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1、工程材料及热处理第六章工业用钢 钢的分类和编号6.16.1.1 钢的分类根据钢的化学成分的不同，可将工业用钢分为非合金钢和合金钢。1 按化学成分分类1）非合金钢非合金钢即铁碳合金，此类钢习惯上称为碳钢。在工业上使用的钢铁材料中，碳钢占有重要的地位。与合金钢相比，碳钢冶炼简便、加工容易、价格便宜，而且在一般情况下能满足使用性能的要求，因此应用广泛。根据钢中碳含量的不同，碳钢可分为低碳钢（0.25%C）、中碳钢（0.250.6%C）和高碳钢（0.6%C）。2）合金钢为了提高钢的性能，在碳钢中特意加入一定合金元素所获得的钢种称为合金钢。合金元素的加入，克服了碳钢淬透性低、强度和屈强比低、回火稳定性差
2、、不能满足特殊性能要求等缺点，满足了日益发展的科学技术和工业生产及应用的要求。因此，合金钢在现代工业、农业、科研、国防等众多行业中得到广泛应用。目前，钢中加入的元素主要有锰、铬、镍、钨、钼、钒、钛、铜、铝、硅、硼、氮、铌、锆和稀土元素等。根据钢中合金元素总含量的不同，可将合金钢分为低合金钢（5%）、中合金钢（为510%）和高合金钢（10%）。2按质量等级分类根据钢的质量高低，即主要根据钢中所含有害杂质S，P的多少来分类，可将工业用钢分为普通质量钢（S，P含量 0.045%）、优质钢（S，P含量 0.035%）和高级优质钢（S，P含量 0.025%）三类。其中，合金钢均为优质钢和高级优质钢。根据
3、钢的用途不同，可将工业用钢分为结构钢、工具钢和特殊性能钢三大类。其中，结构钢可分为工程构件用钢和机器零件用钢等；工具钢可分为刃具钢、模具钢和量具钢等；特殊性能钢可分为不锈钢、耐热钢和耐磨钢等。3按用途分类4按炼钢时脱氧程度分类根据冶炼过程中脱氧程度的不同，可将工业用钢分为沸腾钢（脱氧不彻底，用符号F表示）、镇静钢（脱氧彻底，用符号Z表示）、半镇静钢（脱氧程度介于沸腾钢和镇静钢之间，用符号b表示）和特殊镇静钢（进行特殊脱氧的钢，用符号TZ表示）。其中，脱氧较完全的镇静钢和特殊镇静钢可不标注。5按室温组织分类根据钢在空气中冷却后所得到的组织的不同，可将工业用钢分为珠光体钢、贝氏体钢、马氏体钢、奥氏
4、体钢和莱氏体钢等。6.1.2 钢的牌号1 结构钢1）普通碳素结构钢普通碳素结构钢牌号的命名方法为：标志符号“Q”+最小Re值+“-”+等级符号+脱氧程度符号。其中，标志符号“Q”为“屈服强度”的汉语拼音字头。等级符号表示钢材质量等级，共分为四级，即A级（S 0.05%，P 0.045%）、B级（S 0.045%，P 0.045%）、C级（S 0.04%，P 0.04%）、D级（S 0.035%，P 0.035%）。其中，D级为最高级，达到了碳素结构钢的优质级，其余A，B，C三个等级均属于普通级范围。从此类钢的牌号中，可以直接知道钢的最低屈服点、质量等级和脱氧程度，用起来很方便。例如，Q235-
5、AF钢表示Re 235 MPa，质量等级A级，脱氧不充分的沸腾钢。我国钢的牌号一般用汉语拼音字母、化学元素符号和阿拉伯数字相结合的方法表示。2）优质碳素结构钢优质碳素结构钢的牌号是两位数字，表示碳质量分数的万分数值。全部是优质级，不标质量等级符号。例如，钢号20表示平均含碳量为0.20%的钢；钢号45表示平均含碳量为0.45%的钢。此类钢中有三个钢号是沸腾钢，其钢号尾部标有F，如08F。注 意优质碳素结构钢中有些是锰的质量分数超出一般规定的锰杂质含量，其钢号尾部标有元素符号Mn，如65Mn。此类钢仍属于优质碳素结构钢，不要误认为是合金钢。3）低合金钢低合金钢的牌号用“屈”字汉语拼音首字母“Q”
6、+屈服点数值+质量等级符号（A，B，C，D）表示。例如，Q345C表示屈服点不小于345MPa的C级低合金钢。由于低合金结构钢分为镇静钢和特殊镇静钢，因此牌号的组成中没有表示脱氧方法的符号。专用低合金结构钢牌号按规定应在牌号头部（或尾部）用如表6-1所示的代表产品用途的符号表示。例如，压力容器用钢牌号表示为Q345R；焊接气瓶用钢牌号表示为Q295HP；锅炉用钢牌号表示为Q390g；桥梁用钢表示为Q420q。字母含义位置字母含义位置R压力容器用钢牌号尾YF易切削非调质钢牌号头g锅炉用钢牌号尾F热锻用非调质钢牌号头HP焊接气瓶用钢牌号尾Y易切削钢牌号头q桥梁用钢牌号尾ML铆螺钢牌号头H保证淬透性
