任务5 特殊性能钢
特殊性能钢是指具有特殊的物理、化学性能或力学性能较高的钢。特殊性能钢在工业上有着广泛的应用，发展十分迅速。本任务仅简单介绍机械制造中最常用的不锈钢、耐热钢、耐磨钢。
一、不锈钢
不锈钢是指能够抵抗大气腐蚀的钢，耐酸钢是在某些化学侵蚀介质中能够抵抗腐蚀的钢，通常统称为不锈耐酸钢，简称不锈钢。不锈钢在化工、石油、化肥、国防等工业部门中广泛使用，常用来制作与腐蚀介质接触的容器、结构件及工具。
1．提高金属耐腐蚀性能的途径
（1）提高电极电位。通常加入铬、镍、锰、硅等均能提高电极电位。例如，当铬的质量分数大于12%时，可显著提高电极电位，如图6－10所示。
6－10 铬的质量分数对Fe－Cr合金电极电位的影响
（2）以单相存在。不锈钢中碳的质量分数一般较低，因钢中的碳会与铬形成碳化物Cr7C3 或Cr23C6，降低了钢中铬的质量分数，削弱了钢的抗腐蚀能力。此外，碳以碳化物存在也加速了电化学腐蚀。
加入合金元素使金属在室温下以单相状态存在，例如，当低碳钢中镍的质量分数达24%时就能得到单相奥氏体（实际上要加入27%才能提高耐腐蚀性），在铬的质量分数为17%时，含8%的镍就能得到单相奥氏体。加入锰、氮也能得到单相奥氏体，但一般不单独加入而与其他合金元素配合使用。加入铬的质量分数达12．7%以上时，可得到单相铁素体。
（3）提高表面防腐蚀能力。可加入铬、硅、铝等合金元素，在金属表面形成一层稳定的、与金属基体结合牢固的氧化膜，即Cr2O3膜、SiO2膜、Al2O3膜，可提高耐腐蚀性；也可通过表面覆盖，如电镀、涂漆、发蓝、喷涂、渗金属等工艺，以防止金属腐蚀。这都是以减少或隔绝腐蚀电流来阻止电化学反应的。
（4）减少或消除金属中的不均匀现象。该现象包括组织、化学成分、应力的不均匀，以减少金属内的电极电位差，阻止电化学腐蚀。
2．常用不锈钢
不锈钢根据正火（加热到900～1 100℃空冷）后的组织可分为马氏体、铁素体、奥氏体等，常用的不锈钢类别、牌号、化学成分、热处理、力学性能及用途如表6－19所示。
表6－19 常用不锈钢的类别、牌号、化学成分、热处理、力学性能及用途
续表
（1）马氏体不锈钢。这类钢碳的质量分数为0．1%～1．0%，铬的质量分数高达12%～18%，因而也称铬不锈钢。碳对耐腐蚀性是不利的，但随碳的质量分数增加，钢的强度、硬度、耐磨性和切削加工性能显著提高。铬能显著提高钢的电极电位，在表面形成致密氧化铬Cr2O3，起纯化作用，这类钢多用于机械性能要求较高、耐腐蚀性相对较低的零件，如汽轮机叶片、水压机阀、医疗器械等。常用牌号有1Cr13钢、2Cr13钢、3Cr13钢、4Cr13钢，用于制造滚珠轴承的是9Cr18钢。
1Cr13钢、2Cr13钢采用调质处理后得到回火索氏体，常用来制造综合机械性能要求较高的耐腐蚀零件；30Cr13钢、40Cr13钢采用淬火加低温回火后得到回火马氏体，常用来制作硬度要求较高的医疗器械及量具。
（2）铁素体不锈钢。这类钢碳的质量分数一般均小于0．15%，铬的质量分数为13%～30%，主要有Cr13钢、Cr17钢和Cr25钢，属于铬不锈钢。这类钢从室温到高温（960～1 100℃）无相变（即奥氏体转变），组织也无大的变化，呈单相铁素体。随铬的质量分数增加，耐腐蚀性增加，这类钢能抵挡氧化性介质的腐蚀，具有良好的高温抗氧化性，被广泛用于硝酸和氮肥等化工设备，这类钢的主要缺点是脆性大、强度低。
（3）奥氏体不锈钢。奥氏体不锈钢比马氏体不锈钢具有更高的耐腐蚀性，还具有高塑性、良好的焊接性能、韧性和易加工碳化等特点。这类钢属于铬镍不锈钢，最常用的是18－8型，碳的质量分数低，铬的质量分数为18%，镍的质量分数为9%，常用的牌号有1Cr18Ni9钢、1Cr18Ni9Ti钢等。
为得到单相奥氏体组织以提高耐腐蚀性和塑性，常采用固溶处理，即把钢加热到1 050～1 100℃的高温迅速冷却，避免了缓冷时碳化物的析出。这类钢仅能通过加工硬化来强化，硬化后强度可由600MPa提高到1 200～1 400MPa，这类钢的切削性能很差。
