金属材料应用技术课程教案

GAIBONLINE · 发表于 2006-7-12 14:44:10

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合金钢 一、工程结构用合金钢 工程结构用合金钢主要用于制造工程结构，如建筑工程钢筋结构、压力容器、承受冲击的耐磨铸钢件等。按其用途又可分为一般工程用合金钢、压力容器用合金钢、合金钢筋钢、地质石油探用钢、高锰钢等。典型的耐磨钢牌号是ZGMn13，碳的含量较高可以提高耐磨性，锰的含量很高可以保证热处理后得到单相奥氏体。因为高锰钢极易冷变形强化，使切削加工困难，故基本上是铸造成形后使用。 二、常用机械结构用合金钢 按其用途和热处理特点又分为合金渗碳钢、合金调质钢、合金弹簧钢和超高强度钢等。 (一)合金渗碳钢合金渗碳钢主要用来制作性能要求较高或截面尺寸较大，且在承受较强烈的冲击作用和磨损条件下工作的渗碳零件。各种合金渗碳钢的热处理工艺规范与性能虽有不同，但其加工工艺过程却基本相同，即：下料→锻造→预备热处理→机械加工→渗碳→机械加工→淬火、回火→(磨削)。锻件毛坯预备热处理的目的，是为了改善毛坯锻造后的不良组织，消除锻造内应力，并改善其切削加工性。 (二)合金调质钢合金调质钢主要用来制造一些重要零件，如机床的主轴、汽车底盘的半轴、柴油机连杆螺栓等。零件均在多种载荷下工作，承受载荷情况复杂，因此，既要求零件具有良好的综合力学性能，又要有较高的韧性。合金调质钢是在中碳钢(30、35、40、45、50)的基础上加入一种或数种合金元素，以提高淬透性和耐回火性，使之在调质处理后具有良好的综合力学性能的钢。常加入的合金元素有Mn、Si、Cr、B、Mo等，它们的作用主要是提高钢的强度和韧性，增加钢的淬透性，常用来制造负荷较大的重要零件，如发动机轴、连杆及传动齿轮等。要求很高的表面硬度、耐磨性和疲劳强度的零件，可采用氮化钢38CrMoAlA，其热处理工艺是调质和氮化处理。 各种合金调质钢的热处理工艺规范：下料→锻造→预备热处理→机加工(粗加工)→调质→机加工(半精加工)→表面淬火或氮化→精加工。 (三)合金弹簧钢 合金弹簧钢主要用语制造各种弹性元件，如在汽车、拖拉机、坦克、机车车辆上制作减震板簧和螺旋板簧、钟表的发条等。弹簧是各种机械和仪表中的重要零件，它主要利用其弹性变形时所储存的能量缓和机械设备的震动和冲击作用。中碳钢(如55钢)和高碳钢(如65、70等)都可以作弹簧材料，但因其淬透性差，强度低，只能用来制造截面较小、受力较小的弹簧。而合金弹簧钢则可制造截面较大、屈服点较高的重要弹簧，合金弹簧钢中加入的合金元素主要是Mn、Si、Cr、V、Mo、W、B等。它们的作用是提高淬透性和耐回火性，强化铁素体，细化晶粒，有效地改善力学性能。常用弹簧的热处理一般根据加工工艺的不同可分为： 1．冷成形加工弹簧 该方法适用于加工小型弹簧(d＜10mm)，成形后只需在250℃～300℃进行去应力退火，以消除成型时产生的应力，稳定尺寸。 2．热成形加工弹簧 该方法适用于加工大型弹簧，热成形后进行淬火和中温回火，以便提高弹性极限和屈服点，如汽车板弹簧、火车缓冲弹簧等多用60Si2Mn来制造。 热成形弹簧的一般加工工艺过程是： 下料→加热→卷簧成形→淬火→中温回火→试验→验收 (四)超高强度钢 三、滚动轴承钢主加合金元素为铬的轴承钢称为滚动轴承钢。滚动轴承钢主要用于制造滚动轴承的滚动体和内圈、外圈，在量具、模具、低合金刃具等方面也被广泛应用，这些零件要求具有高和均匀的硬度、良好的耐磨性、高的耐压强度和疲劳强度等性能。滚动轴承钢碳的质量分数较高(0.95%～1.15%)，钢中铬的加入量为0.4%～1.65%，目的在于增加钢的淬透性，并使碳化物呈均匀而细密地分布，提高耐磨性。对于大型轴承用钢，还加入Si、Mn等合金元素进一步提高淬透性。最常用的滚动轴承钢是GCr15。滚动轴承钢的热处理主要是锻造后进行球化退火，制成零件后进行淬火和低温回火，得到回火马氏体及碳化物组织，硬度≥62HRC。

