任務(wù)5　特殊性能鋼

特殊性能鋼是指具有特殊的物理、化學(xué)性能或力學(xué)性能較高的鋼。特殊性能鋼在工業(yè)上有著廣泛的應(yīng)用，發(fā)展十分迅速。本任務(wù)僅簡(jiǎn)單介紹機(jī)械制造中最常用的不銹鋼、耐熱鋼、耐磨鋼。

一、不銹鋼

不銹鋼是指能夠抵抗大氣腐蝕的鋼，耐酸鋼是在某些化學(xué)侵蝕介質(zhì)中能夠抵抗腐蝕的鋼，通常統(tǒng)稱為不銹耐酸鋼，簡(jiǎn)稱不銹鋼。不銹鋼在化工、石油、化肥、國防等工業(yè)部門中廣泛使用，常用來制作與腐蝕介質(zhì)接觸的容器、結(jié)構(gòu)件及工具。

1．提高金屬耐腐蝕性能的途徑

（1）提高電極電位。通常加入鉻、鎳、錳、硅等均能提高電極電位。例如，當(dāng)鉻的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于12%時(shí)，可顯著提高電極電位，如圖6－10所示。

6－10 鉻的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)Fe－Cr合金電極電位的影響

（2）以單相存在。不銹鋼中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般較低，因鋼中的碳會(huì)與鉻形成碳化物Cr₇C₃ 或Cr₂₃C₆，降低了鋼中鉻的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，削弱了鋼的抗腐蝕能力。此外，碳以碳化物存在也加速了電化學(xué)腐蝕。

加入合金元素使金屬在室溫下以單相狀態(tài)存在，例如，當(dāng)?shù)吞间撝墟嚨馁|(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)24%時(shí)就能得到單相奧氏體（實(shí)際上要加入27%才能提高耐腐蝕性），在鉻的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為17%時(shí)，含8%的鎳就能得到單相奧氏體。加入錳、氮也能得到單相奧氏體，但一般不單獨(dú)加入而與其他合金元素配合使用。加入鉻的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)12．7%以上時(shí)，可得到單相鐵素體。

（3）提高表面防腐蝕能力?？杉尤脬t、硅、鋁等合金元素，在金屬表面形成一層穩(wěn)定的、與金屬基體結(jié)合牢固的氧化膜，即Cr₂O₃膜、SiO₂膜、Al₂O₃膜，可提高耐腐蝕性；也可通過表面覆蓋，如電鍍、涂漆、發(fā)藍(lán)、噴涂、滲金屬等工藝，以防止金屬腐蝕。這都是以減少或隔絕腐蝕電流來阻止電化學(xué)反應(yīng)的。

（4）減少或消除金屬中的不均勻現(xiàn)象。該現(xiàn)象包括組織、化學(xué)成分、應(yīng)力的不均勻，以減少金屬內(nèi)的電極電位差，阻止電化學(xué)腐蝕。

2．常用不銹鋼

不銹鋼根據(jù)正火（加熱到900～1 100℃空冷）后的組織可分為馬氏體、鐵素體、奧氏體等，常用的不銹鋼類別、牌號(hào)、化學(xué)成分、熱處理、力學(xué)性能及用途如表6－19所示。

表6－19　常用不銹鋼的類別、牌號(hào)、化學(xué)成分、熱處理、力學(xué)性能及用途

續(xù)表

（1）馬氏體不銹鋼。這類鋼碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0．1%～1．0%，鉻的質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)12%～18%，因而也稱鉻不銹鋼。碳對(duì)耐腐蝕性是不利的，但隨碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，鋼的強(qiáng)度、硬度、耐磨性和切削加工性能顯著提高。鉻能顯著提高鋼的電極電位，在表面形成致密氧化鉻Cr₂O₃，起純化作用，這類鋼多用于機(jī)械性能要求較高、耐腐蝕性相對(duì)較低的零件，如汽輪機(jī)葉片、水壓機(jī)閥、醫(yī)療器械等。常用牌號(hào)有1Cr13鋼、2Cr13鋼、3Cr13鋼、4Cr13鋼，用于制造滾珠軸承的是9Cr18鋼。

1Cr13鋼、2Cr13鋼采用調(diào)質(zhì)處理后得到回火索氏體，常用來制造綜合機(jī)械性能要求較高的耐腐蝕零件；30Cr13鋼、40Cr13鋼采用淬火加低溫回火后得到回火馬氏體，常用來制作硬度要求較高的醫(yī)療器械及量具。

