机械制造工程_4.1工程金属材料(3)

a.刃具钢

刃具钢主要指制造车刀、铣刀、钻头等切削刀具的钢种，工作任务就是通过切削加工将钢材或坯料加工成为工件。在切削时，刃具受到工件的压力，刃部与切屑之间发生相对摩擦，产生热量使温度升高；切削速度越大，温度越高，有时可达500～600℃；此外，还承受一定的冲击和震动。根据刃具的工作条件，通常对刃具钢提出如下性能要求：

高硬度和高耐磨性能 刃具钢的耐磨性取决于钢的硬度以及碳化物的性质、数量、大小、分布状态。淬火刃具钢的硬度主要决定于含碳量，含碳量都在0.65%～1.5%之间，硬度为60～65HRC。通常，钢的硬度越高，耐磨性越好，如当钢的硬度值提高2～3HRC值时，耐磨性可提高25%～30%。

足够的强度、塑性和冲击韧性 为防止刃具受冲击或震动时折断和崩刃，通过添加适当合金元素并配以合理的热处理工艺使刃具钢具有足够的强度、塑性和冲击韧性。

高红硬性 在高温下刃具钢保持高硬度的能力称为红硬性，是通过在钢中添加熔点高、而且能形成难溶碳化物的合金元素（W、V、Nb等），提高钢的回火稳定性来达到的。

合金刃具钢分为两类：低合金刃具钢和高合金刃具钢。

ⅰ）低合金刃具钢

低合金刃具钢是在碳素工具钢的基础上，加入一些合金元素（总含量小于5%）发展起来的。低合金刃具钢除了高的含碳量以外，常加入Cr、Mn、Si、Mo、V等合金元素。最常用的低合金刃具钢是9SiCr和CrWMn。

9SiCr钢具有较高的淬透性、红硬性和较好的不变形性。适用于制造变形要求小的薄刃刀具，如丝锥、板牙、铰刀等。

CrWMn钢具有高淬透性、高强度（64～66HRC） 和高耐磨性，但红硬性不如9SiCr钢。由于这种钢的淬火变形很小，故有“微变形钢”之称，适合于制造截面较大、切削刃口不剧烈受热、耐磨性要求高的工具，如长丝锥、长铰刀、拉刀等，也可做量具和冷冲压模具。

综上所述，低合金工具钢比碳素工具钢具有较高的淬透性、较好的红硬性，适于制造截面较大、形状复杂、受力较大、要求耐磨性较好的刃具，但不适合高速和强力切削条件。

ⅱ）高合金刃具钢

高合金刃具钢又称为高速钢，钢中含有W、Mo、Cr、V等合金元素，且总量超过10%。用高速钢制成的刀具在切削时比低合金刃具钢刀具更加锋利，所以又被称作锋钢。高速钢更主要的特性是具有良好的热硬性，当切削温度高达600℃左右时，其硬度仍无明显下降，从而能比低合金刃具钢更具有更高的切削速度，所以高速钢因此而得名。常用的高速钢是W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2和W18Cr4VCo10。

