(工業(yè)用鋼)
一、教學(xué)目的及其要求
通過(guò)本章學(xué)習(xí)，使學(xué)生熟悉和了解我國(guó)的鋼材編號(hào)規(guī)則，掌握各類(lèi)鋼種的牌號(hào)，熟悉鋼中雜質(zhì)與合金元素的分布規(guī)律及其對(duì)鋼材性能的影響，熟悉常用鋼材的牌號(hào)、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(guó)的鋼材編號(hào)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(guó)的鋼材分類(lèi)及牌號(hào)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(guò)程
第一節(jié) 工業(yè)用鋼的分類(lèi)及牌號(hào)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(jiǎn)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(lèi)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(gòu)、訂貨和管理，我國(guó)目前將鋼材按外形分為型材、板材、管材、金屬制品四大類(lèi)，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(pán)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(zhǎng)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(wú)縫鋼管：用熱軋、熱軋—冷拔或擠壓等方法生產(chǎn)的管壁無(wú)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(lèi)
鋼的種類(lèi)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(duì)鋼進(jìn)行分類(lèi)。
1．按化學(xué)成分分類(lèi)。碳鋼、合金鋼兩大類(lèi)。
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(lèi)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(lèi)。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(jí)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(lèi)。
3．按金相組織分類(lèi)
按鋼退火態(tài)的金相組織可分為亞共析鋼、共析鋼、過(guò)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(lèi)。鍛鋼、鑄鋼、 熱軋鋼、 冷軋鋼等。
按用途分類(lèi)
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(chē)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(dòng)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(lèi)。按鋼的用途可分為結(jié)構(gòu)鋼、工具鋼、特殊性能鋼三大類(lèi)。
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(lèi)方法結(jié)合起來(lái)，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(jí)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(hào)表示方法
鋼的牌號(hào)簡(jiǎn)稱鋼號(hào)，是對(duì)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(yǔ)言。鋼編號(hào)的原則主要有兩條：一是根據(jù)編號(hào)可以大致看出該鋼的成分；二是根據(jù)編號(hào)可大致看出該鋼的用途。
我國(guó)鋼的牌號(hào)表示方法，根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《鋼鐵產(chǎn)品牌號(hào)表示方法》（GB221-79）中規(guī)定，采用漢語(yǔ)拼音字母、化學(xué)元素符號(hào)和阿拉伯?dāng)?shù)字相結(jié)合的方法表示。即：
① 鋼號(hào)中化學(xué)元素采用國(guó)際化學(xué)符號(hào)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(yǔ)拼音縮寫(xiě)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(hào)表示方法
平均含碳量的萬(wàn)分之幾
見(jiàn)第四章（碳鋼的分類(lèi)、用途及牌號(hào)表示方法）
合金元素平均含量的百分之幾
（二）合金鋼的牌號(hào)表示方法
1．合金結(jié)構(gòu)鋼
兩位數(shù)字＋合金元素符號(hào)＋數(shù)字＋質(zhì)量等級(jí)符號(hào)“A”
（1）當(dāng)合金元素的平均含量＜1.5%時(shí)，鋼號(hào)中一般只標(biāo)出元素符號(hào)，而不標(biāo)明含量；但在特殊情況下易致混淆者，在元素符號(hào)后亦可標(biāo)以數(shù)字“1”，例如鋼號(hào)“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(hào)后面標(biāo)以2、3、4…… ；如果為高級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼，則在其鋼號(hào)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(hào)中標(biāo)出。例如20MnVB鋼中，釩：0.07～0.12%，硼：0.001～0.005%。
（4）專(zhuān)門(mén)用途的合金結(jié)構(gòu)鋼，鋼號(hào)冠以（或后綴）代表該鋼種用途的符號(hào)。例如，鉚螺專(zhuān)用的30CrMnSi鋼，鋼號(hào)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(hào)方法，基本上和合金結(jié)構(gòu)鋼相同。新牌號(hào)的編制方法與碳素結(jié)構(gòu)鋼相同。如舊牌號(hào)的16Mn為新牌號(hào)的Q345。
3．滾動(dòng)軸承鋼
“G”＋ Cr ＋ 數(shù)字 ＋ 其它元素符號(hào)。字母“G”為“滾”字頭，表示為滾動(dòng)軸承鋼類(lèi)，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(hào)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(hào)＋數(shù)字
說(shuō)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(duì)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(hào)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(jiǎn)稱18-4-1），“鎢6鉬5鉻4礬2”（W6Mo5Cr4V2，簡(jiǎn)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(shuō)明：（1）鋼中含碳量≤0.03%者，鋼號(hào)前分別冠以“00”表示之， 如00Cr17Ni14Mo2；
WC≤0.08%者，冠以“0”表示之，、0Cr18Ni9。
（2）對(duì)鋼中主要合金元素以百分之幾表示；對(duì)鈦、鈮、鋯、氮……等微量元素則按合金結(jié)構(gòu)鋼對(duì)微合金元素的表示方法，只標(biāo)出元素符號(hào)，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(jiǎn)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(zhǎng)大；
（2） 淬透性低。形狀復(fù)雜、尺寸大的零件，在淬火時(shí)易開(kāi)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(huì)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?；ぁx表等要求耐腐蝕、耐高溫、無(wú)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(lèi)，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(lèi)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(hào)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(zhǎng)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(guò)阻礙位錯(cuò)的移動(dòng)來(lái)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(cuò)強(qiáng)化，位錯(cuò)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(cuò)移動(dòng)面強(qiáng)化。