（2）鐵素體不銹鋼。這類鋼碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般均小于0．15%，鉻的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為13%～30%，主要有Cr13鋼、Cr17鋼和Cr25鋼，屬于鉻不銹鋼。這類鋼從室溫到高溫（960～1 100℃）無相變（即奧氏體轉(zhuǎn)變），組織也無大的變化，呈單相鐵素體。隨鉻的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，耐腐蝕性增加，這類鋼能抵擋氧化性介質(zhì)的腐蝕，具有良好的高溫抗氧化性，被廣泛用于硝酸和氮肥等化工設(shè)備，這類鋼的主要缺點(diǎn)是脆性大、強(qiáng)度低。

（3）奧氏體不銹鋼。奧氏體不銹鋼比馬氏體不銹鋼具有更高的耐腐蝕性，還具有高塑性、良好的焊接性能、韌性和易加工碳化等特點(diǎn)。這類鋼屬于鉻鎳不銹鋼，最常用的是18－8型，碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)低，鉻的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為18%，鎳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為9%，常用的牌號(hào)有1Cr18Ni9鋼、1Cr18Ni9Ti鋼等。

為得到單相奧氏體組織以提高耐腐蝕性和塑性，常采用固溶處理，即把鋼加熱到1 050～1 100℃的高溫迅速冷卻，避免了緩冷時(shí)碳化物的析出。這類鋼僅能通過加工硬化來強(qiáng)化，硬化后強(qiáng)度可由600MPa提高到1 200～1 400MPa，這類鋼的切削性能很差。

由于奧氏體不銹鋼有優(yōu)良的耐腐蝕性和良好的力學(xué)性能與工藝性能，因此被廣泛應(yīng)用，常用于化工、醫(yī)療器械及抗磁儀器等。

二、耐熱鋼

在高溫下具有良好耐熱性能的鋼稱為耐熱鋼。耐熱性能包括高溫抗氧化性和高溫強(qiáng)度。

1．耐熱鋼的抗氧化性和高溫強(qiáng)度

（1）抗氧化性。抗氧化性是金屬在高溫下的抗氧化能力，即在高溫下長(zhǎng)期工作不致因介質(zhì)侵蝕而破壞。金屬的抗氧化能力取決于覆蓋在金屬表面的腐蝕產(chǎn)物即氧化膜的結(jié)構(gòu)和性能，如果生成的氧化膜穩(wěn)定性好，致密度大，能完全覆蓋住金屬表面并與金屬結(jié)合牢固，以及具有一定的強(qiáng)度，則表明金屬的抗氧化性就好。

（2）高溫強(qiáng)度。高溫強(qiáng)度是金屬在高溫下的強(qiáng)度，金屬的高溫強(qiáng)度與室溫的機(jī)械性能不同，它與溫度、時(shí)間及組織三個(gè)因素有關(guān)。金屬在再結(jié)晶溫度上受一定的應(yīng)力作用，隨時(shí)間的延長(zhǎng)發(fā)生緩慢塑性變形的現(xiàn)象稱蠕變。金屬的蠕變極限和持久強(qiáng)度是衡量材料高溫強(qiáng)度的性能指標(biāo)。蠕變極限是鋼在一定溫度下在規(guī)定的持續(xù)時(shí)間里產(chǎn)生一定蠕變形量所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值。例如，在700℃、持續(xù)時(shí)間為1 000h，總?cè)渥兞窟_(dá)0．2%時(shí)的蠕變極限，用表示。持久強(qiáng)度是指鋼在一定的溫度和規(guī)定的持續(xù)時(shí)間內(nèi)引起斷裂的應(yīng)力值，如表示在700℃持續(xù)1 000h時(shí)的斷裂應(yīng)力。

2．提高耐熱鋼的抗氧化性和高溫強(qiáng)度的途徑

（1）提高抗氧化性。在560℃以上鐵與氧主要的形成物為疏松的FeO，F(xiàn)eO是缺位固溶體，原子擴(kuò)散較容易，因而氧化速度很快。要提高鋼的抗氧化能力，主要加入鉻、硅、鋁等元素，在鋼表面形成了致密的氧化膜Cr₂O₃、Al₂O₃和Fe₂SiO₄。

（2）強(qiáng)化途徑如下。

①進(jìn)行固溶強(qiáng)化，以提高再結(jié)晶溫度。在鋼中加入鉻、鉬、鎢、錳、鈮、鈷等元素，可提高固溶體（鋼的基體）中原子的結(jié)合力，使原子擴(kuò)散困難，延緩再結(jié)晶過程的進(jìn)行。

