合金钢及热处理工艺
第一篇结构钢
各类结构钢的含碳量及热处理方法
第一节调质钢
调质钢分低淬透性调质钢中淬透性调质钢高淬透性调质钢
一、低淬透性调质钢油淬临界直径最大为30~40mm，合金元素种类少，总含量不大于 2.5%，常用的有铬钢、锰钢、铬硅钢和含硼钢。如30Cr、35Cr、40Cr、45Cr、30Mn2、
35Mn2、40Mn2、45Mn2、50Mn2、42Mn2V、40MnB等
（一）40Cr过热倾向不大，淬火性较好，回火稳定性较高，经调质后能获得较高的综合机械性能。因此它是应用最广的调质钢之一。 40Cr有两种加工路线；1）硬度较高（HB341~451）锻造-正火（退火）-加工-调质
2）硬度较低（HB255~285）锻造-调质-加工调质前是否进行正火或退火，关键在于锻造的掌握上，掌握得好，可以从略。淬火温度水淬830~850℃；油淬850~870℃。40Cr也可以制造经表面硬化处理的零件，如气体碳氮共渗，感应加热。
（二）45Mn2能促进钢的晶粒长大，显著提高钢的淬透性，45Mn2有较敏感的回火脆性，高温回火后要快冷（水或油中冷却）。淬火温度810~840℃，油淬。 （三）硅锰钢硅全部溶入铁素体，固溶强化效果显著，但含量过多（＞2%）将会较多地降低塑性和韧性。硅能提高淬透性，单一不明显，与锰或铬复合加入，效果显著。但与锰或铬共存，回火脆性敏感。此外，含硅的钢易产生脱碳现象。
常用的有35SiMn和42SiMn，它们既没有锰钢那样容易过热，也没有硅钢那样容易脱碳，但高温回火后必须快冷。
（四）含硼调质钢硼突出的作用是提高淬透性，并且加入量很少（0.0005~0.001%）时就效果显著，当有效硼在0.001%以下时，淬透性随含硼量增加增加，当超过0.001%，淬透性保持不变，超过0.003%，冲击韧性下降，即”硼脆”超过0.007%引起热脆性，增加热加工困难.含硼量一般都控制在0.0005~0.0035%，可代替1.6%Ni、0.3%Cr、0.2%Mo、0.2~0.7%Mn 的作用.微量硼对钢的过热倾向与回火脆性倾向略有增大的作用，而对回火稳定性则无
影响.在淬火冷却时，硼有促进未淬透部分出现针状铁素体的作用，使钢的韧性降低，40MnB锻造后，为改善组织，提高切削性，进行预先热处理，通常采用正火，而不是退火，以防止硼相析出造成硼脆。正火的温度在850~900℃，空冷。40MnB的淬透性和调质后的机械性能与40Cr相当，切削性良好。
二、中淬透性调质钢
这类钢油淬直径约40~60mm，通常是含有两种以上合金元素的合金钢，如铬镍钢、铬锰钢、铬钼钢、铬锰硅钢等。
（一）铬镍钢
1．镍在钢中的作用其一在提高强度的同时，不降低塑性和韧性，甚至还有提高；其二，降低脆性转 变温度，获得良好的低温韧性。镍单独加入钢中，对提高淬透性作用不大，与铬同时加入却显著增加钢的淬透性，并获得良好的综合机械性能。
2．40CrNi钢铬的含量虽然不及40Cr钢多，但由于铬、镍的共同作用，其淬透性远较40Cr高，40CrNi钢过热敏感性较小，回火稳定性较高。第二类回火脆性较严重，在450~550℃回火时，必须快冷。预先热处理多用完全退火，加热温度一般取820~850℃之间，经保温后炉冷至600℃出炉空冷。预先热处理也可采用正火加高温回火，正火温度870~900℃，回火温度在600~700℃之间，回火后油冷。
bbzs（二）铬锰硅钢