7、结构钢牌号尾H焊接用钢牌号头G高压锅炉用钢牌号尾G滚动轴承钢牌号头L汽车大梁用钢牌号尾ZGD低合金铸钢牌号头表6-1 钢牌号中部分汉语拼音字母含义说明表4）机械零件用合金结构钢（1）渗碳钢、调质钢、弹簧钢渗碳钢、调质钢、弹簧钢的牌号采用“两位数字 元素符号 数字”的方法表示。前面两位数字表示碳的平均质量分数的万分之几，元素符号表明钢中的主要合金元素，其后的数字则表明该合金元素的含量。合金元素的平均含量小于1.50%时，牌号中仅标明元素符号，一般不标明含量；平均合金含量为1.50%2.49%，2.50%3.49%，3.50%4.49%，则在合金元素后相应写成2，3，4，数字。例如，碳、铬、锰、硅
8、的平均含量分别为0.30%，0.95%，0.85%，1.05%的合金结构钢，当S，P含量分别 0.035%时，其牌号表示为30CrMnSi。高级优质合金结构钢在牌号尾部加“A”，如30CrMnSiA；特级优质合金结构钢在牌号尾部加“E”，如30CrMnSiE；专用合金结构钢牌号应按规定在牌号头部（或尾部）用如表6-1所示的代表产品用途的符号。例如，铆螺专用的30CrMnSi钢，牌号表示为ML30CrMnSi。（2）高碳铬滚动轴承钢高碳铬滚动轴承钢有自己独特的牌号。牌号前面以“滚”字汉语拼音首字母“G”为标志，其后为铬元素符号Cr，Cr后的数字表示Cr质量分数的千分之几，碳含量为0.95%1.0
9、5%，但一般不标出，其余与合金渗碳钢牌号规定相同，如碳、铬、硅、锰的平均含量分别为1.0%，1.5%，0.6%，1.2%的轴承钢，其牌号为GCr15SiMn。2工具钢碳素工具钢的牌号命名方法为：标志符号“T”+碳质量分数的千分数值。合金工具钢的牌号命名方法为：数字+合金元素符号+数字+。前面的数字表示钢中碳的平均质量分数的千分之几，当钢中碳的质量分数大于1%时不标出，其余与渗碳钢、调质钢、弹簧钢的牌号相同，如9SiCr，CrWMn（1.0%不标出）。高速工具钢牌号中不标出含碳量，如W18Cr4V（为0.70.8%）。3特殊性能钢不锈钢和耐热钢采用“数字+合金元素符号+数字”的方法表示。前面的数
10、字若为两位数或三位数时，分别表示钢中碳的平均质量分数的万分之几或十万分之几。只规定碳含量上限时，当碳含量上限 0.10%时，以其上限的3/4表示；当碳含量上限 0.10%时，以其上限的4/5表示；规定上下限的，以“平均碳含量100”表示。对超低碳的（碳含量 0.030%），用三位数字表示碳含量的最佳控制值。合金元素符号后的数字代表该元素平均含量的百分数。高锰耐磨钢一般是铸造成形后直接使用的，采用“ZG+数字+Mn+数字+合金元素符号+数字+”的方法表示。其中，“ZG”表示铸钢，其后的数字代表平均碳含量的万分数，合金元素符号后的数字代表该元素平均含量的百分数。（a）对硬度的影响 （b）对韧性的影
11、响 图6-1 合金元素对铁素体力学性能的影响 合金元素在钢中的作用6.26.2.1 合金元素对基本相的影响碳钢中加入合金元素后，对钢的相组成，相的成分和结构，各相在钢中所占的体积组分和彼此相对的分布状态等起作用，从而改善钢的性能。1 强化铁素体合金元素可溶于铁素体形成合金铁素体，产生固溶强化作用，使铁素体的强度、硬度升高，塑性、韧性下降，如图6-1所示。某些合金元素会与碳发生反应形成碳化物，如Fe，Mn，Cr，Mo，W，V，Nb，Zr，Ti等（按与C的亲和力由弱到强排列），这些元素称为碳化物形成元素。而与C亲和力很弱，无法形成碳化物的元素，如Ni，Si，Al，Co，Cu等，称为非碳化物形成元素
12、。由于碳化物形成元素与C的亲和力强弱不同，以及在钢中的含量不同，形成碳化物的类型包括：合金渗碳体，如（Fe，Mn）3C，（Fe，Cr）3C；合金碳化物，如Cr7C3，Cr23C6；特殊碳化物，如WC，VC，TiC。从合金渗碳体到特殊碳化物，稳定性及硬度依次升高。当碳化物以微细质点分布于基体上时，会产生弥散强化作用，且合金碳化物有极高的硬度和熔点，可显著提高钢的耐磨性和耐热性。此外，难熔的稳定碳化物分布在奥氏体晶界上，可有效地细化晶粒，改善钢的性能。2 形成碳化物6.2.2合金元素对Fe-Fe3C相图的影响缩小奥氏体相区的元素有Cr，Mo，W，V，Ti，Si，Al，B等，称为铁素体形成元素。由于
