(工業(yè)用鋼)
一、教學(xué)目的及其要求
通過本章學(xué)習(xí)，使學(xué)生熟悉和了解我國的鋼材編號規(guī)則，掌握各類鋼種的牌號，熟悉鋼中雜質(zhì)與合金元素的分布規(guī)律及其對鋼材性能的影響，熟悉常用鋼材的牌號、用途、性能及熱處理特點(diǎn)。
二、 主要內(nèi)容
1．合金元素在鋼中的作用
2．我國的鋼材編號方法
3．常用的結(jié)構(gòu)鋼、工具鋼、特殊性能鋼（不銹鋼）的用途、性能及熱處理特點(diǎn)
三、學(xué)時(shí)安排
4學(xué)時(shí)
四、教學(xué)重點(diǎn)
1．我國的鋼材分類及牌號編制方法
2． 結(jié)構(gòu)鋼、工具鋼、不銹鋼的用途、性能及熱處理特點(diǎn)
五、教學(xué)難點(diǎn)
1．鋼的合金化原理。
六、教學(xué)過程
第一節(jié) 工業(yè)用鋼的分類及牌號表示方法
鋼是經(jīng)濟(jì)建設(shè)中使用最廣、用量最大的金屬材料，在現(xiàn)代工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中占有重要地位。
碳鋼：含碳量在0.0218%～2.11%之間的鐵碳合金稱為碳素鋼，簡稱碳鋼。
合金鋼：在碳鋼的基礎(chǔ)上特意地加入一種或幾種合金元素，使其使用性能和工藝性能得以提高的鐵基的合金稱為合金鋼。
鋼中除鐵、碳及合金元素外，還有煉鋼時(shí)隨生鐵、脫氧劑和燃料帶入的硅、錳、硫、磷、氮、氫、氧等元素。
鋼的分類方法多種多樣，其主要方法有如下幾種：
一、鋼材的品種
為便于采購、訂貨和管理，我國目前將鋼材按外形分為型材、板材、管材、金屬制品四大類，共十六大品種：
1．型材
鋼軌、型鋼（圓鋼、方鋼、扁鋼、六角鋼、工字鋼、槽鋼、角鋼及螺紋鋼等）、線材（直徑 5-10毫米的圓鋼和盤條）等。
2．板材
薄鋼板：厚度等于和小于 4毫米的鋼板；
厚鋼板：厚度大于 4毫米的鋼板；又可分為中板（厚度大于4mm小于20mm）、厚板（厚度大于20mm小于60mm）、特厚板（厚度大于60mm）；
鋼帶：也叫帶鋼，實(shí)際上是長而窄并成卷供應(yīng)的薄鋼板；
電工硅鋼薄板：也叫硅鋼片或矽鋼片。
3．管材
無縫鋼管：用熱軋、熱軋—冷拔或擠壓等方法生產(chǎn)的管壁無接縫的鋼管；
焊接鋼管：將鋼板或鋼帶卷曲成型，然后焊接制成的鋼管。
4．金屬制品：包括鋼絲、鋼絲繩、鋼絞線等。
二、鋼的分類
鋼的種類繁多，為了便于生產(chǎn)、使用和研究，可以按照化學(xué)成分、冶金質(zhì)量和用途對鋼進(jìn)行分類。
1．按化學(xué)成分分類。碳鋼、合金鋼兩大類。
碳鋼：低碳鋼（Wc＜0.25%）、中碳鋼（Wc=0.25%～0.60%）和高碳鋼（Wc>0.6%）
合金鋼：按鋼中含合金元素總量（Me%）分為低合金鋼（Me<5%）、中合金鋼（Me=5～10%）和高合金鋼（Me>10%）。
按合金元素的種類可分為錳鋼、鉻鋼、硼鋼、鉻鎳鋼、硅錳鋼等。
2．按冶金質(zhì)量分類。按鋼中所含有害雜質(zhì)硫、磷的多少，可分為：
普通鋼：S%≤0.055%，P%≤0.045%
優(yōu)質(zhì)鋼：S%、P%≤0.040%
高級優(yōu)質(zhì)鋼：S%≤0.030%，P%≤0.035%
此外，按冶煉時(shí)脫氧程度，可將鋼分為沸騰鋼（脫氧不完全）、鎮(zhèn)靜鋼（脫氧較完全）和半鎮(zhèn)靜鋼三類。
3．按金相組織分類
按鋼退火態(tài)的金相組織可分為亞共析鋼、共析鋼、過共析鋼三種。
按鋼正火態(tài)的金相組織可分為珠光體鋼、貝氏體鋼、馬氏體鋼、奧氏體鋼等四種。
4．按成形方法分類。鍛鋼、鑄鋼、 熱軋鋼、 冷軋鋼等。
按用途分類
結(jié)構(gòu)鋼
工具鋼
特殊性能鋼
工程結(jié)構(gòu)鋼
機(jī)器結(jié)構(gòu)鋼
建筑工程用鋼
橋梁工程用鋼
船舶工程用鋼
車輛工程用鋼
滲碳鋼 屬于低碳鋼或低碳合金鋼
調(diào)質(zhì)鋼 屬于中碳鋼或中碳合金鋼
彈簧鋼 屬于中、高碳鋼或中、高碳合金鋼
滾動軸承鋼 屬高碳合金鋼
一般屬于低碳鋼或低碳低合金鋼
刃具鋼
一般屬于高碳鋼
模具鋼 或高碳高合金鋼
量具鋼
不銹鋼
耐熱鋼
耐磨鋼
5．按用途分類。按鋼的用途可分為結(jié)構(gòu)鋼、工具鋼、特殊性能鋼三大類。
實(shí)際中給鋼的產(chǎn)品命名時(shí)，常常把成分、質(zhì)量和用途幾種分類方法結(jié)合起來，如碳素結(jié)構(gòu)鋼、優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼、碳素工具鋼、高級優(yōu)質(zhì)碳素工具鋼、合金結(jié)構(gòu)鋼、合金工具鋼等。
三、鋼的牌號表示方法
鋼的牌號簡稱鋼號，是對每一種具體鋼產(chǎn)品所取的名稱，是人們了解鋼的一種共同語言。鋼編號的原則主要有兩條：一是根據(jù)編號可以大致看出該鋼的成分；二是根據(jù)編號可大致看出該鋼的用途。
我國鋼的牌號表示方法，根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《鋼鐵產(chǎn)品牌號表示方法》（GB221-79）中規(guī)定，采用漢語拼音字母、化學(xué)元素符號和阿拉伯?dāng)?shù)字相結(jié)合的方法表示。即：
① 鋼號中化學(xué)元素采用國際化學(xué)符號表示，例如 Si、Mn、Cr …… 等,混合稀土元素用“RE”（或“Xt”）表示。
② 產(chǎn)品名稱、用途、冶煉和澆注方法等，一般采用漢語拼音縮寫字母表示。
③ 鋼中主要化學(xué)元素含量（ %）采用阿拉伯?dāng)?shù)字表示。
（一）碳鋼的牌號表示方法
平均含碳量的萬分之幾
見第四章（碳鋼的分類、用途及牌號表示方法）
合金元素平均含量的百分之幾
（二）合金鋼的牌號表示方法
1．合金結(jié)構(gòu)鋼
兩位數(shù)字＋合金元素符號＋數(shù)字＋質(zhì)量等級符號“A”
（1）當(dāng)合金元素的平均含量＜1.5%時(shí)，鋼號中一般只標(biāo)出元素符號，而不標(biāo)明含量；但在特殊情況下易致混淆者，在元素符號后亦可標(biāo)以數(shù)字“1”，例如鋼號“12CrMoV”和“12Cr1MoV”，前者鉻含量為0.4-0.6%，后者為0.9-1.2%，其余成分全部相同。
（2）當(dāng)合金元素的平均含量≥1.5%、≥2.5%、≥3.5%……時(shí)，則相應(yīng)地在元素符號后面標(biāo)以2、3、4…… ；如果為高級優(yōu)質(zhì)鋼，則在其鋼號后加“A”， 以區(qū)別于一般優(yōu)質(zhì)鋼。例如：18Cr2Ni4WA。
（3）鋼中的釩V、鈦Ti、鋁Al、硼B(yǎng)、稀土Re等合金元素，均屬微合金元素，雖然含量很低，仍應(yīng)在鋼號中標(biāo)出。例如20MnVB鋼中，釩：0.07～0.12%，硼：0.001～0.005%。