②利用第二相強(qiáng)化。在鋼中加入強(qiáng)碳化物形成元素鈦、鈮、釩、鉬、鎢、鉻等，析出彌散而穩(wěn)定的碳化物，阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，能起到明顯的強(qiáng)化效益。

3．常用耐熱鋼

根據(jù)耐熱鋼的組織可分為珠光體耐熱鋼、馬氏體耐熱鋼和奧氏體耐熱鋼。常用的耐熱鋼的類別、牌號(hào)、化學(xué)成分、熱處理及用途如表6－20所示。

表6－20　常用耐熱鋼的類別、牌號(hào)、化學(xué)成分、熱處理及用途

續(xù)表

續(xù)表

（1）珠光體耐熱鋼。珠光體耐熱鋼在正火條件下，顯微組織是珠光體加鐵素體。這類鋼常加入少量鉻、鉬、鎢、釩、鈦、鈮等合金元素，起強(qiáng)化鐵素體和形成穩(wěn)定碳化物的作用，常用的牌號(hào)有12CrMo、15CrMo和12CrMoV等，廣泛用于600℃以下的工作的構(gòu)件，如動(dòng)力工業(yè)中的鍋爐管道、氣包及鍋爐、汽輪機(jī)上的緊固件。珠光體耐熱鋼的熱處理一般是正火后回火，回火溫度要高于使用溫度100℃。

（2）馬氏體耐熱鋼。馬氏體耐熱鋼可分為兩類：一類是高鉻鋼，如1Cr13、1Cr11MoV、1Cr12WMoV鋼等；另一類為鉻硅鋼，常用牌號(hào)有4Cr9Si2、4Cr10Si2Mo等。由于在鉻硅鋼中加入鉻和硅，可以提高其抗氧化和熱疲勞抗力，同時(shí)碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0．4%，具有一定的耐磨性，故廣泛用于700℃以下的各種發(fā)動(dòng)機(jī)排氣閥鋼。馬氏體耐熱鋼的常用熱處理為調(diào)質(zhì)處理。

（3）奧氏體耐熱鋼。這類鋼是在18－8型奧氏體不銹鋼基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，具有高的抗氧化性和熱強(qiáng)性，良好的韌性及焊接性，廣泛用于工作溫度在600～750℃之間的較重要零件，如汽輪機(jī)葉片、輪盤、發(fā)動(dòng)機(jī)氣閥和噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的某些零件等。常用的牌號(hào)有1Cr18Ni9Ti、4Cr14Ni14W2Mo及5Cr21Mn9Ni4N等。這類鋼的常用熱處理是固溶處理后，在高于使用溫度60～100℃的溫度進(jìn)行時(shí)效處理。

當(dāng)工作溫度超過800℃時(shí)，就要考慮選用鎳基合金（如Ni80Cr20Ti等）；當(dāng)工作溫度在1 000～1 050℃時(shí)則選用鈮基、鉬基合金及金屬陶瓷，而工作溫度在300～350℃以下時(shí)，一般結(jié)構(gòu)鋼就可以勝任。

三、耐磨鋼

這里所指的耐磨鋼是高錳鋼，這類鋼在強(qiáng)烈沖擊及高壓力下，具有高耐磨性。一般耐磨性鋼材，其耐磨性高時(shí)，往往韌性較差，韌性較高的，則耐磨性又顯得不足。而高錳鋼同時(shí)具有高強(qiáng)度、高韌性，在高應(yīng)力下有優(yōu)良的耐磨性。

1．成分特點(diǎn)

（1）高碳。碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1．0%～1．4%，增加鋼的耐磨性，但不能超過1．4%，否則淬火后韌性下降，且在較高溫度時(shí)會(huì)有碳化物析出。

（2）高錳。錳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1．1%～1．4%，利用錳擴(kuò)大奧氏體區(qū)和穩(wěn)定奧氏體的作用，獲得高錳奧氏體，具有很強(qiáng)的加工硬化和高韌性。

2．熱處理特點(diǎn)

高錳鋼在鑄態(tài)時(shí)的金相組織為奧氏體加碳化物，脆性大，無法直接使用，為此要把鋼加熱到1 050～1 150℃，保溫后水淬迅速冷卻，使碳化物溶解，得到具有良好韌性的單相奧氏體，這種熱處理稱為水韌處理。

3．常用鋼種

最常用牌號(hào)為ZGMn13鋼，水韌處理后的強(qiáng)度、硬度并不高（185～200HBS），但塑性、韌性好。在強(qiáng)烈的沖擊及壓應(yīng)力下，表層的奧氏體迅速產(chǎn)生加工硬化，使表面硬度提高到450～600HBW，心部仍具有良好韌性的奧氏體，故常用來制作要求高耐磨性且能承受沖擊的零件，如挖掘機(jī)的鏟斗、鐵路道叉、坦克及拖拉機(jī)的履帶板、防彈板及保險(xiǎn)箱鋼板等。

