6.1- 汽车用钢铁材料—合金钢-合金结构钢
特殊钢生产工艺综述
特殊钢生产工艺综述摘要：特殊钢包括优质碳素钢、合金钢、高合金钢三大类，本文介绍了特殊钢的生产工艺，重点论述了合金结构钢、汽车用齿轮钢、合金工具钢、高速工具钢、轴承钢、弹簧钢和不锈钢的性能及生产工艺技术。
关键词：特殊钢性能生产工艺特殊钢一般是指具有特殊性能或特殊用途的钢种。
其与普通钢相比具有更高的强度和韧性、物理性能、化学性能、生物相容性和工艺性能。
因其性能特殊，决定了它在国民经济及军事工业中占有极其重要的地位。
因此，在生产制造特殊钢时，就需要采用特殊的工艺装备技术来实现特殊的化学成分、特殊的组织和性能[1]。
特殊钢的定义在国际上没有明确规定，各国特殊钢的统计分类不完全相同。
我国特殊钢定义与日本、欧洲相近，包括优质碳素钢、合金钢、高合金钢三大类，通常展开为优质碳素结构钢、合金结构钢、碳素工具钢、合金工具钢、高速工具钢、轴承钢、弹簧钢( 碳素弹簧钢和合金弹簧钢) 、耐热钢和不锈钢。
近年来，围绕提高特殊钢性能、质量、品种、效率，降低特殊钢成本、节能降耗、环境友好等方面采用了一系列新技术、新工艺、新装备，使得特殊钢的洁净度、均匀度、组织细化度和尺寸精度等有了很大提高。
特殊钢生产工艺流程主要有3种[2]：1) 电炉流程( 即短流程) ：电炉—二次精炼—连铸—轧制。
2) 转炉流程(长流程) ：高炉—铁水预处理—转炉—二次精炼—连铸—轧制。
3) 特种冶金：特种冶炼( 如真空感应熔炼、冷坩埚熔炼、电渣重熔、真空电弧重熔、电子束熔炼、等离子熔炼等)—锻造或轧制。
这里要指出的是有些钢种的生产至今还必须走模铸—开坯—轧制或锻造的工艺流程。
由于宇航、导弹、火箭、原子能、海洋电子等工业的发展，对所需要的金属或合金质量、性能、可靠性、稳定性等的要求越来越高，电弧炉，转炉冶炼的钢质量很难满足这些要求，所以必须使用特种冶金技术。
特种冶金包括：真空感应熔炼、电渣重熔、真空电弧重熔、电子束熔炼、等离子熔炼等。
难熔金属(钨、钼、铌、钽) 及活泼金属( 钛及钛合金，包括钛、铝金属间化合物等) 用真空电弧重熔、电子束熔炼以及冷坩埚感应熔炼等方法来制备；高温合金、精密合金以及某些对质量要求很高的合金钢用真空感应熔炼、电渣重熔、真空电弧重熔等方法来生产[3]。
汽车中常用的金属材料
.20.
二、合金钢
淬 透 钢号 性
45
低 40MnB
40Cr
中 35CrMo
38CrMoAlA 高
40CrMnMo
调质钢的牌号（摘自GB/T3077－1999）
主 要 成 分, %
汽车中常用的金属材料
.1.
主要内容
一、碳钢 二、合金钢 三、特殊性能钢 四、铸铁 四、有色金属及合金
.2.
一、碳钢
钢铁材料 以铁、碳为基础的铁碳合金。 碳素钢 碳的质量分数(含碳量)小于2.11％的 铁碳合金称为碳素钢。 铸铁 碳的质量分数大于2.11％、小于6.67 ％的铁碳合金为铸铁。
.3.
.24.
二、合金钢
渗C钢的牌号（摘自GB/T3077-1999）（渗C: 930℃，回火：200 ℃）
淬
透
钢号
性
主 要 化 学 成 分, %
C
Mn
Cr，Ni
预备处理 ／
淬火, ℃
机械性能
b
s
aKU2
MPa MPa J
20Cr 低
20MnV
0.17~0.24 0.50~0.80 0.70~1.00 880／ 800 835 540 47
.14.