（4）專門用途的合金結(jié)構(gòu)鋼，鋼號冠以（或后綴）代表該鋼種用途的符號。例如，鉚螺專用的30CrMnSi鋼，鋼號表示為ML30CrMnSi。
舉例：
1．20CrMnTi：表示平均含碳量為0.20%，主要合金元素Cr、Mn含量均低于1.5%，并含有微量元素Ti的合金結(jié)構(gòu)鋼；
2．60Si2Mn：表示平均含碳量為0.60%，主要合金元素Mn含量低于1.5%，Si含量為1.5～2.5%的合金結(jié)構(gòu)鋼。
練習(xí)：40Cr、45Mn2
2．低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼
舊的編號方法，基本上和合金結(jié)構(gòu)鋼相同。新牌號的編制方法與碳素結(jié)構(gòu)鋼相同。如舊牌號的16Mn為新牌號的Q345。
3．滾動軸承鋼
“G”＋ Cr ＋ 數(shù)字 ＋ 其它元素符號。字母“G”為“滾”字頭，表示為滾動軸承鋼類，高碳鉻軸承鋼的含碳量不標(biāo)出，數(shù)字表示平均含鉻量的千分之幾，如GCr15，平均含鉻量為1.5％。
合金元素平均含量的百分之幾
平均含碳量的千分之幾
滲碳軸承鋼的鋼號表示方法，基本上和合金結(jié)構(gòu)鋼相同。
4．合金工具鋼和高速工具鋼
數(shù)字＋合金元素符號＋數(shù)字
說明：①合金工具鋼中，當(dāng)WC≥1.0%時(shí)，含碳量不標(biāo)出，如Cr12、CrWMn；當(dāng)WC＜1.0%時(shí)，以千分之幾表示，如9SiCr、3Cr2W8V。
② 對于含鉻量低的鋼，其含鉻量以千分之幾表示，并在數(shù)字前加“0”，以示區(qū)別。如平均Cr =0.6%的低鉻工具鋼的鋼號為 “Cr06”。
③ 高速鋼，一般不標(biāo)出含碳量，只標(biāo)出合金元素平均含量的百分之幾。如“鎢18鉻4礬”（W18Cr4V，簡稱18-4-1），“鎢6鉬5鉻4礬2”（W6Mo5Cr4V2，簡稱6-5-4-2）。
5．不銹鋼和耐熱鋼
同合金工具鋼。例如：“2Cr13”鋼的平均碳含量為0.2%。
說明：（1）鋼中含碳量≤0.03%者，鋼號前分別冠以“00”表示之， 如00Cr17Ni14Mo2；
WC≤0.08%者，冠以“0”表示之，、0Cr18Ni9。
（2）對鋼中主要合金元素以百分之幾表示；對鈦、鈮、鋯、氮……等微量元素則按合金結(jié)構(gòu)鋼對微合金元素的表示方法，只標(biāo)出元素符號，如1Cr18Ni9Ti。
第二節(jié) 合金元素在鋼中的作用
一、 碳鋼的優(yōu)缺點(diǎn)
優(yōu)點(diǎn)：冶煉工藝簡單，可熱處理強(qiáng)化，壓力加工和機(jī)械加工性能好，價(jià)格低廉。
不足之處：
（1） 加熱時(shí)，晶粒易長大；
（2） 淬透性低。形狀復(fù)雜、尺寸大的零件，在淬火時(shí)易開裂、淬不透；
（3） 回火穩(wěn)定性差?；鼗饻囟雀邥r(shí)，強(qiáng)度和硬度顯著下降，不能在高溫下使用?；鼗鸱€(wěn)定性是指淬火鋼在回火時(shí)抵抗硬度下降的能力。
（4） 強(qiáng)度不夠高。碳鋼的屈強(qiáng)比在0.6左右，合金鋼為0.85～0.9。碳鋼強(qiáng)度低，增加截面積提高構(gòu)件剛度會使重量增加，構(gòu)件笨重，不能滿足重量輕、體積小、效率高的要求。
（5） 不具備特殊性能。化工、儀表等要求耐腐蝕、耐高溫、無磁等性能，碳鋼不能滿足特殊性能的要求。
二、合金元素在鋼中的作用
1．合金元素在鋼中的分布
為了使鋼獲得預(yù)期的性能，而有目的地加入鋼中的化學(xué)元素稱為合金元素。按其與碳的親和力的大小，可將合金元素分為非碳化物形成元素和碳化物形成元素兩大類，在鋼中主要以固溶體和化合物的形式存在。
（1）非碳化物形成元素：包括Ni、Co、Cu、Si、Al、N、B等，在鋼中不與碳化合，大多溶入鐵素體、奧氏體或馬氏體中，產(chǎn)生固溶強(qiáng)化；有的形成其它化合物如Al2O3、AlN、SiO2、Ni3Al等。
（2） 碳化物形成元素： Mn、Cr、Mo、W、V、Nb、Zr、Ti等。
形成碳化物的傾向由弱到強(qiáng)
這類合金元素在鋼中，
一是可溶入滲碳體中形成合金滲碳體，如(Fe,Mn)3C、(Fe,Cr)3C等，是低合金鋼中存在的主要碳化物，比滲碳體的硬度高，且穩(wěn)定。
二是強(qiáng)碳化物形成元素與碳形成特殊碳化物，如TiC、NbC、VC、MoC、WC、Cr3C6等，它們具有高熔點(diǎn)、高硬度、高耐磨性、穩(wěn)定性好，主要存在于高碳高合金鋼中，產(chǎn)生彌散強(qiáng)化，提高鋼的強(qiáng)度 、硬度和耐磨性。
（3）其它：如稀土元素，鋼號中統(tǒng)一用Re表示。
2．合金元素在鋼中的作用
作用機(jī)理比較復(fù)雜，可歸納以下幾個(gè)方面：
（1）阻礙晶粒奧氏體晶粒長大，細(xì)化晶粒；
（2）提高淬透性 （Co除外）；
（3）提高回火穩(wěn)定性，防止回火脆性；
（4）提高鋼的使用性能，使之具有耐熱、抗腐蝕、高耐磨等特殊的性能；
（5）提高鋼的強(qiáng)韌性。金屬材料的強(qiáng)化是通過阻礙位錯的移動來實(shí)現(xiàn)的，主要方法有：
u 固溶強(qiáng)化，提高強(qiáng)度和硬度。
u 細(xì)晶強(qiáng)化，提高強(qiáng)韌性
u 位錯強(qiáng)化，位錯密度增加，提高強(qiáng)度
u 彌散強(qiáng)化（第二相強(qiáng)化），細(xì)小均勻的第二相硬質(zhì)點(diǎn)分布在基體上，阻礙位錯移動面強(qiáng)化。
u 加工硬化，金屬產(chǎn)生塑性變形后位錯密度增加，晶料變得細(xì)碎，使金屬的強(qiáng)度硬度提高。
大多數(shù)的合金元素較好利用了上述前四種強(qiáng)化機(jī)制。如合金鋼淬火時(shí)，形成馬氏體，馬氏體中含較高的位錯密度，馬氏體的形成分割了A的晶粒，使之細(xì)小，馬氏體中碳的過飽和產(chǎn)生固溶強(qiáng)化，回火時(shí)析出的碳化物顆粒又產(chǎn)生彌散強(qiáng)化，等等。
第三節(jié) 結(jié)構(gòu)鋼
結(jié)構(gòu)鋼按用途分為工程結(jié)構(gòu)鋼和機(jī)器結(jié)構(gòu)鋼兩大類。
一、 工程結(jié)構(gòu)鋼
用于制作各種工程構(gòu)件的鋼稱為工程結(jié)構(gòu)鋼，如制作房屋、橋梁、起重機(jī)機(jī)械、鍋爐、壓力容器、鉆井架、車輛構(gòu)件等，所以又稱工程構(gòu)件用鋼或建筑工程用鋼，包括碳素結(jié)構(gòu)鋼和低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼。
