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工业用钢及热处理8._图文

课程教学模块8:工程材料及其热处理 ——课题8

本课题重点与难点
教 学 重 点 1、钢的分类。 2、合金元素在钢的作用及应用。 3、 渗碳零件,调质钢,弹簧钢,
轴承钢热处理工艺

教 学 难 点

渗碳零件,弹簧钢,调质钢热处理工艺

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工业用钢及热处理
引言——

工业用钢按化学成份分为碳素钢和合金钢两大类。 碳素钢为含碳量小于2.11%的铁碳合金,具有较好的力 学性能和工艺性能。但由于碳素钢的淬透性低,回火 稳定性差,基本相软弱,很多方面不能满足更高的要 求,诸如耐腐蚀性,高强度……
合金钢定义: 合金钢就是在碳钢的基础上,为改善钢的 性能,在 冶炼时有目的地加入一种或数种合金元素的所获得的 钢。 钢的种类繁多,为了便于生产、使用、管理,可按以 下几种方法分类。 2

1.按化学成分分类 按化学成份可将钢分为碳素钢和合金钢。碳素钢根据 含碳量分为低碳钢、中碳钢和高碳钢。合金钢根据合金 元素含量分为低合金钢、中合金钢和高合金钢。 2.按质量分类 钢的质量是以硫、磷的含量来划分的。根据硫、磷的 含量可将钢分为普通质量钢、优质钢、高级优质钢和特 级优质钢。 3.按冶炼方法分类 根据冶炼所用炼钢炉不同,可将钢分为平炉钢、转炉 钢和电炉钢。 4.按金相组织分类 在退火组织可将钢分为亚共析钢、共析钢和过共析钢。 按正火组织可将钢分为珠光体钢、贝氏体钢、马氏体钢、 铁素体钢、奥氏体钢和莱氏体钢等。 5.按用途分类 按用途可将钢分为结构钢、工具钢和特殊性能钢。
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钢中常存杂质元素对性能的影响 钢中常存杂质元素主要是指锰、硅、硫、磷及氮、氢、 氧等。这些元素在冶炼时或者由原料、燃料及耐火材 料中带入钢中,或者由大气进入钢中,或者脱氧时残 留于钢中,它们的存在会对钢的性能产生影响。 1.硅和锰的影响 硅和锰在钢中均为有益元素,能溶于铁素体中起 固溶强化作用,提高钢的强度和硬度。 2.硫和磷的影响 硫和磷在钢中都是有害元素。硫在钢中以FeS的 形式存在,使钢变脆,产生热脆性。控制在0.05%以 下,MnS对断屑有利。磷可溶于铁素体中,使钢的 强度、硬度显著增加。但使钢脆化,产生冷脆性。

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3. 气体元素的影响 氮:室温下氮在铁素体中溶解度很低,钢中过 饱和的氮在常温放置过程中会以Fe4N形式析出而 使钢变脆,称为时效脆化。在钢中加入Ti、V、Al 等元素可使氮以这些元素氮化物的形式被固定, 从而消除时效倾向。 氧: 氧在钢中主要以氧化物夹杂的形式存在, 氧化物夹杂与基体的结合力弱,不易变形,易成 为疲劳裂纹源。 氢:常温下氢在钢中的溶解度很低。当氢在钢 中以原子态溶解时,降低韧性,引起氢脆。当氢 在缺陷处以分子态析出时,会产生很高的内压, 形成内裂纹,其内壁为白色,称为白点或裂纹。

