模块五 合金钢
模块五 合金钢
碳素钢的冶炼、加工都比较简单,价格便宜,但随着现代工业生产的发展,碳素钢淬透性差, 回火稳定性差,综合机械性能低,在许多方面已远远不能满足生产要求。为了改善钢的性能,在冶炼时有目的地加人一种或数种合金元素的钢叫合金钢。与碳素钢相比,由于合金元素的加入,很好的提高了力学性能、淬透性和回火稳定性等,有的还具有耐热、耐酸、耐蚀等特殊性能,所以使其在机械制造中得到了广泛应用。
一 合金元素在钢中的主要作用
合金元素在钢中的作用是非常复杂的,它对钢的组织和性能有很大影响,下面介绍合金元素的几种主要作用。
1 强化铁素体
大多数合金元素(除铅外)都能溶于铁素体,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,会引起铁素体的晶格畸变,产生固溶强化作用,使合金钢中铁素体的强度、硬度提高,塑性和韧性下降。有些合金元素对铁素体韧性的影响与它们的含量有关,例如WSi<1.00%,WMn<1.50%时,铁素体的韧性没有下降,当含量超过此值时,则韧性有下降的趋势;而铬和镍在适当范围内(WCr≤2.0%, WNi≤5.0%),在明显强化铁素体的同时,还可使铁素体的韧性提高,从而提高合金钢的强度和韧性。
2 形成合金碳化物
锰、铬、钼、钨、钒、钛等元素与碳能形成碳化物,当这些碳化物呈细小颗粒并均匀分布在钢中时,能显著提高钢的强度和硬度。如(Fe, Mn)3C、(Fe, Cr)3C、(Fe,W)3C等。合金渗碳体较渗碳体略为稳定,硬度也略高,可明显合金钢的强度。钒、铌、钛等强碳化物形成元素能与碳形成特殊碳化物,如VC、TiC等。特殊碳化物比合金渗碳体具有更高的熔点、硬度和耐磨性,而且更稳定,不易分解,当钢中的特殊碳化物呈弥散分布时,将显著提高钢的强度、硬度和耐磨性,而不降低其韧性。
3 细化晶粒
几乎所有的合金元素都有抑制钢在加热时奥氏体晶粒长大的作用,达到细化晶粒的目的。强碳化物形成元素铌、钒、钛等形成的碳化物,铝(A1)在钢中形成的A1203,均能强烈地阻碍奥氏体晶粒长大,使合金钢在热处理后获得比碳钢更细的晶粒。
4 提高钢的淬透性
大多数合金元素(钴外)溶解于奥氏体中后,均可增加过冷奥氏体的稳定性,使C曲线右移,减小淬火临界冷却速度,从而提高钢的淬透性。常用的提高淬透性的合金元素有钼,锰,铬,镍和硼,如微量元素硼(0.0005%-0.003%)即能明显提高钢的淬透性。
5 提高钢的回火稳定性
钢在回火时抵抗硬度下降的能力称为钢的回火稳定性。合金钢在回火过程中,由于合金元素的阻碍作用,使马氏体不易分解散,碳化物不易析出,析出后也较难聚集长大,从而提高了钢的回火稳定性。
二 合金钢的分类
1)按用途分类
合金结构钢:用于制造机械零件和工程构件的合金钢。
合金工具钢:用于制造各种工具的合金钢。按工具钢用途不同,可分为刃具钢、模具钢和量具钢。
特殊性能钢:是具有特殊的物理、化学性能的钢,可分为不锈钢、耐热钢、耐磨钢等。
2)按合金元素总含量分类
低合金钢: 合金元素总的质量分数不大于5%的合金钢。
中合金钢: 合金元素总的质量分数为5%-10%的合金钢。
高合金钢: 合金元素总的质量分数大于10%的合金钢。
任务一 合金结构钢
学习目标
1 了解低合金钢的分类牌号及用途。
2 熟悉低合金钢的强化方法
3 能根据常见工件的性能要求,合理选用铝合金材料
如图5-1,图5-2:齿轮和机床丝杠属于机械零件。它们的工作条件和性能要比较高而且各不相同,应选择不同类型的金属材料制造。那么,什么样的材料能满足需要呢?