1． 碳素結(jié)構(gòu)鋼
見第四章碳鋼的分類、編號及用途。
2． 低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼
用途：在大氣和海洋中工作的的大型焊接結(jié)構(gòu)件，如建筑結(jié)構(gòu)、橋梁、車輛 、船舶 、輸油輸氣管道、壓力容器等。
性能特點(diǎn)：強(qiáng)度高，良好的塑性、韌性、冷沖壓性能及焊接性能 ，可抵抗大氣腐蝕。
成分特點(diǎn)：
低碳（<0.2%），保證良好的塑性；
屈服強(qiáng)度
合金元素Me ：以Mn為主，強(qiáng)化鐵素體基體，產(chǎn)生固溶強(qiáng)化；加入少量的Ti、V、Nb、Re等，細(xì)化晶粒，提高強(qiáng)韌性。
牌號：Q＋數(shù)字＋（質(zhì)量等級符號A、B、C、D、E）
共11個(gè)牌號，6個(gè)等級，以強(qiáng)度等級分類，如表所示。
熱處理工藝特點(diǎn)：一般在熱軋空冷狀態(tài)下使用，必要時(shí)經(jīng)正火處理后使用。正火處理的溫度在Ac3+（30～50）℃，使用態(tài)組織為（P+F）。
典型牌號及用途：
（1）在Q345較低級別的鋼中，16Mn最具有代表性，是目前我國用量最多、產(chǎn)量最大的一種低合金高強(qiáng)度鋼。其派生鋼種有16MnRe、16MnCu等，Re的主要作用是提高塑性和韌性，提高疲勞強(qiáng)度，降低冷脆轉(zhuǎn)變溫度，Cu的主要作用是通過鈍化提高耐蝕性。這類鋼多用于船舶、車輛、橋梁等大型鋼結(jié)構(gòu)。
（2）對Q420級的15MnVN、14MnVTiRe等，加入了釩、氮起到細(xì)化晶粒和第二相強(qiáng)化作用，稀土又起凈化晶界作用，提高強(qiáng)韌性，因此強(qiáng)度高于15MnTi。
（3）Q460級的鋼種，如14MnMoVBRe，加入鉬和微量硼元素，可推遲奧氏體冷卻時(shí)的鐵素體析出，而對貝氏體轉(zhuǎn)變則影響不大，正火后得到貝氏體組織，然后再高溫回火，以穩(wěn)定組織，消除內(nèi)應(yīng)力，提高塑性和韌性，焊接性好，適于制造400～500℃的鍋爐、中溫高壓容器等。
工程結(jié)構(gòu)用鋼的發(fā)展趨勢：
低合金高強(qiáng)度鋼由于其強(qiáng)度高，韌性和加工性能優(yōu)異，合金元素耗量少，并且不需進(jìn)行復(fù)雜的熱處理，已越來越受到重視。目前，這類鋼發(fā)展趨勢是：
（a）通過微合金化與合理的軋制工藝結(jié)合起來，實(shí)行控制軋制，以達(dá)到更高的強(qiáng)度。
（b）通過合金化改變基體組織，提高強(qiáng)度。在鋼中加入較多的其它元素，如Cr、Mn、Mo、Si、B等，使鋼在熱軋空冷的條件下即可得到貝氏體組織，甚至馬氏體組織。這種馬氏體在冷卻過程中可發(fā)生自回火過程，甚至不需要專門進(jìn)行回火。
（c）超低碳化。為了保證韌性和焊接性能，含碳量進(jìn)一步降低，甚至降到PPM級，此時(shí)必須采用真空冶煉，或真空去氣的先進(jìn)冶煉工藝。
二、機(jī)器結(jié)構(gòu)鋼
指用于制造各種機(jī)器零件，如軸類零件、齒輪、彈簧和軸承等所用的鋼種，又稱機(jī)器零件用鋼，包括優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼和合金結(jié)構(gòu)鋼。
機(jī)器零件用鋼不但要求鋼材具有高的強(qiáng)度、塑性和韌性，良好的疲勞強(qiáng)度和耐磨性；而且還要求具有良好的切削加工性能和熱處理工藝性能。機(jī)器零件用鋼一般都經(jīng)過熱處理后使用。
按用途不同，分為滲碳鋼、調(diào)質(zhì)鋼、彈簧鋼、軸承鋼等。
1．滲碳鋼
用途：主要作于制作承受交變載荷、很大的接觸應(yīng)力，并在沖擊和嚴(yán)重磨損條件下工作的零件，如汽車、重型機(jī)床齒輪、活塞銷，內(nèi)燃機(jī)的凸輪軸等。
性能要求：“表硬心韌”。 要求零件表面硬度高、耐磨，心部則具有較高的韌性和足夠的強(qiáng)度以承受沖擊。一般滲碳件表面滲碳層淬火后硬度≥58HRC，心部35～45HRC。
成分：Wc＝0.15—0.25%，保證心部塑韌性；
主加元素Cr、Ni、Mn、B，強(qiáng)化基體，提高淬透性，保證心部強(qiáng)韌性；
微量元素V、Ti、W、Mo，防止?jié)B碳時(shí)過熱，細(xì)化晶粒，提高耐磨性。
分類和典型牌號：
低淬透性滲碳鋼，典型鋼種20、20Cr，其水淬臨界直徑20－35mm，滲碳淬火后，心部強(qiáng)韌性較低，只適于制造受沖擊載荷較小的耐磨零件，如活塞銷、凸輪、滑塊、小齒輪等。
中淬透性滲碳鋼，典型鋼種為20CrMnTi，其油淬臨界直徑約為25～60mm，主要用于制造承受中等載荷、要求足夠沖擊韌性和耐磨性的汽車、拖拉機(jī)齒輪等零件。
高淬透性滲碳鋼，典型鋼種為18Cr2Ni4WA、20Cr2Ni4A，其油淬臨界直徑>100mm，主要用于制造大截面、高載荷的重要耐磨件，如飛機(jī)、坦克中的曲軸、大模數(shù)齒輪等。
常用牌號：15、20、20Cr、20CrMnTi、20MnTiB等，通常尺寸小、受力小的零件，采用低碳鋼，而尺寸大的、受力大的則采用低碳合金鋼。
熱處理特點(diǎn)：
預(yù)備熱處理，一般是正火，組織為P＋F，目的是調(diào)整硬度，改善組織和切削加工性能；
最終熱處理，一般是滲碳后直接淬火＋低溫回火。其組織為：
表面組織為“M回＋細(xì)小碳化物＋少量Ar”,
心部組織依鋼的淬透性及工件尺寸而定，淬透時(shí)為低碳M回，未淬透為低碳M回＋F＋P。
應(yīng)用舉例：
下面以應(yīng)用廣泛的20CrMnTi鋼為例，分析其熱處理工藝規(guī)范。
20CrMnTi是中淬透性鋼，適宜制造承受高速中載并且抗沖擊和耐磨損的零件。如汽車、拖拉機(jī)的后橋和變速箱齒輪、離合器軸、傘齒輪和一些重要的軸類零件。
用20CrMnTi鋼制作齒輪的加工工藝路線如下：
下料→鍛造→正火→機(jī)加工齒形→滲碳，預(yù)冷淬火＋低溫回火→磨齒。
預(yù)備熱處理為正火，正火后的組織為（S＋F），其目的是改善鍛造組織；調(diào)整硬度（170～210HBS）便于機(jī)加工。
最終熱處理為滲碳后預(yù)冷到875℃直接淬火＋低溫回火；預(yù)冷的目的在于減少淬火變形，同時(shí)在預(yù)冷過程中，滲層中可以析出二次滲碳體，在淬火后減少了殘余奧氏體量。最終熱處理后組織由表面到心部為“M回＋細(xì)小碳化物＋少量A殘→M回+少量A殘→低碳M＋F＋P。
2．調(diào)質(zhì)鋼
采用調(diào)質(zhì)處理，即淬火+高溫回火后使用的優(yōu)質(zhì)碳素鋼和合金結(jié)構(gòu)鋼，統(tǒng)稱為調(diào)質(zhì)鋼。