一、碳钢 用途
冲头、凿子、钻头、锉刀、量规等。 热处理：淬火 + 低温回火
螺纹量规
.15.
二、合金钢
碳钢：价格低，但是，力学性能低，淬透性低，回火抗力 差，耐热、耐低温、耐蚀等特殊性能差。
合金钢 在碳钢的基础上加入有益的其他元素形成 的钢，称为合金钢。
钢铁材料的分类
分类 方法
按 化 学 成 分 分
分类名称
பைடு நூலகம்
说明
3
续表
碳素钢
碳素钢是指含碳量 !! 低于 "# ，并含有少量锰、硅、硫、磷、氧等杂质元素 的铁碳合金。按其含碳量的不同可分为： $）工业纯铁———含碳量 !! !%&%’# 的铁碳合金 "）低碳钢———含碳量 !! !%&"(# 的钢 )）中碳钢———含碳量 !! * %&"(# + %&,%# 的钢 ’）高碳钢———含碳量 !! * %&,%# 的钢 此外，按照钢的 质 量 和 用 途 的 不 同，碳 素 钢 通 常 又 分 为：普 通 碳 素 结 构 钢、优质碳素结构钢和工具碳素钢三大类
特殊钢是指用特殊方法生产、具有特殊物理、化学性能或力学性能的钢 属于这一类型的钢，主要有：!）不锈耐酸钢 #）耐热不起皮钢 $）高电阻 合金 %）低温用钢 &）耐磨钢 ’）磁钢（包括硬磁钢和软磁钢） (）抗磁 钢 )）超高强度钢（指!* !!%++,-. 的钢）
专业用钢
这是指各个工业部门专业用途的钢。例如：农机用钢、机床用钢、重型机 械用钢、汽车用钢、航空用钢、宇航用钢、石油机械用钢、化工机械用钢、 锅炉用钢、电工用钢、焊条用钢……等
原料纯铁 !"#$ ..%’ 中 的 4$’A、 4$-A、4$)、4$*
特殊易切削钢 !"#$ 2%)’ 中 的 4’-、 要求 测 定 热 处 理 后 冲 击 4’-56、4’+、4’+56、4-&、 韧度等 4)&、4)+、4*+78
碳素工具钢 !" ( $ ’-.2 中的全部牌号
6.2- 汽车用钢铁材料-合金钢-合金工具钢和特殊性能钢
A不锈钢无磁性，可用于抗磁仪表、电器等零件，不受磁场的影响。
D.用于——在腐蚀性介质中工作的零件
提高强度、韧性、淬透性、
热处理特点
抗热疲劳性和回火稳定性
预先热处理：完全退火，改善锻造组织和切削加工性，消除锻造应力
高回——S回 最终热处理：淬火+
中回——T回
硬度达40-50HRC
模具的燕尾部分回火温度应高些，硬度一般为30~39HRC。
2.合金模具钢 ——热作模具钢
常用钢种及应用
① 5CrMnMo、5CrNiMo——韧性高、热硬性不太高的热锻模 ② 3Cr2W8V——热挤压模或压铸模
热硬性——受热仍保持高硬度的能力。300度 ④ 足够的强韧性：以免受冲击而断裂或崩刃。
2019年9月22日星期日
1.合金刃具钢 ——低合金刃具钢
成分特点：
保证钢的硬度和耐磨性
高C(Wc=0.8-1.5% ) 低合金(WMe < 5% )
Cr、Mn、Si、W、V
① 提高淬透性： Cr、Mn、Si
提高淬透性、回火稳定性、硬度和耐磨性
热处理特点
预先热处理——球化退火：降低硬度，改善切削加工性；
一次硬化法：低温淬火+低温回火（980 ℃ 淬160-180 ℃回 ）
最终热处理
耐磨性、韧性较高，变形小，用于重载模具
二次硬化法：高温淬火+高温回火（1100 ℃ 淬（510-520 ℃回 ）
汽车常用金属材料
项目二 汽车常用工程材料
活动二 汽车常用金属材料