图5-1丝杠 图5-2齿轮
根据其用途不同,合金结构钢可分为低合金结构钢和机械合金结构钢,机械合金结构钢按热处理特点不同又分为合金渗碳钢、合金调质钢、合金弹簧钢和滚动轴承钢等。
一 低合金高强度结构钢
1成分及性能特点
低合金高强度结构钢在工程结构钢中较常用。低合金高强度结构钢是在碳素结构钢的基础上加入一定数量合金元素(一般小于3%)而制成,常加入的合金元素主要有Si、Mn和微合金元素V、Ti、Al、Nb等,有良好的低温韧性、塑性、耐蚀性、焊接性、成形工艺性等。
2热处理特点
低合金结构钢多在热轧、正火状态下使用,组织为铁素体+珠光体。也有在淬火成低碳马氏体或热轧空冷后获得贝氏体组织状态下使用。
3常用的牌号及用途
低合金高结构钢牌号的表示方法与碳素结构钢相同,如Q345表示屈服强度为345MPa的低合金高强度结构钢。常用合金渗碳钢的牌号,力学性能及用途见表5-1
表5-1常用低碳合金钢结构的牌号、力学性能及应用
牌号 | ReL/MPa | Rm/MPa | A/% | 特性及应用 |
Q295 | 235~295 | 390~570 | 23 | 具有优良的韧性和塑性,焊接性均良好,冲压成形性能良好,一般在热轧或正火状态下使用,适用于制造各种容器、螺旋焊管、车辆用冲压件、建筑用结构件等。 |
Q345 | 275~345 | 470~630 | 21 | 具有良好的综合力学性能,塑性和冲击韧性较好,一般在热轧下使用,适用于制造成桥梁、船舶,车辆、管道等。 |
Q390 | 330~390 | 490~650 | 19 | 具有良好的综合力学性能,塑性和冲击韧性良好,一般在热扎状态下使用,适用于制造成锅炉桥梁、越重机,负荷较高的焊接件等。 |
Q420 | 360~420 | 520~680 | 18 | 具有良好的综合力学性能,优良的低温韧性,焊接性也,冷热加工性能好,一般在热扎或正火状态下使用,适用于制造高压容器,重机械,桥梁,锅炉及其他大型焊接结构件等。 |
Q460 | 400~460 | 550~720 | 17 | 淬火、回火后用于大型挖掘机、直重运输机械、钻井等。 |
二 合金渗碳钢
1成分及性能特点
合金渗碳钢是一类重要的合金结构钢,这类钢的特点是通过改变钢的表面化学成分来获得特定的性能,应用于工程机械发动机、仪表、汽车等使用的各种齿轮、轴、套等零件如图5-3和图5-4。合金渗碳钢的含碳量在0.10%~0.25%之间,可保证零件心部有足够的塑性和韧性。加入一定量的锰、铬、镍等金属元素,以提高钢的淬透性。


图5-3 涡轮蜗杆 图5-4 花键轴
2热处理特点
为改善切削加工性能,预备热处理应采用正火,为保证表面的高硬度和高耐磨性,合金渗碳钢的最终热处理应采用渗碳后淬火再低温回火其表面层含碳量可达0.85%~1.05%,硬度可达60HRC以上。
3 常用牌号及用途
合金结构钢牌号由“两位数字+化学元素+数字”表示。两位数字表示钢的平均含碳量的万分数;“化学元素符号”表示钢中含有的主要合金含量;“数字”表示该合金元素平均含量。当合金无素的平均含量小于1.5%时,牌号中仅标明无素符号,不标注含量数字;当合金含量无则相应地标以素的平均为1.5%~2.5%,2.5%~3.5%,3.5%~4.5%,…时, 2,3,4,…依次类推。若合金结构钢为高级优质钢,则在牌号后加注A;若为特级优质钢则加注E。比如20MnV表示平均含碳量为0.2%,平均含锰,含钒量均小于1.5%。比如20Mn2,表示平均含碳量为0.2%,平均含锰量为0.2%。
常用合金渗碳钢的牌号、热处理、力学性能及用途见5-2
表5-2 常用合金渗碳钢的牌号、热处理、力学性能及用途
类别 | 牌号 | 力学性能(不小于) | 用途 | ||
Rm/MPa | ReL/MPa | A/% | |||
低淬透性 | 20Cr | 850 | 540 | 10 | 用于制造截面不大的,表面耐磨,心部要求较高的机床变速箱齿轮、凸轮、滑阀,离合器花键轴等。 |
20Mn2 | 785 | 590 | 10 | 代替20Cr钢制造渗碳小齿轮、小轴,汽车变速器等。 | |
20MnV | 785 | 590 | 10 | 用于制造锅炉,高压容器,活塞销、齿轮、锅炉、高压容器,自行车等。 | |
中淬透性 | 20CrMn | 930 | 735 | 10 | 载面大、中高负荷的齿轮、轴,蜗杆,变速器套筒等。 |
20CrMnTi | 1080 | 835 | 10 | 用于制造载面直径在30mm以下,承受调速、中或重负荷冲击、摩擦的渗碳零件如汽车,拖拉机上的变速齿轮,传动轴 蜗杆等。 | |
20mMnTiB | 1100 | 930 | 10 | 代替20CrMn钢制造成汽车上的小载面、中等负荷的齿轮。 | |
20SiMnVB | 1175 | 980 | 10 | 可代替20CrMnTi。 | |
高淬透性 | 12Cr2Ni4A | 1175 | 1080 | 10 | 代在高负荷下工作的齿轮、转向轴等。 |
18Cr2Ni4WA | 1175 | 835 | 10 | 大齿轮、曲轴、花键轴、蜗轮等。 | |
三 合金调质钢
1成分及性能特点
合金调质钢一般是指经调质处理(淬火+高温回火)后使用的结构钢。这类钢的含碳量一般为0.25%-0.50%。合金调质钢通常加入少量的Cr、Mn、Si、Ni和B等合金元素,以提高钢的淬透性。加入少量Mo、V等碳化物形成元素,可阻止奥氏体晶粒长大。合金调质钢主要用于在重载荷作用下又受冲击载荷作用的零件,如轴类、齿轮、连杆等应用于制造机器上的各重要零件如图5-4,图5-5。
2热处理特点
合金调质钢淬火加高温回火后,得到极细小颗粒状碳化物的回火托氏体或回火索氏体组织。若要求零件表面有较高的硬度和耐磨性,可在调质后再进行表面热处理,如表面淬火或表面氮化处理。


5-4 齿轮轴 5-5连杆
3常用牌号及用途