GAIBONLINE · 发表于 2006-7-12 14:45:00

四、合金工具钢与高速钢 我国生产的合金工具钢与高速钢的牌号很多，由于加入的合金元素种类、数量和碳的质量分数的不同，各种钢的性能、用途各有其特点，合金工具钢与高速钢的质量等级都属于特殊质量等级。常用合金工具钢与高速钢的主要特点如下： (一)制作冷作模具、量具及刃具用的合金工具钢 这类钢主要用于制造金属切削刀具(刃具)、量具和冷冲模。这些工具的用途不同，所要求的性能也有差异，但以下几点主要性能是相近的： 1）高的硬度(大多数≥60HRC)和耐磨性,由于钢淬火后的硬度主要取决于钢中碳的含量，因此这类钢中的碳的含量都较高。 2）足够的强度(尤其是尺寸小的刀具和冲模)及韧性,以承受冲击等复杂应力的作用，避免脆性断裂。 3）形状复杂和淬火后不再加工的工具，要求淬火变形小。 因此，这类合金工具钢化学成分的特点是：一般碳的质量分数较高，以保证淬火得到高硬度；主要加入碳化物形成元素，除提高淬透性和耐回火性外，还能形成合金渗碳体或特殊碳化物，提高钢的耐磨性。 Cr12型钢因为碳和铬的质量分数高，在钢中形成大量高硬度的碳化物(Cr7C3)。淬火后其显微组织除马氏体外，还有较多的碳化物存在，故Cr12型钢热处理后的硬度与耐磨性比碳素工具钢和低合金工具钢高。Cr12型钢锻造后也应进行球化退火，制成工模具后一般进行淬火及低温回火，但淬火温度较碳素工具钢和低合金工具钢高(约为1000℃左右)。 (二)制作热作模具用的合金工具钢要求模具具有下列性能： 1)良好的高温力学性能，即在高温下能保持高的强度、韧性和足够的耐磨性； 2)导热性好，能使模具型腔的热量尽快散失，使温度下降；3)耐热疲劳性好。热疲劳是指在模具反复受热和冷却条件下，引起模型型腔表面产生网状裂纹的现象； 4)淬透性好(尤其是大型模具)。淬透性好可以使模具整个截面性能均匀。 5CrNiMo和5CrMnMo是最常用的热作模具钢。5CrNiMo由于Cr、Ni、Mo的加入，所以5CrNiMo钢的淬透性好，能在500℃保持高的强度和韧性，适于制造大型锻模。5CrMnMo钢的淬透性和韧性不及5CrNiMo钢，适于制造中小型锻模。 (三)高速工具钢(高速钢)  1.高速钢的主要性能和化学成分 高速钢的主要优点是经过热处理后，具有高的红硬性，能在600℃以下保持高的硬度和耐磨性，所制刀具的切削速度比一般工具钢高得多，高速钢的强度也比碳素工具钢和低合金工具钢约高30%～50%。此外，高速钢还具有很好的淬透性，在空气冷却的条件下也能淬硬。但高速钢的导热性差，在热加工时要特别注意。 2.高速钢的热处理特点 高速钢的铸造组织比较复杂，其中有共晶莱氏体，碳化物呈粗大的鱼骨状，不能用热处理来消除，必须通过多次锻造，将其击碎，使其呈小块状均匀分布，锻造后一般进行等温退火。 高速钢淬火时一般要经过预热，淬火温度高，一般为1200℃～1285℃。目的是使难溶的合金碳化物更多地溶解到奥氏体中去。淬火介质一般用油，也可用盐浴马氏体分级淬火，以减小变形。高速钢淬火组织为马氏体+未溶合金碳化物+残余奥氏体(25%～35%)。 高速钢淬火后一般要经550℃～570℃三次回火。如果淬火后先经冷处理，则回火一次即可。回火的目的是减少残余奥氏体数量。在回火过程中，残余奥氏体中析出碳和合金元素，形成特殊碳化物(如W2C、VC等)并向回火马氏体转化，同时淬火马氏体也弥散析出细小碳化物，所以高速钢经三次回火后，钢产生“二次硬化”现象，导致钢的硬度略有提高。