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合金元素在钢中的主要作用 1.合金元素对钢中基本相的影响 铁素体和渗碳体是碳素钢中两个基本相,合 金元素进入钢中将对这两个基本相的成分、结 构和性能产生影响。 (1)溶于铁素体,起固溶强化作用 加入钢中的非碳化物形成元素及过剩的碳化 物形成元素都将溶于铁素体,形成合金铁素体, 起固溶强化作用。从几种合金元素对铁素体硬 度和韧性的影响可以看出,Si、Mn的固溶强化 效果最显著,但其含量超过一定值后,铁素体 的韧性将急剧下降,而Cr、Ni在适当的含量范 围内不但能提高铁素体的硬度,而且还能提高 其韧性。因此为了获得良好的强化效果,应控 制固溶强化元素在钢中的含量。
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(2)形成碳化物 加入到钢中的合金元素,除溶入铁素体外,还能 进入渗碳体中,形成合金渗碳体,如铬进入渗碳体 形成(Fe,Cr)3C。当碳化物形成元素超过一定量后, 将形成这些元素自己的碳化物。合金元素与碳的亲 和力从大到小的顺序为:Zr、Ti、Nb、V、W、Mo、 Cr、Mn、Fe。合金元素与碳的亲和力越大,所形成 化合物越稳定、熔点、分解温度、硬度、耐磨性就 越高。在碳化物形成元素中,钛、铌、钒是强碳化 物形成元素,所形成的碳化物如TiC、VC等;钨、 钼、铬是中碳化物形成元素,所形成碳化物如 Cr23C6、Cr7C3、W2C等;锰、铁是弱碳化物形成 元素,所形成的碳化物如Fe3C、Mn3C等。碳化物 是钢中的重要组成相之一,其类型、数量、大小、 形态及分布对钢的性能有着重要的影响。
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? 合金元素对钢的工艺性能的影响

1. 合金元素对钢热处理工艺性能的影响 ? 热处理工艺性能反映钢热处理的难易程度和 热处理产生缺陷的倾向。主要包括淬透性、过热 敏感性、回火脆化倾向和氧化脱碳倾向等。合金钢 的淬透性高, 淬火时可以采用比较缓慢的冷却 方法,可减少工件的变形和开裂倾向。即提高淬 透性,提高回火抗力。加入锰、硅会增大钢的 过热敏感性。

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① 提高耐回火性(回火抗力) 淬火钢在回火过程中抵抗硬度下降的能力称为 耐回火性(也称回火稳定性)。由于合金元素阻 碍马氏体分解和碳化物聚集长大过程,使回火时 的硬度降低过程变缓,从而提高钢的耐回火性。 因此,当回火硬度相同时,合金钢的回火温度比 相同含碳量的碳钢高,这对于消除内应力是有利 的,而当回火温度相同时,合金钢的强度、硬度 要比碳钢高。 ② 产生二次硬化 含有高W、Mo、Cr、V等元素的钢在淬火后回 火加热时,由于析出细小弥散的这些元素碳化物 以及回火冷却时残余奥氏体转变为马氏体,使钢 的硬度不仅不下降,反而升高,这种现象称为二 次硬化。
③ 防止第二类回火脆性 在钢中加入W、Mo可防止第二类回火脆性,这对于需 调质处理后使用的大型件有着重要意义。 P138

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? 2.合金元素对钢塑性加工性能的影响

塑性加工分热加工和冷加工。合金元素 溶入固溶体中, 或形成碳化物(如Cr、Mo、 W等), 都使钢的热变形抗力提高和热塑性明 显下降而容易锻裂。一般合金钢的热加工 工艺性能比碳钢要差得多。 ? 3. 合金元素对钢焊接性能的影响 ? 合金元素都提高钢的淬透性, 促进脆性组 织(马氏体)的形成, 使焊接性能变坏。但钢 中含有少量Ti和V, 可改善钢的焊接性能。
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? 4.

合金元素对钢切削性能的影响 切削性能 与钢的硬度密切相关, 钢是适合于切削加工 的硬度范围为170HB~230HB。一般合金 钢的切削性能比碳钢差。但适当加入S、P、 Pb铅等元素可以大大改善钢的切削性能。

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合金元素对钢铸造性能的影响 ? 固、液相线的温度愈低和结晶温区愈窄, 其铸造性能愈好。合金元素对铸造性能的 影响, 主要取决于它们对Fe-Fe3C相图的影 响。另外, 许多元素, 如Cr、Mo、V、Ti、Al 等在钢中形成高熔点碳化物或氧化物质点, 增大钢的粘度, 降低流动性, 使铸造性能恶 化。
? 5.