應(yīng)用：用于受力較復(fù)雜的重要結(jié)構(gòu)零件。如機(jī)床主軸、火車發(fā)動機(jī)曲軸、汽車后橋半軸等軸類零件，以及連桿、螺栓、齒輪等。
性能要求：具有良好的綜合力學(xué)性能，即高的強(qiáng)度、良好塑性和韌性。
成分特點(diǎn)：
碳含量：中碳Wc：0.25～0.5％，保證熱處理后具有足夠的強(qiáng)度、良好的塑性和韌性。含碳量太低，強(qiáng)度硬度不足；太高，塑性、韌性降低；為達(dá)到兩者兼顧，取中碳范圍。一般碳素調(diào)質(zhì)鋼的淬透性低，含碳量偏上限；合金調(diào)質(zhì)鋼淬透性好，隨合金元素的增加，含碳量趨于下限，如30CrMnSi、38CrMoAl。
合金元素：主加Cr、Ni、Mn、Si、Al等，提高淬透性，調(diào)質(zhì)處理后有良好的綜合力學(xué)性能；輔加W、Mo元素，防止高溫回火脆性，細(xì)化晶粒，提高回火穩(wěn)定性。
分類及典型牌號：按淬透性的高低，調(diào)質(zhì)鋼大致可以分為三類：
①低淬透性調(diào)質(zhì)鋼。典型鋼種45、40Cr，這類鋼的油淬臨界直徑最大為30～40mm，廣泛用于制造一般尺寸的重要零件，如軸、齒輪、連桿螺栓等。35SiMn、40MnB是為節(jié)約鉻而發(fā)展的代用鋼種。
②中淬透性調(diào)質(zhì)鋼。典型鋼種40CrNi，這類鋼的油淬臨界直徑最大為40～60mm，含有較多的合金元素，用于制造截面較大、承受較重載荷的零件，如曲軸、連桿等。
③高淬透性調(diào)質(zhì)鋼。典型鋼種40CrNiMoA，這類鋼的油淬臨界直徑為60～100mm，多半為鉻鎳鋼。鉻、鎳的適當(dāng)配合，可大大提高淬透性，并能獲得比較優(yōu)良的綜合機(jī)械性能。用于制造大截面、承受重負(fù)荷的重要零件，如汽輪機(jī)主軸、壓力機(jī)曲軸、航空發(fā)動機(jī)曲軸等。
鋼種的選擇根據(jù)零件的工作載荷大小及其尺寸、形狀來確定的。載荷大、尺寸大、形狀復(fù)雜的零件，為保證有足夠的淬透性，就要采用合金調(diào)質(zhì)鋼。
熱處理工藝特點(diǎn)：
（1）預(yù)備熱處理：采用完全退火或正火（高淬透性的調(diào)質(zhì)鋼正火后應(yīng)再高溫回火），其目的是細(xì)化晶粒，改善組織；調(diào)整硬度，改善切削加工性能。組織（P+F）。
（2）最終熱處理：
u 調(diào)質(zhì)處理，組織為回火索氏體，具有良好的綜合機(jī)械性能。
u 調(diào)質(zhì)處理＋表面淬火、低溫回火。對除了要求良好綜合機(jī)械性能外，還要求表面具有高硬度、高耐磨性的調(diào)質(zhì)件，調(diào)質(zhì)處理后還需進(jìn)行“表面淬火+低溫回火”處理，表面淬火多采用感應(yīng)加熱表面淬火。表面組織為M回，心部為S回。
舉例：通過實(shí)例分析熱處理工藝規(guī)范
（1）用40Cr制作拖拉機(jī)上的連桿、螺栓。其工藝路線為：
下料→鍛造→退火或正火→粗機(jī)加工→調(diào)質(zhì)→精機(jī)加工→裝配。
在工藝路線中，預(yù)備熱處理采用退火（或正火），其目的是改善鍛造組織，細(xì)化晶粒；調(diào)整硬度、便于切削加工；為淬火做好組織準(zhǔn)備。調(diào)質(zhì)工藝采用830℃加熱、油淬、得到馬氏體組織；然后在525℃回火水冷，水冷為防止第二類回火脆性，最終使用狀態(tài)下的組織為回火索氏體，具有良好綜合機(jī)械性能。
（2）45或40Cr鋼制造機(jī)床主軸或齒輪的生產(chǎn)工藝流程一般為：
下料→鍛造→正火→機(jī)加工→調(diào)質(zhì)處理→精加工→局部表面淬火+低溫回火→磨削。
討論題：
1.有一40Cr鋼制機(jī)床主軸，心部要求有良好的強(qiáng)韌性（200～300HBS），軸頸處要求硬而耐磨（54～58HRC），試回答下列問題：
（1） 應(yīng)選擇何種預(yù)備及最終熱處理？
（2） 說明各熱處理后的組織？
分析：40Cr為低淬透性鋼，應(yīng)采用正火作預(yù)備熱處理，細(xì)化晶粒，改善組織及切削加工性能；正火處理后的組織為（P+F）；
最終熱處理宜選用調(diào)質(zhì)處理，然后對軸頸處進(jìn)行“表面淬火+低溫回火”的熱處理，可達(dá)到性能要求。調(diào)質(zhì)處理后的組織為回火索氏體；“表面淬火+低溫回火”后，心部組織仍為回火索氏體，表面組織則為“M回＋少量A殘”。
2．某廠用45鋼制作一批齒輪，制作過程中因45鋼數(shù)量有夠用，想用20鋼代替。試問：這兩種鋼在制作齒輪的熱處下工藝上有何不同，并指出熱處理后的組織。
分析：45鋼為調(diào)質(zhì)鋼，制作齒輪時(shí)，預(yù)備熱處理采用正火，組織為（S＋F），細(xì)化組織、改善切削加工性能；最終熱處理為調(diào)質(zhì)處理，組織為S回，獲得良好綜合力學(xué)性能；最后齒面再進(jìn)行“表面淬火＋低溫回火”，齒輪心部組織為S回，齒面組織“M回＋少量A殘”，提高齒面硬度及耐磨性，消除淬火應(yīng)力。
20鋼為滲碳鋼，預(yù)備熱處理采用正火，組織為S＋F；機(jī)加工成形后滲碳，再淬火＋低溫回火，齒面組織為“M回＋細(xì)小滲碳體＋少量A殘”，心部為“板條M回＋S＋F”。
新的趨勢：用低碳和金剛經(jīng)“淬火+ 低溫回火”得到低碳馬氏體代替中碳調(diào)質(zhì)鋼，可以提高零件的承載能力，減輕重量。在汽車、石油、礦山方面應(yīng)用效果好。應(yīng)用實(shí)例：
（1）汽車螺栓：用15MnVB代替40Cr，承載能力提高45—70%；使用壽命延長；
（2）用20SiMnMoV代替35CrMo制造石油鉆井用的吊環(huán)，使吊環(huán)質(zhì)量減輕68公斤。
3．彈簧鋼
應(yīng)用：用于制造汽車、拖拉機(jī)和火車的板彈簧或螺旋彈簧。
性能要求：具有高的彈性極限和屈強(qiáng)比，高的疲勞強(qiáng)度和足夠的塑性、韌性。
成分特點(diǎn)：
Wc ：0.45—0.70% ，多數(shù)0.6% 左右，為中、高碳：含碳量過高，塑性和韌性降低，疲勞極限也下降。
Me ：Si、Mn、Cr、V、Nb、Mo、W 。
主加元素Mn、Si，提高淬透性，提高強(qiáng)度及屈強(qiáng)比；輔加元素 W、Mo、V等，進(jìn)一步提高淬透性，細(xì)化晶粒，提高回火穩(wěn)定性和耐熱性。
常用牌號：65Mn 、60Si2Mn、50CrVA
熱處理工藝：
根據(jù)彈簧的加工成形方法不同，彈簧分為熱成形彈簧和冷成形彈簧。一般，截面尺寸>10～15mm的彈簧采用熱成形方法；截面尺寸<10mm采用冷成形方法。
（1）熱成型彈簧：淬火+中溫回火，組織為T回。
