1.5.3 合金钢的性能和用途
1．合金结构钢
（1）低合金结构钢。低合金结构钢常用来制造较重要的工程结构零件。
低合金结构钢的含碳量不大于0.20%，并含有少量（不大于3%）的合金元素，由于合金元素的强化作用，这类钢比相同含碳量的普通碳素结构钢强度高得多（故又称为低合金高强度钢），而且还具有良好的韧性、塑性、焊接性和较好的耐磨性。
低合金结构钢通常在热轧空冷状态下使用，不需要专门进行热处理。若为改善焊接区性能，可进行正火。
16Mn钢是常用的低合金结构钢，广泛应用于制造在大气和海洋中工作的大型焊接结构件，如建筑结构、桥梁、车辆、船舶、输油输气管道、压力容器等。
（2）合金渗碳钢。合金渗碳钢常用来制造截面大且受较强烈的冲击力和在磨损条件下工作的渗碳工件。
合金渗碳钢的含碳量在0.10%～0.25%之间，这样可以保证零件心部有足够的韧性。常加入Cr、Ni、Mn、B等合金元素，提高钢的淬透性，减小热处理变形，并使心部得到低碳马氏体，以提高心部强度。有些钢中加入V、Ti等元素以形成特殊碳化物，阻止奥氏体晶粒在渗碳温度下长大，使零件在渗碳后能进行预冷直接淬火，并提高零件表面硬度和接触疲劳强度和韧性。
20Cr、20CrMnTi钢是常用的合金渗碳钢。20Cr钢淬透性不高，用于要求小截面渗碳工件，如小齿轮、小轴、活塞销等。20CrMnTi钢淬透性较20Cr钢高，可用于尺寸较大的高强度渗碳件，如汽车、拖拉机变速齿轮等。
18Cr2Ni4WA中含有较多的Ni、Cr元素，淬透性高，空冷也能淬成马氏体，渗碳层和心部的性能都非常优异。主要用来制造承受重载荷及强烈磨损的重要大型工件，如飞机、坦克的重要齿轮。
合金渗碳钢的的热处理过程是在渗碳后淬火再进行低温回火，使渗碳件表面获得高碳回火马氏体，以保证高硬度（58～64HRC）和耐磨性。而心部是低碳回火马氏体，具有足够的强度和韧性。
（3）合金调质钢。合金调质钢常用于制造要求综合力学性能良好的大尺寸工件。尺寸小的调质工件常用中碳钢制造，尺寸大、综合性能要求高的调质工件如机床主轴、汽车底盘的半轴、柴油机连杆螺栓等应采用合金调质钢制造。
合金调质钢的含碳量在0.25%～0.5%之间，以保证其具有足够的强度和韧性。主加合金元素为铬、镍、硅、锰、硼，以提高淬透性和回火稳定性，并起固溶强化作用。根据淬透性，将合金调质钢分为以下三类：
1）低淬透合金调质钢，如40Cr、40MnVB等。用于制造截面尺寸相对较小或载荷较小的零件，如连杆螺栓、机床主轴等。
2）中淬透合金调质钢，如35CrMo、38CrSi等。用于制造截面尺寸较大或载荷较大的零件，如火车发动机曲轴、连杆等。
3）高淬透合金调质钢，如38CrMoAl、40CrNi等。用于制造截面尺寸大或载荷大的零件，如精密机床主轴、汽轮机主轴、航空发动机曲轴、连杆等。38CrMoAl是典型的渗氮用钢，用于制造高硬度、高耐磨性和变形量要求极小的精密工件。
合金调质钢常用热处理方法是淬火后高温回火，以获得良好的综合力学性能。如果工件表面还要求有良好的耐磨性，则调质处理后再进行表面淬火和低温回火。
（4）合金弹簧钢。合金弹簧钢常用来制造具有较高的弹性极限、屈服强度和疲劳强度的弹簧等弹性工件。
合金弹簧钢的含碳量为0.5%～0.7%。为了提高其塑性、韧性、弹性极限和淬透性以及回火稳定性，常加入元素有硅、锰、铬、钒等。