GAIBONLINE · 发表于 2006-7-12 14:45:59

五、不锈钢与耐热钢 (一)不锈钢 不锈钢是指用来抵抗大气腐蚀或能抵抗酸、碱、盐等化学介质腐蚀的钢。常用的不锈钢主要是铬不锈钢和铬镍不锈钢两类。按其使用时的组织特征分为铁素体型不锈钢、奥氏体型不锈钢、马氏体型不锈钢、奥氏体-铁素体型不锈钢和沉淀硬化型不锈钢五类。几种不锈钢的牌号、化学成分、热处理方法和用途见表8-9。 不锈钢的化学成分特点是铬的质量分数高，一般wCr≥13%。铬在氧化介质中能形成一层具有保护作用的Cr2O3薄膜，可防止钢的整个表面被氧化和腐蚀。铁素体不锈钢碳的质量分数低，铬的质量分数高。因为铬是缩小γ相区的合金元素，可使钢得到单相铁素体组织。这类钢常用于工作应力不大的化工设备、容器及管道。 奥氏体不锈钢铬、镍的质量分数高，经固溶处理后得到单一奥氏体组织。具有良好的耐腐蚀性、焊接性、冷加工性及低温韧性。常用于制作耐腐蚀性能要求较高及冷变形的低负荷零件，如吸收塔、酸槽、管道等。 马氏体不锈钢碳的质量分数、铬的质量分数都较高，淬透性好，但耐腐蚀性稍差。这类钢需经淬火和回火后使用，常用于制作耐腐蚀性要求不高而力学性能要求较高的零件。 (二)耐热钢 耐热钢是指在高温下不发生氧化，并且有较高热强性的钢。钢的耐热性包括抗氧化性(热稳定性)和高温热强性(蠕变强度)两个方面。 耐热钢中主要含有铬、硅、铝等合金元素。这些元素在高温下与氧作用，在钢表面形成一层致密的高熔点氧化膜(Cr2O3、Al2O3、SiO2)，能有效地保护钢在高温下不被氧化。加入Mo、W、Ti等元素是为了阻碍晶粒长大，提高钢的高温热强性。耐热钢可分为抗氧化钢、热强钢和汽阀钢。 抗氧化钢，如3Cr18Mn12Si2N、2Cr20Mn9Ni2Si2N等，主要用于长期在高温下工作但强度要求低的零件，如各种加热炉的构件、渗碳炉构件、加热炉传送带料盘等。 热强钢不仅要求在高温下具有良好的抗氧化性，而且具有较高的高温强度。常用的热强钢，如15CrMo是典型的锅炉钢，可制造在350℃以下工作的零件，1Cr11MoV、1Cr12WMoV有较高的热强性，良好的减震性及组织稳定性，用于汽轮机叶片、螺栓紧固件等。 六、特殊物理性能钢 特殊物理性能钢包括软磁钢、永磁钢、无磁钢、高电阻钢及其合金。下面主要介绍永磁钢和软磁钢的性能和应用。 1．永磁钢 2．软磁钢(硅钢片) 七、铸钢 铸钢一般应用于较重要的、复杂的、而且要求具有较高强度、塑性与韧性以及特殊性能的结构件，如机架、缸体、齿轮、连杆等。 铸钢的牌号是在一般合金钢的牌号前加“ZG”。后面第一组数字表示铸钢的名义万分碳的质量分数，其后排列的是各主要合金元素符号及其名义百分含量。合金元素的加入能使铸钢的某些性能得到进一步提高与改善。常用的低合金铸钢(合金元素的质量分数小于5%)有：ZGMn2、ZG35SiMn、ZG37SiMn2MoV、ZG40CrMnMo等。在有些场合下需用一些具有特殊性能的高合金铸钢(合金元素的质量分数大于10%)，如ZGMn13用于制造高耐磨的坦克履带、挖土机掘斗等；ZG1Cr18Ni9(铸造不锈钢)用于制造耐酸泵等耐腐蚀件。

lm1204 · 发表于 2006-7-13 23:20:43

谢谢分享！分数太低啦！

lhk1999 · 发表于 2006-8-7 09:48:32

谢谢分享，很是受益。

huangllong · 发表于 2006-12-2 22:35:00

谢谢楼主，这个作为职工培训的教材挺好的

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