這類彈簧多用熱軋鋼絲或鋼板制成。以60Si2Mn制造的汽車板簧為例，工藝路線如下：下料→加熱壓彎成型→淬火+中溫回火→噴丸處理→裝配
成型后采用淬火+中溫回火（350～500℃），組織為T回，硬度39～52HRC，具有高的彈性極限、屈強(qiáng)比和足夠的韌性噴丸處理可進(jìn)一步提高疲勞強(qiáng)度。如用板簧經(jīng)噴丸處理，使用壽命提高5～6倍。
（2）冷成型彈簧：去應(yīng)力退火。這類彈簧是用鉛浴索氏體化處理的冷拉鋼絲或油淬回火鋼絲冷圈成型。成型后不必淬火處理，只需進(jìn)行一次去應(yīng)力退火處理（250～300℃保溫1小時(shí)），目的是消除內(nèi)應(yīng)力、穩(wěn)定尺寸。由于冷拉過程中產(chǎn)生加工硬化，強(qiáng)度大大提高。
4．滾動軸承鋼
用于制作各類滾動軸承的內(nèi)外套圈、滾動體。
常用鋼種和牌號： 有兩大類
（1）高碳鉻軸承鋼：GCr15、GCr15SiMn。
含碳量：0.95～1.15，高碳，過共析成分，保證形成足夠鉻的碳化物強(qiáng)化相，提高強(qiáng)度、硬度及耐磨性。
合金元素：主加Cr元素，提高淬透性和接觸疲勞抗力，細(xì)化晶粒。對大尺寸軸承，加入Si、Mn進(jìn)一步提高淬透性。
從化學(xué)成分看，滾動軸承鋼屬于工具鋼范疇，所以這類鋼也經(jīng)常用于制造各種精密量具、冷沖模具、絲杠、冷軋輥和高精度的軸類等耐磨零件。
（2）高碳無鉻軸承鋼：為了節(jié)鉻，加入了Mo、V得到的，常用牌號GMnMoVRE、GSiMnMoV，其性能與GCr15相近。
熱處理工藝：
（1）預(yù)備熱處理：采用球化退火，獲得球狀珠光體，改善組織，降低硬度（<210HBS），便于切削加工。
（2）最終熱處理：淬火+低溫回火（150～180℃），M回＋細(xì)小粒狀碳化物＋A殘，硬度61～65HRC。低溫回火保持淬火后的高硬度和高耐磨性，消除淬火應(yīng)力。
對精密軸承零件，為了將殘余奧氏體降低到最低程度，提高尺寸穩(wěn)定性，常采用淬火后冷處理，并時(shí)效。冷處理后，恢復(fù)到室溫，立即低溫回火。
第四節(jié) 工具鋼
工具鋼是用來制造刀具、模具和量具的鋼。按化學(xué)成分分為碳素工具鋼、低合金工具鋼、高合金工具鋼等。按用途分為刃具鋼、模具鋼和量具鋼。
刃具：用于切削加工的工具，車刀，刨刀，轉(zhuǎn)頭等；
模具：用于進(jìn)行壓力加工的工具。冷作模具：〈200—3000C；熱作模具：〉600 0C；
量具：測量尺寸的工具，如卡尺、千分尺、塊規(guī)等。
共性：一般都在磨損條件下工作，要求具有高硬度和高耐磨性。
不同：具體工作條件的不同，對各自的性能又有特殊要求。如刃具鋼要求熱硬性好，冷作模具鋼要求熱處理變形小，熱作模具鋼要求在高溫下保持高的硬度和韌性，量具鋼要求熱處理后組織穩(wěn)定好。所以，各類工具在鋼材的選用和熱處理方法上各有其特點(diǎn)。
（一）刃具鋼
1．切削刃具的工作條件及性能要求
切削刃具的種類繁多，工況條件各有特點(diǎn)，性能要求也各有不同。以車刀為例：
工作條件：
（1）刀刃與工件之間發(fā)生劇烈的摩擦，造成嚴(yán)重的磨損；
（2） 刀刃部分溫度高（高速切削時(shí)，溫度達(dá)600度）；
（3）進(jìn)刀時(shí)，發(fā)生沖擊與振動。
失效形式：磨損，崩刃，刀具折斷。
性能要求： 高硬度和耐磨性；高的熱硬性；高的抗彎強(qiáng)度和足夠的韌性。
熱硬性：又稱紅硬性，指刃具鋼在高溫下保持高硬度的能力稱為熱硬性，是衡量刃具鋼使用壽命的重要指標(biāo)。
2．碳素工具鋼
碳素工具鋼以成本低、具有一般較好的性能，在鉗工、木工和形狀簡單受力不大的刃具、磨具中得到廣泛應(yīng)用。
成分：高碳0.65～1.35％。
常用鋼種及用途：這類鋼淬火后的硬度相近，但隨碳含量增加，未熔滲碳體增多，鋼的耐磨性增加，韌性下降。
T7、T8鋼多用于制造承受沖擊負(fù)荷的工具，如鑿子、錘子、沖頭等。
T9～T11鋼多用于制造要求中等韌性的工具，如形狀簡單的小沖模、手工鋸條等。
T12、T13耐磨性最高，但韌性最低，多用于制造不受沖擊負(fù)荷的量具、銼刀、刮刀等。
高級優(yōu)質(zhì)碳素工具鋼（T7A～T13A），由于其淬火時(shí)產(chǎn)生裂紋的傾向較小，因此多用于制造形狀較為復(fù)雜的工具。
熱處理工藝：
（1）預(yù)備熱處理：機(jī)加工之前進(jìn)行，采用球化退火（T7鋼可采用完全退火），組織為球狀珠光體，硬度≤217HBS。目的是降低硬度，改裝切削加工性能，并為淬火作組織準(zhǔn)備。
（2）最終熱處理機(jī)加工之后進(jìn)行，采用淬火+低溫回火，組織為回火馬氏體+粒狀滲碳體+少量A殘（一般T7有2～3%，T12有5～8%），硬度可達(dá)60～65HRC。目的是提高硬度和耐磨性，低溫回火消除淬火應(yīng)力。
性能特點(diǎn)：耐磨性和加工性較好，價(jià)格低，生產(chǎn)上得到廣泛應(yīng)用。
缺點(diǎn)：是紅硬性差；刃部工作溫度不能超過200℃；淬透性低，尺寸大的淬不透，形狀復(fù)雜的水淬容易變形和開裂。
3．低合金工具鋼
為了克服碳素工具鋼熱硬性差，淬透性低，易變形開裂等缺點(diǎn)，在碳素工具鋼的基礎(chǔ)上加入少量的合金元素，一般不超過3～5%，制造了低合金工具鋼。
成分特點(diǎn)：
含碳量：0.75～1.50%，高碳；保證高硬度，并形成足夠的合金碳化物，提高耐磨性。
合金元素：主加元素硅、錳、鉻、鉬，固溶強(qiáng)化，提高硬度和淬透性；
輔加元素鉬、鎢、礬，細(xì)化晶粒，形成特殊碳化物，提高硬度和耐磨性。
常用鋼種及用途：9SiCr、CrWMn、9Mn2V
（1）用于制作形狀復(fù)雜、尺寸不大的低速切削刀具，如銑刀、拉刀，板牙、絲錐、鉆頭、鉸刀等。
（2）尺寸較大、形狀較復(fù)雜的冷作模具和量具。
例如：9SiCr具有高的淬透性和回火穩(wěn)定性，工作溫度可達(dá)300℃；9SiCr多采用分級或等溫淬火，減少變形，適宜制造形狀復(fù)雜的薄刃刀具，如板牙、絲錐、鉆頭等。
注：硅使鋼在加熱時(shí)容易脫碳，退火后硬度偏高（HB217～241），造成切削加工困難，熱處理時(shí)要予以注意。
CrWMn鋼的含碳量為0.90%～1.05%,鉻、鎢、錳同時(shí)加入，使鋼具有更高的硬度（64～66HRC）和耐磨性，但熱硬性不如9CrSi。但CrWMn鋼熱處理后變形小，故稱微變形鋼。主要用來制造較精密的低速刀具，如長鉸刀、拉刀等。
熱處理工藝：同碳素工具鋼。球化退火，淬火＋低溫回火。M回＋細(xì)小碳化物＋少量A殘
9SiCr制造圓板牙工藝路線和熱處理工藝（書上）：
（1）預(yù)備熱處理采用等溫球化退火，等溫冷卻使球化更充分，為節(jié)省時(shí)間500℃后出爐冷卻，這時(shí)組織已轉(zhuǎn)變完成。目的：消除鍛造應(yīng)力，降低硬度，便于切削加工。