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总之:合金元素在钢中的作用有:提高钢的 淬透性,细化晶粒,提高钢的回火稳定性, 防止回火脆性,二次硬化,固溶强化,第 二相强化(弥散强化),细晶强化,增加 韧性,提高钢的耐蚀性或耐热性。不同的 合金元素在不同的钢中的作用是不一样。

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合金钢的分类及牌号 合金钢的分类常用下面的两种分类。 用途分类: a.合金结构钢; b.合金工具钢; c.特殊性能钢。 按合金元素总质量分数分类: a.低合金钢:<5% b.中合金钢:5%10% c.高合金钢:>10% (P139按硫磷质量分数分类)
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①合金结构钢的牌号: 合金结构钢的牌号采用两位数字+元素符号 (或汉字)+数字表示。 如:40Cr钢:表示平均含碳量为0.4%,含铬 约为1%的合金结构钢。 60Si2Mn:表示平均含碳量为0.6%,含硅约 为2%,含锰约为1%的合金结构钢

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②合金工具钢的牌号: ? A、含碳量小于1%时,用一位数字表示含碳量的千 分数。 ? 如:9 SiCr:表示平均含碳量为0.9%,含硅约为1%, 含铬约为1%的合金工具钢。 ? B、含碳量大于1%时,在钢牌号前不用数字表示含 碳量。 ? 如:Cr12MoV:表示平均含碳量大于1%,含铬约为 12%,含钼约为1%,含钒约为1%的合金工具钢。 ? ③特殊性能钢: ? A、不锈钢:2Cr13 C=0.2% Cr=13% ? C=0.03%~0.10% 用0,如:0cr18Ni9 ? C<0.03%时,用00 如:00Cr30Mo2 ? B、专用钢:钢前用汉语拼音字母: ? 如:GCr15 GCr15SiMn
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合金结构钢 一、低合金结构钢: 低合金高强度结构钢: 性能:塑性、韧性、耐蚀性和焊接性均比同含碳 素的碳钢高。 应用:桥梁、船舶、车辆、锅炉、压力容器起重 和线等。 牌号:Q295 各种容器、储油罐、低压锅炉造船; Q345 锅炉、车辆等; Q390 起重机等; Q420 高压容器、重型机械等。 低合金耐钢:车辆、塔架 低合金专业用钢
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结构钢及其热处理
结构钢分类:工程结构钢和机械零件用钢 渗碳刚及其热处理 渗碳用钢是指经渗碳淬火、回火后的用钢。 主要作用:表面承受强烈摩擦和磨损,同时承受交变 载荷和冲击载荷

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渗碳钢及其热处理
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1.化学成分:含碳量0.10-0.25%的合金钢,主要加入能提 高淬透性的Mn、Cr、Ni等元素; 2.性能特点:经热处理后表硬里韧、耐磨性及抗疲劳性好; 3.渗碳件一般的工艺路线: 渗碳工序位置 (1)整体渗碳的工艺路线一般为:

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下料→锻造→退火(正火)→粗加工、半精加工→渗碳→淬火、 低温回火→磨削。 (2)局部渗碳的工艺路线一般为: 下料→锻造→退火(正火)→粗加工、半精加工→保护非渗碳 部位→渗碳→切除防渗余量→淬火、低温回火→磨削。
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用途 应用很广,主要用于制造渗碳零件,如变速齿轮、 内燃机凸轮轴等各种表面耐磨件。 ? 常用的渗碳钢
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低淬透性渗碳钢:15Cr、20Cr等,心部强度低,尺寸和 载荷小的齿轮和滑块; 中淬透性渗碳钢:20CrMnTi、20CrMn等,心部强度较 高,用于制造中等强度的耐磨零件,如汽车、拖拉机的变速 齿轮、齿轮轴等; 高淬透性渗碳钢:18Cr2Ni4WA、20Cr2Ni4A等,淬透 性很高。用来制造承受重载荷和强烈磨损的重要零件,如飞 机、坦克中的曲轴及重要齿轮等。

