机械工程材料及选用 第五章钢铁材料2

合金工具钢在成分﹑热处理工艺及组织结构等方面 都与结构钢截然不同。
1. 合金工具钢的化学成分
含0.6～1.5%C，主加W、Mo﹑Cr﹑V﹑Ti﹑Nb等 元素形成碳化物，保证高硬度和耐磨性。辅加元素 Si﹑Mn，可提高淬透性并减少淬火变形。 43
5.5.2.1 概述
2. 合金工具钢的热处理
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5.4.6.3 贝氏体钢
2) 化学成分 低碳贝氏体钢＜0.2%C，高碳贝氏体钢1%C左右。
主加合金元素 Mo﹑Cr和Mn，可改变钢的“C”曲 线形状，将珠光体和贝氏体转变分离，并与微量 B 一起推迟珠光体转变，形成“海湾状”“C”曲线， 以便通过空冷获得贝氏体组织。
辅加元素 V﹑Ti﹑Nb 用于细化晶粒。
1. 滚动轴承钢的性能要求及其化学成分
1) 性能要求
滚动轴承钢要有较高的淬透性、屈服强度、弹性极 限、抗接触疲劳强度以及足够的韧性和良好的尺寸 稳定性。 13
滚珠
滚珠轴承
5.4.5 滚动轴承钢
2) 化学成分
滚动轴承钢的碳含量很高（0.95～1.15%），主加合 金元素为 Cr，可提高淬透性、耐磨性和耐蚀性。 Cr的加入量通常小于1.65%，过多时会增加残余奥 氏体量、降低接触疲劳强度。
第四节 机械制造用钢
5.4.1 优质碳素结构钢 5.4.2 渗碳钢 5.4.3 调质钢 5.4.4 弹簧钢 5.4.5 滚动轴承钢 5.4.6 新钢种简介
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5.4.6 新钢种简介
5.4.6.1 马氏体时效钢
5.4.6.2 双相钢
5.4.6.3 贝氏体钢
24
5.4.6.1 马氏体时效钢
马氏体时效钢是一种含碳极低的高韧性超高强度钢， 强度达1400~2450MPa。
32
“ 海 湾 状 ” C 曲 线
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5.4.6.3 贝氏体钢
2. 贝氏体钢的热处理 加热到900℃以上奥氏体相区保温后空冷、获得贝
氏体，再进行500~670℃ 的回火，最终组织为回火
贝氏体。 3. 应用 低碳贝氏体钢主要用于石化工业和锅炉制造。高碳 贝氏体钢用来制造大型构件，能获得良好的强韧性
工程材料


第一章 金属材料力学性能
第二章 金属晶体结构与塑性变形


第三章 金属结晶及合金相图
第四章 钢的热处理 第五章 钢铁材料及其应用 第六章 有色金属及应用 第七章 非金属材料

第八章 材料选择基础
1
第五章 钢铁材料及其应用


第一节 钢的分类与编号
第二节 钢的合金化


950-980°C
卷簧
850+,-10°C
油 淬
400-520°C
回火
压力弹簧
拉力弹簧
离合器弹簧
蝶形弹簧
第四节 机械制造用钢
5.4.1 优质碳素结构钢 5.4.2 渗碳钢 5.4.3 调质钢 5.4.4 弹簧钢 5.4.5 滚动轴承钢 5.4.6 新钢种简介
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5.4.5 滚动轴承钢
滚动轴承钢是制造滚动轴承中滚动体和内套的材料。 工作时接触面积小，瞬时应力大，除滚动外还伴有 相对滑动，易产生磨损和接触疲劳，因发生表面剥 落﹑产生麻坑而失效。
由于柱塞对尺寸精度和稳定性要求很高，淬火后要 进行冷处理，以减少残余奥氏体量。
之后低温回火，组织为回火马氏体加碳化物颗粒。 为进一步稳定尺寸还要再进行两次时效泵柱塞的 最终热处理工艺
GCr15钢淬火+低温回火后的显微组织 （回火马氏体 + 碳化物颗粒）
刃具钢还要具有优良的热硬性。
热硬性又称红硬性，是指工具钢在较高温度下保持
高硬度、高耐磨性的能力。
工具钢均为优质钢，包括碳素工具钢和合金工具钢
两类。
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第五节 工具钢
5.5.1 碳素工具钢 5.5.2 合金工具钢
37
5.5.1 碳素工具钢
碳素工具钢的含碳量很高，为0.65～1.35%C，并严 格控制S﹑P含量。
2. 18%～25%Ni，≦0.03%C，以及Mo﹑Ti﹑Nb﹑ Al﹑Co 等元素产生沉淀硬化效果。 3. 马氏体时效钢的热处理 810～870℃空冷淬火，420～480℃/ 1～4h的人工时 效，析出金属间化合物强化相。最终组织为低碳板 条马氏体加细小、弥散的金属间化合物。
3. 应用：钢中Ni、Co含量高、价格昂贵，主要用于航 空﹑航天及模具制造业。 26
1. 对弹簧钢的性能要求及其化学成分
1) 性能要求
弹簧钢要求具有高的弹性极限e﹑疲劳强度-1﹑屈
服强度s及足够的塑性和韧性。 弹簧钢成分设计的主要目的是提高钢的淬透性和屈 服强度。
4
5.4.4 弹簧钢
2) 化学成分
常用的弹簧钢也分碳素弹簧钢和合金弹簧钢两种。 碳素弹簧钢是含碳0.6～0.9%的优质碳素钢，由于淬 透性差，只适合制作直径或厚度小于10mm的弹簧， 大尺寸弹簧都采用合金弹簧钢。
合金弹簧钢一般含碳0.5～0.75%，主加合金元素为 Si 和 Mn，目的是固溶强化铁素体，提高屈服强度s 和淬透性，辅加元素 Cr﹑V﹑Mo，是为了提高回火 抗力和细化晶粒。 5
5.4.4 弹簧钢
2. 弹簧钢的热处理 弹簧的成型方式有热成型和冷成型两种，热处理工 艺有所不同。 1) 热成型弹簧钢一般加热到950℃以上卷簧或轧制成 型，为减少加热次数、防止脱碳，通常成型后直接 淬火+中温回火。
第五节 工具钢
5.5.1 碳素工具钢 5.5.2 合金工具钢
41
5.5.2 合金工具钢
5.5.2.1 概述
5.5.2.2 刃具钢
5.5.2.3 模具钢 5.5.2.4 量具钢
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5.5.2.1 概述
合金工具钢具有高硬度﹑高热硬性﹑良好的抗磨性 和足够的淬透性，用于制造大型或高速度切削的刃 具以及模具﹑量具等。
对要求更高淬透性的大型轴承，可加入Si﹑Mn﹑ Mo﹑V等合金元素。 为保证高的疲劳强度，滚动轴承钢的纯净度很高， S≦0.02%，P≦0.027%。 15
5.4.5 滚动轴承钢
2. 滚动轴承钢的热处理 预备热处理：球化退火，目的是消除锻造内应力及 组织缺陷，降低硬度，为最终热处理做好组织上的 准备。 最终热处理：淬火+低温回火，目的是获得最终所 要求的组织和性能。 最终组织：回火马氏体、细小均匀颗粒碳化物加极 少量残余奥氏体，硬度HRC61～65。
7
5.4.4 弹簧钢
3. 常用的弹簧钢
常用牌号：65，75，65Mn，60Si2Mn，60Si2CrV,
55Si2MnW， 55SiMnMoVNb，50CrV等。
合金元素作用：Si 、Mn 提高屈服强度和淬透性，
Cr﹑V﹑Mo、W 提高回火抗力和细化晶粒。
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热成型弹簧钢加热成型后直接淬火工艺
配合、并减小内应力和变形。
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第五章 钢铁材料及其应用