特点：铬锰钢机械性能接近铬镍钢，但过热倾向较大，低温冲击韧性也较差，故应用不多。在铬锰钢基础上加入1%左右的硅，构成了铬锰硅钢，硅的加入提高了强度而不降低韧性。因此铬锰硅钢的最大优点是在高强度下，具有足够的韧性。此外，还具有良好的焊接性，缺点是回火脆性很敏感，各向异性和脱碳倾向也较明显。常用的有30CrMnSi 30CrMnSi是一种高强度的调质钢，常用作重要零件或焊接构件，如高压鼓风机叶片、阀板等。
（三）铬钼钢
铬钢中加入微量的钼可以消除钢的回火脆性，并能防过热，进一步提高淬透性。铬和钼同时加入使钢
调质后能获得较高的强度和冲击韧性。此外，钼还具有较好的抗回火能力和抗蠕变能力，提高钢的耐热性。因此，铬钼钢是一种具有良好的常温和高温综合机械性能。
常用的35CrMo，调质后综合机械性能良好，淬透性较高，高温下有一定的强度，长期工作温度可达500℃，因此常用来制造承受冲击、震动、弯曲、高负荷、大截面的重要零件，或强度要求高的、长期在高温（<500℃）下工作的零件。也可用作较高强度的焊接件，此外，也用作渗氮零件。
三、高淬透性调质钢
油淬临界直径大于60~100mm，属于多元合金钢主要有铬镍钼钢、硅锰钼钒硼钢、铬锰钼硼钢和硅锰钼钨钒钢，以及含镍更高的铬镍钢等。
（一）铬镍钼钢
在中碳铬镍钢中添加钼，可抑制回火脆性，减少过热倾向，并进一步提高淬透性和回火稳定性，减少过热倾向，并进一步提高淬透性和回火稳定性，使钢在调质后能获得很高的强度和韧性，所以铬镍钢是一种性能优良的钢种。常用的是40CrNiMo，它淬透性高，强度高，室温及低温韧性都良好，可用于制造强度高、截面较大或在很低温度下工作要求高韧性的重要零部件，如轮机轴、连杆等。一般情况对回火脆性不敏感，但对大截面零件，高温回火后还要在水中或油中冷却，否则冲击韧性将会降低。
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（二）不含铬镍的高淬透性调质钢
由于铬镍比较稀缺面贵，所以研究出一些代替40CrNiMo的新钢种主要有：30SiMn2MoV、37SiMn2MoWV等，利用硅、锰、钼、钨等元素的适当配合，获得高淬透性、高强度和高的韧性。钢中的钒，主要是为了细化晶粒，钼、钨、钒还可增加高温回火稳定性，从而提高强度。此外，钼、钨皆减少回火脆性倾向。
四、含铝渗氮专用钢
看门狗芯片渗氮用钢是专门用来制造高硬度、特别耐磨的、需经氮化处理的机器零件的钢。普通碳钢是不能作为渗氮用钢，只有那些含有一定的合金元素，能够在渗氮过程中形成稳定性很高的氮化物，且有较高淬透性和回火稳定性的合金钢才能够作为渗氮用钢。目前应用最广的和最成熟的只有38CrMoAlA一种。铝与氮有较强的亲和力，能形成稳定的和高硬度的并且具有高红硬性的氮化物，从而获得高耐磨性的表面。铬在钢中主要是增大钢的淬透性，提高强度，改善钢件心部的性能。至于钼的作用，主要是防止长期渗氮过程中引起的回火脆性，并提高钢的淬透性。铝在钢中有升高临界点、减缓奥氏体形成和均匀化过程（含铝的铁素体稳定性较高）的作用，因此，38CrMoAlA淬火的加热温度要高（一般在900℃以上），保温时间也要长（约为一般使金结构钢的1.5倍）。此外，铝及钼在钢中均增大脱碳倾向，加热时要多加注意。38CrMoAlA淬透性并不高，油淬时，其临界直径只有30mm。
一、化学成分特点
