金属材料基础

一、金属材料的力学性能

金属材料的性能包括使用性能和工艺性能两个方面。使用性能是指材料在使用时所表现出来的特性,如力学性能、物理性能(如导电性、导热性、热膨胀性等)和化学性能(如抗腐性、抗氧化性等)。工艺性能是指材料加工时所表现出来的特性,如热处理性能、铸造性能、压力加工性能、焊接性能、切削性能等。

金属材料在载荷作用下所表现出来的特性,称为力学性能。金属材料的力学性能主要有强度、塑性、硬度和韧性等。

1.强度和塑性

强度是指材料在静载荷作用下,抵抗变形和断裂的能力。

塑性是指材料在静载作用下,产生塑性变形而不破坏的能力。

2.硬度

硬度是衡量金属材料软硬程度的力学性能。它反映了在外力作用下,材料表面局部体积内抵抗变形或破坏的能力。由于硬度试验的方法简单方便,无损于零件。

1)布氏硬度

布氏硬度试验法的原理是用一直径为D的淬火钢球或硬质合金球,在规定载荷F的作用下压入被测试金属的表面,保持一定时间后卸除载荷,用被测金属表面上留下的压痕面积S除载荷所得的平均压力(F/S),作为被测金属的布氏硬度值。

当压头为淬火钢球时,硬度符号为HBS,适用于布氏硬度值低于450的金属材料;当压头为硬质合金球时,硬度符号为HBW,适用于布氏硬度为450～650之间的金属材料。

2)洛氏硬度

洛氏硬度是用顶角为120°的金刚石圆锥体或直径为1.588mm的钢球作为压头,在规定载荷作用下压入被测金属表面,由压头在金属表面所形成的压痕深度来衡量硬度高低的试验法。其硬度值在硬度计上可直接读出,根据所用压头种类和所加载荷的不同,洛氏硬度分为A、B、C三种标尺,它们的试验条件和应用范围如附表1-1所示。工程上常用HRC作为洛氏硬度指标。例如,50HRC表示用C标尺测定的洛氏硬度值为50。

附表1-1 常用洛氏硬度标尺的试验条件和应用

注:①HRA、HRC所用刻度盘满刻度为100,HRB为130。

3)维氏硬度

维氏硬度的测定原理基本上和布氏硬度相同,也是根据压痕单位面积上所承受的载荷大小来测量硬度值。所不同的是维氏硬度采用锥面夹角为136°的金刚石四棱锥体作为压头,维氏硬度用符号HV表示,例如640HV表示维氏硬度值为640。维氏硬度适用于测量零件表面硬化层及经化学热处理的表面层(如渗氮层)的硬度。维氏硬度值测量精度高,但操作复杂,工作效率不如测洛氏硬度高。

3.韧性

韧性是指材料抵抗冲击载荷的能力。强度、塑性、硬度都是在静载作用下测量的性能指标,对于在冲击力作用下工作的零件或工具还必须具有足够的韧性。

4.疲劳强度

某些机器零件工作时,其应力会随时间做周期性的变化。如车轴上的载荷虽然基本不变,但因轴在转动,横截面上某点处的弯正曲应力却是随时间作周期性变化的。

金属材料在多次交变应力作用下,不发生破坏的最大应力称为疲劳强度。当交变应力为对称循环时,疲劳强度的符号采用σ－1表示。

二、机械中常用的钢铁材料

钢铁材料是指以铁和碳为基本组元组成的合金,是钢和铸铁的统称。当碳的质量分数在2.11％以下时便成为工业用钢,当碳的质量分数在2.11％以上时便成为工业中常用的铸铁材料。

(一)工业用钢

钢的种类很多,为了便于管理、选用和研究,从不同角度把它们分成若干类别。

按化学成分可把钢分为碳素钢和合金钢二大类。碳素钢(简称碳钢)是指碳的质量分数在2.11％以下,并含有少量的锰、硅、硫、磷等常存杂质元素的铁碳合金。合金钢是指在碳钢基础上,有目的地加入某些元素(称为合金元素)而得到的钢种。

(1)碳素钢。按含碳量又可分为低碳钢(w(C)＜0.25％);中碳钢(w(C)＝0.25％～0.6％);高碳钢(w(C)＞0.6％)。

(2)合金钢。按合金元素含量又可分为低合金钢(w(Me)＜5％);中合金钢(w(Me)＝5％～10％);高合金钢(w(Me)＞10％)。另外,还根据钢中所含主要合金元素种类不同来分类,锰钢、铬钢、铬镍钢、铬锰钢、铬锰钛钢等。

按用途可把钢分为结构钢、工具钢、特殊性能钢三大类。

结构钢又分为两类:

①工程结构用钢。主要有碳素结构钢、低合金高强度结构钢等。

②机械结构用钢。主要有优质碳素结构钢、合金结构钢、弹簧钢及滚动轴承钢等。

工具钢根据用途不同,可分为刃具钢、模具钢与量具钢。

特殊性能钢主要有不锈钢、耐热钢、耐磨钢等。

按钢的冶金质量和钢中有害元素磷、硫含量,可分为:

①普通质量钢(w(P)≤0.035％～0.045％、w(S)≤0.035％～0.050％);

②优质钢(w(P)、w(S)均≤0.035％);

③高级优质钢(w(P)、w(S)≤0.025％,牌号后加“A”表示)

钢厂在给钢的产品命名时,往往将用途、成分、质量这三种分类方法结合起来。如将钢称为优质碳素结构钢、碳素工具钢、高级优质合金结构钢、合金工具钢等。

1.结构钢

工程结构用钢,大都是普通质量的结构钢(包括碳素结构钢及低合金钢)。这类结构钢冶炼比较简单,成本低,适应工程结构需大量消耗钢材的要求。工程结构用钢一般不再进行热处理。