13、此类合金元素的加入使A1线、A3线升高，且当含量足够高时，奥氏体区域可能完全消失，使钢在高温与常温均保持铁素体组织，此类钢称为铁素体钢，如Cr17不锈钢便属于铁素体不锈钢。如图6-2所示为Cr对奥氏体相区的影响。扩大奥氏体相区的元素有Ni，Mn，Co，Cu，Zn，N等，称为奥氏体形成元素。此类合金元素的加入使A1线、A3线下降，且当含量足够高时，奥氏体区域扩大至室温，使钢在室温下以奥氏体单相存在而成为一种奥氏体钢，如ZGMn13耐磨钢便属于奥氏体钢。如图6-3所示为Mn对奥氏体相区的影响。1 对奥氏体相区的影响 图6-2 Cr元素对奥氏体相区的影响 图6-3 Mn元素对奥氏体相区的影响2对对S
14、点、点、E点的影响点的影响几乎所有合金元素都会使S点、E点向左移，即降低共析碳含量及碳在奥氏体中的最大溶解度，从而使碳含量相同的碳钢和合金钢具有不同的组织。例如，在高速钢（为0.7%0.8%）的铸态组织中就有莱氏体组织。6.2.3 合金元素对热处理的影响1 提高回火稳定性提高回火稳定性淬火钢在回火过程中抵抗硬度下降的能力称为回火稳定性。由于合金元素减慢了碳的扩散，从而减慢了马氏体及残留奥氏体的分解过程和阻碍碳化物析出、聚集、长大。因此，在回火过程中，合金钢的软化速度比碳钢慢，合金钢具有较高的回火抗力，在较高的回火温度下仍保持较高的硬度。在回火温度相同时，合金钢的硬度及强度比碳含量相同的碳钢高；
15、而回火至相同硬度时，合金钢的回火温度高，内应力的消除比较彻底。因此，合金钢的塑性和韧性比碳钢好。2 产生二次硬化现象当钢中Cr，W，Mo，V等元素超过一定量时，在400以上还会形成弥散分布的特殊碳化物，使硬度重新升高，直到500600硬度达到最高值，出现二次硬化现象，如图6-4所示。二次硬化现象对高合金工具钢十分重要，通过500600回火可使其硬度比淬火态硬度高5 HRC以上。图6-4 含0.35%C加入不同Mo量的钢对回火硬度的影响3 产生回火脆性淬火钢在某些温度区间回火或从回火温度缓慢冷却通过该温度区间的脆化现象，称为回火脆性。如图6-5所示为镍铬钢回火后的冲击韧度与回火温度的关系。图6-
16、5 合金钢回火脆性示意图钢淬火后在300左右回火时产生的回火脆性称为第一类回火脆性。无论碳钢或合金钢，都可能发生这种脆性，并且它与回火后的冷却方式无关。这种回火脆性产生后无法消除。为了避免第一类回火脆性的发生，一般不在250350温度范围内回火。含有铬、锰、镍等元素的合金钢淬火后，在脆化温度区（400550）回火，或经更高温度回火后缓慢冷却通过脆化温度区所产生的脆性，称为第二类回火脆性。它与某些杂质元素在原奥氏体晶界上偏聚有关。这种偏聚容易发生在回火后缓慢冷却的过程中，最容易发生在含铬、锰、镍等合金元素的合金钢中。如果回火后快冷，杂质元素便来不及在晶界上偏聚，就不易发生这类回火脆性。当出现第二
17、类回火脆性时，可将其加热至500600，经保温后快冷，即可消除回火脆性。注 意对于不能快冷的大型结构件或不允许快冷的精密零件，应选用含有适量钼和钨的合金钢，能有效防止第二类回火脆性的发生。结构钢6.36.3.1 碳素结构钢1 普通碳素结构钢普通碳素结构钢一般为低、中碳成分，具有良好的塑性、韧性和一定的强度，同时有良好的加工工艺性能、焊接性能和冷变形成形性能。此类钢主要用于各类工程构件（如桥梁、船舶、建筑等）和机器零件（如齿轮、轴、螺钉、螺母、连杆等）所需的热轧钢板、钢带、钢管、盘条、型钢、棒钢等，可供焊接、铆接等构件使用。用于制造重要工程结构和各种机器零部件的钢称为结构钢。结构钢是工业用钢中用
18、途最广、用量最大的一类钢种，主要包括碳素结构钢、低合金钢、渗碳钢、调质钢、弹簧钢、滚动轴承钢等。如表6-2所示，普通碳素结构钢共分五个强度等级。牌号质量等级化学成分/%脱氧方法力学性能用途举例CMnSiSPRe/MPaRm/MPaA5/%Q1950.120.500.300.0400.035F，Z19531539033其塑性好、强度低，用于制造承受载荷不大的构件，如螺钉、螺母、垫圈、钢窗、地脚螺钉、冲压件及焊接件等Q215A0.151.200.350.0500.045F，Z21533541031B0.045表6-2 碳素结构钢的牌号、化学成分、力学性能及用途（摘自GB/T 7002006）牌号质
19、量等级化学成分/%脱氧方法力学性能用途举例CMnSiSPRe/MPaRm/MPaA5/%Q235A*0.221.400.350.0500.045F，Z23537546026制造钢板、钢筋、型钢、螺栓、螺母、轴、吊钩及自行车架等，C和D可用作重要焊接件B*0.200.045C0.170.0400.040ZD0.0350.035TZQ255A0.180.280.400.700.300.0500.045Z25541051024其强度较高，用于制造承受中等载荷的零件，如键、销、转轴、拉杆、链轮及链环片等B0.045Q275AA0.241.500.350.0500.045F，Z27549061020BB