3. 常用碳钢的牌号、性能及主要用途 1）碳素结构钢。这类钢的牌号由代表屈服点的字母“Q”、屈服点值（单位 MPa）、质量等级（分为A、B、C、D四级，A级质量最低，D级质量最高）、脱氧 方法符号（F为沸腾钢，Z为镇静钢，B为半镇静钢）按顺序排列组成。例如Q235— AF，表示屈服强度为235MPa的A级质量的碳素结构钢，属于沸腾钢。
影响。
项目二 汽车常用工程材料
任务二 汽车常用金属材料
硫
磷
锰
硅
项目二 汽车常用工程材料
任务二 汽车常用金属材料
2. 碳钢的分类
1）按碳含量分类： ① 低碳钢 含碳量wc＜0.25％ ② 中碳钢 含碳量wc＝0.25％～0.6％ ③ 高碳钢 含碳量wc＞0.6％
2）按质量分类（主要根据有害杂质硫、磷的含量分类）： ① 普通碳素钢 含硫量wS≤0.05％，含磷量wP≤0.045％。 ② 优质碳素钢 含硫量wS、含磷量wP均≤0.035％。 ③ 高级优质碳素钢 含硫量wS≤0.02％，含磷量wP≤0.03％。
图2-2-8）。
球墨铸铁的牌号由球铁“QT”加两组数字表示，两组数字分别表示最低抗拉强度(MPa)和最小
伸长率，如QT400—18表示最低抗位强度为400MPa和最小伸长率18％的球墨铸铁。
球墨铸铁的牌号、性能、用途如表2-2-6所示
表2-2-6 球墨铸铁的牌号、性能及用途
项目二 汽车常用工程材料
1．表面淬火
钢的表面淬火是通过快速加热，将钢件表面层迅速加热到淬火温度，不等热量传到工件内层 就予以快速冷却下来的热处理工艺。
1) 火焰加热表面淬火 其工艺方法是利用可燃气体(如乙炔)的火焰将工件表面快速加热到淬火温度，然 后立即用水喷射冷却，通过控制火焰喷嘴的移动速度可获得不同厚度的淬硬层。此 法适用于单件或小批量零件的表面淬火。 2) 感应加热表面淬火
汽车常用工程材料
（一）常见杂质元素对碳钢性能的影响
在实际生产中使用的碳钢，不单纯是铁和碳组成的合金，还包
含有锰、硅、硫、磷等杂质元素，它们对碳钢的性能有一定的影 响。
（1）锰 锰是钢中的有益元素，由于炼钢时用锰铁脱氧而残留在 钢中的。
（2）硅 硅也是钢的有益元素。 （3）硫 硫是钢的有害元素，是在炼钢时由矿石和燃料带入钢中
试验可以测定金属的强度和塑性指标。 静载荷拉伸试验的原理：用静拉力（载荷）对待测样本
进行轴向拉伸，同时连续测量并记录试验力的大小和相 应的试样伸长量，一直到试样断裂。根据测量的数据， 即可得出有关的力学性能指标，如图6-1所示。
图6-1 静载荷拉伸试验
图6-2所示是低碳钢拉伸曲线图。纵坐标表示试样受到 的静拉力（载荷）F，单位为N，横坐标表示试样的伸 长量△L，单位为mm。
钛及其合金是一类新型的材料。现在，钛及其合金已经 代替其他金属材料大量用在航天航空，武器制造，交通 运输，化工轻工及医疗卫生等部门，行业当中，发挥着 越来越重要的作用，被称为“21世纪的金属”。
（1）工业纯钛 （2）钛合金 1）α钛合金 ； 2）β钛合金 ；3）α+β钛合金
5． 粉末冶金
（cm2）, αk的单位为J／cm2。 2． 疲劳强度 疲劳强度是指材料经无数次的应力循环仍不断裂的最大
应力，用以表征材料抵抗疲劳断裂的能力。测试材料的 疲劳强度最简单的方法是旋转弯曲疲劳试验。试验测得 的材料所受循环应力σ与断裂前的循环次数N的关系曲 线称为疲劳曲线，如图6-7 所示。由图中可以看出，循 环应力越小，则材料断裂前所承受的循环次数越多。当 应力降低到某一值时，曲线趋于水平，即表示在该应力 作用下，材料经无数次的应力作用达到某一基数而不断 时，其最大应力就作为该材料的疲劳极限，一般钢铁材 料的循环次数取107次。