机械结构用钢,大都是优质结构钢(包括优质碳素结构钢及各种优质或高级优质合金结构钢),以适应机械零件承受动载荷的要求。一般需适当热处理,以发挥材料的潜力。

1)普通质量结构钢

(1)碳素结构钢。碳素结构钢性能上能满足一般工程结构及普通零件的要求,因而应用较广。它通常轧制成钢板或各种型材(圆钢、方钢、工字钢、钢筋钢)供应。

碳素结构钢的牌号由代表屈服点的字母Q、屈服点数值、质量等级符号(A、B、C、D、E)及脱氧方法符号等四个部分按顺序组成。质量等级符号反映了钢中有害杂质(S、P)含量的多少,其中A级S、P含量最高,质量等级最低。脱氧方法符号F、b、Z、TZ分别表示沸腾钢、半镇静钢、镇静钢及特殊镇静钢,在钢号中Z、TZ可省略。例如Q235-AF,表示σs≥235MPa,质量等级为A级的碳素结构钢(属沸腾钢)。

Q195、Q215、Q235、Q225为低碳钢,Q275为中碳钢,其中Q235因碳的质量分数及力学性能居中,故最为常用。

(2)低合金结构钢。低合金结构钢是在碳素结构钢的基础上加入少量合金元素(w(Me)≤3％)而制成。其性能特点是:具有高的屈服强度与良好的塑性和韧性,良好的焊接性,较好的耐蚀性。

低合金结构钢一般在热轧空冷状态下使用。被广泛用于桥梁、船舶、车辆、建筑、锅炉、高压容器、输油输气管道等。低合金结构钢的牌号有Q295、Q345、Q390。其中Q345(16Mn)是我国发展最早,产量最大,各种性能配合较好的钢材,故应用最广。

2)优质结构钢

这类钢主要用于制造机械零件。根据化学成分可分为优质碳素结构钢与合金结构钢。

优质碳素结构钢的牌号用两位数字表示。两位数字表示钢中平均碳质量分数的万倍。属于沸腾钢的在数字后加标F,未标F的都是镇静钢。例如:45—表示w(C)＝0.45％的镇静钢;08F—表示w(C)＝0.08％的沸腾钢。

优质碳素结构钢按含锰量不同,分为普通含锰量及较高含锰量(w(Mn)＝0.7％～1.2％)两组。含锰量较高一组,在其牌号数字后加Mn。如:45Mn、65Mn等。

附表1-2为常用优质碳素结构钢的牌号、主要成分、力学性能及用途。

合金结构钢的牌号用“两位数字＋元素符号＋数字”表示。两位数字表示钢中平均碳质量分数的万倍,元素符号代表钢中含的合金元素,其后面的数字表示该元素平均质量分数的百倍。若为高级优质钢,则在牌号后加A。如50Cr VA表示w(C)＝0.50％、w(Cr)＜1.5％、w(V)＜1.5％的高级优质合金结构钢。

结构钢按用途及工艺特点分为渗碳钢、调质钢、弹簧钢和滚动轴承钢。

(1)渗碳钢。渗碳钢通常是指经渗碳淬火、低温回火后使用的钢。用于制造要求表面硬而耐磨,心部韧性较好的零件。如承受较大冲击载荷,同时表面有强烈摩擦和磨损的齿轮、轴等零件。经渗碳处理后有表面硬心部韧的特点。

渗碳钢的热处理采用渗碳后淬火和低温回火。常用的碳素渗碳钢有15、20钢,由于淬透性低,仅能在表面获得高硬度,而心部得不到强化,故只用于形状简单、受力小的渗碳件。合金渗碳钢由于合金元素的加入,提高了钢的淬透性,细化了钢的晶粒,其性能特点为:表面具有高的硬度、耐磨性及接触疲劳强度,使零件表面能够承受强烈摩擦和接触交变应力;心部具有较高的屈服点和韧性,使零件不致发生脆性断裂。

(2)调质钢。调质钢通常是指经调质后使用的钢。主要用于制造承受很大交变载荷与冲击载荷或各种复合应力的零件(如机器中的轴、连杆、齿轮等)。这类零件要求钢材具有较高的综合力学性能,即有良好配合的强度、硬度、塑性和韧性。

调质钢一般的最终热处理是调质(淬火＋高温回火)处理,对要求耐磨性良好的零件,调质后可进行表面淬火或化学热处理。

常用的碳素调质钢如35、45钢或40Mn、50Mn等,其中以45钢应用最广。碳素调质钢只适宜制造载荷较低、形状简单、尺寸较小的调质工件。合金调质钢具有良好的淬透性、热处理工艺性及良好的力学性能,可用于制造承载较大的中型甚至大型零件。

(3)弹簧钢。弹簧钢是指用来制造各种弹簧和弹性元件的钢。根据弹簧的使用要求,弹簧材料应具有高的弹性极限,尤其要有高的屈强比、高的疲劳强度以及足够的塑性和韧性。

弹簧钢按化学成分可分为碳素弹簧钢和合金弹簧钢。热成形弹簧的典型热处理是淬火加中温回火,冷成形弹簧一般只进行去应力退火。

常用的碳素弹簧钢有60、65及60Mn、65Mn等。这类钢价格较合金弹簧钢便宜,热处理后具有一定的强度,主要用来制造截面较小,受力不大的弹簧。

合金弹簧钢的性能较好,用途更为广泛。60Si2Mn是较为典型的合金弹簧钢,广泛用于制造汽车、拖拉机上的板弹簧和螺旋弹簧等。

(4)滚动轴承钢。滚动轴承钢是指制造各种滚动轴承内外套圈及滚动体(滚珠、滚柱、滚针)的专用钢种。根据其工作条件,对滚动轴承钢性能要求为:具有高的接触疲劳抗力、高的硬度、耐磨性及一定的韧性,同时还应具有一定的抗腐蚀能力。

