模具合金钢.docx
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模具合金钢
1.4合金钢
本节主要内容:
合金钢中加入了哪些元素?
这些元素起到什么作用?
某些合金钢的特殊性能,如不锈钢,到底是怎么做到“不锈”的?
合金钢的牌号。
合金钢:
在普通碳素钢中添加适量的一种或多种合金元素。
合金钢最显著的优点:
高的强度和淬透性。
高强度、高韧性、耐磨、耐腐蚀、耐低温、耐高温、无磁性等。
常用的合金元素:
硅、锰、铬、镍、钼、钨、钒、钛、铌、锆、钴、铝、铜、硼、稀土等。
钒、钛、铌、锆、锰、铬、钨、钼等在钢中形成各自的碳化物或固溶体;
铝、铜、镍、钴、硅只形成固溶体。
常用合金元素在钢中的作用
1、硅的作用:
(1)使钢的韧性和塑性降低。
(2)显著地提高钢的弹性极限、屈服极限和屈强比,这是一般弹簧钢必须的。
(3)耐腐蚀性,是很好的耐酸材料。
加热时表面形成一层SiO2薄膜,提高钢的抗氧化性。
(4)使钢的焊接性能恶化。
2、锰的作用
(1)提高钢的淬透性。
(2)提高钢的强度和耐磨性。
锰钢的主要缺点:
①含锰较高时,有较明显的回火脆性现象;
②使钢的焊接性能变坏——锰有促进晶粒长大的作用,
因此锰钢对过热较敏感。
③使钢的耐锈蚀性能降低。
3、铬的作用
(1)提高钢的强度和硬度。
(2)提高淬透性。
(3)使钢具有良好的抗腐蚀性和抗氧化性。
缺点:
促进钢的回火脆性。
4、镍的作用
(1)可提高钢的强度而不显著降低其韧性。
(2)可提高钢的低温韧性。
(3)改善钢的加工性和可焊性。
(4)提高钢的抗腐蚀能力。
5、钼的作用
(1)对铁素体有固溶强化作用。
(2)提高钢热强性
(3)抗氢侵蚀的作用。
(4)提高钢的淬透性。
6、钨的作用
(1)提高强度
(2)提高钢的高温强度。
(3)提高钢的抗氢性能。
(4)使钢具有热硬性。
因此,钨是高速工具钢中的主要合金元素。
7、钒的作用
(1)提高钢的热强性。
(2)显著改善焊接性能。
8、钛的作用
(1)改善钢的热强性;
(2)提高钢在高温高压氢气中的稳定性(氢使渗碳体在高温下石墨化)。
因此,钛是高温元件所用的热强钢中的重要合金元素。
9、铌的作用
(1)细化晶粒,降低钢的过热敏感性和回火脆性。
(2)有极好的抗氢性能。
(3)提高钢的热强性
10、硼的作用;
(1)提高钢的淬透性。
(2)提高钢的高温强度。
11、铝的作用
(1)用作炼钢时的脱氧定氮剂,细化晶粒,抑制低碳钢的时效,改善钢在低温时的韧性,特别是降低了钢的脆性转变温度;
(2)常把铝加入耐热钢中,提高钢的高温抗氧化性能。
缺点:
①用铝量过多,将促进钢的石墨化倾向。
②用铝量过多,将降低钢的高温强度和韧性。
12、稀土元素(Xt、RE):
脱氢、脱硫和消除其它有害杂质;大幅度提高不锈耐酸钢的耐蚀性。
一、合金元素对钢性能的影响
1.对钢力学性能的影响
(1)强化铁素体
大多数合金元素能溶于铁素体,产生固溶强化。
(2)形成合金碳化物
合金碳化物比渗碳体具有更高的硬度、耐磨性,且熔点高,不易分解。
细小的合金碳化物能大大提高钢的强度和耐磨性,但不增加脆性——称弥散强化。
弥散:
指微小粒子在材料微观组织中的分布。
弥散强化:
在材料中加入硬质颗粒并均匀分布,提高材料强度。
金属的强化方法:
固溶强化、弥散强化、沉淀强化、细化晶粒强化、相变强化等。
(3)细化晶粒
晶粒越小,钢的强度和韧性越好。
2.合金元素对钢的加工性能的影响
(1)对铸造性能的影响
合金元素一般会降低铸造时金属的流动性,增加偏析倾向,使钢的铸造性能变差。
(2)对锻造性能的影响
在锻造时塑性降低,变形抗力增加,锻造性能明显下降。
(3)对焊接性能的影响
碳、磷、硫等元素会加剧钢的淬硬和冷裂倾向,焊接性能恶化。
钛、锆、铌、钒可改善焊接性能。
总的说来,合金钢的焊接性不如碳钢。
(4)对热处理工艺性的影响
提高淬透性——合金元素最重要的作用是提高了钢的淬透性。
提高回火稳定性(淬火后回火时抵抗硬度下降的能力)。
淬透性(P28):
是指钢在淬火时获得淬硬深度的能力,也就是获得马氏体的能力。
●钢淬火时,表面的冷却速度最快,愈到中心冷却速度愈慢,在距表面某一深处的冷却速度小于该钢的临界冷却速度(或称马氏体临界冷却速度——能够得到马氏体的最低冷却速度),则淬火后将有非马氏体组织出现。
●钢的淬透性主要取决于钢的临界冷却速度,在相同条件下,该速度越小,生成越多的马氏体。
而钢的临界冷却速度取决于过冷奥氏体的稳定性。
●固溶于奥氏体中的合金元素(除钴以外),均程度不同地增加过冷奥氏体的稳定性(C曲线右移),使钢的淬透性增加。
简言之:
增加过冷奥氏体的稳定性→→降低马氏体临界冷却速度→→提高钢的淬透性
●影响钢材淬透性的主要因素:
钢材的化学成分、淬火方法(加热方法、加热温度、冷却介质的特性、冷却方式)、零件的形状尺寸等。
(5)对切削加工性能的影响
合金钢的强度及韧性一般较高,使切削抗力增加,断屑变难,切削性能一般比碳钢差。
3.合金元素使钢获得特殊性能
(1)提高耐蚀性
在钢表面形成致密稳定的氧化膜,使钢提高耐蚀性。
(2)提高耐热性
耐热性包括高温抗氧化性和高温强度两方面的涵义。
铬、硅、铝等元素形成致密高熔点氧化膜,能增加钢的抗高温氧化能力。
钛、钼等合金元素使钢在高温下不易塑性变形,提高了钢的高温强度,使钢有较高的热强性。
(3)提高热硬性及耐磨性
合金元素提高了钢的回火稳定性。
二合金钢的分类和牌号
(一)合金钢的分类(课本P39)
1按合金元素的含量分类
低合金钢合金元素总量<5%
中合金钢合金元素总量5%~10%
高合金钢合金元素总量>10%
2按用途分类
合金结构钢
合金工具钢
特殊性能钢如不锈、耐蚀和耐热钢。
专用钢用于专门用途,如滚珠轴承钢、弹簧钢。
(二)合金钢的牌号
1合金结构钢
例:
60Si2CrA
表示Wc=0.6%、Wsi=2%、Wcr<1.5%)。
A表示质量等级(含S、P量)
●以两位数字表示碳含量的万分数
●标出合金元素含量的百分数;若含量小于1.5%,不标。
2合金工具钢(量具刃具用钢、冷作模具钢、热作模具钢)
例:
9SiCr
表示Wc=0.9%、Wsi<1.5%、Wcr<1.5%的合金工具钢。
●当钢中的Wc<1%时,用一位数字表示含碳量的千分数;
当钢中的Wc≥1%时,不标含碳量。
●标出合金元素含量的百分数;若含量小于1.5%,不标。
3高速工具钢
不标出含碳量,只标出其他合金元素含量的百分数。
例:
W18Cr4V,