高速钢是一种较贵重的工具钢，应尽量节约使用。

表4-7 常用合金工具钢的牌号、成分、主要性能及用途

牌 号	化学成分（%）								回火后HRC	用途举例
	C	Mn	Si	Cr	W	V	Mo	Ni
9Mn2V	0.85～0.95	1.70～2.00	≤0.35	--	--	0.10～0.25	--	--	60～62	丝椎、板牙、铰刀、样板、小型量规、小冲模、冷压模、雕刻模
9SiCr	0.85～0.95	0.30～0.60	1.20～1.60	0.95～1.25	--	--	--	--	60～62	板牙、丝锥、钻头、铰刀、齿轮铣刀、冷轧辊、冷冲模
W18Cr4V	0.70～0.80	0.10～0.40	0.20～0.40	3.80 ～4.40	17.50～19.00	1.00～1.40	≤0.30	--	＞63	高速切削用车刀、刨刀、钻头、铣刀、插齿刀
W6Mo5Cr4V2	0.95～1.95	0.15～0.40	0.20～0.45	3.80～4.40	5.55～6.75	1.75～2.20	4.50～5.50	--	＞64	高耐磨性和高韧性的特种刀具和成形刀具
Cr12MoV	1.45～1.70	≤0.40	≤0.40	11.00～12.50	---	0.15～0.30	0.40～0.60		55～63	冷切剪刀、圆锯、切边模、拉丝模、滚丝模、标准量具与量规
5CrNiMo	0.50～0.60	0.50～0.80	≤0.40	0.50～0.80	---	---	0.15～0.30	1.40～1.80	40～43	热压模、大型锻模
5CrMnMo	0.50～0.60	1.20～1.60	0.25～0.60	0.60～0.90	---	---	0.15～0.30		35～40	中型锻模
3Cr2W8V	0.30～0.40	≤0.40	≤0.40	2.20～2.70	7.50～9.00	0.20～0.50	---		44～48	高应力压模、螺钉、铆钉压模、热剪切刀、压铸模
CrWMn	0.90～1.05	0.80～1.10	0.15～0.35	0.90～1.20	1.20～1.60	---	---		62～65	板牙、拉刀、量规、形状复杂的高精度冲模
CrMn	1.30～1.50	0.45～0.75	≤0.35	1.30～1.60	---	---	---		62～65	各种量、块规

b.模具钢

根据工作条件不同，模具钢可以分为冷作模具钢和热作模具钢。冷作模具钢是指工件在冷态下成形的模具钢；热作模具钢是指工件在热态下成形的模具钢。

ⅰ）冷作模具钢

冷作模具如冷冲模、冷挤压模等工作时，承受复杂的应力、摩擦或冲击，所以冷作模具钢应具备以下性能要求：

高硬度和耐磨性，保证模具在工作时磨损小，形状、尺寸变化小。

高强度和足够的韧性，保证模具在工作时能承受各种载荷，不致发生崩角、早期疲劳和断裂。

常用的冷作模具钢有：Cr12、Cr12MoV、CrWMn、9Mn2V和W18Cr4V。

ⅱ）热作模具钢

热作模具如热锻模、热挤压模、高速锻模等工作时，受复杂应力作用，还承受炽热金属流动时产生的强烈摩擦力作用，并且在工作中反复受到炽热金属的加热和冷却介质冷却的交替作用，所以热作模具钢应具备以下性能要求：足够的硬度和耐磨性，良好的强韧性，良好的抗热疲劳性、抗氧化性，良好的导热性。

热作模具钢一般是中碳钢，加入合金元素主要有Cr、Ni、Mn、Si、W、V等，常用的热作模具钢有：5CrMnMo、5CrNiMo、3Cr2W8V、4CrSi等。5CrMnMo常用于制造中小型热锻模；5CrNiMo多用于制造大型热锻模；3Cr2W8V和4CrSi因具有更高的红硬性、导热性和抗热疲劳性，所以多用于制造压铸模。

c.量具钢

量具包括各种量规、块规、卡尺等度量尺寸和形状的工具。量具钢是用以制造量具

的钢种，应具备以下性能要求：高硬度、高耐磨性、高尺寸稳定性；良好的磨削加工性及较小的淬火变形；良好的耐腐蚀性能。

常用的合金量具钢有：CrWMn、CrMn、GCr15等。

常用合金工具钢的牌号、成分、性能和用途见表4-7。表中数据摘自GB1299-85及GB9943-88。

C.特殊性能钢

特殊性能钢是指除具有一定机械性能外，还具有特殊物理、化学性能的合金钢。机械制造中常用的特殊性能钢包括：不锈钢、耐热钢、耐磨钢和低温用钢等。特殊性能钢的牌号表示方法基本上与合金工具钢的相同。

a.不锈钢

在腐蚀介质中具有高的抗腐蚀性能的钢称作不锈钢，应具有抵抗空气、水、碱、盐类溶液或其他介质腐蚀作用的能力。所谓腐蚀是指金属与周围的化学介质接触时，因表面与化学介质发生化学的或电化学的作用而引起的破坏过程。