滚动轴承钢中常用的是铬轴承钢,它属高碳低铬钢。滚动轴承钢的锻件,预先热处理为球化退火,以获得球状珠光体组织。最终热处理为淬火加低温回火。

滚动轴承钢的牌号前面冠以“G”字,其后以铬(Cr)加数字来表示。数字表示平均铬质量分数的千倍(w(Cr)×1000),碳质量分数不予标出。若再含其他元素时,表达方法同合金结构钢。例如,GCr15钢,表示平均含铬量w(Cr)＝1.5％的滚动轴承钢。

在我国铬轴承钢中,又以GCr15、GCr15Si Mn钢应用最多。前者用于制造中、小型轴承的内外套圈及滚动体,后者应用于较大型滚动轴承套圈及钢球。滚动轴承钢具有耐磨性高等性能特点,还常用它来制造量具、冷冲模具及其他耐磨零件。

3)铸造碳钢

生产中有一些零件,形状复杂,难以用锻压或切削加工的方法制造。采用铸铁,力学性能又不能满足要求。这时可选用铸造碳钢制造。铸钢的强度、塑性和韧性大大高于铸铁。铸钢的铸造性能比铸铁差,熔化温度高、流动性差、收缩率大。

铸造碳钢的牌号由字母ZG加两组数字组成,第一组数字代表屈服强度值,第二组数字代表抗拉强度值。例如ZG270—500表示屈服强度为270MPa、抗拉强度为500MPa的铸造碳钢。

2.工具钢

工具钢是指制造各种刃具、模具、量具的钢,相应地称为刃具钢、模具钢、量具钢。

工具钢除个别情况外,大多数是在受很大局部压力和磨损条件下工作,应具有高硬度、高耐磨性以及足够的强度和韧性。

碳素工具钢的牌号冠以T表示,其后数字表示平均碳质量分数的千倍,若为高级优质钢,则在数字后面再加“A”字,如T10A,表示平均w(C)＝1.0％的高级优质碳素工具钢。合金工具钢牌号表示方法与合金结构钢相似,但其平均w(C)≥1％时,则碳量不标出;当w(C)＜1％时,则牌号前的数字表示平均碳量分数的千倍。合金元素的表示方法与合金结构钢相同。由于合金工具钢都属于高级优质钢,故不再在牌号后标出“A”字。

1)刃具钢

刃具钢主要有碳素工具钢、低合金钢和高速钢等。

(1)碳素工具钢。碳素工具钢的含碳量较高,从而保证淬火后有足够高的硬度。由于淬透性低、热硬性差,碳素工具钢一般用于尺寸小、形状简单、低速工具。工具钢的热处理一般为预先热处理采用球化退火,最终热处理为淬火加低温回火。

常用的碳素工具钢有T7、T8、T9、T10、T11、T12、T13等。随含碳量增加,碳素工具钢的耐磨性增加,而韧性降低。因此T7、T8钢适用于制造承受一定冲击而要求韧性较高的刃具,如木工用斧、钳工凿子等。T9、T10、T11钢,用于制造冲击韧性小而要求硬度与耐磨的刃具如小钻头、丝锥、手锯条等,T12、T13钢的硬度及耐磨性最高,但韧性最差,用于制造不承受冲击的刃量,如锉刀、铲刀刮刀等。

(2)低合金工具钢。低合金工具钢可用来制造受力较大、尺寸较大、形状复杂的刃具。因合金元素加入量不多,仍不适用于较高速度的切削。

常用低合金刃具钢有9Si Cr、9Mn2V、Cr WMn等。

低合金工具钢还可以用来制造要求较高的冷作模具、量具等。

(3)高速钢。高速钢是用于制造高速切削刃具的一种高合金工具钢。它的高温硬度(红硬性)很高,切削时能长时间保持刃口锋利,故俗称为“锋钢”。其强度也比碳素工具钢提高30％～50％。

为了获得高的硬度、耐磨性和红硬性,高速钢的含碳量较高,并含有质量分数总和在10％以上的钨、钼、铬、钒、钴等合金元素。

常用的高速钢有W18Cr4V,W6Mo5Cr4V2等。

高速钢不仅具有比其他刃具钢高得多的红硬性、耐磨性,而且其淬透性及强度与韧性均较好,高速钢除制作切削速度较高、载荷大、形状复杂的切削刃具(如拉刀、齿轮铣刀等)外,还可用于制造冷冲模、冷挤压模及某些要求耐磨性高的零件。

2)模具钢

模具钢主要有冷作模具钢和热作模具钢两种。

(1)冷作模具钢。冷作模具钢是用来制造在冷态下使金属变形的模具。这类模具要求高硬度、高耐磨性、一定的韧性及较好的淬透性。

冷作模具钢一般含碳量大于1％,以满足高硬度和耐磨性要求。加入的合金元素有铬、钼、钨、钒等。冷作模具钢的热处理为淬火加低温回火。常用冷作模具钢有Cr12、Cr12Mo V、Cr WMn等。

(2)热作模具钢。热作模具钢是用来制造使加热金属(或液态金属)获得所需形状的模具。一般又分为热锤锻模、热挤压模和压铸模等。这类模具要求有足够的高温强度,良好的冲击韧性和耐热疲劳性,一定的硬度和耐磨性。热作模具钢的碳质量分数:w(C)＝0.3％～0.6％,并有铬、镍、锰、钼、钨、钒等合金元素。

最常用的热锻模具钢有5Cr Mn Mo、5Cr Ni M0等。小型热锻模具选用5Cr Mn Mo、大型热锻模具选用5Cr Ni Mo,热处理淬火后一般采用500℃～650℃回火,模面硬度为40HRC左右。