含碳量含碳量的高低，主要是根据渗碳件心部的强度和韧性的要求来确定的，这适应零件在使用条件下可能受到较大冲击载荷的情况，一般都控制在0.1~0.2%的范围内。
合金元素加入合金元素的目的，在于增大淬透性，细化晶粒，改善渗碳性能
1．增大淬透性如铬、镍、锰、钼等
2．奥氏体晶粒渗碳温度高达900~950℃，时间长达10h以上，因此有心要加入一些能减少奥氏体晶粒长大倾向的元素来细化晶粒。这些元素多属于强的或较强的碳化物形成元素，如钛、钒、钨、钼等。
2．获得良好的渗碳性能（包括表面碳量适当，过度层平缓，渗碳速度快等到）常用渗碳钢
一、低淬透性渗碳钢合金元素总含量在2%以下，淬透性和强度都较低，常用的有铬钢和锰钢，
（一）铬钢20Cr应用较广，铬的加入，主要是提高淬透性，溶于铁素体中的铬又能强化铁素体，可提高心部的强度，淬火时可用油作冷却剂，减少变形，铬和碳的亲和力较强，在渗碳时，能强烈地促进
表面渗碳，使碳浓度增大。但使渗碳层容易形成网状碳化物。故20Cr渗碳时，最好选择较缓和的渗碳剂和较低的渗碳温度（900~920℃）。铬虽可减少钢的过热倾向，但在900~950℃长时间渗碳，心部晶粒仍有明显长大，故20Cr 钢不宜直接淬火。20Cr钢淬透性不大，油淬在16mm以下才能淬透。加入0.1~0.2%的钒，成为20CrV钢，钒可使钢在渗碳时晶粒不易长大，获得细晶粒，从而提高心部的强度、韧性和表面的耐磨性，并可在渗碳后直接淬火。
（二）锰钢像铬一样，锰能强烈地提高淬透性和强化铁素体，因此，出现了以锰代铬的渗碳锰钢，常用的是20Mn2。从淬透性来看，20Mn2比20Cr钢还好。从渗碳速度和对渗碳层碳的浓度梯度的影响来看，也没有不利影响，并且还可使渗碳层不易出现反常组织。但容易过热，因此，应用较低的渗碳温度，常用900~930℃，为了细化晶粒，渗碳可重新加热淬火，或进行两次淬火。为了细化晶粒，在锰钢中加入少量的钒（0.07~0.12%），形成锰钒钢。如20MnV，渗碳后可直接淬火，强度、韧性、塑性比20Mn2好，但淬透性较差。
压水堆核电厂的运行二、中淬透性渗碳钢
合金元素总含量约在2~5%，淬透性和强度较高（抗拉强度在1000~1200MN/m2）常用的有铬锰钢、铬锰钛钢、铬锰钼钢、铬镍钢等。
（一）铬锰钛钢铬与锰是强烈提高淬透性和强化铁素体的元素，但铬锰系钢过热倾向较大，渗碳时，
晶粒会显著长大。在铬锰钢的基础上加入少量（0.06~00.12%）的钛元素，形成铬锰钛钢，渗碳后，可直接淬火。如20CrMnTi，由于铬锰的复合作用，渗碳速度较快，渗碳后渗碳层表面含碳量适中，过渡层均匀，浓度梯度平缓。20CrMnTi是本质细晶粒钢，过热倾向小，渗碳后，经预冷可直接淬火。
（二）含硼渗碳钢是在渗碳锰钢的基础上，加入硼和钛或钒而发展起来的，如；20Mn2TiB、20MnVB、及20SiMnVB等，是为了代替20CrMnTi钢以节约铬的消耗。硼对渗碳性能的影响很小，它在渗碳钢中的主要作用仍然是增大淬透性，
三、高淬透性渗碳钢
合金元素总含量大于5%在低温回火状态下，具有很高的强韧性，抗拉强度高于1300MN/m2，有12Cr2Ni4A、18Cr2Ni4WA和20CrMoVB。
12Cr2Ni4A钢含铬镍量较高，属于半马氏体钢，具有很高的淬透性、强度及韧性，常用来制造尺寸较大的重要渗碳零件，此钢有明显的回火脆性倾向（在200~400℃）和形成白点倾向，予以注意。