20、0.210.0450.045ZCC0.220.0400.040ZDD0.200.0350.035TZ表6-2（续）注：（1）带“”号处Q235-A，B级沸腾钢Mn的质量分数上限为0.60%。（2）试样厚度（直径）16 mm，若试样厚度增加，则Re和A5会相应降低。提 示优质碳素结构钢的出厂状态可以是热轧后空冷，也可以是退火、正火等状态，一般随用户需要而定。2 优质碳素结构钢优质碳素结构钢必须同时保证钢的化学成分和力学性能。其所含S，P杂质含量低（0.035%），夹杂物也少，化学成分控制较严格，质量很好。因此，此类钢常用于较为重要的机械零件，可通过热处理调整零件的力学性能，如表6-3所示。牌号化
21、学成分/%力学性能用途举例CSiMnRm/MPaRe/MPaA5/%Z/%K/J08F0.050.110.030.250.502951753560其强度、硬度低，塑性、韧性高，冷加工性和焊接性优良，切削加工性欠佳，热处理强化效果不显著。碳含量较低的常轧制成钢板，广泛用于深冲压和深拉延制品。碳含量较高的（1525）可用来制造各种标准件、轴套、容器等，也可用作渗碳钢制造表硬心韧的中小尺寸耐磨零件，如齿轮、凸轮、销轴、摩擦片、水泥钉等10F0.070.130.070.250.50315185335515F0.120.180.070.250.503552052955080.050.11 0.170.3
22、70.350.653251953360100.070.13 0.170.370.350.653352053155150.120.18 0.170.370.350.653752252755200.170.23 0.170.370.350.654102452555250.220.29 0.170.370.500.80450275235071300.270.34 0.170.370.500.80490295215063其综合力学性能好，热塑性加工性和切削加工性较差，冷变形能力和焊接性中等。多在调质或正火状态下使用，还可用于表面硬化处理以提高疲劳性能和表面耐磨性，常用于制造传动轴、发动机连杆、机床齿轮
23、等，以45应用最广350.320.39 0.170.370.500.80530315204555400.370.44 0.170.370.500.80570335194547450.420.50 0.170.370.500.80600355164039500.470.55 0.170.370.500.80630375144031550.520.60 0.170.370.500.806453801335600.570.65 0.170.370.500.806754001235具有较高的强度、硬度、耐磨性和良好的弹性，切削性能中等，焊接性能不佳，淬火开裂倾向较大。主要用于制造弹簧、重钢轨、轧辊、凸
24、轮、铁锹、钢丝绳等，其中65钢是常用的弹簧钢650.620700.170.370.500.806954101030700.670.75 0.170.370.500.80715420930750.720.80 0.170.370.500.801 080880730800.770.85 0.170.370.500.801 080930630850.820.90 0.170.370.500.801 130980630表6-3 优质碳素结构钢的牌号、力学性能及用途（摘自GB/T 6992015）表6-3（续）注：（1）试样毛坯为25 mm。（2）表中除75，80和85三种钢是“820淬火、480回火”
25、外，其他牌号的钢均为正火状态。牌号化学成分/%力学性能用途举例CSiMnRm/MPaRe/MPaA5/%Z/%K/J15Mn0.120.18 0.170.37 0.701.004102452655应用范围基本同于相对应的普通含锰钢，但因淬透性和强度较高，可用于制造截面尺寸较大或强度要求较高的零件，其中以65Mn最常用20Mn0.170.23 0.170.37 0.701.00450275245025Mn0.220.29 0.170.37 0.701.0049029522507130Mn0.270.34 0.170.37 0.701.0054031520456335Mn0.320.39 0.17