金属的腐蚀通常被分为化学腐蚀和电化学腐蚀两类。金属在干燥气体和非电解质溶液中，通过化学反应产生的腐蚀称作化学腐蚀，如金属在高温下产生的氧化现象。金属在电解质溶液中（如酸、碱、盐溶液）发生的腐蚀称作电化学腐蚀，腐蚀过程中有微电流产生。为了提高钢的耐腐蚀性能，通常可以采取以下措施：

在钢中加入一定量的合金元素（如Cr），使钢的基体的电极电位提高，从而提高其抗电化学腐蚀的能力；

在钢中加入一定量的合金元素（如Cr、Ni、Ti等），使钢形成单相组织，减少电化学腐蚀的可能性；

在钢中加入一定量的合金元素（如Cr等），使钢表面形成一层致密的氧化膜（又称钝化膜，如Cr2O3等），使钢的基体与外界隔绝，从而使里层金属不被腐蚀；

采用表面防腐的措施，如喷涂、电镀、发蓝、涂油膏等，使钢的基体与大气或电解质溶液隔开；

降低钢的含碳量，减少钢中合金碳化物的形成。

不锈钢按其正火组织分为：铁素体不锈钢、马氏体不锈钢、奥氏体不锈钢和双相不锈钢。

常用不锈钢的牌号、成分、性能和用途见表4-8。表中数据摘自GB1220-1992。

表4-8 常用不锈钢的牌号、成分、机械性能及用途

类别	钢 号	化学成分（%）			机械性能				用 途
		C	Cr	其他	σs (MPa)	σb (MPa)	δ (%)	硬度
马氏体钢	1Cr13	≤0.15	11.50～13.50	-	≥420	≥600	≥25	≥159HB	汽轮机叶片、水压机阀门、螺栓、螺母等抗弱腐蚀介质并承受冲击的零件
	4Cr13	0.36 ～ 0.45	16.00～18.00	-	-	-	-	≥50 HRC	作耐磨的零件，如热油泵轴、阀门零件、轴承、弹簧以及医疗器械
铁素体钢	1Cr17	≤0.12	16～18	-	≥250	≥400	≥20	-	硝酸工厂、食品工厂设备零件
	1Cr28	≤0.15	27～30	-	≥300	≥450	≥20	-	制浓硝酸设备零件
奥氏体钢	1Cr18Ni9	≤0.14	17～19	Ni： 8～12	≥220	≥550	≥45	-	制耐硝酸、有机酸、盐、碱、溶液腐蚀的设备
	1Cr18Ni9Ti	≤0.12	17～19	Ni 8～12 Ti：0.8～5	≥200	≥550	≥40	-	作焊芯、抗磁仪表、医疗器械、耐酸容器、输送管道

b.耐热钢

耐热钢是指在高温下具有高的热化学稳定性和热强性的特殊钢。热化学稳定性是指钢在高温下对各类介质化学腐蚀的抵抗能力；热强性是指钢在高温下的强度性能。

耐热钢可分为抗氧化钢和热强钢两类。

ⅰ）抗氧化钢（又称不起皮钢）

具有很好的抗氧化性能的钢称为抗氧化钢。所谓抗氧化性，并非指钢在高温下完全不被氧化，而是指钢在高温下表面能迅速被氧化，氧化后即形成一层致密的、并能牢固地附着于钢表面的薄膜，从而使钢不再继续被氧化。这类钢的主要合金元素是铬，其次是硅、铝，他们分别在钢表面形成Cr2O3、SiO2和Al2O3薄膜，有效地阻挡外界氧原子向内部扩散。但钢中的碳极易与合金元素Cr、Si等形成碳化物，降低钢的抗氧化性，所以钢的含碳量越低，抗氧化性能越好。