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18Cr2Ni4WA由于有较多的铬、镍、钨元素，它们的复合作用抑制了过冷奥氏体向珠光体转变，使此类钢在任何截面情况下，空冷都可获得马氏体或贝氏体或两者的混合组织，属于马氏体类钢，具有很高的淬透性。综合机械性能也很好，特别是低温冲击韧性相当高，故是一种高级的渗碳钢。由于其中有镍的存在，渗碳后，表层很少出现粗
大碳化物，碳浓度分布平缓，不但硬度和耐磨性很高，而且抗疲劳性能也很好。但是，由于合金元素含量较多，渗碳后Ms降至80℃，M f处于零度以下，淬火后，产生大量残余奥氏体。为了减少渗碳层中的残余奥氏体量，可采取两种措施：其一，在渗碳淬火之后，接着进行冰冷处理（-70~-80℃，60min），最后再进行低温回火。其二，是渗碳空冷后，在650~680℃进行高温回火4~8h（有时进行多次），为的是使渗碳层中的高碳高合金度的马氏体和残余奥氏体发生分解，再进行淬火和低温回火。18Cr2Ni4WA也可在调质状态下使用，具有高的综合机械性能。18Cr2Ni4WA钢的切削性极差，一般是在高温回火状态下进行。
第三节弹簧钢
一、弹簧钢的化学成分特点
碳的含量碳是保证钢获得高强度的基本元素，合金钢碳含量：0.50~0.75%；碳钢碳含量：0.60~0.90%，含碳量过低会使强度下降，过高会使塑性下降，不利于加工成型，也因缺口敏感性增大而降低安全可靠性。
合金元素的加入主要是提高钢的弹性极限、提高淬透性并获得良好的工艺性能。经常加入的元素有：锰、硅、铬、钒、钨等。其中锰、硅是强化铁素体元素，能提高弹簧钢的屈服强度。锰和硅、铬都能提高钢的淬透性，以保证大截面弹簧有良好的机械性能。铬、钼、钨除能提高钢的淬透性外还能提高
钢的回火稳定性。钨、钼也能提高钢的屈服强度。钒、铌能细化晶粒，从而提高钢的强度和韧性，对疲劳极限也有良好的作用。此外，对磷、硫等杂质含量也作了规定。
二、常用弹簧钢
（一）碳素弹簧钢主要牌号是65钢，经热处理后可以得到较高的强度和适当的韧性，但淬透性低，变形后也难以校正，所以只适合于制造较小尺寸的弹簧。
（二）锰弹簧钢主要是65Mn钢，钢中加入0.8~1.2%锰使淬透性有所提高，脱碳倾向减少，但有过热倾向。锰弹簧钢，价格便宜，资源丰富，可制作截面尺寸为8~15mm 左右的小型弹簧。脱硝催化剂成分
（三）硅锰系弹簧钢最典型的是55Si2Mn，硅、锰的加入，使铁素体显著强化。硅加入能提高弹性极限，疲劳极限也有所提高，性能优于锰弹簧钢。随着含硅量的提高，淬透性也提高。硅量的增加也使钢的回火稳定性有所提高。硅的缺点是使钢有脱碳倾向，为了克服这些缺点，可加入锰。因此硅锰弹簧钢得到广泛应用。
（四）铬系弹簧钢最典型的是50CrV A，加入1%的铬，能提高淬透性，回火稳定性，钒能形成稳定的VC化合物，阻碍奥氏体晶粒长大，从而细化晶粒，从而提高强度和韧性。50CrV A钢不但有一但有好的淬透性、高的强度、并有高的回火稳定性，在500~550℃回火后，仍有高的强度极限和屈服极限。
因此，此钢可作大截面的受拉力较高的螺旋弹簧，以及工作温度低于300℃的气阀弹簧、喷油嘴弹簧等。
在钢中加入钨、铬、钒能大大提高回火稳定性，30W4Cr2V A就是一种高强度耐热弹簧钢，可在≤500℃条件下使用。
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