常用的压铸模钢为3Cr2W3V,热处理淬火后高温回火,硬度为45HRC左右。

3)量具钢

量具钢是机械加工中使用的检测工具,如块规、塞规、样板等。量具在使用中常与被测工件接触,受到摩擦与碰撞。要求量具应具有高硬度和高耐磨性;并要求有高的尺寸稳定性。

量具钢一般可选用碳素工具钢或低合金工具钢。对精度要求较高的量具,在淬火后需立即进行冷处理,在精磨后或研磨前还要进行一次时效处理;即将工件加热至120℃～150℃,较长时间保温后缓冷,以稳定组织,进一步消除残余应力,提高工件尺寸稳定性。

3.特殊性能钢

特殊性能钢具有特殊的物理或化学性能,用来制造除要求具有一定的力学性能外,还要求具有特殊性能的零件。其种类很多,机械制造业中主要使用不锈钢、耐热钢、耐磨钢。

1)不锈钢

不锈钢是指在腐蚀性(大气或酸)介质中具有抵抗腐蚀性能的钢。

不锈钢按其使用时的组织特征,可分为铁素体型不锈钢、奥氏体型不锈钢、马氏体型不锈钢、奥氏体—铁素体型不锈钢等。

铁素体不锈钢碳的质量分数低,铬的质量分数高。常用的有0Cr13、1Cr17、00Cr30Mo2,用于工作应力不大的化工设备、容器及管道等。

奥氏体不锈钢是应用最广的不锈钢,属铬镍钢。钢在常温下可得到单相奥氏体组织。常用的有1Cr18Ni9Ti、0Cr19Ni9、0Cr18Ni11Ti等。可用于制作耐蚀性能要求较高及冷变形成型的低负荷零件。如:食品机械、化工设备、医疗器械等。

马氏体不锈钢碳的质量分数稍高,铬的质量分数较高。常用的有1Cr13、2Cr13、3Cr13、7Cr17等。用于制作耐蚀性能要求不高,而力学性能要求较高的零件。含碳量较低的1Cr13、2Cr13等钢类似调质钢可用于制造汽轮机叶片及医疗器械等。3Cr13、4Cr13、7Cr17等类似工具钢,用于制造医用手术工具、量具、不锈钢轴承及弹簧等。

2)耐热钢

耐热钢是指在高温条件下具有抗氧化性或不起皮和足够强度的钢。钢的耐热性包括抗氧化性(热稳定性)和高温强度两个方面。

耐热钢中主要含有铬、硅、铝等合金元素。这些元素在高温下与氧作用,在其表面形成一层致密的氧化膜(Cr2O3、A12O3、Si O2)能有效地保护钢不致在高温下继续氧化腐蚀。

马氏体耐热钢的耐热性能较高,淬透性好。(如1Cr13、4Cr9Si2、4Cr10Si2Mo等)这类钢应经淬火加高温回火处理,用于制作在500℃～600℃下长期工作的零件。

铁素体耐热钢有较高的抗氧化性能,但高温强度较低。(如OCr13A1、2Cr25N)主要用于制作受力不大的加热炉构件,其工作温度可达900℃～1050℃。

奥氏体耐热钢的耐热性能比马氏体类要好。如4Cr14Ni14W2Mo可用于内燃机重负荷排气阀。

3)耐磨钢

耐磨钢是指在强烈冲击载荷作用下才能发生硬化的高锰钢。

耐磨钢的典型牌号是ZGMn13型,它的主要成分为铁、碳和锰,w(C)＝1.0％～1.5％, w(Mn)＝11％～14％。高锰钢不易切削加工,而铸造性能较好,故高锰钢零件多采用铸造方法生产。

这类钢多用于制造承受冲击和压力,并要求耐磨的零件,例如坦克、拖拉机的履带板、挖掘机的铲斗齿、破碎机的鄂板、铁路道岔、防弹板及保险箱的钢板等。

(二)铸铁

铸铁是指w(C)＞2.11％的铁、碳和硅组成的合金。铸铁与碳钢的主要不同是,铸铁含碳、硅量较高(一般为w(C)＝2.5％～4％、w(Si)＝1％～3％),杂质元素锰、硫、磷较多。为了提高铸铁的力学性能或物理、化学性能,还可以加入一定量的合金元素,得到合金铸铁。

铸铁有优良的铸造性能、切削加工性、减摩性及减振性,而且熔炼铸铁的工艺与设备简单、成本低廉,是最重要的铸件材料之一。若按重量百分比计算,在各类机械中,铸铁件占40％～70％,在机床和重型机械中,则可达60％～90％。

根据碳在铸铁中存在的形式分类,铸铁可分为:

(1)白口铸铁。碳除少量溶于铁素体外,其余的都以渗碳体的形式存在于铸铁中,其断口呈银白色,故称白口铸铁。这类铸铁性能硬而脆,很难切削加工,所以很少直接用来制造各种零件。

(2)灰口铸铁。碳全部或大部分以石墨存在于铸铁中,其断口呈暗灰色,故称灰口铸铁。这是工业上最常用的铸铁。

(3)麻口铸铁。碳一部分以石墨形式存在,类似灰铸铁;另一部分以自由渗碳体形式存在,类似白口铸铁。这类铸铁也具有较大的硬脆性,故工业上极少应用。

灰口铸铁根据其石墨形态不同,又可分为灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁、蠕墨铸铁四类。

(1)灰铸铁。灰铸铁指碳主要以片状石墨形态存在于组织中的一类铸铁。灰铸铁的抗拉强度、塑性和韧性较低,抗压强度较高。由于其铸造性能优良,减摩性好,减振性强,切削加工性好,缺口敏感性低。再加上制造方便,价格便宜,使得灰铸铁在铸件的生产上应用十分广泛,特别适合于制造承受压力、要求减振耐磨的零件。