表示Ww=18%、Wcr=4.0%、Wv<1.5%的高速工具钢。
4不锈钢和耐热钢
表示方法与合金工具钢相同。
例:
3Cr13。
表示平均Wc=0.3%、Wcr=13%的不锈钢。
5滚珠轴承钢
滚珠轴承钢在编号前标以“G”字,其后为铬(Cr)+数字
例:
GCr15SiMn
表示Wcr=1.5%、Wsi<1.5%、Wmn<1.5%的滚动轴承钢。
含铬量以千分数标示。
其他元素仍按百分数表示。
(原因:
铬是滚珠轴承钢中最重要的元素)
6合金铸钢
例:
ZGMn13
表示Wmn=13%(平均含锰量的百分数)的高锰耐磨钢。
小结:
牌号前的数字都是指含碳量;对结构钢,含碳量以万分数表示,对工具钢,含碳量以千分数表示(大于1%,不标出);合金元素的含量都以百分数表示(小于1.5%,不标出);滚珠轴承钢的铬Cr例外。
反之,若钢号前的数字是两位,则为结构钢;一位或没有数字,则为工具钢。
三合金钢的性能及热处理方式
(一)合金结构钢
1低合金结构钢
含有少量合金元素,具有较高强度。
用途:
主要用来制造各种强度要求较高的结构件,如船舶、车辆、高压容器、输油输气管道、大型钢结构等。
热处理:
与碳素钢类似。
低合金结构钢中,16Mn最具有代表性。
16Mn是二十世纪三十年代发展起来的世界上第一种低合金高强度钢,是目前我国用量最多,产量最大的一种低合金高强度钢。
(只含锰的钢也可归类于优质碳素结构钢)
2合金渗碳钢
属于表面渗碳硬化的合金结构钢,用以制造渗碳硬化零件。
用途:
渗碳钢常用在受冲击和磨损条件下工作的一些机械零件,如汽车、拖拉机上的变速齿轮等。
要求表面硬、耐磨,而零件心部则要求有较高的韧性和强度以承受冲击。
渗碳钢的热处理:
渗碳→→淬火(一次淬火或二次淬火)→→低温回火。
例:
20CrMnTi钢齿轮的加工工艺路线:
下料→锻造→正火→加工齿形→滲碳,淬火→低温回火→磨齿。
3合金调质钢
采用调质处理,即淬火+高温回火。
用途:
综合力学性能好,用于受力较复杂的重要结构零件。
分类:
按淬透性的高低,分为三类:
①低淬透性调质钢。
典型钢种是40Cr,广泛用于制造一般尺寸的重要零件,如轴、齿轮、连杆螺栓等。
②中淬透性调质钢。
典型钢种为40CrNi,含有较多的合金元素,用于制造截面较大、承受较重载荷的零件,如曲轴、连杆等。
③高淬透性调质钢。
典型钢种为40CrNiMoA,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。
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。
调质钢的热处理:
以40Cr钢制造拖拉机上的连杆、螺栓,其工艺路线为:
下料→锻造→退火→粗机加工→调质→精机加工→装配。
预备热处理采用退火(或正火),其目的是改善锻造组织,消除缺陷,细化晶粒;调整硬度、便于切削加工;为淬火做好组织准备。
调质采处理用830℃加热、油淬,得到马氏体组织,然后在525℃回火。
4合金弹簧钢
a)性能要求
具有高的弹性极限(即具有高的屈服点或屈强比),高的疲劳极限与足够的塑性和韧性。
b)成分特点
含碳量一般为0.45~0.70%。
含碳量过高,塑性和韧性降低,疲劳极限也下降。
含硅及锰、铬、矾和钨等。