u 加工硬化，金屬產(chǎn)生塑性變形后位錯(cuò)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(cuò)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(guò)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(lèi)。
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(chē)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(jiàn)第四章碳鋼的分類(lèi)、編號(hào)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(chē)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(hào)：Q＋數(shù)字＋（質(zhì)量等級(jí)符號(hào)A、B、C、D、E）
共11個(gè)牌號(hào)，6個(gè)等級(jí)，以強(qiáng)度等級(jí)分類(lèi)，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(hào)及用途：
（1）在Q345較低級(jí)別的鋼中，16Mn最具有代表性，是目前我國(guó)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(guò)鈍化提高耐蝕性。這類(lèi)鋼多用于船舶、車(chē)輛、橋梁等大型鋼結(jié)構(gòu)。
（2）對(duì)Q420級(jí)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(jí)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(duì)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(shì)：
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(lái)越受到重視。目前，這類(lèi)鋼發(fā)展趨勢(shì)是：
（a）通過(guò)微合金化與合理的軋制工藝結(jié)合起來(lái)，實(shí)行控制軋制，以達(dá)到更高的強(qiáng)度。
（b）通過(guò)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(guò)程中可發(fā)生自回火過(guò)程，甚至不需要專(zhuān)門(mén)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(jí)，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(lèi)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(guò)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(chē)、重型機(jī)床齒輪、活塞銷(xiāo)，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(guò)熱，細(xì)化晶粒，提高耐磨性。
分類(lèi)和典型牌號(hào)：
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(xiāo)、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(chē)、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(hào)：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(chē)、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(lèi)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(guò)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(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸、汽車(chē)后橋半軸等軸類(lèi)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(lèi)及典型牌號(hào)：按淬透性的高低，調(diào)質(zhì)鋼大致可以分為三類(lèi)：
①低淬透性調(diào)質(zhì)鋼。典型鋼種45、40Cr，這類(lèi)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(lèi)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(lèi)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(dòng)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(lái)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(duì)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(guò)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(lèi)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(wèn)題：
（1） 應(yīng)選擇何種預(yù)備及最終熱處理？
（2） 說(shuō)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(duì)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(guò)程中因45鋼數(shù)量有夠用，想用20鋼代替。試問(wèn)：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(shì)：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(chē)、石油、礦山方面應(yīng)用效果好。應(yīng)用實(shí)例：
（1）汽車(chē)螺栓：用15MnVB代替40Cr，承載能力提高45—70%；使用壽命延長(zhǎng)；
（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(chē)、拖拉機(jī)和火車(chē)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(guò)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(hào)：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(mén)回。
這類(lèi)彈簧多用熱軋鋼絲或鋼板制成。以60Si2Mn制造的汽車(chē)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(mén)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(lèi)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(guò)程中產(chǎn)生加工硬化，強(qiáng)度大大提高。
4．滾動(dòng)軸承鋼
用于制作各類(lèi)滾動(dòng)軸承的內(nèi)外套圈、滾動(dòng)體。
常用鋼種和牌號(hào)： 有兩大類(lèi)
（1）高碳鉻軸承鋼：GCr15、GCr15SiMn。
含碳量：0.95～1.15，高碳，過(guò)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(duì)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(dòng)軸承鋼屬于工具鋼范疇，所以這類(lèi)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(lèi)等耐磨零件。
（2）高碳無(wú)鉻軸承鋼：為了節(jié)鉻，加入了Mo、V得到的，常用牌號(hào)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(duì)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(lái)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(chē)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(cè)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(duì)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(lèi)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(lèi)繁多，工況條件各有特點(diǎn)，性能要求也各有不同。以車(chē)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(dòng)。