26、0.37 0.701.0056033518455540Mn0.370.44 0.170.37 0.701.0059035517454745Mn0.420.50 0.170.37 0.701.0062037515403950Mn0.480.56 0.170.37 0.701.0064539013403160Mn0.570.65 0.170.37 0.701.00695410113565Mn0.62070 0.170.37 0.901.2073543093070Mn0.670.75 0.170.37 0.901.20785450830提 示优质碳素结构钢的出厂状态可以是热轧后空冷，也可以是退火、正
27、火等状态，一般随用户需要而定。1 用途低合金钢中添加的少量合金元素使得钢的强度相对于同等碳含量的碳钢明显提高，所以此类钢又称为低合金高强度钢。6.3.2 低合金钢低合金钢主要用于制造在大气和海洋中工作的大型焊接结构件，如建筑结构、桥梁、车辆、船舶、输油输气管道、压力容器等。低合金钢强度高，良好的塑性、韧性、冷冲压性能及焊接性能，可抵抗大气腐蚀。2 性能特点3成分特点低合金钢具有以下成分特点。含碳量：低碳，0.2%，以保证良好的塑性、韧性、冷冲压性能及焊接性能。合金元素：低合金，主要以Mn和Si为主，强化铁素体基体，产生固溶强化；加入少量的Ti，V，Nb，RE等，以用来细化晶粒，提高强韧性。4
28、热处理工艺特点低合金钢一般在热轧空冷状态下使用，必要时经正火处理后使用。正火处理的温度在Ac3 以上3050，使用态组织为铁素体+珠光体。5 典型牌号及用途在较低的Q345级的钢中，16Mn最具有代表性，是目前我国用量最多、产量最大的一种低合金钢，其派生钢种有16MnRE，16MnCu等。RE的主要作用是提高塑性和韧性，提高疲劳强度，降低韧脆转变温度；Cu的主要作用是通过钝化提高耐蚀性。此类钢多用于船舶、车辆、桥梁等大型钢结构。对于Q420级的钢，如15MnVN，14MnVTiRE等，加入了钒、氮起到细化晶粒和第二相强化作用，稀土又起净化晶界作用，可提高强韧性，因此其强度高于15MnTi。对于
29、Q460级的钢，如14MnMoVBRE，加入了钼和微量硼元素，可推迟奥氏体冷却时的铁素体析出，而对贝氏体转变则影响不大。其正火后得到贝氏体组织，然后再高温回火，以稳定组织，消除内应力，提高塑性、韧性和焊接性，适于制造400500的锅炉、中温高压容器等。常用低合金钢的牌号、力学性能及用途如表6-4所示。牌号质量等级力学性能旧牌号用途举例Re/MPaRm/MPaA5/%KV/JQ295A，B295390570233409MnV，09MnNb，09Mn2，12Mn制造车辆的冲压件、中低压化工容器、储油罐、输油管、油船等Q345A，BC，D，E34547063021223412MnV，14MnNb，1
30、6Mn，16MnCu，16MnRE制造桥梁、车辆、船舶、压力容器、矿山机械、电站设备、厂房钢架等Q390A，BC，D，E39049065019203415MnV，15MnTi，16MnNb制造桥梁、大型船舶、起重设备、压力容器、较高载荷的焊接件等Q420A，BC，D，E42052068018193415MnVN，14MnVTiRE制造桥梁、高压容器、大型船舶、电站设备、中高压锅炉及容器等Q460C，D，E460550720173414MnMoVBRE制造中温高压容器（120）、锅炉、大型挖掘机、起重运输机械、钻井平台等表6-4 常用低合金钢的牌号、力学性能及用途（摘自GB/T 15912008
31、）注：表中Re为厚度（直径、边长）16 mm时的数据。1 用途6.3.3 合金渗碳钢合金渗碳钢主要用于制作承受交变载荷、很大的接触应力，并在冲击和严重磨损条件下工作的零件，如汽车、重型机床齿轮、活塞销，内燃机的凸轮轴等。合金渗碳钢在性能上应做到“表硬心韧”，即要求零件表面硬度高、耐磨，心部则具有较高的韧性和足够的强度以承受冲击。一般渗碳件表面渗碳层淬火后硬度 58 HRC，心部为3545 HRC。2 性能要求3成分特点合金渗碳钢具有以下成分特点。含碳量：低碳，C为0.15%0.25%，以保证心部塑韧性。合金元素：主要加入元素有Cr，Ni，Mn，B，以强化基体，提高淬透性，保证心部强韧性；辅加元
