1、项目二 机械零件材料的选用 项目二项目二 机械零件材料的选用机械零件材料的选用 任务任务1 工业用钢工业用钢 任务任务2 铸铁铸铁 任务任务3 有色金属及粉末冶金材料有色金属及粉末冶金材料 任务任务4 非金属材料非金属材料 任务任务5 机械零件的失效与材料选用的一般原则机械零件的失效与材料选用的一般原则 项目二 机械零件材料的选用【知识目标知识目标】1.熟悉典型钢铁材料的牌号、性能及典型用途；2.了解有色合金及其他材料的牌号、性能及典型用途；3.掌握机械零件材料选用的一般原则。【能力目标能力目标】1.具备正确区分各种材料牌号、性能的能力；2.具备根据机械零件的工作要求正确选用常用金属材料的能力
2、。项目二 机械零件材料的选用 任务任务1 工工 业业 用用 钢钢金属材料来源丰富，并具有优良的使用性能和工艺性能。金属材料是机械工程中应用最普遍的材料，常用来制造机械设备、工具及模具等，并广泛应用于工程结构件中。金属材料大致可分为黑色金属和有色金属两大类。黑色金属通常指钢和铸铁；有色金属是指黑色金属以外的其他金属及其合金，如铝及铝合金、铜及铜合金等。项目二 机械零件材料的选用 1.1 钢内元素对钢性能的影响钢内元素对钢性能的影响1.1.1 钢内杂质元素对钢性能的影响钢内杂质元素对钢性能的影响钢中常存杂质元素主要是指钢在冶炼过程中不可避免地带入少量的常存元素(如硅、锰、硫、磷等)和一些杂质(非金
3、属杂质物及某些气体，如氮、氢、氧等)，它们的存在会对钢的性能有较大的影响。一般来说，锰和硅为有益元素，硫和磷为有害元素。项目二 机械零件材料的选用 1锰锰(Mn)锰是炼钢时用锰铁脱氧而残留在钢中的，它也经常作为合金元素而特地加入钢中。锰的脱氧能力较好，能大幅度减少钢中的FeO，还能与硫化合成MnS，减轻硫的有害作用。锰大部分溶入铁素体中，具有固溶强化作用，使铁素体强化，可提高钢的强度和硬度。所以，锰在钢中是一种有益元素。在非合金钢中，锰作为常存元素时，其含量一般规定为小于1.00%。项目二 机械零件材料的选用 2硅(Si)硅是炼钢时用硅铁脱氧而残留在钢中的，也可作为合金元素而特意加入钢中。硅的
4、脱氧能力比锰强，可有效清除FeO。硅在室温下大部分溶入铁素体，使铁素体强化。作为常存元素时，其含量一般规定为小于0.50%。3硫(S)硫是在冶炼时由矿石和燃料中带入的有害杂质，炼钢时难以除尽。硫在钢中常以FeS的形式存在，FeS与Fe形成低熔点的共晶体，分布在奥氏体的晶界上，当钢材进行热加工时，共晶体过热甚至熔化，减弱了晶粒间的联系，使钢材强度降低，韧性下降，这种现象称为热脆。常加入锰来降低硫的有害作用。项目二 机械零件材料的选用 4磷磷(P)磷是在冶炼时由矿石带入的有害杂质，炼钢时很难除尽。磷能溶于-Fe中，但当钢中有碳存在时，磷在-Fe中溶解度急剧下降。磷的偏析倾向十分严重，即使只有千分之
5、几的磷存在，也会在组织中析出脆性很大的化合物Fe3P，并且特别容易偏聚于晶界上，使钢的脆性增加，塑性和韧性下降，冷脆转化温度升高，即发生冷脆。5气体元素气体元素钢在冶炼时还会吸收和溶解一部分气体，如氮、氢、氧等，使钢的塑性、韧性和疲劳强度急剧降低，严重时会造成裂纹、脆断，所以这些气体也是必须严格控制的有害元素。项目二 机械零件材料的选用 1.1.2 合金元素对钢性能的影响合金元素对钢性能的影响为了提高钢的性能，在铁碳合金中特意加入合金元素，所获得的钢种称为合金钢。一般按与碳亲和力的大小，可将合金元素分为碳化物形成元素与非碳化物形成元素两大类。常用的合金元素有以下两种：(1)非碳化物形成元素：N
6、i、Co、Cu、Si，它们不和碳形成碳化物，而溶于铁素体和奥氏体中，形成合金铁素体和合金奥氏体；Al、N、B则以非金属夹杂物和金属间化合物的形式存在。项目二 机械零件材料的选用(2)碳化物形成元素：Mn、Cr、Mo、W、V、Ti、Nb、Zr，它们中的一部分溶于铸件和奥氏体中，另一部分与碳形成碳化物。合金元素对钢的组织和性能产生很大影响，在钢中的作用也是非常复杂的，下面仅简述其最基本的几方面作用。项目二 机械零件材料的选用 1合金元素对基本相的影响合金元素对基本相的影响(1)溶于铁素体，具有固溶强化作用。除铅外，大多数合金元素都能溶于铁素体，形成合金铁素体。由于合金元素与铁的晶格类型和原子半径不