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(jiǎn)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(lèi)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(jiǎn)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(jí)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(guò)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(kāi)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(kāi)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(guò)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(jí)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(lái)制造較精密的低速刀具，如長(zhǎng)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(shū)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(lái)的鋼種。
常用牌號(hào)及用途：我國(guó)最常用是W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2，簡(jiǎn)稱18-4-1和6-5-4-2。
前者的過(guò)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(chē)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(pán)形齒輪銑刀為例，說(shuō)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(yú)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(lái)消除，必須經(jīng)過(guò)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(lái)。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(jí)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(zhǎng)，會(huì)造成晶粒長(zhǎng)大。因此，在不使鋼發(fā)生過(guò)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(jí)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(duì)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(wú)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(duì)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(duì)于尺寸小、形狀簡(jiǎn)單、工作負(fù)荷不大的模具采用這類(lèi)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(lái)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(hào)：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(guò)高會(huì)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(duì)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(duì)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(guò)高。
成分特點(diǎn)：
含碳量：中碳，0.3～0.6％。過(guò)高，塑韌性及導(dǎo)熱性差；過(guò)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(lèi)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(jiǎn)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(guò)程中主要是受到磨損，因此對(duì)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(guò)程中因磨損而失效；
（2）要求組織穩(wěn)定性高，要求在使用過(guò)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(jiǎn)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(guò)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(zhǎng)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(hào)
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(shuō)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(shuō)腐蝕的速度相對(duì)較慢，沒(méi)有絕對(duì)不受腐蝕的鋼種。所以，“不銹”是相對(duì)的，“腐蝕”才是絕對(duì)的。
（一）腐蝕原理與防止措施
腐蝕指金屬表面與周?chē)橘|(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(lèi)。
1．腐蝕原理
（1）化學(xué)腐蝕
化學(xué)腐蝕是指金屬與周?chē)橘|(zhì)直接接觸產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生的腐蝕。腐蝕過(guò)程中無(wú)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(guò)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(yáng)極形成微電池，腐蝕過(guò)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(yáng)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(yáng)極被腐蝕。
F ：陽(yáng)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(lèi)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(hào)：1Cr13 , 2Cr13 ； 3Cr13 ； 4Cr13。
↓ ↓ ↓
亞共析鋼 共析鋼 過(guò)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(guò)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(duì)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(wú)A＝＝F轉(zhuǎn)變，不能熱處理強(qiáng)化）
常用牌號(hào)：OCr13, 1Cr17, 1Cr28；
用途：化工容器管道（對(duì)力學(xué)性能要求不高，對(duì)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(hào)： 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(wú)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(lèi)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(hào)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(hào)：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(dòng)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(guò)熱器、汽輪機(jī)葉片、葉輪、發(fā)動(dòng)機(jī)氣閥。
典型牌號(hào)： 1Cr18Ni2Ti , 1Cr15Ni36W3Ti等；
