)在淬火后立即將其冷至-80℃左右，甚至在液氮中進(jìn)行處理，然后取出再進(jìn)行正?；鼗?。為了保證量具尺寸穩(wěn)定，在精度或研磨前，必須進(jìn)行時(shí)效處理，進(jìn)一步消除內(nèi)應(yīng)力。必要時(shí)，這種處理要重復(fù)多次。CrWMn鋼制塊規(guī)的最終熱處理工藝如圖5-8所示。三、量具鋼所謂特殊性能鋼是指不銹鋼、耐熱鋼、耐磨鋼等一些具有特殊化學(xué)和物理性能的鋼。Cr13型不銹鋼淬火后得馬氏體組織，是典型的馬氏體不銹鋼。因含鉻量較低（13%左右），抗腐蝕性比1Cr17差。為提高強(qiáng)度，通常有一定的含碳量，但隨含碳量的增加，抗蝕性降低。這類鋼空冷即可淬透，但為了避免碳化物析出，一般采用高溫加熱后油淬，以獲得單相馬氏體。Cr13型不銹鋼經(jīng)鍛造后出現(xiàn)了馬氏體，硬度較高，而且殘余應(yīng)力存在，不利于切削加工，因此，鍛后必須進(jìn)行退火處理。Cr17型不銹鋼組織為單相鐵素體，屬于鐵素體不銹鋼。其用于要求較好的耐蝕性，但對(duì)強(qiáng)度要求不高的部件，如制造生產(chǎn)硝酸、氮肥、磷酸等設(shè)備和化工使用的容器、管道等。一、不銹鋼二、耐磨鋼耐磨鋼主要指在沖擊