32、素有V，Ti，W，Mo等，防止渗碳时过热，细化晶粒，提高耐磨性。4 热处理工艺特点渗碳件一般的工艺路线为：下料 锻造 正火 机加工 渗碳 淬火 低温回火 磨削。（1）预备热处理：一般是正火，组织为P+F，目的是调整硬度，改善组织和切削加工性能。（2）最终热处理：一般是渗碳后直接淬火（或一次、二次淬火）+低温回火。其表面组织为M回+细小碳化物+少量Ar，硬度一般为5864 HRC；心部组织依照钢的淬透性及工件尺寸而定，淬透时为低碳M回，未淬透时为低碳M回+F+P。5 典型牌号及用途常用渗碳钢牌号、热处理、力学性能及用途如表6-5所示。按淬透性的高低，渗碳钢大致可以分为以下三类。1）低淬透性渗碳钢
33、低淬透性渗碳钢的典型牌号为20Cr，其水淬临界直径为2035 mm。渗碳淬火后，其心部强韧性较低，因此只适于制造受冲击载荷较小的耐磨零件，如活塞销、凸轮、滑块、小齿轮等。2）中淬透性渗碳钢中淬透性渗碳钢的典型牌号为20CrMnTi，其油淬临界直径为2560 mm，主要用于制造能承受中等载荷、要求有足够冲击韧性和耐磨性的汽车齿轮等零件。3）高淬透性渗碳钢高淬透性渗碳钢的典型牌号为18Cr2Ni4W，20Cr2Ni4，其油淬临界直径 100 mm，主要用于制造大截面、高载荷的重要耐磨件，如飞机、坦克中的曲轴、大模数齿轮等。类别牌号热处理/，冷却介质力学性能用途举例一次淬火二次淬火回火Re/MPaR
34、m/MPaA5/%低淬透性20Cr880水、油780820水、油20054083510制造齿轮、小轴、活塞销20MnV880水、油20059078510同上，也可制造锅炉、高压容器管道等中淬透性20CrMn850油20073593010制造齿轮、轴、蜗杆、摩擦轮中淬透性20CrMnTi880油870油2008501 08010制造汽车、拖拉机上的变速箱齿轮20MnTiB860油2009301 13010代替20CrMnTi高淬透性18Cr2Ni4W950空850空2008351 18010制造大型渗碳齿轮和轴类零件20Cr2Ni4880油780油2001 0801 18010同上表6-5 常用
35、渗碳钢的牌号、热处理、力学性能及用途（摘自GB/T 30772015）1 用途6.3.4 合金调质钢合金调质钢用于受力较复杂的重要结构零件，如机床主轴、火车发动机曲轴和汽车后桥半轴等轴类零件，以及连杆、螺栓和齿轮等。合金调质钢具有良好的综合力学性能，即较高的强度、良好塑性和韧性。2 性能要求3 成分特点4热处理工艺特点合金调质钢具有以下成分特点。碳含量：中碳，为0.25%0.5%，以保证热处理后具有足够的强度、良好的塑性和韧性。若含碳量太低，则强度、硬度不足；太高，塑性、韧性又会降低。为达到两者兼顾，常取中碳范围。一般碳素调质钢的淬透性低，含碳量偏上限；合金调质钢淬透性好，随合金元素的增加，含
36、碳量趋于下限，如30CrMnSi，38CrMoAl。合金元素：主要加入元素有Cr，Ni，Mn，Si，Al等，以提高淬透性，调质处理后有良好的综合力学性能；辅助加入元素有W，Mo元素，以防止高温回火脆性，细化晶粒，提高回火稳定性。调质件一般的工艺路线为：下料 锻造 退火 粗加工 调质 精加工。（1）预备热处理：采用完全退火或正火（高淬透性的调质钢正火后应再高温回火），其目的是细化晶粒、改善组织、调整硬度、改善切削加工性能。预备热处理后的组织为（P+F）。（2）最终热处理：调质处理，组织为S回，具有良好的综合机械性能。调质件除了应具有良好的综合机械性能外，还要求其表面具有高硬度、高耐磨性，调质处理
37、后还需进行“表面淬火+低温回火”处理，表面淬火多采用感应加热表面淬火。最终热处理后的表面组织为M回，心部为S回。5 典型牌号及用途常用调质钢的牌号、热处理、力学性能及用途如表6-6所示。按淬透性的高低，调质钢大致可以分为以下三类。1）低淬透性调质钢低淬透性调质钢的典型牌号为45，40Cr，此类钢的油淬临界直径最大为3040 mm，广泛用于制造一般尺寸的重要零件，如轴、齿轮、连杆螺栓等。表6-6中的35SiMn，40MnB是为节约铬而发展的代用钢种。2）中淬透性调质钢中淬透性调质钢的典型牌号为40CrNi，此类钢的油淬临界直径最大为4060mm，含有较多的合金元素，用于制造截面较大、承受较重载荷
38、的零件，如曲轴、连杆等。3）高淬透性调质钢高淬透性调质钢的典型牌号为40CrNiMo，此类钢的油淬临界直径为60100 mm，多半为铬镍钢。铬、镍的适当配合，可大大提高淬透性，并能获得比较优良的综合机械性能。高淬透性调质钢可用于制造大截面、承受重负荷的重要零件，如汽轮机主轴、压力机曲轴、航空发动机曲轴等。类别牌号热处理力学性能用途举例淬火/冷却介质回火/Re/MPaRm/MPaA5/%低淬透性45840水60035560016制造主轴、曲轴、齿轮、柱塞等40Cr850油5207859809制造重要调质件，如齿轮、轴、曲轴、连杆螺旋等35SiMn900水57073588515除要求低温（-20以