合金弹簧钢的加工和热处理如下：
1）冷成型弹簧。对于直径小于8～10mm的弹簧，常用已有高弹性的冷拉钢丝冷卷成型。这种弹簧只需在冷卷后再在200～250℃的油槽中进行低温回火，以消除冷卷时造成的内应力。
2）热成型弹簧。对于直径大于10～15mm的大截面弹簧，多用热轧钢丝或钢板采用热成型。在热成型后进行淬火和中温回火。还可进行喷丸处理在弹簧表面产生的残余压应力，提高抗疲劳强度。
60Si2Mn钢是常用的合金弹簧钢，广泛用于制造汽车、拖拉机上的减震板簧、螺旋弹簧、测力弹簧等。
50CrVA是应用最广的铬、钒元素合金化的弹簧钢，常用来制造承受重载荷的较大型弹簧，如大轿车、载重汽车的板簧。
（5）滚动轴承钢。滚动轴承钢常用于制造滚动轴承的滚珠、滚柱、滚针和内外圈，还用于制造高精度量具、冷冲模具和其他耐磨工件。
滚动轴承钢的含碳量为0.95%～1.15%，以获得高的硬度和耐磨性。其主要加入元素是铬，含量在0.4%～0.65%之间，可提高钢的淬透性、耐磨性和抗疲劳性。
滚动轴承钢常用热处理方式是以球化退火作为预备热处理，再经淬火和低温回火后，获得极细回火马氏体和分布均匀的细小碳化物以及少量的残余奥氏体组织，硬度可达61～65HRC。
GCr15钢是最常用的滚动轴承钢。牌号中的字母G代表滚动轴承钢，铬后面的数字代表铬的千分含量。另外，GCr6可用于小于φ10mm的滚珠、滚柱和滚针，GCr9可用于φ20mm以内的滚珠、滚柱和滚针。
2．合金工具钢
合金工具钢比碳素工具钢具有更高的硬度、耐磨性，特别是具有更好的淬透性、热硬性和回火稳定性等，常用于制造截面大、形状复杂、性能要求高的工具，还可以用来制造模具和量具。
（1）合金刃具钢。刃具是用来进行切削加工的工具，主要指车刀、铣刀、丝锥、板牙等。刃具钢要求有高硬度（＞60HRC）、高耐磨性、高热硬性和一定的强度和韧性。常用的刃具钢有碳素工具钢、低合金工具钢和高合金工具钢。碳素工具钢由于淬透性低、热硬性差（约200℃），只能用于制造淬火变形要求不高的低速切削刀具。
1）低合金工具钢。低合金工具钢是在碳素工具钢的基础上添加总量不超过5%的合金元素，常加入铬、硅、锰来提高其淬透性和强度，加入钨、钒以提高硬度、耐磨性和热硬性。低合金工具钢中含碳量为0.75%～1.5%，以保证钢的高硬度并形成足够的合金碳化物。
低合金工具钢常用热处理方式为锻造后采用球化退火作为预备热处理，淬火加低温回火作为最终热处理。常用来制造形状复杂、淬火变形小的低速切削刀具，常用的低合金工具钢牌号有9SiCr和CrWMn。
9SiCr钢淬透性好，截面尺寸小于50mm的工具在油中冷却可淬透。其碳化物细小且分布均匀，主要用于制造刀刃细薄的低速切削刀具，如丝锥、板牙、铰刀等。
CrWMn钢的优点是淬火变形小，耐磨性高，适宜制造要求淬火变形小、长而形状复杂的低速切削刀具，如拉刀、长铰刀、长丝锥等。
另外，9Mn2V可用于制作小冲模、剪刀、冷压模、雕刻模、落料模及各种变形小的量规、样板、丝锥、板牙、铰刀等。
2）高速钢。高速钢又称为白钢、锋钢，是一种高碳高合金工具钢。高速钢的含碳量为0.7%～0.9%，并含有大量的铬、钼、钨、钒等元素。铬的作用是提高淬透性，钼、钨、钒则提高热硬性以及细化晶粒。