合金调质钢牌号的表示方法和合金渗碳钢相同,例如40Cr表示平均含碳量为0.4%,平均含铬量小于1.5%的合金调质钢。
常用合金调质钢的牌号、热处理、力学性能及用途如表5-3
表5-3常用合金调质钢的牌号、热处理、力学性能及用途
类 别 | 牌号 | 力学性能(不小于) | 用 途 | ||
Rm/MPa | ReL/MPa | A/% | |||
低 淬 透 性 | 40Cr | 980 | 785 | 9 | 用于中等载荷、中等转速机械零件。如汽车转向节,半轴,蜗杆,调质并经表面热处理后制作耐磨零件,如齿轮,丝杠,套筒,心轴。 |
40CrB | 980 | 785 | 10 | 主要代表40Cr,用于制造汽车车轴,转向轴等 | |
35SiMn | 885 | 735 | 15 | 中等负荷、中等转速零件如传动齿轮,主轴,转轴,飞轮等。 | |
中 淬 透 性 | 40CrNi | 980 | 785 | 10 | 具有高强度,高韧性以及高的淬透性,用于制造截面尺寸较大的轴、齿轮、连杆曲轴等。 |
42CrMn | 980 | 835 | 9 | 在高速及弯曲负荷下工作的轴、连杆等,在高速、高负荷且无强冲击负荷下工作的齿轮等。 | |
42CrMo | 1080 | 930 | 12 | 用于制造承受冲击,弯扭,大载荷的大直径零件,比如机车牵引用的大齿轮等。 | |
38CrNoAIA | 980 | 835 | 14 | 用于镗杆、磨床主轴,自行车机床主轴,精密丝杠,精密齿轮,高压阀杆等。 | |
高 透 性 | 40CrNiMo | 980 | 835 | 12 | 用于制造镗杆,磨床主轴,自动车床主轴,重型机械中高负荷的轴类等。 |
40CrMnMo | 980 | 785 | 10 | 可代替40CrNiMo,用于制造承受冲击载荷大的高强度零件和截面载荷大的零件,如卧式锻造机,锻压机等 | |
四 合金弹簧钢
1成分及性能特点
弹簧钢就是指用于制造各种弹簧的钢。在各种设备中,弹簧的作用是存储吸收能量,缓冲和吸收振动,使机件完成规定的动作,因此要求制造弹簧的材料具有较高的弹性极限;同时还应具有较高的疲劳强度和足够的塑性韧性.合金弹簧钢属于中、高碳钢,其含碳量一般为0.45%- 0.7%。为提高钢的淬透性和弹性极限,通常加入锰、硅合金元素。重要用途的弹簧钢,必须加入铬、钨、钒等合金元素。


图5-7 螺旋弹簧 图5-8 板簧
2 分类及热处理特点
(1)冷成形弹簧
当弹簧直径或板簧厚度小于或等于10mm 时,常采用冷成形加工(冷缠、冷卷或冷绕成形)。
(2)热成形弹簧
当弹簧直径或板簧厚度大于10mm时,采用热成形加工。采用淬火加热成型,将钢丝加热到比平常淬火温度高出50-80℃,在此温度下热卷成型,然后利用余热立即淬火,中温回火。
3 常用牌号及用途
合金调质钢牌号的表示方法和合金渗碳钢相同,例如60SiMn表示平均含碳量为0.6%,平均含硅和锰的含量小于1.5%的合金调质钢。
常用合金弹簧钢的牌号、力学性能、热处理及用途如表5-4
表5-4常用合金弹簧钢的牌号、力学性能、热处理及用途
牌号 | 力学性能 | 用 途 | |||
Rm/MPa | ReL/MPa | A/% | Z/% | ||
65Mn | 1050 | 850 | 8 | 30 | 各种小尺寸扁圆弹簧等。 |
55Si2Mn | 1300 | 1200 | 6 | 30 | 汽车拖拉机一的板弹簧等。 |
60SiMn | 1300 | 1250 | 5 | 25 | |
60Si2CrVA | 1900 | 1700 | 5 | 20 | 250°C以下工作的弹簧等。 |
50CrVA | 1300 | 1100 | 10 | 45 | 210°C以下工作的弹簧等。 |
60CrMnBA | 1250 | 1100 | 9 | 20 | |
55SiMnMoV | 1400 | 1300 | 7 | 35 | 载重车用的弹簧。 |
五 滚动轴承钢


图5-9 滚珠 图5-10 滚动轴承
1成分及性能特点
滚动轴承是用来制造滚动轴承的内处套圈及滚动体如图5-9和图5-10,是在周期性交变载荷下工作。套圈与滚动体之间产生强烈摩擦,因此,滚动轴承必须具有高的接触疲劳强度、高的弹性极限、高的硬度和耐磨性,并有足够的韧性、淬透性和一定的耐蚀性。滚动轴承钢含碳量高,一般为0.95%-1.15%。基本元素为铬,含量为0.4%-1.65%,铬能提高钢的淬透性。
2 热处理特点
滚动轴承都是高级优质钢,一般采用电冶炼,并采用真空脱氧等技术,以提高钢的纯度。滚动动轴承钢的热处理包括预备热处理和最终热处理。预备热处理采用球化退火,以降低锻造后钢的硬度,为淬火做好组织准备。最终热处理为淬火加低温回火,目的是提高轴承的硬度和耐磨性。
3常用牌号及用途
滚动轴承钢牌号表示方法为G+Cr+数字。其中,G为“滚”字的汉语拼音首个字母,其含碳量不予标注,Cr表示铬元素,数字表示铬的平均质量分数的千分之几,其他元素含量仍按百分数表示。如GCr15,表示平均铬的质量分数为1.5%的滚动轴承钢。GCr15SiMn,表示平均铬的质量分数为1.5%,硅和锰的平均含量小于1.5%的滚动轴承钢。
常用滚动轴承钢的牌号、化学成分、热处理及用途如表5-5
表5-5常用滚动轴承钢的牌号、化学成分、热处理及用途
牌号 | 热处理/°C | 回火后的硬度HRC | 应用 | |
淬火 | 回火 | |||
GCr9 | 810~830 | 150~170 | 62~66 | 10~20mm的滚动体。 |
GCr15 | 825~845 | 150~170 | 62~66 | 壁厚<20mm的中小型套圈,直径<50mm的钢球。 |
GCr15SiMn | 820~840 | 150~170 | ≥62 | 壁厚<30mm的中型套圈,直径<50mm~100mm的钢球。 |
思考与练习
1 什么是合金钢?合金钢常采用的分类方法有哪几种?