加入锰、硅主要是提高淬透性,同时也提高屈强比。
硅、锰元素的不足之处是硅会促使钢材表面在加热时脱碳,锰则使钢易于过热。
因此,重要用途的弹簧钢必须加入铬、矾、钨等。
它们不仅使钢材有更高的淬透性,不易脱碳和过热,而且有更高的高温强度和韧性。
弹簧钢的热处理:
根据弹簧钢的生产方式,可分为热成型弹簧和冷成型弹簧两类。
①热成形弹簧——加热时成形,然后
淬火+中温回火
具有很高的屈服强度和弹性极限,并有一定的塑性和韧性。
②冷成形弹簧——通过冷拔(或冷拉)、冷卷成型,然后
低温回火
※不必进行淬火处理
※低温回火目的是定型处理(消除内应力和稳定尺寸)。
※加热到250~300℃,保温一段时间,从炉内取出空冷。
弹簧经热处理后,一般进行噴丸处理,使表面强化并在表面产生残余压应力,以提高疲劳强度。
(二)合金工具钢
包括:
量具、刃具用钢和模具钢等。
1低合金工具钢
含碳量一般为0.75~1.50%。
常加入的合金元素有硅、锰、铬、钼、钨、矾等。
热处理工艺:
锻造→→球化退火(预备热处理)→→淬火+低温回火(最终热处理)
2高速钢
①含较多的碳,保证淬硬性。
②含较多的钨,提高钢的红硬性。
③铬元素Cr:
提高钢的淬透性;形成碳化物强化相——相变强化;
Cr在高温下可形成Cr2O3,起到氧化膜的保护作用。
④钒元素V:
V与C的亲和力很强,在高速钢中形成碳化物(VC),它有很高的稳定性和硬度,呈弥散状析出——弥散强化。
高速钢的热处理:
高速钢淬透性好,在空气中冷却就可得到马氏体组织。
● 铸造刀具:
反复的压力热加工(一般选择多次轧制和锻压)
铸造后不能热处理,否则易变形。
● 锻造刀具:
锻造→→球化退火→→高温淬火→→高温回火
(高温使较多的W、V元素溶入奥氏体中,提高刃具红硬性)
高速钢的热处理:
分级加热、分级冷却、三次回火
1关于淬火:
淬火前的加热温度及回火温度尽量高些,这样可以使较多的W、V(提高刃具红硬性的元素)溶入奥氏体中。
由于合金元素含量高,高速钢的导热性很差,所以淬火加热时采用分级加热。
淬火冷却采用油中分级淬火法。
2关于回火:
回火一般进行三次,回火温度560℃,每次1∽1.5h。
第一次回火,只对淬火马氏体起回火作用,发生残余奥氏体的转变。
第二次回火,残余奥氏体继续发生新的转变,又产生新的内应力。
第三次回火,残余奥氏体仍保留有3%~4%,与此同时,高硬度的碳化物析出量增多,增强“弥散强化”作用(称“二次硬化”),提高刃具性能。
二次硬化:
一些含有较多量钨、钼、钒、钛等元素的高合金钢,在500~600℃回火时,高硬度的碳化物以高度弥散的颗粒析出,使钢的硬度再次升高。
二次硬化对要求有较高热硬性的工具钢具有重要的意义。
3量具用钢
量具工作时承受外力很小,主要受磨擦而磨损,
要求量具有高和硬度,耐磨性和尺寸稳定性。
一般都采用含碳量高的钢,通过淬火得到马氏体。
最常用的量具用钢为碳素工具钢和低合金工具钢。
量具钢在淬火后,尺寸一般会膨胀,常采用长时间的低温时效处理。
球化退火→→淬火+低温回火→→时效处理
例:
用GCr15制作量规,其工艺路线为:
锻造→球化退火→机加工→粗磨→淬火+低温回火→精磨→时效→涂油。
4模具钢
(略,属2.7节内容)
(三)特殊性能钢
1不锈钢
(1)金属腐蚀的一般概念