高速钢的主要优点是热硬性高，经热处理后，在600℃时仍能保持高的硬度，可达62HRC以上，从而保证其切削性能和耐磨性。高速钢刀具的切削速度比碳素工具钢和低合金工具钢刀具提高1～3倍，耐用性增加7～14倍，故称为高速钢。高速钢具有很高的淬透性，甚至在空气中冷却也能形成马氏体组织。
高速钢常用来制造形状复杂、切削速度较高的整体刀具，如钻头、车刀、铣刀、刨刀、机用锯条等。此外，高速钢也可用来制造某些重载冷作模具及耐磨工件。
高速钢的热处理为锻后进行球化退火，最终热处理是淬火、回火。淬火温度非常高（1200℃～1300℃），淬火后回火温度也很高（560℃），且要进行3次，每次1小时。
W18Cr4V是我国发展最早的一个钢种，它的特点是热硬性高、加工性好，其热处理性能和磨削性能好。目前还广泛采用W6Mo5Cr4V2等钨钼系高速工具钢，这种钢的碳化物分布均匀，使用状态下的韧性、耐磨性和使用寿命都优于W18Cr4V，而且价格相对较低，但磨削加工性能稍差，脱碳敏感性较大，适用于制作采用热轧、扭制等工艺生产的刀具，以及受冲击、振动较大的刀具。
（2）合金模具钢。模具钢大体可分为冷作模具钢、热作模具钢和塑料模具钢。
1）冷作模具钢。冷作模具钢是在冷态下使金属材料产生塑性变形的模具，如冲裁模、弯曲模、拉深模、拉丝模等，这类模具的工作温度不超过200～300℃。
冷作模具钢一般要求含碳量不小于0.9%，以保证有足够多的合金碳化物。主要加入合金元素有锰、铬、钨、钼、钒等。锰、铬等，为主要提高淬透性和强度。钨、钼、钒等元素与碳形成难熔的合金碳化物，提高钢的耐磨性、回火稳定性并能细化晶粒，钼还能改善钢的韧性。
冷作模具钢的热处理一般为淬火加低温回火。因其工作条件繁重，对凸模和凹模均要求较高的硬度（58～62HRC）和高的耐磨性以及足够的强度和韧性，并要求淬火变形小。根据上述性能要求，合金刃具钢通常也可用于冷作模具。
常用的冷作模具钢有三类：
①碳素工具钢。常用于轻载、小型、形状简单的冷作模具，如T8A、T10A、T12A等。
②低合金工具钢。常用于形状较复杂、工作负荷不大的中型冷作模具，如9SiCr、9Mn2V、CrWMn等。
③高铬高碳工具钢。这种钢的含铬和含碳量均很高，具有很高的淬透性和耐磨性，常用于制造尺寸大、要求耐磨性高和淬火变形小的重载冷作模具，如Cr12和Cr12MoV等。
Cr12型钢属莱氏体钢，钢中含碳量高达2.0%～2.3%，耐磨性很高；含铬量高，可提高淬透性和细化晶粒，并形成铬的碳化物，提高耐磨性。Cr12MoV的含碳量为1.4%～1.7%，碳化物分布较均匀，加之钼、钒能细化晶粒，它的强度和韧性比Cr12钢高。另外，我国还研制出一些新型冷作模具钢，如7Cr7Mo3VSi、9Cr6W3Mo2V2、6CrNiSiMnMoV等。
2）热作模具钢。热作模具钢用来制造对金属进行热变形加工的模具，如热锻模、热挤压模、压铸模等。
热作模具钢的含碳量为0.3%～0.6%，以保证足够的强度、韧性和硬度。主要加入合金元素有铬、镍、锰、钨、钼、钒等，其中铬、镍、锰主要提高淬透性和强度；加入钨、钼、钒主要是为了提高热硬性、抗热疲劳性、回火稳定性，并有细化晶粒和防止第二类回火脆性的作用。
生产上常用5CrMnMo钢制造中小型热锻模（模具有效厚度小于400mm）。常用5CrNiMo制造大型热锻模（模具有效厚度大于400mm），其淬透性、抗热疲劳性和韧性更高。这类钢的主要特点是强度、韧性高，淬透性好，并具有良好的抗回火性、耐热疲劳强度和耐磨性，常用于制造热锻模及热态工作的弯曲模、切边模等。