（2）最終熱處理采用等溫淬火加低溫回火。等溫淬火是減少淬火應(yīng)力和變形的主要方法。一般在鹽浴中等溫，轉(zhuǎn)變產(chǎn)物為下貝氏體組織，具有良好的綜合機(jī)械性能。低溫回火目的是消除應(yīng)力，保持高硬度和高的耐磨性。
4．高速鋼 高速鋼是高速切削用鋼的代名詞。
盡管低合金工具鋼的淬透性、耐磨性及熱硬性已有所提高，但其工作溫度也只有250～300℃，不能滿足高速切削的要求。需要更優(yōu)異的刃具材料。
高速鋼就是隨著工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，為適應(yīng)高速切削的要求發(fā)展起來的鋼種。
常用牌號及用途：我國最常用是W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2，簡稱18-4-1和6-5-4-2。
前者的過熱敏感性小，磨削性好，但由于熱塑性差，通常適于制造一般高速切削刀具，如車刀、銑刀、絞刀等；后者的耐磨性、韌性和熱塑性要好些，適于制造耐磨性和韌性很好配合的高速刀具，如絲錐、齒輪銑刀、插齒刀等。
成分特點(diǎn)：
碳含量：0.7～1.65％，屬高碳。高的含碳量，保證高硬度，并與W、V等形成特殘?zhí)蓟锘蚝辖饾B碳體，保證具有高的耐磨性和良好的熱硬性。
合金元素：含有大量合金元素，主要是Cr、W、Mo、V等。
（1）高的Ｗ含量：使鋼保持紅硬性，提高回火抗力，提高淬透性。在500-600度回火時(shí)產(chǎn)生細(xì)小而彌散分布W2C。
（2）Cr:提高淬透性和回火抗力，增加抗氧化、抗脫碳、抗腐蝕能力。
（3）V：提高硬度和紅硬性，細(xì)化晶粒。
（4）Mo：主要是提高熱硬性。
性能特點(diǎn)：具有高的硬度、耐磨性和熱硬性。工作溫度可達(dá)600℃，硬度仍保持在60HRC以上。
這是高速鋼區(qū)別于其它鋼種的主要特性。由于它切削金屬材料很鋒利，又稱為“鋒鋼”；因其淬透性好，在空氣中就能淬火，又稱“風(fēng)鋼”。是刃具材料中最重要的鋼種。
熱處理工藝：下面以W18Cr4V制造盤形齒輪銑刀為例，說明高速鋼制作刀具的工藝路線及熱處理工藝的制定。
下料→鍛造（反復(fù)鐓粗、三鐓三拔）→等溫球化退火→ 機(jī)加工 → 淬火（12800C）
↓ ↓ ↓
目的： 打碎粗大的碳化物并均 適當(dāng)降低硬度，利于切削 碳化物溶于奧氏體中
勻分布，改善鋼的性能 加工并為淬火作組織準(zhǔn)備。 A中含有較多的金屬元素
→ 回火（5600C三次）→噴砂→磨削→成品
↓
減少殘余Ar的量，
消除內(nèi)應(yīng)力、穩(wěn)定組織，提高硬度。
最終組織：細(xì)針狀M回 + 細(xì)小粒狀碳化物+少量Ar
性能特點(diǎn)：一定強(qiáng)度、塑性、韌性。高硬度；紅硬性；回火抗力。
（1）鍛造：高速鋼的鑄態(tài)組織為“魚骨狀粗大碳化物+網(wǎng)狀萊氏體+M+A殘”。粗大碳化物的出現(xiàn)使鑄態(tài)高速鋼的脆性很大，且難以用熱處理來消除，必須經(jīng)過反復(fù)鍛造。
（2）球化退火：鍛造后機(jī)加工前進(jìn)行，860～880℃加熱保溫，然后冷卻到720～750℃等溫珠光本轉(zhuǎn)變，爐冷至550℃以下出爐。硬度207～225HBS，組織為S＋細(xì)小碳化物。
（3）淬火、回火
高速鋼優(yōu)異的性能必須經(jīng)正確的淬火、回火才能發(fā)揮出來。W18Cr4V鋼的淬火、回火工藝示意圖。與其它鋼的淬火回火工藝相比較，高速鋼的淬火、回火可歸納為“兩高一多”，即淬火溫度高（1250～1300℃），回火溫度高（560℃），回火次數(shù)多（3次）。
W18Cr4V鋼的淬、回火工藝曲線
淬火：W18Cr4V鋼的淬火溫度為1270～1280℃。由于合金元素多，導(dǎo)熱性差，加熱時(shí)采用分級加熱。
高速鋼的熱硬性取決于馬氏體中合金元素的含量，即加熱時(shí)溶入奧氏體中的合金元素量（圖示）。所以，高速鋼的淬火加熱溫度盡量高些，這樣可以使較多的W、V溶入奧氏體中，在1000℃以上加熱淬火，W、V在奧氏體中的溶解度急速增加；1300℃左右加熱，各合金元素在奧氏體中的溶解度也大為增加。但時(shí)間稍長，會造成晶粒長大。因此，在不使鋼發(fā)生過熱的前提下，淬火溫度越高越好。W18Cr4V一般選擇在1270～1280℃，淬火冷卻采用油中分級淬火法，組織為M+粒狀碳化物+A殘。
回火：淬火后及時(shí)回火。常用的回火工藝是560℃左右保溫1小時(shí)，重復(fù)三次。
圖示為回火溫度對硬度的影響。在560℃左右時(shí)產(chǎn)生二次硬化現(xiàn)象，出現(xiàn)了硬度峰值。所以，回火溫度確定在560℃左右。采用三次回火是由于高速鋼淬火組織中殘余奧氏體多，一次回火不能轉(zhuǎn)變完全，三次回火的才能基本轉(zhuǎn)變完。硬度峰值的出現(xiàn)，一是回火時(shí)Mo、W、V等碳化物的彌散析出，二是每次回火冷卻時(shí)發(fā)生殘奧氏體轉(zhuǎn)變成馬氏體的二次淬火現(xiàn)象。為減少回火次數(shù)，使高速鋼中的殘余奧氏體量減少到最低程度，往往還需進(jìn)行冷處理。
回火后的組織為：回火M+粒狀碳化物+少量A殘，硬度66～63HRC。
當(dāng)刃具的工作溫度高于700℃時(shí)，一般高速鋼也無法勝任，應(yīng)使用硬質(zhì)合金材料制作刀具，工作溫度達(dá)800～1000℃；或陶瓷材料刀具，工作溫度達(dá)1000～1200℃；等。
（二）模具鋼
1．冷作模具鋼
制造在冷態(tài)下變形的模具，如冷沖模、冷鐓模、拉絲模、冷軋輥等。
工作條件及對性能的要求
①．高的硬度和耐磨性。在冷態(tài)下沖制螺釘、螺帽、硅鋼片、面盆等，被加工的金屬在模具中產(chǎn)生很大的塑性變形，模具的工作部分承受很大的壓力和強(qiáng)烈的摩擦，要求有高的硬度和耐磨性，通常要求硬度為58～62HRC，以保證模具的幾何尺寸和使用壽命。
②．較高的強(qiáng)度和韌性。冷作模具在工作時(shí)，承受很大的沖擊和負(fù)荷，甚至有較大的應(yīng)力集中，因此要求其工作部分有較高的強(qiáng)度和韌性，以保證尺寸的精度并防止崩刃。
③．淬透性好，熱處理的變形小。
成分特點(diǎn)及常用鋼種：
①．碳素工具鋼和低合金工具鋼：
對于尺寸小、形狀簡單、工作負(fù)荷不大的模具采用這類鋼，鋼種有T8A、T10A；T12A、Cr2、9Mn2V、9SiCr、CrWMn、Cr6WV等。
優(yōu)點(diǎn)：價(jià)格便宜，加工性能好，基本上能滿足模具的工作要求。
缺點(diǎn)：碳素工具鋼淬透性較差，熱處理變形大；耐磨性較差，使用壽命較低。
低合金工具鋼，由于含有少量的合金元素，淬透性提高，可采用油淬火，晶粒細(xì)小，變形減小，如9SiCr、Cr2可用來制造滾絲模等。