汽车材料(第三版)习题册答案
第一章汽车材料基础知识第一节汽车材料概述一、填空题1．汽车零部件材料、汽车运行材料2．金属材料、非金属材料、复合材料3．行驶、燃料、润滑材料、工作液4. 汽油、柴油5. 发动机润滑油、齿轮油、润滑脂6. 磨损、使用寿命二、选择题1.C2.C3.C4.B三、判断题1.×2. ×3. ×4.√5. √四、问答题1.2.答：汽车零部件材料以金属材料为主，占整车质量的80%左右，其中钢铁材料约占70%，非铁金属材料约占10%。
非金属材料占整车质量的20%左右，其中塑料约占7%，橡胶占3%-7%。
为适应安全、节能的要求，在汽车中特别是轿车中开始大量应用非金属材料，所以在汽车制造中钢铁的用量有所下降，而有色金属、非金属材料和复合材料等新材料的用量正在上升。
3.答：目前已应用的石油替代燃料主要有天然气、液化石油气、醇类燃料（甲醇汽油、乙醇汽油）和电池等汽车新能源。
第二节金属材料的性能一、填空题1.密度、熔点、导电性、导热性、热膨胀性和磁性2.单位体积、重金属、轻金属3.各种化学腐蚀、耐腐蚀性、抗氧化性和化学稳定性4.强度、塑性、硬度、韧性、疲劳强度5.布氏硬度试验、洛氏硬度试验6.各种加工工艺方法、铸造性能、压力加工性能、焊接性能、切削加工性能和热处理性能二、选择题1.C2.C3.A三、判断题1. ×2.√3.√4.√5.√6.√四、名词解释1.强度是指在外力（载荷）作用下，金属材料抵抗永久变形和断裂的能力，强度通常用应力表示。
2.疲劳强度是指材料在交变应力作用下，从变形到实际断裂所承受的最大应力。
3.塑性是指金属材料在载荷作用下发生塑性变形而不断裂的能力。
4.热处理性能是指金属材料是否适应各种热处理方法的能力。
五、问答题1.答：金属材料在载荷作用下发生塑性变形而不断裂的能力称为塑性。
金属材料的塑性也可通过拉伸试验测定，常用伸长率和断面收缩率来表示。
塑性好的金属材料易于通过压力加工制成形状复杂的零件，如汽车车身覆盖件大多是采用有良好塑性的冷轧钢板冲压而成。
合金结构钢的定义与分类
合金结构钢的定义与分类一、调质钢经受淬火和在AC1以下进行回火的热处理钢称为调质钢。
传统的调质钢是指淬火和高温火钢调质钢是机械制造行业中应用十分广泛的重要材料之一。
调质钢在化学成分上的特点是，碳含量为0.3—0.5%，并含有一种或几种合金元素。
具有较低或中等的合金化程度。
钢中合金元素的作用主要是提高钢的淬透性和保证零件在高温回火后获得预期的综合性能。
热处理工艺是在临界点以上一定温度加热后淬火成马氏体，并在500℃--650℃回火。
热处理后的金相组织是回火索氏体。
这种组织具有强度、塑性的韧性的良好配合。
调质钢的质量要求，除一般的冶金方面的代倍和高倍组织要求外，主要为钢的力学性能以及与工作可靠性和寿命密切相关的冷脆性转变温度、断裂韧性和疲劳抗力等。
在特定条件下，还要求具有耐磨性、耐蚀性和一定的抗热性。
由于调质钢最终采用高温回火，能使钢中应力完全消除，钢的氢脆破坏倾向性小，缺口敏感性较低。
脆性破坏抗力较大。
但也存在特有的高温回火脆性。
大多数调质钢为中碳合金结构钢，屈服强度（σ0.2）在490—1200MPao以焊接性能为突出要求的调质钢。
，为低碳合金结构钢，屈服强度（σ0.2）一般为4901—800MPa，有很高的塑性和韧性。