復(fù)習(xí)思考題6

1．名詞解釋。

普通碳素結(jié)構(gòu)鋼　優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼　碳素工具鋼　擴(kuò)大γ相區(qū)元素

縮小γ相區(qū)元素　碳化物形成元素　回火穩(wěn)定性　二次硬化　固溶處理

2．鋼中常存在的雜質(zhì)有哪些？簡(jiǎn)述其對(duì)鋼性能的影響。

3．說明下列鋼號(hào)各代表什么鋼及數(shù)字的含義：A3鋼、AY3鋼、B3鋼、20鋼、45鋼、60鋼、65鋼、65Mn鋼、T8鋼、T10A鋼。

4．能用幾種方法區(qū)分下列材料。

（1）45鋼和T8鋼；（2）低碳鋼和白口碳鋼。

5．在生產(chǎn)中，如發(fā)生下列將不同牌號(hào)的鋼亂用或搞錯(cuò)的情況將給零件性能帶來什么問題？試分別簡(jiǎn)要分析。

（1）把A3鋼、20鋼當(dāng)成45鋼或T8鋼。

（2）把45鋼、T8鋼當(dāng)成20鋼。

（3）把低碳鋼當(dāng)成碳素鋼。

6．試從性能上比較各牌號(hào)的碳素工具鋼。

7．試述碳素工具鋼的優(yōu)缺點(diǎn)。

8．合金元素在鋼中以什么形式存在？起什么作用？

9．合金元素對(duì)鐵碳合金狀態(tài)圖有何影響？對(duì)鋼的組織和熱處理加熱溫度有何影響？

10．如何理解合金元素通過熱處理（相變）才能充分發(fā)揮作用？

11．試說明下列牌號(hào)代表什么鋼及牌號(hào)中數(shù)字和字母符號(hào)的意義。

20Cr 20MnB 40Cr 30CrMnSi 55Si2Mn 50CrVA GCr15 9SiCr W18Cr4V 1Cr13 ZGMn13

12．填下表，歸納比較幾種結(jié)構(gòu)鋼和工具鋼的特點(diǎn)。

13．現(xiàn)在要焊制一批臨時(shí)活動(dòng)房屋架，倉庫內(nèi)存有直徑φ40、壁厚3mm的低碳鋼水管和同尺寸規(guī)格的40CrMnMo廢鋼無縫鋼管，試從屋架的性能要求及加工工藝性全面考慮，應(yīng)采用哪一種較為合理？

14．T9鋼和9SiCr鋼都屬工具鋼，碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)基本相同，它們?cè)谑褂蒙嫌泻尾煌?？下列工具分別選用它們中的哪一種？

機(jī)用絲錐　木工刨刀　鉗工鋸條　金屬剪刀　小型沖?！°q刀　鉗工量具

15．各類結(jié)構(gòu)鋼之間一般不能相互代用，而刃具、模具、量具之間可以代用，這是為什么？

16．用9SiCr鋼制成圓板牙，其工藝路線為：鍛造↑球化退火↑機(jī)械加工↑淬火低溫回火↑磨平面↑開槽口。試分析

（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藝。

17．為防止量具鋼在熱處理和使用中變形，應(yīng)采用什么措施？

18．高速工具鋼的主要性能特點(diǎn)是什么？它的成分和熱處理特點(diǎn)是什么？

19．簡(jiǎn)述模具鋼的分類、應(yīng)用及處理特點(diǎn)。

20．根據(jù)不銹鋼的成分特點(diǎn)，Cr12MoV鋼是否為不銹鋼？為什么？

21．奧氏體不銹鋼的耐磨性能否通過淬火來強(qiáng)化？為什么？可通過何種方法來強(qiáng)化？

22．下列說法正確嗎？

（1）所有合金元素都阻礙奧氏體晶粒長(zhǎng)大。

（2）合金元素能提高鋼的回火穩(wěn)定性。

（3）奧氏體不銹鋼能淬火強(qiáng)化。

（4）T12鋼與20CrMnTi鋼相比，淬透性與淬硬性都較低。

（5）Ti、V、Zr等合金元素主要是提高鋼的淬透性。

（6）淬火回火是鋼的一種最經(jīng)濟(jì)、最有效的強(qiáng)韌化方法。

（7）高速工具鋼淬火后硬度較其他工具鋼高，故能進(jìn)行高速切削。