任务二 合金工具钢
学习目标
1 了解合金工具钢的分类。
2 掌握各种合金工具钢的成分,性能特点,牌号及用途
3 能根据常见工件的性能要求,合理选用合金工具钢
碳素工具钢容易加工,价格便宜,但淬透性差,容易变形和开裂,而且容易软化,热硬性仅有200℃。因此,尺寸大、精度高和形状复杂的刀具、模具和量具均采用合金工具钢制造。合金工具钢按用途可分为合金刃具钢、合金模具钢和合金量具钢。
一 合金刃具钢
合金刃具钢主要用于制造车刀、铣刀、拉刀、钻头等各种金属切削工具如图5-11,图5-12。刃具在切削过程中承受工件的压力,刃部与切削之间发生强烈摩擦而发热,刃部温度可达500~600°C。此外,还承受一定的冲击和振动。因此,要求制造车刀和铣刀的材料除了具有高的硬度和刃磨性,足够的强度和韧性外,还必须在高温下具有高的热硬度。


图5-11 板牙 图5-12 丝锥
(1)成分及性能特点
在碳素钢基础上加入少量(小于5%)合金元素的钢称为低合金刃具钢。
低合金刃具钢含碳量较高,一般为0.9%~1.1%。保证淬火后具有高的硬度和耐磨性。主要加入铬、硅合金元素,以提高钢的强度和淬透性,回火稳定性;加入钨、钒合金元素以提高硬度、耐磨性和硬度,工作温度一般不超过300°C。
(2)热处理特点
低合金刃具钢的预备热处理采用球化退火,若组织中网状碳化物较多,球化退火前应先正火消除网状碳化物。为获得所需要的力学性能,最终热处理采用淬火加低温回火。
(3)常用牌号及用途
9SiCr和CrWMn是较常见的低合金刃具钢,9SiCr钢中碳的质量分数为0.85%-0.95%,由于Si和Cr的加入,提高了淬透性,在油中可淬透,碳化物细小均匀,热硬性可达300℃,这类钢适合制作板牙、丝锥等要求变形小的薄刃低速刀具。CrWMn钢含碳的质量分数为0. 90%-1.05%,Cr、W、Mn的加入使钢具有很高的硬度(64~66HRC)和耐磨性,但热硬性不9SiCr。CrWMn钢热处理后变形小,又称为微变形钢,主要用作较精密的低速刀具,如长丝锥、拉刀等,冷作模具、量具也广泛采用该钢种。
常用低合金刃钢的牌号、化学成分、热处理及用途如表5-6
表5-6常用低合金刃钢的牌号、化学成分、热处理及用途
牌号 | 化学成分 | 热处理/°C | 用 途 | |||
C | Mn | Si | Cr | |||
9SiCr | 0.85~0.95 | 0.3~0.6 | 1.2~1.6 | 0.95~1.25 | 830~860油冷 | 冷冲模、铰刀、拉刀、板牙、丝锥等。 |
CrWMn | 0.85~0.95 | 0.8~1.1 | ≤0.4 | 0.9~1.2 | 820~840油冷 | 要求淬火后变形小的刀具。 |
9Mn2V | 0.75~0.85 | 1.7~2 | ≤0.4 | _ | 780~810油冷 | 量具、块规等。 |
9Cr2 | 0.85~0.95 | ≤0.4 | ≤0.4 | 1.3~1.7 | 820~850油冷 | 尺寸较大的铰刀、车刀等。 |
2 高速钢
(1)成分及性能特点
高速钢是一种具有高热硬性、高耐磨性、足够强度的合金工具钢,常用于制作切削速度较高、形状复杂、载荷较大的刀具,如车刀、钻头、拉刀等如图5-13,图5-14,它是一种成分复杂的合金钢。合金元素总量达10%-25%左右。高速钢在切削时,刀具刃部的温度可达600℃ .此时碳素刃具钢和低合金刃具钢已经不能进行切削。高速钢刀具的切削速度比碳素工具钢和低合金工具钢快1-3倍,耐用性增加了7-14倍,因此被广泛采用。


图5-13 圆柱铣刀 图5-14车刀
(2)热处理特点
高速钢只有经过适当的热处理后才能获得较好的组织和性能。为改善切削加工性能,并为淬火做好组织准备,预备热处理一般采用球化退火。为了获得最好的组织和性能,高速钢的最终热处理采用高温淬火后多次回火。淬火时由于它的导热性差一般分两阶段进行。先在800~850°C预热(以免引起过大的热应力),然后迅速加热到液火温度1280°C,后油冷。淬火后因内部组织还保留一部分(约30%)残余奥氏体没有转变成马氏体,影响了高速钢的性能。为使残余奥氏体转变,一般要进行2~3次回火,回火温度550-570°C,每次保温1小时。如图 5-15 高速钢(W18Cr4V) 的热处理工艺曲线.