39、下）韧性很高外，可全面代替40Cr作调质件40MnB850油50078598010代替40Cr中淬透性40CrMn840油5508359809代替40CrNi，42CrMo作高速高载荷而冲击不大的零件40CrNi820油50078598010制造汽车、拖拉机、机床、柴油机的轴、齿轮、连接机件螺旋、电动机轴30CrMnSi880油5408351 08010为高强度钢，用于制造高速载荷砂轮轴、齿轮、轴、联轴器、离合器等重要调质件35CrMo850油55083598012代替40CrNi制大截面齿轮与轴，汽轮发电机转子，以及480以下工作的紧固件38CrMoAl940水、油64083598014高级
40、氮化钢，制造大于900 HV氮化件，如镗床镗杆、蜗杆、高压阀门等表6-6 常用调质钢的牌号、热处理、力学性能及用途（摘自GB/T 6992015，GB/T 30772015）高淬透性37CrNi3820油5009801 13010制造高强韧性的重要零件，如活塞销、凸齿轴、齿轮、重要螺栓拉杆等40CrNiMo850油60083598012制造受冲击载荷的高强度零件，如锻压机床的传动偏心轴、压力机曲轴等大截面重要零件25Cr2Ni4W850油5009301 08011制造200 mm以下，完全淬透的重要零件，也与12Cr2Ni4相同，可作高级渗碳件表6-6（续）6.3.5 合金弹簧钢1 用途合金弹
41、簧钢是专用结构钢，主要用于制造各种弹簧和弹性元件。合金弹簧钢具有高的弹性极限和屈强比，高的疲劳强度和足够的塑性、韧性，以及良好的淬透性和低的脱碳敏感性。2 性能要求3成分特点合金弹簧钢具有以下成分特点。含碳量：为0.50%0.70%，多数为0.6%左右，属于中、高碳。含碳量过高，不但塑性和韧性会降低，疲劳极限也会下降。合金元素：主要加入的元素有Mn，Si，以提高淬透性，提高强度及屈强比；辅助加入元素有W，Mo，V等，以进一步提高淬透性、细化晶粒、提高回火稳定性和耐热性。根据弹簧的加工成形方法不同，弹簧分为热成形弹簧和冷成形弹簧。一般截面尺寸 1015 mm的弹簧采用热成形方法；截面尺寸 10
42、mm采用冷成形方法。4热处理工艺特点1）热成形弹簧热成形弹簧多用热轧钢丝或钢板制成（钢丝直径或板厚 10 mm），以60Si2Mn制造的汽车板簧为例，其工艺路线为：下料 加热压弯成形 淬火+中温回火 喷丸处理 装配。工件成形后采用淬火+中温回火（350500）进行处理，组织为T回，硬度为4052 HRC，具有高的弹性极限、屈强比和足够的韧性，喷丸处理可进一步提高疲劳强度。2）冷成形弹簧冷成形弹簧常采用冷拔钢丝冷卷成形（钢丝直径或板厚0.9%，有时可高达2.0%以上。其主要加入的元素有Mn，Cr，W，Mo，V，用以强化基体，形成碳化物，提高淬透性、硬度和耐磨性等。（4）热处理工艺特点冷作模具钢的
43、预备热处理为球化退火，最终热处理为淬火 低温回火，热处理后硬度可达5860 HRC。（5）常用冷作模具钢的牌号9Mn2V，CrWMn钢价格便宜，加工性能好，能基本满足模具的工作要求；Cr12钢，淬火变形小、淬透性好、耐磨性好，用于制作负荷大、尺寸大、形状复杂的模具。常用冷作模具钢的牌号、热处理及用途如表6-11所示。牌号退火淬火回火用途举例温度/HBW温度/冷却介质温度/HRC9Mn2V750770229780810油15020062制造尺寸较小的冲模及冷压模、机床丝杠等CrWMn760790207255800830油14016062制造丝锥、板牙、铰刀、小型冲模等Cr128709002172
44、599501 000油20045060制造受冲击载荷较小的冷冲模及冲头、冷剪切刀、拉丝模等Cr12MoV8508702072559501 000油15042558制造形状复杂的冲孔模、冷剪切刀、拉丝模、冷挤压模等Cr4W2MoV850870269960980或1 0201 040油26030060制造冲模、冷镦模、落料模、冷挤凹模、搓丝板等6W6Mo5Cr4V8508702691 1801 200油56058060制造冷挤压模（钢件）表6-11 常用冷作模具钢的牌号、热处理及用途（摘自GB/T 12992014）2）热作模具钢（1）用途热作模具钢用于制造各种热锻模、热挤压模、压铸模等模具，工作