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以20CrMnTi渗碳钢制造汽车变速齿轮为例: 下料—毛坯锻造—正火—切削加工(加工齿形) —渗 碳(930℃)+预冷淬火(830℃)—低温回(200℃) —喷 丸—磨削加工

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喷丸处理:是一种表面强化处理.是用砂粒(石英砂、钢砂和 铁砂)高速撞击在材料表面,使其表面产生形变强化层. 常用的表面强化处理方法有以下几种: 1.表面覆盖层强化法, 使材料表面获得特殊性能的覆盖层,如气相沉积层、镀覆 层、喷涂层等,以达到提高强度、耐磨、耐蚀、耐疲劳等 目的。2.表面形变强化法,表面通过喷丸、滚压、挤压等 产生形变强化层,从而获得较高的疲劳强度的工艺方法。 3.表面热处理强化法。通过化学热处理(如渗碳、渗氮、渗 硼等)、表面淬火(感应加热、火焰加热表面淬火)等方法使

表面强化。

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调质钢及其热处理
在调质处理后使用的钢种,主要用于制造受力复杂的汽车、 拖拉机、机床及其他各种重要零件。

1.性能要求:良好的综合力学性能;良好的淬透性。 化学成分与热处理特点 1.成分特点:中碳:含碳量为0.25%-0.50%;主加合 金元素为Mn、Si、Cr、Ni、B主要提高淬透性。 2.热处理特点:预备热处理+最终热处理(淬火+高温 回火) 3.调质件一般的工艺路线:

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典型调质零件的热处理工艺
合金调质钢 低淬透性调质钢:45、40Cr,用于制造尺寸较小的齿轮、 轴、螺栓等。 中淬透性调质钢:40CrNi,用于制造截面较大的零件,如 曲轴、齿轮等 高淬透性调质钢:40CrNiMo,用于制造大截面、重载荷 的零件,如汽轮机主轴、叶轮、航空发动机等。

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弹簧钢及其热处理

用途:用来制造弹簧(缓和冲击、吸收振动、存能) 要求:高的弹性极限和屈强比、高的疲劳强度、足够的塑性和韧 性、其他性能(热处理、耐热、耐腐蚀)

弹簧钢的化学成分与热处理性能
1.化学成分:中、高碳含碳量在0.6%~0.9%的合金钢。由 于合金元素使共析点s左移,因此含碳量可减少为0.45%0.75%。低合金主要加入元素是硅和锰锘,提高淬透性和屈强 比; 2.热处理及成形特点:热成形与冷成行,淬火+中温回火; 3.组 织:回火屈氏体; 4.热处理特点: 冷成形弹簧:对于钢丝直径小于10mm的弹簧,通过冷拔 (或冷拉)、冷卷成型;冷卷后的弹簧不必进行淬火处理,只需 进行一次消除内应力和稳定尺寸的定型处理,即加热到250~ 300℃,保温一段时间,从炉内取出空冷即可使用。
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热成形弹簧:直径大于10-15mm,在高于淬火温度热 卷成形,然后淬火+中温回火(350—500℃),得到回 火屈氏体组织。 典型钢种(碳素弹簧钢、合金弹簧钢)
碳素弹簧钢:Si、Mn弹簧钢:代表性钢种65Mn、 60SiMn,主要用于制造较大截面的弹簧,如汽车、拖拉机的 板簧、螺旋弹簧等; 合金弹簧钢:Cr、V弹簧钢:代表性钢种50CrV,主要用 于大截面、大载荷、耐热的弹簧,如阀门弹簧、高速柴油机的 气门弹簧等。

弹簧工艺P147
气阀螺旋弹簧:1、性能要求 2、工作条件 下料→绕簧→去应力→淬火+中温回火→表面强化→压缩→校正 →二次去应力→检查 热处理:淬火+中温回火
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汽车板簧: 1、性能要求 2、工作条件
下料→校直→钻孔→卷耳→淬火+ 高温回火→喷丸→装配→与压 缩