图5-15高速钢(W18Cr4V) 的热处理工艺曲线
(3)常用牌号及用途
高速钢的牌号一般不标注含碳量,元素符号和数字含义同合金渗碳钢。常用高速钢的牌号、化学成分、热处理、用途如表5-7
表5-7 常用高速钢的牌号、化学成分、热处理、用途
牌号 | 含碳量 (质量分数/%) | 热处理 /°C | 硬度 HRC | 用途 | ||
C含量 | 淬火 | 回火 | 回火后硬度 | 热硬度 | ||
W18Cr4V | 0.7~0.8 | 1260~1300 | 550~570 | 63~66 | 61.5~62 | 制造一般高切削用车刀,刨刀,钻头,铣刀等。 |
95W18Cr4V | 0.9~1 | 1260~1280 | 570~580 | 67.5 | 64~65 | 切削不锈钢及其他硬或韧材料。 |
W6Mo5Cr4V2 | 0.8~0.9 | 1220~1240 | 550~570 | 63~66 | 60~61 | 制造要求耐磨性和热硬性较高、耐磨性和韧性较好配合形状复杂的刀具,如钻头,丝锥,拉刀,齿轮刀具。 |
W6Mo5Cr4V3 | 1.1~1.25 | 1200~1240 | 550~570 | >65 | 64 | 制造要求耐磨性和热硬性较高、配合形状复杂的刀具。 |
W12Cr4V4Mo | 1.25~1.4 | 1240~1270 | 550~570 | >65 | 64~64.5 | 制造形状简单的刀具或仅需少磨削的刀具。 |
W18Cr4VCo10 | 0.7~0.8 | 1270~1320 | 540~590 | 66~68 | 64 | 制造形状简单、截面较粗的刀具 |
W6Mo5Cr4V2AI | 1.1~1.2 | 1220~1250 | 550~570 | 67~69 | 5 | 用于制造各种拉刀,插齿刀,齿轮滚刀,铣刀,切难加工材料时,使用寿命接近钻高速钢。 |
二 合金模具钢
主要用来制造各种模具的钢称为模具钢。合金模具钢模具钢应具有高的硬度、强度、耐磨性,足够的韧性,以及高的淬透性、淬硬性。主要用于锻造、冲压、压铸等。根据工件条件的不同,模具钢按性质分可以分为冷作模具钢,热作模具钢以及塑料模具钢。
1)冷作模具钢


图5-15冲压模 图5-16 拉丝模
主要用于制造非金属材料冷态成形用的各种冷冲模、冷镦模、冷挤压模及拉丝模等冷作模具。冷作模具钢的成分特点是高碳、高铬,高碳保证获得高硬度和高耐磨性,加入一定量的铬、锰等元素是为了提高淬透性。此外冷作模具钢还具有高硬度、高耐磨性,较高的抗弯强度和变形抗力;足够的强度、韧性和疲劳强度;热处理变形小。
冷作模具钢的预备热处理通常为锻造后进行球化退火处理。最终热处理视钢种不同而有差异,一般进行强韧化处理,主要包括:低淬低回、高淬高回、微细化处理、等温及分极淬火等。
2)热作模具钢
热作模具用来使加热的金属或液态金属获得所需要的形状,这种模具是在反复受热和冷却的条件下进行工作的,工作时承受高温、高压、摩擦、冲击、反复受热应力和机械应力的作用。
热作模具钢一般为中碳合金钢,含碳量一般为0.3%-0.6%,以保证高强度、高韧性具有良好的强度、硬度和韧性。此外热作模具钢还具有高的热硬性和热强性;抗氧化能力和热疲劳抗力;良好的淬透性和导热性。
热作模具钢的预备热处理为淬火+中温回火或高温回火,获得回火托氏体或回火索氏体组织。最终热处理采用淬火后中温或高温回火。


图5-17冲压模 图5-18 拉丝模
表5-8 常用冷、热作模具钢的牌号、硬度、用途
类别 | 牌号 | 硬度(HRC) | 主要用途 | |
淬火 | 回火 | |||
冷作模具钢 | Cr12 | 62-65(980℃)(油冷) | 60-62(180-220℃) | 用于制造耐磨性高、尺寸较大的模具,如冷冲模、冲头、钻套、量规、螺纹滚丝模、拉丝模等 |
45-50(1080℃)(油冷) | 59-60(500-520℃)(三次) | 用于制造耐磨性高、尺寸较大的模具,如冷冲模、冲头、钻套、量规、螺纹滚丝模、拉丝模等 | ||
Cr12MoV | 62-63(1030℃)(油冷) | 61-62(160-180℃) | 用于制造截面较大、形状复杂、工作载荷重的各种冷冲模及螺纹搓丝板等 | |
41-50(1120℃)(油冷) | 60-61(510℃)(三次) | 用于制造截面较大、形状复杂、工作载荷重的各种冷冲模及螺纹搓丝板等 | ||
热作模具钢 | 5CrMnMo | ≥50(820-860℃)油冷 | 324-364HBS(530-550) | 用于制造中小型热锻模具 |
5CrNiMo | ≥47(830-860℃)(油冷) | 364-402HBS(530-550) | 用于制造各种形状复杂、较大冲击下的大中型热锻模具等 | |
3Cr2W8V | ≥50(1050-1100℃)(油冷) | 44-48(560-580℃)(三次) | 用于制造高温下冲击载荷不大的凹、凸模具,如压铸模、热挤压模、有色金属成型模等 | |
3)塑料模具钢
塑料模具是指用来加工制造塑料制品的模具。塑料制品应用日益广泛,尤其在电器、工业仪表、电子仪表及日常生活用品中大量使用。模具的结构和形式以及质量对塑料制品的质量和生产效率有直接的影响,因此必须合理选择塑料模具钢,才能满足使用要求。