45、时型腔表面温度可达600。（2）性能特点热作模具工作时除受压力、冲击和摩擦外，还受工作温度的影响，所以要求热作模具钢在高温下具有足够的硬度、强度、韧性，较高的耐磨性、导热性和较好的抗疲劳能力。大型模具要求较高的淬透性和较小的热处理变形。（3）化学成分热作模具钢的碳质量分数 为0.3%0.6%，其主要加入的元素有Cr，Ni，Mn，W，Mo，V，用以提高淬透性、回火稳定性及耐磨性。其中，Mo，W还可抑制第二类回火脆性，而Cr，Si，W可提高热疲劳性能。（4）热处理工艺特点热作模具钢的最终热处理一般为淬火后高温（或中温）回火，以获得均匀的回火索氏体（或回火屈氏体）组织，硬度在40 HRC左右，并具有
46、较高的韧性。（5）常用热作模具钢的牌号常用热作模具钢的牌号、热处理及用途如表6-12所示。牌号淬火回火用途举例温度/冷却介质HRC温度/HRC5CrNiMo830860油475305504345制造大型锻模等5CrMnMo820850油505605804045制造中型锻模等3Cr2W8V1 0751 125油50560580（三次）4448制造平锻机上用的凹凸模、铜合金挤压模、压铸用模、热金属切刀等4Cr5MoSiV1 1 0001 010油60550（二次）5658制造铝、铜及其合金小型热铸件用的压铸模、热挤压模、压机锻模等表6-12 常用热作模具钢的牌号、热处理及用途（摘自GB/T 129
47、92014）其中，5CrNiMo的综合性能较好，主要用于制造形状复杂、冲击载荷大的大型热锻模。5CrMnMo中用Mn代替Ni，虽然价格低，且强度不会降低，但其塑性、韧性及淬透性不如5CrNiMo，一般用于中、小型（截面尺寸 300 mm）热锻模。3Cr2W8V具有较高的回火稳定性，广泛用于压铸模及热挤压模的制造。目前国内许多厂家使用H13（4Cr5MoSiV1）钢代替3Cr2W8V制造热作模具效果良好。3）塑料模具钢（1）用途塑料模具钢是用于制造各种橡胶、塑料制品的成形模具用钢。（2）性能特点塑料模具钢应具有一定的硬度和耐磨性，使模具在特定的工作条件下能够保持其形状和尺寸的稳定；应具有足够的强
48、度和韧性，既能承受一定的高压，又能承受一定冲击载荷的作用；应具有一定的抗热性能，包括一定的热强性和热硬性、热稳定性、热疲劳抗力和抗黏着性等，以承受模具工作时因强烈的摩擦而产生的局部高温；还应具有良好的冷、热加工性能及热处理工艺性能，制造简单，加工方便，能够保证供应且经济性合理等。（3）成分和热处理特点由于模具的使用条件不同，对塑料模具钢材料的要求也不同，所以其成分和热处理的特点也相应不同。（4）常用塑料模具钢的牌号塑料模具钢种类繁多，其常用类型、牌号及应用如表6-13所示。类型牌号应用非合金型SM45，SM50，SM55此类钢具有价格便宜、加工性能好、原料来源方便等优点，用于制造形状简单的小型
49、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预硬型3Cr2Mo，3Cr2MnNiMo，8Cr2MnWMoVS，5CrNiMnMoVSCa预硬钢供应时已预先进行了热处理，并使之达到模具使用态硬度。此类钢的特点是在硬度3040 HRC的状态下可以直接进行成形加工，精加工后可直接交付使用，这就完全避免了热处理变形的影响，从而保证了模具的制造精度。此类钢最适宜制作形状复杂的大、中型精密塑料模具时效硬化型2CrNi3MoAl，00Ni18Cr8Mo5TiAl，06Ni6CrMoVTiAl，1Ni3MnCuMoAl此类钢碳含量低、合金度较高，经高温淬火（固溶处理）后，钢处于软化状态，组织为单一的过
50、饱和固溶体。其适宜制造高硬度、高强度和高韧性的精密塑料模具采用此类钢制造塑料模具时，可在固溶处理后进行模具的机械成形加工，然后通过时效处理，使模具获得使用状态的强度和硬度，有效地保证了模具最终尺寸和形状的精度耐腐蚀型20Cr13，40Cr13，95Cr18，0Cr17Ni4Cu4Nb，14Cr17Ni2主要用于生产以化学性腐蚀塑料（如聚氯乙烯或聚苯乙烯添加抗燃剂等）为原料的塑料制品的模具表6-13 常用塑料模具钢的类型、牌号及应用（摘自GB/T 12992014）3量具钢1）用途量具钢用于制造各种测量工件尺寸的测量工具，如直尺、卡尺、千分尺、块规等。2）性能特点为了保证测量精度，量具本身必须具