灰铸铁的常用牌号有HT150、HT200、HT300等,牌号中的“HT”是“灰铁”汉语拼音的第一个字母,后面的三位数为单铸φ30mm试棒的抗拉强度值。

(2)球墨铸铁。球墨铸铁指碳主要以球状石墨形态存在于组织中的一类铸铁。由于球状石墨对基体的割裂作用最小,又无应力集中作用,可使铸铁的强度大大提高,塑性和韧性大为改善。

球墨铸铁与灰铸铁相比,有高的强度、一定的塑性和韧性。某些性能还可与钢媲美,如屈服强度比普通碳素钢高。同时,它还具有与灰铸铁相类似的一些优良性能。此外,球墨铸铁还可以通过多种热处理,使力学性能进一步提高。

球墨铸铁的常用牌号有QT400-18、QT600-3、QT900-2等,牌号中的“QT”是“球铁”汉语拼音的第一个字母,后面的数字分别是为单铸试块时的抗拉强度和伸长率值。

(3)可锻铸铁。可锻铸铁指碳主要以团絮状石墨形态存在于组织中的一类铸铁。可锻铸铁是由一定化学成分的铁水浇注成白口坯件,再经可锻化退火而获得的。

由于团絮状石墨对基体的割裂作用较小,它的力学性能比灰铸铁有所提高,其中黑心可锻铸铁(铁素体可锻铸铁)有较高的塑性和韧性;而珠光体可锻铸铁有较高的强度和硬度。目前,可锻铸铁主要用来制造形状复杂及强度、塑性、韧性要求高的薄壁小型铸件。

可锻铸铁的常用牌号有KTH300-06、KTH370-12、KTZ700-02等,牌号分别由代号“KTH”(黑心可锻铸铁)、“KTZ”(珠光体可锻铸铁)和数字组成,后面的数字分别是为单铸试块时的抗拉强度和伸长率值。

(4)蠕墨铸铁。蠕墨铸铁指碳主要以蠕虫状态存在于组织中的一类铸铁。蠕墨铸铁是一种新型的铸铁材料,其力学性能介于灰铸铁与球墨铸铁之间。而铸造性能、减振性、耐热疲劳性能优于球墨铸铁,与灰铸铁相近。目前,较广泛地用于结构复杂、强度和热疲劳性能要求高的铸件。

蠕墨铸铁的牌号有RUT300、RUT420等,牌号中“RUT”是“蠕铁”汉语拼音的字首,后面的数字是最低强度值。

三、钢的常用热处理方法简介

钢的热处理是指将钢在固态下采用适当的方式进行加热、保温和冷却,以获得所需组织结构与性能的工艺。热处理是改善钢材性能的重要工艺措施,它不仅可提高机械零件的使用性能,还可用于改善钢材的工艺性能。因此,热处理在机械制造中占有十分重要的地位。

根据加热和冷却方法不同,常用的热处理方法大致分类如附图1-1:

附图1-1 常用的热处理方法分类

热处理的方法虽然很多,但任何热处理工艺都是由加热,保温和冷却三个阶段组成,只是工艺要素(温度、时间)上有区别。

钢的加热是热处理的第一道工序,其主要目的是使钢转变成预期的平衡组织,为后续冷却转变作好组织准备。为了防止加热过程中工件开裂、晶粒粗大和组织转变不完全,应根据热处理工艺规范来确定加热时间、临界温度和保温时间等工艺要素。

保温的目的是要保证工件表面与心部温度均匀,从而使加热后的组织转变均匀。另外还应能防止零件表面脱碳、氧化等。保温时间和介质的选择与工件的尺寸和材质有直接的关系。一般工件越大,导热性越差,保温时间就越长。

冷却是热处理的关键工序。钢经加热奥氏体化后,在不同的冷却条件下可使钢获得不周的力学性能,见附表1-3。

附表1-3 不同冷却条件对45钢力学性能的影响(加热温度840℃)

(一)钢的普通热处理方法

1.钢的退火与正火

退火与正火是钢的基本热处理工艺之一,其目的主要在于消除钢材经热加工所引起的某些缺陷,或者为以后的加工做好准备,故称为预备热处理。

1)退火

将钢加热到适当温度,保温一定时间,然后缓慢冷却的热处理工艺称为退火。退火工艺主要特点是缓慢冷却。退火的主要目的是:

(1)降低硬度,提高塑性。经铸、锻、焊或冷变形加工后的钢件,一般硬度偏高,需经退火降低硬度,提高塑性,以利于切削加工或继续冷变形。

(2)细化晶粒,消除组织缺陷。热加工后的钢件往往存在组织粗大等缺陷,需经退火进行重结晶,以消除组织缺陷,改善钢的性能,并为以后的淬火等最终热处理做好组织准备。

(3)消除内应力。钢件在冷热加工过程中往往会产生内应力,如不及时消除,将会引起变形甚至开裂。退火可消除内应力,稳定工作尺寸,防止变形与开裂。

根据退火工艺与目的不同,退火常分为完全退火、球化退火、等温退火、均匀化退火、去应力退火和再结晶退火等。

2)正火

正火是把工件加热到适当温度,经过保温后在空气中冷却的工艺。与退火相比,正火冷却速度稍快,过冷度较大,因此正火后的组织比较细,强度、硬度比退火高一些。生产中常用正火来改善低碳钢的切削加工性能。对于力学性能要求不太高的普通零件,也可考虑采用正火处理作为最终热处理。