由于奥氏体不锈钢有优良的耐腐蚀性和良好的力学性能与工艺性能，因此被广泛应用，常用于化工、医疗器械及抗磁仪器等。
二、耐热钢
在高温下具有良好耐热性能的钢称为耐热钢。耐热性能包括高温抗氧化性和高温强度。
1．耐热钢的抗氧化性和高温强度
（1）抗氧化性。抗氧化性是金属在高温下的抗氧化能力，即在高温下长期工作不致因介质侵蚀而破坏。金属的抗氧化能力取决于覆盖在金属表面的腐蚀产物即氧化膜的结构和性能，如果生成的氧化膜稳定性好，致密度大，能完全覆盖住金属表面并与金属结合牢固，以及具有一定的强度，则表明金属的抗氧化性就好。
（2）高温强度。高温强度是金属在高温下的强度，金属的高温强度与室温的机械性能不同，它与温度、时间及组织三个因素有关。金属在再结晶温度上受一定的应力作用，随时间的延长发生缓慢塑性变形的现象称蠕变。金属的蠕变极限和持久强度是衡量材料高温强度的性能指标。蠕变极限是钢在一定温度下在规定的持续时间里产生一定蠕变形量所对应的应力值。例如，在700℃、持续时间为1 000h，总蠕变量达0．2%时的蠕变极限，用
表示。持久强度是指钢在一定的温度和规定的持续时间内引起断裂的应力值，如
表示在700℃持续1 000h时的断裂应力。
2．提高耐热钢的抗氧化性和高温强度的途径
（1）提高抗氧化性。在560℃以上铁与氧主要的形成物为疏松的FeO，FeO是缺位固溶体，原子扩散较容易，因而氧化速度很快。要提高钢的抗氧化能力，主要加入铬、硅、铝等元素，在钢表面形成了致密的氧化膜Cr2O3、Al2O3和Fe2SiO4。
（2）强化途径如下。
①进行固溶强化，以提高再结晶温度。在钢中加入铬、钼、钨、锰、铌、钴等元素，可提高固溶体（钢的基体）中原子的结合力，使原子扩散困难，延缓再结晶过程的进行。
②利用第二相强化。在钢中加入强碳化物形成元素钛、铌、钒、钼、钨、铬等，析出弥散而稳定的碳化物，阻碍位错运动，能起到明显的强化效益。
3．常用耐热钢
根据耐热钢的组织可分为珠光体耐热钢、马氏体耐热钢和奥氏体耐热钢。常用的耐热钢的类别、牌号、化学成分、热处理及用途如表6－20所示。
表6－20 常用耐热钢的类别、牌号、化学成分、热处理及用途
续表
续表
（1）珠光体耐热钢。珠光体耐热钢在正火条件下，显微组织是珠光体加铁素体。这类钢常加入少量铬、钼、钨、钒、钛、铌等合金元素，起强化铁素体和形成稳定碳化物的作用，常用的牌号有12CrMo、15CrMo和12CrMoV等，广泛用于600℃以下的工作的构件，如动力工业中的锅炉管道、气包及锅炉、汽轮机上的紧固件。珠光体耐热钢的热处理一般是正火后回火，回火温度要高于使用温度100℃。
（2）马氏体耐热钢。马氏体耐热钢可分为两类：一类是高铬钢，如1Cr13、1Cr11MoV、1Cr12WMoV钢等；另一类为铬硅钢，常用牌号有4Cr9Si2、4Cr10Si2Mo等。由于在铬硅钢中加入铬和硅，可以提高其抗氧化和热疲劳抗力，同时碳的质量分数为0．4%，具有一定的耐磨性，故广泛用于700℃以下的各种发动机排气阀钢。马氏体耐热钢的常用热处理为调质处理。
（3）奥氏体耐热钢。这类钢是在18－8型奥氏体不锈钢基础上发展起来的，具有高的抗氧化性和热强性，良好的韧性及焊接性，广泛用于工作温度在600～750℃之间的较重要零件，如汽轮机叶片、轮盘、发动机气阀和喷气发动机的某些零件等。常用的牌号有1Cr18Ni9Ti、4Cr14Ni14W2Mo及5Cr21Mn9Ni4N等。这类钢的常用热处理是固溶处理后，在高于使用温度60～100℃的温度进行时效处理。
当工作温度超过800℃时，就要考虑选用镍基合金（如Ni80Cr20Ti等）；当工作温度在1 000～1 050℃时则选用铌基、钼基合金及金属陶瓷，而工作温度在300～350℃以下时，一般结构钢就可以胜任。
三、耐磨钢
这里所指的耐磨钢是高锰钢，这类钢在强烈冲击及高压力下，具有高耐磨性。一般耐磨性钢材，其耐磨性高时，往往韧性较差，韧性较高的，则耐磨性又显得不足。而高锰钢同时具有高强度、高韧性，在高应力下有优良的耐磨性。