塑料模具钢提出以下性能要求和工艺要求:在使用性能方面,要耐磨,有一定的塑性和耐蚀性;在工艺性能方面,要求有良好的切削加工性和抛光性,良好的表面耐蚀性,较好的淬火性,较好的电火花加工性和焊接性,还需要热处理后变形小,以保证配合精度和互换性。其中良好的切削加工性和抛光性是为了获得好的表面质量,脱模性好,这常常还需要进行表面处理才能达到要求。

图5-18塑料模具
表5-9 常用塑料模具钢的牌号、用途
种类 | 牌号 | 用途 |
预硬化型 | 3Cr2Mo | 适用于制造尺寸较大或形状复杂、对尺寸精度与表面粗糙度要求较高的塑料模具和低熔点合金(如锡、锌、铅)压铸模等 |
3Cr2NiMo | 适宜制造特大型、大型塑料模具和精密塑料模具,也可用于制造低熔点合金(锡、锌、铝合金)压铸模等 | |
40Cr | 适宜制造中型塑料模具 | |
42CrMo | 适宜制造要求一定强度和韧性的大、中型塑料模具 | |
非合金型 | SM45、SM50、SM55 | 用于制造形状简单的小型塑料模具,或精度要求不高、使用寿命不需要很长的塑料模具 |
渗碳型 | 20Cr | 用于制造中、小型塑料模具 |
12CrNi3a | 用于制造大、中型塑料模具 | |
耐腐蚀型 | 20Cr3 | 适宜制造能承受高负荷并在腐蚀介质作用下的塑料模具、透明塑料制品的塑料模具等 |
40Cr13 | 适宜制造能承受高负荷、高磨损及在腐蚀介质作用下的塑料模具、透明塑料制品的塑料模具等。但其焊接性差,使用时必须注意 | |
95Cr8 | 适宜制造能承受高磨损、高负荷以及在腐蚀介质作用下工作的塑料模具 | |
时效硬化型 | 06Ni6CrMoVTiAl | 用于制造高精度塑料模具和有色金属压铸模具等 |
1Ni3Mn2CuAlMo | 用于制造高镜面的塑料模具和高外观质量家用电器外壳塑料模具、如光学系统各种镜片,以及电话机、收录机、洗衣机等家电的塑料壳体模具等 |
三 合金量具钢
用于制造各种测量工具的钢称为量具钢,如卡尺,千分尺,样板,块规等。
合金量具钢必须具备高的硬度和耐磨性;足够的韧性;高的尺寸稳定性,具备极高的尺寸精度和稳定性,合金量具钢经淬火后要在150-170℃下长时间低温回火,以稳定尺寸。对精密量具,淬火后要进行冷处理,然后再进行长时间的低温回火。


图5-18游标卡尺 图5-18 万能角度尺
表5-10 常用量具钢及应用
钢的类别 | 钢号 | 用途 |
碳素工具钢 | T10A、T11A、T12A | 尺寸小,形状简单,精度不高等。 |
渗碳钢 | 15钢、20钢、15Cr | 精度不高耐冲击的卡板、直尺样板等。 |
低合金工具钢 | CrMn、9CrWMn、CrWMn | 环规、块规、样套等。 |
滚动轴承钢 | GCr15 | 塞规、样柱等。 |
不锈钢 | 4Cr13、9Cr18 | 精度高、耐腐蚀的量具。 |
冷作模具钢 | 9Mn2V、Cr2Mn2SiWMoV | 各种要求高精度的量具。 |
思考与练习
1 合金工具钢主要用途可分为哪几类?
2 简述高速钢的成分特点,性能特点和热处理特点
任务三 特殊性能钢
学习目标
1 了解特殊性能钢的分类。
2 掌握不锈钢、耐热钢、耐磨钢的成分,性能特点,牌号及用途
3 能根据常见工件的性能要求,合理选用特殊性能钢
用于制造在特殊工作条件或特殊环境下工作、具有特殊性能要求的机械零件的钢材,称特殊性能钢。
一 不锈钢
(1)成分及性能特点
不锈钢是具有抵抗大气或某些化学介质腐蚀作用的合金钢,这类钢是通过合金化及热处理品来实现其耐腐蚀性能的。随着不锈钢中含碳量的增加,耐腐蚀性下降,因此,大多数不锈钢的含碳量都较低。不锈钢主加合金元素为铬,铬钢表面生成一层致密的氧化膜,防止金属氧化,从而提高耐蚀性。不锈钢同时加入镍,提高钢的强度、韧性、耐蚀性和焊接性能。加入钼、铜元素可提高钢在非氧化性酸中的耐蚀能力;加入钛、铌元素能优先同碳形成稳定的碳化物,使铬保留在基体中,从而减轻钢的晶界腐蚀倾向;加锰可部分代镍以获得奥氏体组织,并能提高铬不锈钢在有机酸中的耐蚀性。
(2)常用的不锈钢
① 铬不锈钢:主要元素为铬一般含铬量为12%-14%,含碳量一般为0.1%-0.4%。包括,1Cr13,2Cr13,3Cr13,4Cr13。
② 铬镍不锈钢:含碳量较低铬含量为18%左右,镍含量大于18%,热处理后获得单一的奥氏体组织,具有良好的塑性、韧性、耐蚀性、焊接性和低温韧性。
常用的有:Cr18Ni9、1Cr18Ni9、2Cr18Ni9、0Cr19Ni9、1Cr19Ni9。如表5-1常用不锈钢的牌号、化学成分、热处理、力学性能及用途
表5-11 常用不锈钢的牌号、化学成分、热处理、力学性能及用途
类别 | 牌号 | 热处理/℃ | 用途 | |
淬火 温度 | 回火 温度 | |||
奥氏体型 | 12Crl8Ni9 | 固溶处理 1010~1150快冷 | 切削性能好, 最适用于自动车床加工,制作螺栓、螺母等 | |
06Crl9Ni10 | 固溶处理 1010~1150快冷 | 作为不锈耐热钢使用最广泛, 用于食品设备、化工设备 | ||
06Crl9Ni10N | 固溶处理 1010~1150快冷 | 在06Cr19Ni10中加入N,强度提高,塑性不降低 | ||
06Cr18Ni11Ti | 固溶处理 920~1150快冷 | 用作焊芯、抗磁仪表、医疗器械、耐酸容器和输送管道 | ||
马氏体型 | 12Cr13 | 950~1000 油冷 | 700~750 快冷 | 用作汽轮机叶片、水压机阀、螺栓、螺母等耐弱腐蚀介质并承受冲击的零件 |
20Cr13 | 920~980 油冷 | 600~750 快冷 | 用作汽轮机叶片、水压机阀、螺栓、螺母等耐弱腐蚀介质并承受冲击的零件 | |