少数沉淀硬化型调质钢，屈服强度（σ0.2）可到1400MPa以上，属高强度的超高强度调质钢。
常用的合金调质钢按淬透性的强度妥为四类：①低淬透性调质钢;②中淬透性调质钢；③较高淬透性调质钢；④高淬透性调质钢。
二、渗碳钢具有高碳的耐磨表层和低碳的高强韧性心部，能承受巨大的冲击载荷、接触应力和磨损。
汽车、工程机械和机械制造等行业中，大量使用的齿轮，是渗碳钢应用中最具代表性实例。
渗碳钢常用的合金钢系列主要是Cr-Mn系、Cr-Mo系和Cr-Ni-Mo系等。
保证渗碳钢心部的组织和性能的核心是淬透性。
一般用途的渗碳件的心部组织为50%左右的马氏体加其它非马氏体组织。
重要用途（如航空渗碳齿轮），心部组织亦应为马氏体或马氏体/贝氏体组织。
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8 2020/7/13
带着问题去学习
类别
低合金高强钢
合 合金渗碳钢 金 结 合金调质钢 构 钢
合金弹簧钢
滚动轴承钢
成分特点
常用牌号举例 热处理方法
性能特点 用途举例
9 2020/7/13
1．低合金高强度钢
➢用途——用于强度较高的大型金属结构
如：桥梁、船舶、车辆（载重汽车大梁） 压力容器（锅炉），输油、输气管道等。
④ 提高耐蚀性(Cu、P)
⑤ 脱硫、去气，使钢材净化，改善韧性和工艺性能(Re)
因碳和合金元素的作用，在承受相同载荷的前提下，合金钢可以比碳钢 减轻20-30%的重量，有利于汽车的轻量化。
12 2020/7/13
1．低合金高强度钢
Q235
武汉长江大桥-128米
Q345
Q460E
南京长江大桥-160米
➢ 成分特点：
lt; 0.2% ) 低合金(WMe < 3% )
Mn、V、Ti、Nb、Cu、P、Si、Re
① 产生固溶强化，提高 F 的强度 (Mn、Si)
② 产生弥散强化，细化晶粒(V、Ti、Nb) ，提高σs、σb、ak ③ 增加P，并使之细化(Mn)
（2）按合金元素的含量分类
1)低合金钢——合金元素总质量分数小于5%。 2)中合金钢——合金元素总质量分数为5%~10%。 3)高合金钢——合金元素总质量分数大于10%。
（3）按合金元素的种类分
4 2020/7/13
2.合金钢钢的牌号：数字 + 元素符号 + 数字 + ……+A（E）
➢合金结构钢
×× ＋ Me ＋ 数字（＋ Me ＋ 数字 ＋ …… ）＋ A(E)
11 2020/7/13
H He Li Be B (氢 氦 锂 铍 硼) Na Mg Al Si P (钠 镁 铝 硅 磷) C N O F Ne(碳 氮 氧 氟 氖) S Cl Ar K Ca (硫 氯 氩 钾 钙)
Sc Ti V Cr Mn (钪 钛 钒 铬 锰)
1．低合金高强度钢
Fe Co Ni Cu Zn (铁 钴 镍 铜 锌)
合金元素 百分含量
例：9SiCr 5CrMnMo 3Cr2W8V CrWMn Cr12MoV
2020/7/13
特殊情况：高速钢中，Wc＜1%有时也不标出
如：W18Cr4V
特例：滚动轴承钢中： ① 碳含量不标出； ② “Cr”用其“千”分之几表示。
如：GCr15中，15表示平均Cr含量为1.5% 6
Wc的“万”分之几 所加合金元素
例：16Mn 20CrMnTi 38CrMoAlA 40Cr 60Si2Mn
2020/7/13
合金元素 百分含量
高级优质或特级优质
5
2.合金钢钢的牌号：
➢合金工具钢
数字 ＋ Me ＋ 数字（＋ Me ＋ 数字 ＋ …… ）