②．高碳高鉻模具鋼（為主）
主要指Cr12型冷作模具鋼。
性能特點(diǎn)及用途：淬透性好，淬火變形小，耐磨性好；廣泛用于制造負(fù)荷大、尺寸大、形狀復(fù)雜的冷作模具。典型牌號：Cr12、Cr12MoV。
含碳量： 1.4～2.3%，保證與鉻形成碳化物，提高硬度和耐磨性。
合金元素: Cr、Mo、V等
鉻： 11～12%。高鉻量，主要是提高淬透性，細(xì)化晶粒，形成足夠的鉻的碳化物，提高鋼的耐磨性。一般為12%，過高會使碳化物分布不均。
鉬和釩：進(jìn)一步提高淬透性，細(xì)化晶粒。
其中，釩可形成VC，進(jìn)一步提高耐磨性和韌性；鉬和釩的加入，可減少碳化物的不均勻性。所以Cr12MoV鋼較Cr12鋼的碳化物分別均勻，強(qiáng)度和韌性高、淬透性高，用于制作截面大、負(fù)荷大的冷沖模、擠壓模、滾絲模、冷剪刀等。
熱處理工藝：
預(yù)備熱處理：球化退火。目的是消除應(yīng)力、降低硬度、便于切削加工，退火后硬度為HB207～255，組織為球狀珠光體+細(xì)小均勻的碳化物。
最終熱處理：一般淬火+低溫回火，組織為M回+細(xì)小碳化物+少量A殘，硬度高，用于要求高硬度、高耐磨、熱處理變形小的重載模具。這種工藝稱為一次硬化法。
有時(shí)，為產(chǎn)生二次硬化，也對Cr12型冷作模具鋼進(jìn)行高溫回火，適用于在400～450℃較高溫度下工作的負(fù)荷不大、受強(qiáng)烈磨損或表面要求滲氮的的模具。稱為二次硬化法。
2．熱作模具鋼
制造使金屬熱成型的模具，如熱鍛模、熱擠壓模和壓鑄模。
工作條件及性能要求
在反復(fù)受熱和冷卻的條件下進(jìn)行工作的，所以比冷作模具有更高要求：
①．良好的強(qiáng)韌性。由于模具在工作時(shí)負(fù)載大，并承受很大的沖擊，要求有高的強(qiáng)度和良好的韌性，即要求綜合力學(xué)性能好。
②．高抗氧化性和熱疲勞抗力。模具工作時(shí)的型腔溫度高達(dá)400～6000C，而且又反復(fù)加熱冷卻，因此要求在高溫下保持高的強(qiáng)度和韌性的同時(shí)，還能承受反復(fù)加熱冷卻的作用。
③．良好的導(dǎo)熱性和高的淬透性。對尺寸大的熱作模具，要求淬透性高，以保證模具整體的力學(xué)性能好；同時(shí)還要求導(dǎo)熱性好，以避免型腔表面溫度過高。
成分特點(diǎn)：
含碳量：中碳，0.3～0.6％。過高，塑韌性及導(dǎo)熱性差；過低，硬度及耐磨性不高。
合金元素：常加入Cr、Mn、Si、Mo、W、V，提高淬透性，回火穩(wěn)定性及耐磨性。其中，Mo、W還抑制第二類回火脆性，Cr、Si、W提高熱疲勞性能。
典型鋼種及應(yīng)用：
應(yīng)用較廣泛的是5CrMnMo、5CrNiMo和3Cr2W8V。
5CrNiMo綜合性能好，主要用于制造形狀復(fù)雜、沖擊載荷大的大型熱鍛模。
5CrMnMo中以Mn代Ni雖價(jià)格低、強(qiáng)度不降低，但塑性、韌性及淬透性不如5CrNiMo，一般用于中小型（截面尺寸≤300mm）熱鍛模。
3Cr2W8V具有高的回火穩(wěn)定性，廣泛用于壓鑄模及熱擠壓模的制造。
熱處理工藝：
（1）退火：在反復(fù)鍛造（目的是使碳化物均勻分布）之后機(jī)加工成形前進(jìn)行，可采用完全退火或等溫退火。屬亞共析鋼，需加熱到Ac3以上完全奧氏體化。目的是消除鍛造應(yīng)力，細(xì)化晶粒，降低硬度（197～241 HBS）。
（2）最終熱處理：一般淬火+高溫回火：獲得所需性能，組織回火索氏體。硬度要求一般在39～54HRC。
根據(jù)用途不同，熱鍛模淬火后模面中溫回火、模尾高溫回火；壓鑄模淬火后在略高于二次硬化峰值的溫度多次回火，提高熱硬性。
3．量具鋼（簡單介紹，或略）
量具鋼是用于制造量具的鋼，如卡尺、千分尺、塊規(guī)、塞尺等。
工作條件及性能要求：
量具在使用過程中主要是受到磨損，因此對量具鋼的主要性能要求是：
（1）工作部分有高的硬度和耐磨性，以防止在使用過程中因磨損而失效；
（2）要求組織穩(wěn)定性高，要求在使用過程中尺寸不變，以保證高的尺寸精度；
（3）良好的磨削加工性。
量具鋼的成分特點(diǎn)及鋼種：
最常用的量具用鋼為碳素工具鋼和低合金工具鋼。
碳素工具鋼，淬透性低，采用水淬，變形大，因此常用于制作尺寸小，形狀簡單，精度要求低的量具。
低合金工具鋼（包括GCr15等），淬透性較高，采用油淬，變形小。合金元素在鋼中形成的合金碳化物，可提高耐磨性。其中，GCr15耐磨性和尺寸穏定性都較好，用得最多。
此外，有時(shí)用滲碳鋼經(jīng)滲碳淬火或滲氮鋼氮化處理后制作精度不高、耐沖擊的量具；也用冷作模具鋼制作要求精密的量具；在腐蝕介質(zhì)中使用的量具則用不銹鋼制作。表7-10所示為量具用鋼的選用舉例。
量具鋼的熱處理：
精密量具，熱處理和使用過程中變形要小，從選材方面考慮。在淬火后，一般尺寸是膨脹的，解決的辦法是：
a）淬火前進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，得回火索氏體。由于馬氏體與回火索氏體之間的體積差小，而馬氏體與珠光體之間的體積差大，則淬火后的變形就小。
b）回火后進(jìn)行冷處理，降低奧氏體含降，低內(nèi)應(yīng)力量。
c）長時(shí)間的低溫回火（低溫時(shí)效），使馬氏體趨于穩(wěn)定，進(jìn)一步降低內(nèi)應(yīng)力。
舉例：用GCr15制作量規(guī)，其工藝路線為：
鍛造→球化退火→機(jī)加工→粗磨→淬火+低溫回火→精磨→時(shí)效→涂油。
時(shí)效的作用是消除應(yīng)力、穩(wěn)定尺寸。
常用碳鋼的臨界點(diǎn)
鋼號
臨界點(diǎn)（℃）
Acl
Ac3或Accm
Arl
Ar3
20
735
855
680
835
45
724
780
682
760
T8
730
——
700
——
T12
730
820
700
——
第五節(jié) 特殊性能鋼
特殊性能鋼指具有特殊物理化學(xué)力學(xué)性能的鋼，如不銹鋼、耐熱鋼、低溫鋼、耐磨鋼。主要介紹不銹鋼和耐熱鋼。
一、不銹鋼（為主）
通常所說的不銹鋼是不銹鋼和耐酸鋼的總稱。不銹鋼是指能抵抗大氣腐蝕的鋼；耐酸鋼是指能抵抗化學(xué)介質(zhì)腐蝕的鋼。“不銹”只是說腐蝕的速度相對較慢，沒有絕對不受腐蝕的鋼種。所以，“不銹”是相對的，“腐蝕”才是絕對的。
（一）腐蝕原理與防止措施
腐蝕指金屬表面與周圍介質(zhì)相互作用，使金屬基體受到破壞的現(xiàn)象。根據(jù)腐蝕的原理不同，分為化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕兩大類。
1．腐蝕原理
（1）化學(xué)腐蝕