30Cr13 | 920~980 油冷 | 600~750 快冷 | 用作耐磨零件,如热油泵轴、阀门、刃具 | |
68Crl7 | 1010~1070 油冷 | 100~180 快冷 | 用作轴承、刃具、阀门、量具等 | |
铁素体型 | 06Cr13Al | 780~830 空冷或缓冷 | 汽轮机材料,复合钢材,淬火用部件 | |
10Cr17 | 780~850 空冷 | 通用钢种,建筑类装饰用, 家庭用具,家用电器等 | ||
08Cr30Mo2 | 900~1050 快冷 | 耐蚀性很好, 用于制造苛性碱及有机酸设备 | ||
二 耐热钢
(1)成分及性能特点
耐热钢是在高温下具有良好的化学稳定性和较高强度,能较好地适应高温条件的特殊性能钢。耐热钢包括抗氧化钢和热强钢。在高温下抵抗高温介质腐蚀并具有一定强度的钢称为抗氧化钢;在高温下仍然具有足够力学性能的钢称为热强钢。
(2)常用的不锈钢
1)抗氧化钢
抗氧化钢是在高温下具有较好的抗氧化能力且具有一定强度的钢。抗氧化钢中加入的合金元素为铬、硅、铝等,它们在钢表面形成致密的氧化膜,从而避免了钢的进一步氧化,典型的抗氧化钢有42Ci9Si2、06Cr13Al等。
2)热强钢
热强钢是在高温下具有良好抗氧化能力且具有较高的高温强度的钢。为了提高钢的抗氧能力和高温强度,常在钢中加入铬、钨等合金元素。典型的热强钢有45Cr14Ni14W2Mo等。
表5-12 常用抗氧化铜的牌号、化学成分、热处理及用途
类别 | 牌号 | 热处理/℃ | 用途 |
铁素体钢 | 16Cr25N | 退火 780~880 快冷 | 耐高温腐蚀性强, 1082℃以下不产生易剥落的氧化皮,用作1050℃以下炉用构件 |
06Cr13Al | 退火 780~830 空冷 | 最高使用温度为900℃,用作各种承受应力不大的炉用构件 | |
奥氏体钢 | 06Cr25Ni20 | 固溶处理 1030~1180 快冷 | 用作1035℃以下的炉用材料 |
12Cr16Ni35 | 固溶处理 1030~1180 快冷 | 抗渗碳、抗渗氮性好,在1035℃以下可反复加热 | |
26Crl8Mn12Si2N | 固溶处理 1100~1150 快冷 | 最高使用温度为1000℃,用作渗碳炉构件、加热炉传送带、料盘等 | |
22Cr20Mn 10Ni2Si2N | 固溶处理 1100~1150 快冷 | 最高使用温度为1050℃,用作渗碳炉构件、加热炉传送带、料盘等 |
表5-13 常用热强钢的牌号、化学成分、热处理及最高使用温度
类别 | 牌号 | 热处理/℃ | 最高使用温度/℃ | ||
淬火温度 | 回火温度 | 抗氧化性 | 热强性 | ||
珠光体钢 | 15CrMo | 正火930~960 | 680~730 | <560 | |
35CrMoV | 正火980~1020 | 720~760 | <580 | ||
马氏体钢 | 12Cr13 | 950~1000 油冷 | 700~750 快冷 | 800 | 480 |
13Cr13Mo | 970~1000 油冷 | 650~750 快冷 | 800 | 500 | |
14Crl1MoV | 1050~1100 空冷 | 720~740 空冷 | 750 | 540 | |
158Cr12W MoV | 1000~1050 油冷 | 680~700 空冷 | 750 | 580 | |
42Cr9Si2 | 1020~1040 油冷 | 700~780 油冷 | 800 | 650 | |
40Cr10Si2Mo | 1020~1040 油-空冷 | 720~760 空冷 | 850 | 650 | |
奥氏体钢 | OCr18Ni11 | 920~1150 快冷 | 850 | 650 | |
45Cr14Ni14W2Mo | 固溶处理1170~1200 | 850 | 750 | ||
三 耐磨钢
(1)成分及性能特点
高锰钢的含碳量为0.9%-1.4%,含锰量为11% -14%,高碳保证了钢的耐磨性和强度,高锰保证了与碳配合完全获得奥氏体组织,提高加工硬化能力。
(2)热处理特点
高锰钢较高的含碳量是为了提高其耐磨性,高锰钢只有全部获得奥氏体组织时才能呈现出最好的韧性和耐磨性。为了使高锰钢获得单相奥氏体组织,应进行水韧处理,即将钢加热到1000-1100℃,保温一定时间,使钢中碳化物全部溶解,然后迅速水淬,在室温下获得均匀单一的奥氏体组织。经过水韧处理后,硬度不是很高,通常在180-220HBW范围内,而塑性、韧性良好。高锰钢在工作过程中受到强烈的冲击、压力和摩擦,表层的奥氏体组织因发生塑性变形而产生强烈的加工硬化,使表面硬度提高到50HRC以上.因而获得了很好的耐磨性,而心部仍保持原来奥氏体所具有的高塑性和高韧性。随着工作的不断进行,旧的表面磨损以后,新的表面又在冲击和摩擦的作用下进行强化,获得新的耐磨层。这种钢具有很高的抗冲击性和耐磨性,但在一般受力条件下不一定耐磨,必须伴随着外来的压力和冲击作用才能产生耐磨性。因此,高锰钢主要应用于在巨大压力和强烈冲击载荷作用下工作的零件,如起重机和拖拉机的履带、挖掘机铲斗的斗齿、碎石机的颚板、铁路道岔、防弹钢板等。另外,高锰钢在寒冷气候条件下仍具有良好的力学性能,不会冷脆。高锰钢在受力变形时能吸收大量的能量,受到弹丸射击时也不容易穿透。
思考与练习
1什么是不锈钢,不锈钢可以分为几类?