对于在静压力下使金属产生变形的挤压模和压铸模，由于变形速度小，模具与炽热金属接触时间长，需要模具具备较高的高温强度和较高的热硬性，通常采用3Cr2W8V钢制造。该材料具有较小的热膨胀系数及良好的高温力学性能、抗疲劳性和热传导性，热处理变形也比较小，但高温韧性较差。
对于热作模具钢，要反复锻造，使碳化物均匀分布。锻造后要退火以消除锻造应力、降低硬度（197～241HBS），便于切削加工。最终热处理一般为淬火加高温（中温）回火，得到回火索氏体，以获得良好的综合力学性能，来满足使用要求。
3）塑料模具钢。按塑料制品的成型方法可将塑料成型模具分为压塑模具、挤塑模具、注射模具、挤出成型模具、泡沫塑料模具及吹塑模具等六种。由于各种塑料原材料的性质及成分不相同，成型方法也不同，因而对成型模具的硬度、抛光性能、耐腐蚀性能要求和使用温度也不相同。
模具在工作过程中主要受温度、压力及摩擦作用，其失效形式以摩擦磨损为主。但与金属材料的冷冲压模具、热锻造模具等比较，塑料模对强度、硬度、热硬性及耐磨性的要求低得多。所以，以往中小厂家对塑料模具的材料选用并不严格。对压塑、挤塑、注射、挤出模具材料主要有碳素结构钢Q235、35、45钢，碳素工具钢T8、T10，合金结构钢40Cr、20CrMnTi、38CrMoAl，合金工具钢5CrNiMo、9Mn2V、CrWMn、Cr12，不锈钢2Cr13；而泡沫塑料及吹塑料模具主要选择有色金属锌、铝、铜及其合金或铸铁制造。
（3）合金量具钢。量具是机械加工过程中控制加工精度的测量工具，如卡尺、千分尺、块规、塞尺及样板等。量具的工作部分应具有高的硬度和耐磨性，以防止在使用过程中因磨损而失效。另外，量具钢组织的稳定性要高，以保证在使用过程中尺寸不变，而获得高的尺寸精度。
量具钢没有专用钢种。尺寸小、精度不高、形状简单的量具常用碳素工具钢制造，如T10A、T12A等；精度较高、形状复杂、要求淬火变形小的量具，常用低合金工具钢制造，如9SiCr、CrWMn等；对于高精度量具，常采用滚动轴承钢制造，如GCr15。
对于高精度量具，为了提高其尺寸稳定性，可在淬火后进行冷处理，尽量消除钢中的残余奥氏体；还可在磨削加工过程中进行稳定化处理，即在150℃左右进行长时间保温，然后冷却，以消除磨削内应力并稳定组织。
3．特殊性能钢
特殊性能钢是指具有特殊使用性能的钢。特殊性能钢包括不锈钢、耐热钢、耐磨钢等。
（1）不锈钢。不锈钢是指能抵抗大气腐蚀或抵抗酸、碱、盐化学介质腐蚀的钢。
不锈钢获得抗腐蚀性能最基本的元素是铬。铬在氧化性介质中能形成一层氧化膜（Cr2O3），以防止钢的表面被外界介质进一步氧化和腐蚀。另一方面，含铬量达到12%的钢的电位跃增，有效地提高了钢的抗电化学腐蚀性。所以不锈钢中的含铬量不少于12%，含量越多，钢的耐腐蚀性越好。
碳是不锈钢中降低耐腐蚀性的元素。但含碳量关系到钢的力学性能，还应根据不同情况，保留一定的含碳量。
不锈钢按金相组织不同，常分为以下三类：
1）铁素体不锈钢。这类钢含碳量较低（≤0.12%），而以铬为主要合金元素，组织是单相铁素体，抗大气与酸的能力强，耐蚀性、高温抗氧化性、塑性和焊接性好，但强度低，可用形变强化提高其强度。常见牌号有1Cr17、1Cr28、0Cr17Ti等。一般用于工作应力不大的化工设备、容器、管道以及建筑装潢、家用电器、家庭用具等。