热处理:淬火+ 高温回火

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滚动轴承钢及其热处理 ? 1.用 途:主要用来制造滚动轴承的内外圈,滚动体等; 2.性能要求:高的接触疲劳强度和弹性极限 3.搞的硬度和耐磨性 4.有一定的耐腐蚀性 ? 应用:制造滚动轴承; 如滚动轴承钢: GCr15 GCr15SiMn 化学成分及热处理特点: 化学成分:含碳量0.95-1.10%,含铬量0.4-1.65% 热处理及组织:预先热处理:球化退火; 最终热处理:淬火+低温回火 使用状态下组织:回火马氏体+细小碳化物+残余奥氏体。 2.牌 号:
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典型滚动轴承钢的热处理工艺 GCr15应用最广泛,用该钢为例 1、加工工艺路线 套圈 锻造→球化退火→机械加工→淬火→低温回火→磨削 滚珠 冷镦→淬火→低温回火 2、热处理工艺(详见P151) 3、淬火缺陷及预防措施(详见P151)

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工业用钢及其热处理
工具钢及其热处理 1、工具钢概述 2、刃具钢及其热处理 3、模具钢及其热处理 4、量具钢及其热处理 特殊性能钢及其热处理 1、不锈钢及其热处理 2、耐热钢及其热处理 3、耐磨钢及其热处理
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工具钢概述
在现代工业中用于制造刃具、模具和量具等工具的材 料称为工具(钢含碳量在0.6%—1.3%)。 根据工作条件不同,对性能要求也不有所区别。如下: 1、高硬度高耐磨性 2、足够的强度和塑性 3、一定的韧性 4、热稳定性好 5、热疲劳性能好 6、良好的工艺性能
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合金工具钢分为合金刃具钢、合金模具钢和合金量具 钢。 一、刃具钢及其热处理 常用刃具钢:碳素工具钢、低合金工具钢、高速钢
刃具钢的性能要求 作用:合金刃具钢主要用来制造车刀、铣刀、钻头等 各种工具,制造各种金属切削刀具的钢种。 性能要求: 高的硬度:高的硬度,HRC > 60 高耐磨性:耐磨性取决于硬度、韧性和碳化物; 高的热硬性:钢在高温下保持高硬度的能力; 足够的韧性和塑性:以免刀具在使用过程中崩 刃、折断。
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1.碳素工具钢 1)牌 号:T×[×][A];×[×]——含碳千分之 几,[A]:高级; 2)典型钢种:T7、T7A、T8、T8A、……、 T13A; 3)用 途:冲头、凿子要选用T7、T8等;车刀、 钻头可选用T10;精车刀、锉刀则选用T12, T13。 4)优点:成本低,耐磨性和加工性较好,在 受用工具和机用低速工具上广泛应用; 5)缺点:热硬性差,淬透性低,只适于制作 尺寸不大、形状简单的低速刀具。 6)碳的质量分数为0.65%—1.35% 7)热处理特点 34 锻造(锻压比>4)—球化退火—淬火—回火

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2.低合金刃具钢
低合金刃具钢是在碳素工具钢的基础上加入少量 合金元素的钢。由于合金的作用热处理后具有较高 的硬度和耐磨性. 如:9 SiCr:制造丝锥、板牙、铰刀等。 CrWMn:制造长铰刀、拉刀等。 化学成分:低合金刃具钢含碳量0.8%—1.5%,在 碳素工具钢的基础上加入少量合金元素,在保持高 碳的同时,加入Cr、Mn、Si、W、V等合金元素; 低合金刃具钢的预备热处理是球化退火,最终热处 理是淬火后低温回火。
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牌号

用 途:广泛用于制造形状复杂、要求变形小的低 速切削刃具,如丝锥、板牙等,也常用作 冷冲模; 优 点:淬火后的硬度与碳素工具钢处于同一范 围,但淬火变形小、开裂倾向小; 典型钢种:9SiCr。