化學(xué)腐蝕是指金屬與周圍介質(zhì)直接接觸產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生的腐蝕。腐蝕過程中無電流產(chǎn)生，如金屬在高溫下的氧化，產(chǎn)生的腐蝕產(chǎn)物是氧化皮。金屬被腐蝕產(chǎn)生的腐蝕產(chǎn)物一般沉積于表面，形成一層膜，使金屬基體懷介質(zhì)隔離。如果膜是穩(wěn)定的、很致密，與基體結(jié)合牢固，則該膜具有保護(hù)作用，稱之為氧化膜。反之，將使金屬逐漸被腐蝕直至破壞。因而，提高金屬耐化學(xué)腐蝕的能力，主要通過合金化或其它方法，使金屬表面形成一層鈍化膜。
典型實(shí)例：鋼鐵的高溫氧化
Fe – 2e → Fe 2+； O + 2e → O2-； Fe 2+ + O2- → FeO (溫度高于575度，灰色，疏松)
低于575度時(shí)，形成磁性的四氧化三鐵（藍(lán)黑色）和三氧化二鐵（赤褐色）。
（2）電化學(xué)腐蝕
電化學(xué)腐蝕是金屬與電解溶液接觸產(chǎn)生原電池作用引起的腐蝕現(xiàn)象。由陰極和陽極形成微電池，腐蝕過程中有電流產(chǎn)生，如鋼在室溫下的銹蝕主要屬于電化學(xué)腐蝕。電極電位低的金屬作為陽極而被腐蝕。
在同一種金屬或合金中，也有可能產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕。原因：主要是由于化學(xué)成分不均勻，組織狀態(tài)和應(yīng)力狀態(tài)等的不同而引起的。同一金屬內(nèi)部、不同區(qū)域之間存在電極電位差，在電解質(zhì)存在時(shí)，產(chǎn)生微電池作作引起腐蝕。例如，鋼中珠光體由鐵素體和滲碳體兩相組成，鐵素體的電極電位低于滲碳體。當(dāng)電解質(zhì)溶液（如硝酸酒精溶液）存在時(shí)，鐵素體作為陽極被腐蝕。
F ：陽極， 電極電位低，失去電子被腐蝕；
Fe3C ：陰極， 電極電位高，不腐蝕；
2．防止措施
主要是合金化，添加 Cr、Ni、Si、Al、Mo、Ti、Nb等合金元素。其作用：
（1）加入Cr元素，提高基體的電極電位。當(dāng)鉻含量為12％左右時(shí)，合金的電極電位由-0.56V → ＋0.2V，不銹鋼中鉻的含量都在12％以上。
（2） 使鋼在使用態(tài)為單相組織，避免形成微電池。
鐵素體不銹鋼中 WCr > 17%，使用態(tài)為單相F；
奧氏體有銹鋼中 WNi > 9%，使用態(tài)為單相A。
（3）加入Cr、Si、AL等形成致密氧化膜，基體與環(huán)境隔絕，提高耐蝕性。主要有Cr2O3、SiO2、Al2O3。
（4）Ti、Nb等形成穩(wěn)定碳化物或金屬間化合物，避免晶界貧鉻 。
（二）常用不銹鋼及用途
常用的不銹鋼根據(jù)其組織特點(diǎn)，可分為馬氏體不銹鋼、鐵素體不銹鋼和奧氏體不銹鋼三種類型。
1．馬氏體型不銹鋼
成分：Wc：0.1—1.0% WCr：12—18%
特點(diǎn)：淬透性好，空冷可到M。
典型 牌號：1Cr13 , 2Cr13 ； 3Cr13 ； 4Cr13。
↓ ↓ ↓
亞共析鋼 共析鋼 過共析鋼
加入多量的Cr，使Fe—Fe3C相圖的A區(qū)縮小，共析點(diǎn)移至Wc = 0.3%附近，所以3Cr13 , 4Cr13分別屬于共析鋼和過共析鋼。
熱處理及用途：
1Cr13、2Cr13：調(diào)質(zhì)處理，S回，具有良好綜合力學(xué)性能，抗大氣、蒸氣等介質(zhì)腐蝕的能力強(qiáng)，多用于汽輪機(jī)葉片，蒸汽機(jī)管附件。
3Cr13、4Cr13：淬火+低溫回火，M回。含碳量高些，具有較高的強(qiáng)度和硬度（達(dá)50HRC），耐蝕性相對差些，因此常作為工具鋼使用，制造醫(yī)療器械、刃具、熱油泵軸等。
2．鐵素體型不銹鋼
成分和性能：Wc < 0.15%； WCr :12—30%；含碳量降低，含鉻量有相應(yīng)地提高，其耐蝕性、塑性、焊接性均優(yōu)于馬氏體不銹鋼。
使用態(tài)組織：鐵素體，（加熱或冷卻時(shí)無A＝＝F轉(zhuǎn)變，不能熱處理強(qiáng)化）
常用牌號：OCr13, 1Cr17, 1Cr28；
用途：化工容器管道（對力學(xué)性能要求不高，對耐腐蝕性要求高），如硝酸的吸收塔和熱交換器、承受醋酸蒸氣的附件等。
3．奧氏體不銹鋼： 用量最多 ，占65—70%
成分：Wc:〈 0.12%； WCr: 17%—25%； WNi: 8---29%；
常用牌號： OCr18Ni9 ，1Cr18Ni9 ，1Cr18Ni9Ti，稱為 18—8型奧氏體不銹鋼
組織：退火——奧氏體+ 碳化物
固溶處理——單相A. （固溶處理：加熱至A體區(qū)快冷（水冷））。
性能：高塑性和低溫韌性；良好的加工硬化能力和焊接性；高的耐熱蝕性；無磁性。
缺點(diǎn)：易發(fā)生晶間腐蝕，成本較高。消除晶間腐蝕的辦法：一是在鋼中加入鈦或鈮，固溶處理后再進(jìn)行穩(wěn)定化處理；二是降低不銹鋼中的含碳量，生產(chǎn)超低碳不銹鋼。
應(yīng)用：化工和食品行業(yè)居多。制造耐氧化性酸（如硝酸、有機(jī)酸）的貯槽、容器，堿、鹽工業(yè)中的機(jī)械零件，醫(yī)療器械及儀器儀表。
二、耐熱鋼（略）
1．定義：耐熱鋼和高溫合金是指在高溫下具有熱穩(wěn)定性和熱強(qiáng)性的特殊鋼和合金。
2．性能要求
（1）高的熱穩(wěn)定性---高的抗氧化能力。
（2）高的熱強(qiáng)性-----高的蠕變抗力和持久強(qiáng)度。
3．分類及應(yīng)用
（1） 珠光體耐熱鋼
Wc：0.1—0.4%； Cr、Mo、W、V等合金元素，作用是強(qiáng)化鐵素體，防止 Fe3C 分解。
組織：細(xì)P + F ，工作溫度 < 6000C；
常用牌號及 應(yīng)用：12CrMo，15CrMoV；鍋爐及管道，壓力容器，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子。
（ 2）馬氏體耐熱體
在Cr13不銹鋼的基礎(chǔ)上加入Mo、V、W、Ti、Nb等合金元素而形成，淬透性好。
牌號：1Cr11MoV，1Cr12WMoV。5000C以下具有良好的蠕變抗力和消振性。適于制造汽輪機(jī)葉片，故稱為葉片鋼 。
中碳鉻硅鋼4Cr9Si2和4Cr10Si2Mo，稱為氣閥鋼，用于制造工作溫度不高于7000C的發(fā)動機(jī)排氣閥。
（3）奧氏體耐熱鋼
在奧氏體不銹鋼的基礎(chǔ)上發(fā)展的，合金元素有：W、Mo、V、Ti、Nb、Al，作用是：強(qiáng)化奧氏體；形成穩(wěn)定的碳化物或金屬間化物。
性能特點(diǎn)：高的熱強(qiáng)性、抗氧化性；高的塑性、沖擊韌性；良好的焊接性和冷成型性。
用途：制造在600—8500C間的高壓鍋爐的過熱器、汽輪機(jī)葉片、葉輪、發(fā)動機(jī)氣閥。
典型牌號： 1Cr18Ni2Ti , 1Cr15Ni36W3Ti等；