2 为什么高锰钢既耐磨又有良好的韧性?
模块五 小结
分类 | 典型牌号 | 主要用途 | ||
合金结构钢 | 低合金高强度结构钢 | Q345 | 用于制造船舶、桥梁、管道、压力容器等 | |
合金渗碳钢 | 20CrMnTi | 用于制造汽车、拖拉机变速箱齿轮、凸轮、传动轴等 | ||
合金调质钢 | 40Cr | 用于制造汽车半轴、机床齿轮、轴、曲轴、连杆等 | ||
合金弹簧钢 | 50CrVA、60Si2Mn | 用于制造减振板簧、螺旋弹簧、阀门弹簧、气门弹簧等 | ||
滚动轴承钢 | GCr5SiMn | 用于制造滚动轴承等 | ||
合金工具钢 | 合金刃具钢 | 低合金刃具钢 | 9SiCr | 用于制造丝锥、板牙、铰刀等 |
CrWMn | 用于制造拉刀、长丝锥、长铰刀等 | |||
高速钢 | W18Cr4V | 用于制造拉刀、刨刀、麻花钻头、铣刀等 | ||
合金模具钢 | 冷模具钢 | Cr12 Cr12Mov | 用于制造冷冲模、冷挤压模、拉丝模、钻套、量规等 | |
热模具钢 | 5CrMnMo 5CrNiMo | 用于制造热锻模 | ||
3Cr2W8V | 用于制造压铸模、热挤压模等 | |||
塑料模具钢 | 3Cr2Mo | 用于制造复杂、精密塑料模等 | ||
特殊性能钢 | 不锈钢 | 铬不锈钢 | 12Cr13 20Cr13 | 用于制造汽轮机叶片、水压机机阀等 |
30Cr13 | 用于制造医疗器械、刃具、量具、轴承等 | |||
铬镍不锈钢 | 12Cr18Ni9 | 用于制造吸收塔、储酸槽、管道、容器等 | ||
耐热钢 | 42Cr9Si2 | 用于制造燃气轮机燃烧室、加热炉内构件等 | ||
耐磨钢 | ZGMn13 | 用于制造坦克、拖拉机履带、挖掘机铲斗、铁路道岔等 | ||
模块五 单元练习
一、填空题
1、合金钢按用途可分为 、 及 ______________________________三类。
2、合金钢是在 的基础上,加入 而形成的。
3、滚动轴承钢的预备热处理是 ,最终热处理是 。
4、机械制造用钢又可分为 、 ________ 、 和 ___________等几种。
5、高速钢刀具切削温度达600℃时,仍能保持高的 ____ 和 。
6、按工作条件不同,合金模具钢可分为 和 两种
7、合金工具钢是指用于制造各种 的合金钢,其包括 、 、 三种。
8、特殊性能钢是指具有 的钢,如 、 、 等。
9、3CrW8V钢中平均含碳量为 。
10、耐热钢可分为 和 两类。
二、选择题
1、GCrl5钢平均含铬量为( B )%。
A、0.15 B、1.5 C、15
2、合金渗碳钢渗碳后必须进行( A )热处理才能使用。
A、淬火+低温回火 B、表面淬火+中温回火 C、淬火+高温回火
3、钢的热硬性是指钢在高温下保持( B )的能力。
A、高强度 B、高硬度和高耐磨性 C、高抗氧化
4、50CrV的平均含碳量为( A );它是何种钢( D ) 。
A、0.5%; B、5%; C、合金工具钢; D、合金弹簧钢。
5、下列钢号中,合金模具钢为( B )
A、40Cr; B、Cr12MoV; C、60Si2Mn。
6、下列钢号中,不锈钢为( C )
A、50CrVA; B、9CrSi; C、1Cr13。
7、欲制造一机床主轴,选何材料为宜( C )。
A、GCr15; B、ZGMn13; C、40Cr。
三、判断题
1、所有的合金元素都能提高钢的淬透性。 ( F )
2、不锈钢中含碳量越高其耐腐蚀性越好。 ( F )
3、在相同的回火温度下,合金钢比同样含碳量的碳素钢具有更好高的硬度。 ( T )
4低合金钢是指含碳量低于25%的合金钢。 ( F )
5、合金渗碳钢都是低碳钢。 ( T )
6、合金工具钢都是高碳钢。 ( T )
7、GCr15钢是滚动轴承钢,但又可制造量具、刀具和冷冲模具等( T )
8、热硬性高的钢必定有较高的回火稳定性 。 ( T )
9、滚动轴承钢是高碳钢。 ( T )
四、名词解释(每个2分,共6分)
1、合金钢
2、回火稳定性
2、耐热钢
五、解释牌号名称及含义(每个2分,共12分)
20CrMnTi
60Si2Mn
W18Cr4V
1Cr18Ni9
GCr15
六、简答题(16分)
1、试述高速钢的成分、性能、热处理特点。
2、高锰钢为什么耐磨且有很好的韧性。
3、合金元素为什么能提高钢的淬透性?淬透性好的钢有何优点?