2.钢的淬火

淬火是将钢件加热到相变温度以上30℃～50℃,保温一定时间,然后快速冷却,获得马氏体(或贝氏体)组织的热处理工艺。淬火是强化钢铁零件最重要的热处理方法。

1)淬火的目的

淬火的目的主要是使钢件得到马氏体(或贝氏体)组织,使零件通过适当回火,能获得所需要的使用性能。

2)淬火方法及其应用

为了保证钢淬火后得到马氏体,同时又防止产生变形和开裂,应选择合适的淬火方法。

3.钢的回火

将淬火钢重新加热到A1以下某一温度,保温一定时间,然后冷却到室温的热处理工艺,称为回火。它是紧接淬火的热处理工序。

1)回火的目的

回火的目的是减少内应力;稳定组织,使工件形状、尺寸稳定;调整组织,消除脆性,以获得工件所需要的使用性能。

2)回火的方法及应用

根据回火温度的不同,将回火方法分为低温、中温及高温回火三种。

(1)低温回火(150℃～250℃)。回火后的硬度一般为58～64HRC。低温回火的主要目的是为了降低工件内应力,减少脆性,保持淬火后的高硬度和高耐磨性。低温回火一般用于表面要求高硬度、高耐磨的工件,如刀具、量具、冷作模具、滚动轴承、渗碳件、表面淬火件等。

(2)中温回火(350℃～500℃)。中温回火后的硬度为35～50HRC。其目的是获得高的弹性极限和屈服极限,并保持一定的韧性。中温回火一般用于要求弹性高、有足够韧性的工件,如弹簧、弹性元件及热锻模具等。

(3)高温回火(500℃～650℃)(调质)。高温回火后的硬度一般为220～330HBS。通常将淬火加高温回火相结合的热处理称为调质处理,其目的是获得强度、硬度和塑性、韧性都较好的综合力学性能。调质处理广泛用于汽车、拖拉机、机床等重要的结构零件,如连杆、螺栓、齿轮及轴类。

4.钢的淬透性与淬硬性

1)钢的淬透性

淬火的目的一般是为了获得马氏体组织的热处理工艺。如果工件整个截面都能得到马氏体,说明工件已淬透。但有时工件的表层为马氏体,而心部为非马氏体组织,这是因为工件截面各处的冷却速度是不同的,表面的冷却速度最大,越接近中心冷却速度越小,凡是冷却速度大于临界冷却速度的这一层,都能得到马氏体,小于临界冷却速度的部分就不能得到马氏体了。

钢的淬透性是指在规定条件下,决定钢材淬硬深度和硬度分布的特性。它是钢材本身具有的属性,反映了钢在淬火时获得马氏体组织的难易程度。

影响淬透性的主要因素是过冷奥氏体的稳定性,即临界冷却速度的大小。过冷奥氏体越稳定,临界冷却速度越小,则钢的淬透性越好。因此,凡是增加过冷奥氏体稳定性、降低临界冷却速度的因素,都能提高钢的淬透注。如钢的化学成分中,含有合金元素(Co除外)的钢,淬透性比碳钢好。这是因为合金元素的加入,增加了过冷奥氏体的稳定性,使临界冷却速度降低的缘故。

钢的淬透性是选择材料和确定热处理工艺的重要依据。若工件淬透了,经回火后,由表及里均可得到较高的力学性能,从而充分发挥材料的潜力;反之,若工件没淬透,经回火后,心部的强韧性则显著低于表面。因此,对于承受较大负荷(特别是受拉、压、剪切力)的结构零件,都应选用淬透性较好的钢。当然,并非所有的结构零件均要求表里性能一致。例如,对于承受弯曲和扭转应力的轴类零件,由于表层承受应力大,心部承受应力小,故可选用淬透性低的钢。

此外,对于淬透性好的钢,在淬火冷却时可采用比较缓和的淬火介质,以减小淬火应力,从而减少工件淬火时的变形和开裂倾向。

2)钢的淬硬性

钢的淬硬性是指钢在理想条件下进行淬火硬化所能达到的最高硬度的能力。淬硬性的高低主要取决于钢中含碳量。钢中含碳量越高,淬硬性越好。必须注意,淬硬性与淬透性是两个不同的概念术语。淬硬性好的钢,其淬透性不一定好;反之,淬透性好的钢,其淬硬性不一定好。如碳素工具钢淬火后的硬度虽然很高(淬硬性好),但淬透性却很低;而某些低碳成分的合金钢,淬火后的硬度虽然不高,但淬透性却很好。

各种钢的淬透性、淬硬性可从有关手册中查出。

(二)钢的表面热处理

在生产中有些零件,如齿轮、花键轴、活塞销等表面要求高的硬度和耐磨性,而心部却要求一定的强度和足够的韧性。采用一般淬火、回火工艺无法达到这种要求,这时需要进行表面热处理,以达到强化表面的目的。

表面热处理又分为两类:一类是只改变表面组织而不改变表面化学成分的热处理,称为表面淬火。另一类是同时改变表面化学成分及组织的热处理,称为化学热处理。

1.钢的表面淬火

表面淬火是将钢件的表面层淬透到一定的深度,而中心部仍保持未淬火状态的一种局部淬火方法。它是通过快速加热,使钢件表面层很快达到淬火温度,在热量来不及传到中心就立即迅速冷却,实现表面淬火。常用的表面淬火有感应加热表面淬火和火焰加热表面淬火。

1)感应加热表面淬火

感应加热表面淬火的工作原理为:在一个感应圈中通过一定频率的交流电,在感应圈周围就产生一个频率相同的交变磁场,将工件置于磁场中,它就会产生与感应圈频率相同、方向相反的封闭的感应电流,这个电流叫做涡流,它主要集中分布在工件表面。依靠感应电流的热效应,使工件表层在几秒钟内快速加热到淬火温度,然后立即冷却,达到表面淬火目的。

与普通加热淬火相比,感应加热表面淬火有以下优点:因加热速度快,淬火组织为细小片状马氏体,表层硬度比普通淬火的高2～3HRC,且有较好的耐磨性和较低的脆性,不易氧化、脱碳、变形小;生产效率高,易实现机械化和自动化,适宜批量生产。