2）马氏体不锈钢。这类钢含碳量稍高（0.1%～0.45%），淬透性好，油淬或空冷能得到马氏体组织。它具有较高的强度、硬度和耐磨性，是不锈钢中力学性能最好的钢。缺点是耐腐蚀性稍低，可焊性差。常用牌号有1Cr13、2Cr13、3Cr13、7Cr17等。
1Cr13、2Cr13因塑性韧性较好，常用于在弱腐蚀介质中要求较高韧性的工件，如气轮机叶片、仪表齿轮、家用物品等，常经淬火、高温回火后使用。
3Cr13因硬度较高（可达50HRC），适于制造要求耐腐蚀的医疗器械、弹簧、喷嘴、阀门等，常经淬火及低温或中温回火后使用。
7Cr17因含碳量高，淬火后硬度可大于54HRC，常用做要求耐腐蚀性的刃具、量具、滚动轴承等。
3）奥氏体不锈钢。这是一类典型的铬镍不锈钢。含碳量较低（wC≤0.15%），具有单相奥氏体组织、很好的耐腐蚀性、耐热性、优良的抗氧化性和较高的力学性能，室温及低温韧性、塑性和焊接性也是铁素体不锈钢不能比拟的，在工业上应用最广。这类钢可加热到1100℃左右保温，然后水冷至室温，获得单相奥氏体组织，这种热处理又称为固溶处理。经固溶处理后的不锈钢塑性很好、无磁性，适于进行各种冷塑性变形，但对加工硬化很敏感，切削加工性能较差。常见牌号有1Cr18Ni9、1Cr18Ni9Ti。常用来制造要求良好耐蚀性的各种结构件、容器、化工管道等。
（2）耐热钢。耐热钢是指在高温条件下仍能保持足够强度和能抵抗氧化而不起皮的钢。
为了提高抗氧化的能力，钢中主要加入铬、硅、铝等元素。这些元素的氧化能力比铁强，能在表面形成一层致密的氧化膜Cr2O3、SiO2、、Al2O3，能有效地阻止金属元素向外扩散和氧、氮、硫等腐蚀性元素向里扩散，保护金属免受侵蚀。这些氧化性的元素越多，抗氧化能力越强。
为了提高钢的高温强度，向钢中加入高熔点元素钨、钼，使其固溶于铁，增加钢的抗蠕变（即受力时产生缓慢连续变形的现象）的能力。此外，加入钒、钛，析出弥散碳化物，能提高钢的高温强度。常用耐热钢有15CrMo、1Cr18Ni9Ti、1Cr13Si3、4Cr9Si2、1Cr23Ni13等。主要用于石油化工的高温反应设备、加热炉、火力发电设备的汽轮机和锅炉、汽车和船舶的内燃机、飞机发动机等高温条件下工作的零件。
（3）耐磨钢。耐磨钢是指具有高耐磨性的钢种。在各类耐磨钢中，高锰钢是具有特殊性能的耐磨钢，主要用于工作过程中承受高压力、严重磨损和强烈冲击的零件，如坦克、车辆履带板、挖掘机铲斗、破碎机颚板、铁轨分道叉和防弹板等。典型牌号是ZGMn13。
ZGMn13钢的平均含锰量为13%，含碳1.2%，属于奥氏体钢。力学性能为：σb=1050MPa、σs=400MPa、δ=80%、ψ=50、硬度210HBS。从以上数据来看，其屈服强度不高，只有抗拉强度的40%，伸长率及端面收缩率很高，说明有相当高的韧性，它的硬度虽不高，但却有很高的耐磨性。它之所以有很高的耐磨性，是由于它在常温下为单一奥氏体组织，经受冲击而产生冷加工硬化，使钢获得高的耐磨性。高锰钢的耐磨性只在高压下才表现出来，低压下并不耐磨。
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