1．成分特点
（1）高碳。碳的质量分数为1．0%～1．4%，增加钢的耐磨性，但不能超过1．4%，否则淬火后韧性下降，且在较高温度时会有碳化物析出。
（2）高锰。锰的质量分数为1．1%～1．4%，利用锰扩大奥氏体区和稳定奥氏体的作用，获得高锰奥氏体，具有很强的加工硬化和高韧性。
2．热处理特点
高锰钢在铸态时的金相组织为奥氏体加碳化物，脆性大，无法直接使用，为此要把钢加热到1 050～1 150℃，保温后水淬迅速冷却，使碳化物溶解，得到具有良好韧性的单相奥氏体，这种热处理称为水韧处理。
3．常用钢种
最常用牌号为ZGMn13钢，水韧处理后的强度、硬度并不高（185～200HBS），但塑性、韧性好。在强烈的冲击及压应力下，表层的奥氏体迅速产生加工硬化，使表面硬度提高到450～600HBW，心部仍具有良好韧性的奥氏体，故常用来制作要求高耐磨性且能承受冲击的零件，如挖掘机的铲斗、铁路道叉、坦克及拖拉机的履带板、防弹板及保险箱钢板等。
复习思考题6
1．名词解释。
普通碳素结构钢 优质碳素结构钢 碳素工具钢 扩大γ相区元素
缩小γ相区元素 碳化物形成元素 回火稳定性 二次硬化 固溶处理
2．钢中常存在的杂质有哪些？简述其对钢性能的影响。
3．说明下列钢号各代表什么钢及数字的含义：A3钢、AY3钢、B3钢、20钢、45钢、60钢、65钢、65Mn钢、T8钢、T10A钢。
4．能用几种方法区分下列材料。
（1）45钢和T8钢；（2）低碳钢和白口碳钢。
5．在生产中，如发生下列将不同牌号的钢乱用或搞错的情况将给零件性能带来什么问题？试分别简要分析。
（1）把A3钢、20钢当成45钢或T8钢。
（2）把45钢、T8钢当成20钢。
（3）把低碳钢当成碳素钢。
6．试从性能上比较各牌号的碳素工具钢。
7．试述碳素工具钢的优缺点。
8．合金元素在钢中以什么形式存在？起什么作用？
9．合金元素对铁碳合金状态图有何影响？对钢的组织和热处理加热温度有何影响？
10．如何理解合金元素通过热处理（相变）才能充分发挥作用？
11．试说明下列牌号代表什么钢及牌号中数字和字母符号的意义。
20Cr 20MnB 40Cr 30CrMnSi 55Si2Mn 50CrVA GCr15 9SiCr W18Cr4V 1Cr13 ZGMn13
12．填下表，归纳比较几种结构钢和工具钢的特点。
13．现在要焊制一批临时活动房屋架，仓库内存有直径φ40、壁厚3mm的低碳钢水管和同尺寸规格的40CrMnMo废钢无缝钢管，试从屋架的性能要求及加工工艺性全面考虑，应采用哪一种较为合理？
14．T9钢和9SiCr钢都属工具钢，碳的质量分数基本相同，它们在使用上有何不同？下列工具分别选用它们中的哪一种？
机用丝锥 木工刨刀 钳工锯条 金属剪刀 小型冲模 铰刀 钳工量具
15．各类结构钢之间一般不能相互代用，而刃具、模具、量具之间可以代用，这是为什么？
16．用9SiCr钢制成圆板牙，其工艺路线为：锻造↑球化退火↑机械加工↑淬火低温回火↑磨平面↑开槽口。试分析
（1）球化退火、淬火及回火目的。
（2）球化退火、淬火及回火的大致工艺。
17．为防止量具钢在热处理和使用中变形，应采用什么措施？
18．高速工具钢的主要性能特点是什么？它的成分和热处理特点是什么？
19．简述模具钢的分类、应用及处理特点。
20．根据不锈钢的成分特点，Cr12MoV钢是否为不锈钢？为什么？
21．奥氏体不锈钢的耐磨性能否通过淬火来强化？为什么？可通过何种方法来强化？
22．下列说法正确吗？
（1）所有合金元素都阻碍奥氏体晶粒长大。
（2）合金元素能提高钢的回火稳定性。
（3）奥氏体不锈钢能淬火强化。
（4）T12钢与20CrMnTi钢相比，淬透性与淬硬性都较低。
（5）Ti、V、Zr等合金元素主要是提高钢的淬透性。
（6）淬火回火是钢的一种最经济、最有效的强韧化方法。
（7）高速工具钢淬火后硬度较其他工具钢高，故能进行高速切削。
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