感应加热表面淬火大多应用于中碳钢和中碳低合金钢工件,根据电流频率不同,感应加热分为高频加热、中频加热、工频加热及超音频加热等。频率越高,感应电流集中工件的表面层越浅,则淬硬层越薄。在生产中常依据工件要求的淬硬层深度及尺寸大小来选用(参见附表1-4)。

附表1-4 感应加热表面淬火的应用

2)火焰加热表面淬火

火焰加热表面淬火是应用氧—乙炔或其他可燃气的火焰,对工件表面进行加热,然后快冷的淬火工艺。

火焰加热表面淬火的操作简便,不需要特殊设备,成本低;淬硬层深度一般为2～6mm。适用于大型、异型、单件或小批量工件的表面淬火,如大模数齿轮、小孔、顶尖、凿子等,但因火焰温度高,若操作不当工作表面容易过热或加热不匀,造成硬度不均匀,淬火质量难以控制。

2.钢的化学热处理

化学热处理是将工件置于一定温度的活性介质中保温,使一种或几种元素渗入钢的表层,以改变工件表层的化学成分、组织和性能的热处理工艺。与表面淬火相比,化学热处理不仅改变了钢件表层的组织,而且表层的化学成分也发生了变化。在制造业中,最常用的化学热处理有渗碳、渗氮和碳氮共渗。

1)钢的渗碳

渗碳是将工件置于渗碳介质中加热并保温,使碳原子渗入表层的热处理工艺。其目的是为了增加工件表面碳的质量分数。经淬火、低温回火后,工件表层具有高硬度(58～64HRC)和高耐磨性;心部具有高的塑性、韧性和足够强度,以满足某些机械零件的需要。如汽车发动机的变速齿轮、变速轴、活塞销等。

渗碳用钢一般选用w(C)＝0.10％.～0.25％的碳钢或低合金钢;渗碳温度一般为900℃～950℃;渗碳时间根据工件所要求的渗碳层深度来确定。渗碳后需进行淬火和低温回火。

2)钢的渗氮

渗氮是在一定温度下使活性氮原子渗入工件表面的化学热处理工艺。渗氮又叫氮化,其目的是提高工件表层的硬度、耐磨性、红硬性、疲劳强度和抗蚀性。

渗氮与渗碳相比较:氮化的温度低(500℃～600℃),渗氮后不需淬火,因此,工件变形小,氮化表层具有更高的硬度(950～1200HV)和耐磨性,且具有红硬性和抗蚀性,工件的疲劳强度高。但氮化层薄而脆,不能承受冲击和振动;因生产周期长、设备和氮化用钢价格高,故生产成本高。

渗氮主要适用于表面要求耐磨、耐高温、耐腐蚀的精密零件,如精密齿轮、精密机床主轴、气缸套、阀门等。

3)钢的碳氮共渗

碳氮共渗是碳、氮原子同时渗入工件表面的一种化学热处理工艺。这种工艺是渗碳与渗氮的综合,兼有二者的优点。目前生产中应用较广的有碳氮共渗(以渗碳为主)和氮碳共渗(以渗氮为主)两种方法。前者主要用于低碳及中碳结构钢零件,如汽车和机床上的各种齿轮、涡轮、蜗杆和轴类零件等;后者常用于模具、量具、刃具和小型轴类零件。

四、常用的刀具材料

1.目前常用的刀具材料

1)碳素工具钢

碳素工具钢是一种含碳量较高的优质钢,含碳量在0.7％～1.2％之间。其特点是淬火后硬度可达HRC61～65,而且价格低廉,但这种材料不耐高温,在200℃～250℃即开始失去原来的硬度,并且淬火时容易产生裂纹和变形。常用于制造低速、简单的手工工具,如锉刀、手用锯条等。一般允许的切削速度为8m/min,常用的牌号有T10、T10A、T12、T12A等。

2)合金工具钢

在碳素工具钢中加入适量的铬、钨、锰等台金元素,能够提高材料的耐热性、耐磨性和韧性,同时还可减少热处理时的变形。淬火后的硬度亦可达HRC61～65,热硬性可达350℃～400℃。常用于制造低速(允许的切削速度可比碳素工具钢提高20％左右)、复杂的刀具,如饺刀、板牙、丝锥等,常用的牌号有铬钨锰钢(Cr WMn)和铬硅钢(9Cr Si)等。

3)高速钢

高速钢是含有较多的钨、铬等合金元素的高合金工具钢。这些合金元素很容易形成各种合金碳化物,硬度、耐热性和耐磨性都有显著提高。淬火后硬度为HRC62～65,热硬性可达600℃,允许的切削速度为30～50m/min。并因热处理变形小,刃磨性能较硬质合金好,所以广泛地用于制造较复杂的刀具,如钻头、铣刀、齿轮刀具和其他成型刃具。

高速钢是目前机床上使用的主要刀具材料之一,我国使用得最普遍的牌号为W18Cr4V属于钨系高速钢。

国外由于钨的资源缺乏,寻求以钼代钨的钼系高速钢,如W6M05Cr4V2高速钢已在美国普遍使用,其碳化物分布的均匀性、韧性和高温塑性都优于W18Cr4V,但刃磨性略差。这一钢种目前在我国也有一定的应用,但产量不多,主要用于热轧刀具(如麻花钻)。

高速钢在生产中通用的名称较多。因为它容易磨得锋利故可称“锋钢”;又因它在淬火时,在空气中(风中)便能变硬,故又称“风钢”;并因工具厂供应的高速钢,四边磨得洁白光亮因此也称“白钢”。

4)硬质合金

目前常用的硬质合金是由硬度和熔点都很高的碳化钨(WC)、碳化钛(Ti C)等金属碳化物做基体,以钴(Co)作黏结剂,用粉末冶金法制成的合金。其硬度很高,可达HRA89～92.5(相当于HRC70～75),能耐850℃～1000℃的高温,故其允许的切速可达100～300m/min,这是硬质合金得到广泛应用的主要原因。但是硬质合金的抗弯强度远比高速钢低,为W18Cr4V高速钢的1/4～1/2;冲击韧性较差,为W18Cr4V高速钢的1/30～1/4,故常把硬质合金刀片用焊接或机械方法固定在刀体上使用。现在大部分车削刀具已采用硬质合金,其他切削刀具采用硬质合金的也日益增多,已成为主要的刀具材料之一。