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3、高速工具钢(高合金工具钢): 制造高速切削刀具用钢 1)牌 号:W[×]□[×]□[×]□[×],□-合金元 素, [×]-合金元素含量; 2)化学成分:含碳量为0.7%-1.6%,主要加入的 合金元素是Cr、W、Mo、V; 3)高速钢的加工工艺路线: 下料—锻造—退火—机加工—淬火+回火—喷砂— 磨削加工 4)典型钢种: W18Cr4V(详见115页表) 5) 用途:主要用于制造高速切削刀具,如车刀、 刨刀、铣刀、钻头等 6)特点:高速钢价格昂贵,为充分发挥其性能和 节省材料,常采用焊接或镶拼高速钢刀头,如直径 大于10mm的钻头,采用45钢做刀柄。
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7)高速钢一般都进行3次热处理,之后还经常进行 表面热处理

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模具钢
? 模具钢
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用于制造各种冷热模具的钢种 一、冷作模具钢 用于制造各种冷成型模具,如冷冲模、冷挤压模、 冷墩模和拔丝模等。工作温度不超过200-300℃ 1)对性能的基本要求:高的硬度和耐磨性;较高 的强度和韧性;良好的工艺性。 2)冷作模具钢的类型:碳素工具钢和低合金工具 钢;耐冲击工具用钢;高碳高铬模具钢。 3)化学成分 高碳:一般在1% 个别达2.0% 高合金:常有的Cr、Mn、Mo、W、V等细化晶粒 39 提高耐磨 ,Cr、Mn提高淬透性

二、热作模具钢 用于制造各种使加热金属或液态金属成型的模具, 如热锻模、热压模、热挤模和压铸模等。 1)对性能的基本要求:高温下良好的力学性能; 高的抗热疲劳性能;高的淬透性和良好的导热性; 高的抗氧化性。 2)钢种:热锻模钢;压铸模钢。详见P163页表 3)合金热作模具钢含碳量0.3%—0.6%之间 属中合金钢,主加元素Cr、Ni、Si等。 4)热处理路线:小热锻模一般加工后淬火、回火 大中型:锻造—退火—机械加工—淬火—回火 P164热处理范围及应用
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量具钢
量具钢 ? 用于制造各种量测工具,如卡尺、千分尺、快规、 塞规及螺旋测微仪 1)对性能的基本要求:高的硬度和耐磨性,尺寸 稳定性高,热处理变形小;低的表面粗糙度和耐腐蚀 等。 2)量具用钢:一般非精密量具,可选碳素工具钢 (T10A、T12A)或低碳钢(15、20);对精密量具,选 用CrWMn、Cr2、GCr15钢;在腐蚀条件下选用不锈 钢4Cr13、9Cr18等。 3)热处理:以CrWMn钢制块规为例,加工工艺路 线如下:下料—锻造—球化退火—机械加工—淬火— 深冷处理—低温回火—粗磨—人工失效—精磨—去应 力处理—研磨 4)量具钢含碳量在0.90%—1.50%之间 41
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深冷处理 量具淬火后,应立即在-70---80℃进行深冷处理, 目的是尽可能减少钢中的残余奥氏体,稳定量具尺寸。 时效处理 对精度要求高的量具,经深冷处理在进行低温回 火、粗磨之后,又要用低温时效处理,以进一步稳定 残余奥氏体和消除残余应力。

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特殊性能钢
? 不锈钢 ?

在腐蚀性介质中具有抗腐蚀性能的钢 1.用途:主要在石油、化工、海洋开发、原 子能、宇航、国防工业等领域用于制造在各种 腐蚀介质中工作的零件和结构; 2.性能要求:耐蚀性; 3.成分特点:含碳量在0.03%-0.95%;合金 元素:Cr、Ni、Mo。

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? 耐热钢
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指在高温下具有良好的抗氧化性和高温 强度的专用钢;多用来制作在高温下工作 的锅炉、汽轮机、燃气机和内燃机的某些 零件或构件。

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? 耐磨钢 ?

指在冲击载荷作用下发生冲击硬化作用 的高锰钢 1.用 途:用于既承受严重磨损又承受强 烈冲击的零件; 2.化学成分:高碳:含碳量为0.75%1.45%;高锰:含锰量为11%-14%; 3.热处理及组织:由于加工困难,铸造 后直接使用; 4.应用最广的GCr4,GCr15, GCr15SiMn钢。
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