Wc＜1% “千”分之几 Wc≥1% 不标
所加合金元素
Q420
110mm厚的Q460E钢材4.2万吨！
2020/7/13
13 九江长江大桥-216米
表2-14 常用低合金高强度钢牌号、成分、性能
钢号
旧钢号
Q295
Q345
Q390 Q420 Q460
09MnNb 12Mn
16Mn
16MnRe
16MnNb 15MnTi
14MnVTiRe 15MnVN
14MnMoV 18MnMoNb
08F、45、65Mn——优质碳素结构钢 T10A——高级优质碳素工具钢 ZG270-500 ——碳素铸钢
1 2020/7/13
【案例2-4】
在日常生活中，我们市场上买的低价菜 刀或工具容易生锈、磨损或折断，而价 格高、质量好的却不易发生上述现象呢
2
任务2.4 合金钢
➢合金钢的优点
（1）高强度高韧性
Q235： σs=235 Mpa 16 Mn：σS=345 Mpa
有利于汽车实现轻量化。
（2）高的淬透性及回火稳定性 45＃：D0=（10-18）㎜ 适于制造尺寸大的零件。
40Cr：D0=（20-36）㎜ 因其淬透性好，可用油淬，不易变形、开裂，适于形状复杂的零件。
（3）特殊性能：耐高（低）温、耐腐蚀、耐磨损等性能。
主 要 化 学 成 分，%
C
Mn Si，
0.16
0.80 ~1.50
0.55
0.18 1.00 ~0.20 ~1.60
0.55
0.20
1.00 ~1.60
0.55
0.20
1.00 ~1.70
0.55
0.20
1.00 ~1.70
0.55
力学性能
s ，MPa b ，MPa
2.合金钢钢的牌号：
➢ 特殊性能钢
数字 ＋ Me ＋ 数字（＋ Me ＋ 数字 ＋ …… ）
Wc “千”分之几 Wc ≤ 0.1%，以“0”表示 Wc ≤ 0.03%，以“00”表示
例： 0Cr18Ni9Ti 00Cr18Ni9Ti
7 2020/7/13
2.4.2 合金结构钢
1．低合金高强度钢 2．合金渗碳钢 3. 合金调质钢 4. 合金弹簧钢 5. 滚动轴承钢
问题回顾——碳素钢
一、常存杂质元素对钢性能的影响
1. 钢中常存杂质有哪些？哪些是有益元素？哪些是有害元素？
答：钢中常存杂质有锰、硅、硫、磷. 其中：锰、硅是有益元素；硫磷是有害元素。 硫——产生热脆；磷——产生冷脆。
二、常用碳素钢
2.Q235、08F、45、65Mn、T10A、ZG270-500 分别是哪类钢？ 答：Q235——普通碳素结构钢
10 2020/7/13
1．低合金高强度钢
➢ 工作条件
① 不作相对运动，长期承受静载荷； 锅炉：使用温度可达250℃以上；
② 有一定温度要求 桥梁、载重汽车大梁：冬天要承受低温；
③ 耐腐蚀——桥梁、船舶：承受大气和海水的侵蚀。
➢ 性能要求
① 较高的强度和良好的塑韧性；σS=300~460Mpa，而普碳钢σS=275Mpa； ② 低的韧脆转变温度（-40-50℃）； ③ 耐蚀性好； ④ 良好的焊接性和冷成型性；
➢缺点：冶炼、加工工艺复杂，成本高.
合金钢之所以有以上优点，是合金元素的作用
汽车上的重要零件大多采用合金钢制造。 3 2020/7/13
2.4.1 合金钢的分类及牌号
1. 合金钢的分类
（1）按用途分类
1)合金结构钢——制造各种重要机械零件和工程结构。 2)合金工具钢——制造各种重要的加工工具，如刃具、量具和模具等。 3)特殊性能钢——制造具有特殊性能要求的结构件和机械零件。