腐蚀通常分为两种:
化学腐蚀(化学反应)
电化学腐蚀(电池作用)
电化学腐蚀是金属被腐蚀的主要原因。
提高金属的抗电化学腐蚀能力,通常采取以下措施:
①尽量使金属获得均匀的单相组织。
若金属是单相组织,在电解质溶液中难以形成微电池。
(相当于原电池只有只有一个极)
如在钢中加入大于24%的Ni,会使钢在常温下获得单相的奥氏体组织。
②加入合金元素提高金属基体的电极电位。
例如在钢中加入大于13%的铬Cr,则基体(一般是铁素体)的电极电位由-0.56V提高到0.2V,不易失去电子,从而提高金属的抗腐蚀性。
③加入合金元素,在金属表面形成一层致密的氧化膜(钝化膜)。
又称钝化膜,把金属与介质分隔开,防止进一步的腐蚀。
铬是不锈钢合金的主要元素。
钢中加入铬,一是提高金属基体电位,提高钢的耐腐蚀性能。
二是在金属表面形成一层钝化膜,阻止腐蚀过程。
(2)常用不锈钢
马氏体不锈钢
铁素体不锈钢
奥氏体不锈钢
a)马氏体不锈钢
含碳量为0.1~0.45%,含铬量为12~14%,属于铬不锈钢。
b)铁素体不锈钢
含碳量低于0.15%,含铬量为12~30%,也属于铬不锈钢。
由于含碳量降低,含铬量相应提高,钢的组织接近单相组织,其耐蚀性优于马氏体不锈钢。
c)奥氏体不锈钢
在含Cr18%的钢中加入8~11%的镍Ni,属于镍不锈钢,。
由于镍的加入,扩大了奥氏体区域,得到单相奥氏体组织,因而具有比铬不锈钢更高耐腐蚀性,是目前应用最多的一类不锈钢。
防锈性能:
奥氏体不锈钢>铁素体不锈钢>马氏体不锈钢
2耐热钢
(1)耐热钢的一般概念
耐热性包括高温抗氧化性和高温强度两方面。
高温抗氧化性:
金属在高温下对氧化作用的抗力;
高温强度:
钢在高温下仍能保持原有高强度的能力。
a)高温抗氧化性
主要取决于金属表面能形成致密且熔点高的氧化膜,阻止金属的进一步氧化。
加入铬、硅、铝等元素,在表面上形成致密的高熔点的Cr2O3、SiO2、Al2O3等氧化膜,提高抗氧化性。
b)高温强度
金属在高温下,会发生极其缓慢的塑性变形,这种现象叫做“蠕变”。
为了提高钢的高温强度,通常采用以下几种措施:
①固溶强化
在钢中加入合金元素,使晶格畸变,提高了原子结合力,增大位错运动的阻力,减缓元素的扩散,能进一步提高热强性。
②弥散强化(析出强化)
在固溶体中沉淀析出稳定的碳化物、金属间化合物,在晶内弥散,阻碍位错滑移,提高塑变抗力,提高热强性。
③强化晶界
高温下材料的晶界强度低于晶内强度。
通过加入钼、锆、钒、硼等晶界吸附元素,使晶界强化,提高钢的热强性。
(2)耐热钢
多用来制作在高温下工作的锅炉、汽轮机、燃气机和内燃机的某些零件或构件。
a)珠光体耐热钢
其显微组织为珠光体+铁素体,工作温度为350~550℃。
b)马氏体耐热钢
工作温度550~580℃。
c)奥氏体耐热钢
奥氏体耐热钢的耐热性能优于珠光体耐热钢和马氏体耐热钢,工作温度600~700℃。
小结:
合金元素的作用只有通过热处理才能充分发挥和表现出来。
由于合金元素能细化晶粒,提高钢的淬透性及耐回火性、产生二次硬化等,使合金钢具有良好的强度及韧性,并能提高合金工具钢的热硬性。
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- 模具 合金钢