硬质合金按其成分可分为两大类:

(1)钨钴类(YG类)。钨钴类由碳化钨和钴组成。这类合金因为含钴较多,故韧性较好,而硬度和耐磨性稍差,适于加工铸铁、青铜等脆性材料。常用的这类合金按含钴量的不同可分为YG3、YG6、YG8等牌号。其中数字表示含钴量的高低,数字越大,表示含钴量越高,含碳化钨的量越低,故韧性越高,硬度及耐磨性越差,因此,依次适用于精加工、半精加工和粗加工。

(2)钨钛钴类(YT类)。钨钛钴类由碳化钨、碳化钛和钴组成。这类合金由于加入碳化铁,因而其耐磨性及热硬性更高,能耐900℃～1000℃,但性脆不耐冲击,宜用于加工钢件。常用的牌号有YT5、YT15、YT30等,其中数字表示碳化钛的含量,数字越大则表示碳化钛的含量就越多,耐磨性也就越高,但钴的含量则相应降低,韧性因之降低,所以它们依次适用于粗加工、半精加工和精加工。

上述两类硬质合金的应用是指在一般条件下,而在某些特殊条件下尚可灵活应用,例如切速不太高或充分使用冷却润滑液(切削液)的条件下,车削某些钢件,如大的铸钢件时,采用耐冲击性较好的YG类合金刀片较之YT类更为有利。

5)陶瓷材料

其主要成分为氧化铝(A12O3),刀片硬度可达HRA86～96,能耐1200℃高温,所以能承受更高的切削速度,但陶瓷材料性脆怕冲击,容易崩刃,影响推广使用。因为氧化铝的价格低廉,原料丰富,很有发展前途。如何提高其冲击韧性及抗弯强度,已为各国研究工作的重点。近年来各国先后研究成功“金属陶瓷”,其成分除A12O3外,还含有各种金属元素,抗弯强度已有提高。目前主要用于高硬度钢材的半精加工和精加工。

2.其他新型刀具材料简介

随着科学技术和工业的发展。出现一些高强度、高硬度的准加工材料的工件,要求性能更好的刀具材料进行切削,推动国内外对新型刀具材料进行大量的研究和试验。

1)高速钢的改进

通过调整基本化学成分和添加其他含金元素,使其性能进一步提高。例如,钴高速钢(110W1.5Mo9.5Cr4VCo8)是通过添加钴元素使其硬度及热硬性都有提高,但由于含钴较多不适于我国资源状况。立足于我国资源状况已研制成铝高速钢,即添加了铝等元素(如W6Mo5Cr4V2A1),它的硬度可达HRC70,耐热性超过600℃,是一种高性能高速钢。

近年来又出现粉末冶金高速钢,其基本原理是将高频感应炉熔炼的钢液用高压惰性气体(氩气)雾化成粉末,再经过冷压和热压(同时进行烧结)制成致密钢坯,然后用一般方法轧制和锻造成材。粉末冶金法制造高速钢可细化晶粒,消除碳化物偏析,所以韧性大,硬度较高,材质均匀,热处理变形小,适于制造各种高精度刀具。

2)硬质合金的改进

如前所述硬质合金的缺点是强度和韧性低,耐冲击性差。改进的方法是添加少量的碳化钽(Ta C)、碳化铌(Nb C)等和细化晶粒。例如在普通YT类硬质合金中加入少量的碳化钽后,既可加工特种铸铁,也可加工耐热钢、高锰钢等特种钢材,故有通用硬质合金之称。例如国产的YW1、YW2等牌号便是。又如在YG类硬质合金中加入少量的碳化铌后,也适于加工奥氏体不锈钢、耐热钢等特种钢和铸铁等材料,例如国产的YA6牌号便是。

近年来还发展了涂层刀片,就是在韧性较好的硬质合金(YG类)基体表面,涂覆一层(5～12μm)硬度和耐磨性很高的物质(如Ti C或Ti N),得到既有高硬度和高耐磨性的表面,又有韧性较好的基体。目前涂层硬质合金主要用于半精加工和精加工,并为不重磨刀片(又称可转位刀片)的推广提供了良好的条件。随着涂层技术的发展和工艺的改进,它的应用将会进一步扩大。

3)人造金刚石

它的硬度极高(接近HV10000,而硬质合金仅达HV1000～2000),耐热性为700℃～800℃,粒度一般在0.5mm以内。大颗粒金刚石分单晶和聚晶两种。聚晶金刚石大颗粒可制成一般切削刀具,单晶微粒者主要制成砂轮。金刚石除去可以加工高硬度而耐磨韵硬质合金、陶瓷、玻璃等材料外,还可以加工有色金属及其合金,但不宜加工铁族金属,这是由于铁和碳原子的亲和力较强,易产生黏结作用而加快刀具磨损。用金刚石车刀高速精车有色金属时,表面粗糙度值很小;用金刚石砂轮磨削硬质合金刀具时,质量好,效率高。

4)立方氮化硼(CBN)

立方氮化硼是人工合成的又一种高硬度材料,硬度仅次于金刚石(HV7300～9000)。但它的耐热性和化学稳定性都大大高于金刚石,能耐1300℃～1500℃的高温,并且与铁族金属的亲和力小。因此,它的切削性能好。不但适于非铁族难加工材料的加工,也适于铁族材料的加工。

CBN和金刚石刀具脆性大,故使用时,机床刚性要好,主要用于连续切削,尽量避免冲击和振动。