第一节 钢的分类与编号
第二节 钢的合金化


第三节 工程结构用钢
第四节 机械制造用钢 第五节 工具钢 第六节 特殊性能钢 第七节 铸钢

第八节 铸铁
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第五节 工具钢
工具钢是专门用于制造各种刃具﹑模具﹑量具和手 工工具的钢种，它以高硬度﹑高耐磨性为性能特征，
碳素工具钢的牌号﹑化学成分及用途
牌号 C（%） Mn（%） Si（%） 淬火后硬度 （HRC） 62 62 62 62 62 62 62 62 主要用途
T7 T8 T8Mn T9 T10 T11 T12 T13
0.65～0.74 0.75～0.84 0.80～0.90 0.85～0.94 0.95～1.04 1.05～1.14 1.15～1.24 1.25～1.35
含碳量0.05～0.11%，合金元素Mn﹑Si﹑Mo等主要用 于改善铁素体的强度和提高马氏体的淬透性。 28
5.4.6.2 双相钢
2. 双相钢的热处理
加热到 α-γ 两相区保温后淬火，200℃以下低温回火。
最终组织为70-80%的细晶铁素体基体加20-30%岛状
的板条马氏体。 3. 应用 双相钢是针对汽车减重而开发的钢种，主要用于制造 汽车的冷变形成型件，如车门﹑挡泥板﹑轮圈等，也
0.40 0.40 0.40～0.60 0.40 0.40 0.40 0.40 0.40
0.35 0.35 0.35 0.35 0.35 0.35 0.35 0.35
较高韧性的工具：冲头﹑锻模﹑锤子﹑凿子 同上、及车辆轮座各种配件 同上 中等﹑高硬度的工具：钻头﹑丝锥﹑车刀 同上 同上 高硬度﹑耐磨性低韧性的工具：量具﹑锉刀 同上
1. 马氏体时效钢性能特点及化学成分 1) 性能特点 马氏体时效钢强度高，塑性好，断裂韧性高。还具 有良好的冷变形﹑切削加工和良好的焊接性能。 强韧化机理：利用金属间化合物在含碳极低的马氏 体中弥散析出实现强化，解决了超高强度钢韧性不 足的问题。 25
5.4.6.1 马氏体时效钢
2) 化学成分
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5.4.4 弹簧钢
2) 冷成型弹簧钢分冷变形和退火两种供货状态。 冷变形弹簧钢成型后进行去应力退火，保持形变强 化效果，不需要其它的热处理。 退火弹簧钢成型后加热淬火，并在420～500 ℃中温 回火，处理后的组织为回火屈氏体，有很高的屈服 强度和弹性极限。 弹簧钢热处理后经常进行表面喷丸处理以提高其疲 劳强度。
碳素工具钢经淬火+低温回火后具有较高的硬度和耐 磨性，但它的淬透性和热硬性差。通常只用于制造 手工工具和小型、低速机用工具。
碳素工具钢的预备热处理为球化退火，最终热处理 为: AC1+30～50℃淬火，加 200～250℃低温回火。 最终组织为回火马氏体加颗粒状渗碳体。