常用的抗氧化钢的牌号、性能及用途见表4-9。表中数据摘自GB1221-1992。

ⅱ）热强钢

在高温下既具有良好的抗氧化能力又具有较高强度的合金钢称为热强钢。

钢在高温下的强度指标主要有两个：持久强度和蠕变强度。影响钢的高温强度的主要外界因素是温度和时间，根本原因在于随温度的升高，金属原子的活动能力增强，原子间的结合能力减弱，当温度高于钢的再结晶温度时，即使承受的应力值不超过该温度下的弹性极限，钢也会缓慢发生塑性变形，且变形量随时间的延长而增大，最后导致钢件的失效。通过添加合金元素或适当的热处理，可以提高钢中固溶体基体的原子间结合力、形成稳定而又弥散分布的碳化物阻碍位错移动、适当粗化晶粒，从而提高钢在高温下的强度。

常用的热强钢有：15CrMo、4Cr9Si2、1Cr18Ni9Ti等，性能及用途见表4-11。15CrMo钢的编号形式与合金结构钢相同，这种钢属于珠光体钢；4Cr9Si2钢的编号形式与合金工具钢相同，属于马氏体钢；1Cr18Ni9Ti钢属于奥氏体钢。

表4-9 常用抗氧化钢、热强钢牌号、使用温度及用途

类 别	牌 号	最高使用温度/℃		用途举例
		抗氧化性	热强性
抗 氧 化 钢	1Cr13Si13	900	--	制造各种承受应力不大的炉用构件，如喷嘴、炉罩、托架、吊挂等
	3Cr18Ni25Si2	1000	--	制造热处理炉内构件
热 强 钢	15CrMo	350～600	350～600	用作动力、石油部门的锅炉及管道材料
	4Cr9Si2	850	580	用作动力、石油部门的锅炉及管道材料
	1Cr18Ni9Ti	850	650	高压锅炉的过热器、化工高压反应器、喷气发动机尾喷管

c. 耐磨钢

耐磨钢，又称高锰钢，是一种在强烈冲击载荷作用下才表现出高耐磨性的特殊钢种。Mn13钢是这类钢材的典型代表，含碳量为1.0%～1.3%,含锰量为11%～14%，只能通过铸造成形，故牌号多写作ZGMn13。

这种钢在铸态下，硬而脆，因此要采用“水韧处理”工艺，即把它加热到1100℃，使碳化物全部溶于奥氏体中，然后水冷获得单相奥氏体组织。水韧处理后，钢的强度、硬度不高，塑性、韧性良好。在受到强烈冲击、压力摩擦时，表面因塑性变形而产生强烈加工硬化，使表面硬度由原来的180～220HB提高到500～550HB，而心部仍保持原来的奥氏体所具有的高塑性和高韧性。当旧表面磨损后，新露出的表面又可在冲击和摩擦作用下获得高耐磨性。

高锰钢用于铁道上的辙岔、辙尖、转辙器、坦克、拖拉机的履带，碎石机鄂板及挖掘机铲斗的斗齿等零件。高锰钢在受力变形时能吸收大量的能量，受到弹丸射击时也不易穿透，因此也用于制造防弹钢板及保险箱钢板等。

d. 低温用钢

低温用钢是指用于生产工作温度低于0℃（也有认为-40℃）的零件的钢种，应具备以下性能要求：冷脆转变温度低、低温冲击韧性高；一定的强度及耐蚀性；优良的焊接性能与冷塑性成形性能。

为了达到上述性能要求，通常采取以下措施：低碳（一般含碳量﹤0.20

%）；添加合金元素Mn、Ni用以提高低温韧性；添加合金元素V、Ti、Nb、Al细化晶粒进一步改善低温韧性；严格控制损害韧性的元素P、Si的含量；使材料尽量形成面心立方晶格结构。常用的低温用钢有10Ni4、13Ni5、15Mn26Al4等，广泛用于钢铁冶金、化工、冷冻设备、海洋工程等。