7、同而造成铁素体的晶格畸变。另外，合金元素易分布于位错线附近，对位错线的移动起牵制作用，降低位错的易动性，从而提高变抗力，产生固溶强化，使铁素体的强度和硬度提高，而塑性和韧性下降。(2)形成合金碳化物。碳化物是钢中的重要相之一，碳化物的类型、数量、大小、形状及分布对钢的性能有很重要的影响。合金渗碳体是渗碳体中一部分铁被碳化物形成元素置换后所得到的产物，其晶体结构与渗碳体相同，但比渗碳体略稳定，硬度也略高，可表达为(Fe，Me)3C，Me代表合金元素。项目二 机械零件材料的选用 当钢中的合金元素含量超过一定限度时，可以生成一些碳钢中没有的新相，其中最重要的是由强碳化物形成元素生成的合金碳化物，例如
8、与碳亲和力强的钒、铌、锆和钛等元素，与碳原子结合形成特殊碳化物如TiC、VC、NbC、WC等。合金碳化物比合金渗碳体的稳定性更高，熔点和硬度也更高。合金碳化物加热时很难溶于奥氏体中，回火时加热到较高温度才能从奥氏体中析出并聚集，长大也较慢。项目二 机械零件材料的选用 2合金元素对金属材料性能的影响合金元素对金属材料性能的影响合金元素的加入对钢的性能有很大的影响，主要表现在：(1)细化组织，提高机械性能。由于几乎所有的合金元素(除锰以外)都能减缓钢的奥氏体化过程、阻止奥氏体晶粒的长大，因此与相应的碳钢相比，在同样的加热条件下，合金钢的组织较细，机械性能更高。(2)提高淬透性，减小零件的淬火变形和
9、开裂倾向。对于大多数合金元素(除钴以外)，当它们溶解于奥氏体中以后，都能提高过冷奥氏体的稳定性，使C曲线位置右移，临界冷却速度减小，从而提高钢的淬透性。因此，对于合金钢就可以采用冷却能力较低的淬火介质淬火，如采用油淬，以减小零件的淬火变形和开裂倾向。项目二 机械零件材料的选用(3)提高了回火稳定性，能产生二次硬化，并防止第二类回火脆性。合金元素在回火过程中，由于合金元素的阻碍作用，提高了钢对回火软化的抗力，即提高了钢的回火稳定性。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
10、为二次硬化。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工件有重要意义。项目二 机械零件材料的选用 1.2 钢的分类和编号钢的分类和编号1.2.1 钢的分类钢的分类钢的种类很多，为了便于生产、使用和研究，可以按照化学成分、质量、钢的冶炼方法、金相组织及用途进行分类。如按化学成分分类，可将钢分为碳素钢和合金钢；按钢的质量分类，可将钢分为普通钢、优质钢、高级优质钢和特级优质钢；按钢的冶炼所用炼钢炉分类，可将钢分为平炉钢、转炉钢和电炉钢；按钢的脱氧方法和脱氧程度分类，可将钢分为沸腾钢、镇静钢、半镇静钢和特殊镇静钢；按钢的退火组织分类，可将钢分为亚共析钢、共析钢和过共析钢；按钢
11、的正火组织分类，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。项目二 机械零件材料的选用 按钢的使用用途分类，则钢的种类如下：项目二 机械零件材料的选用 1.2.2 钢的编号钢的编号世界各国都根据国情制定了科学而简明的钢铁分类表示方法，通常采用“牌号”和“统一数字代号”的方法来具体表示钢的品种。项目二 机械零件材料的选用 1钢的牌号钢的牌号根据国家标准GB/T 2212000钢铁产品牌号表示方法的规定，我国钢的牌号一般采用汉语拼音字母、化学元素符号和阿拉伯数字相结合的方法来表示。通过牌号能大致了解钢的类别、成分、冶金质量、性能特点、热处理要求和用途等。采用汉语拼音字母表
12、示钢的名称、用途、特性和工艺方法时，一般选取代表性名称的汉字的汉语拼音的第一个字母。采用汉语拼音字母表示时，原则上只取一个，一般不超过两个汉语拼音。我国各类钢的编号方法如表2-1所示。项目二 机械零件材料的选用 表表2-1 各类钢的编号方法各类钢的编号方法 项目二 机械零件材料的选用 项目二 机械零件材料的选用 2钢的统一数字代号钢的统一数字代号为了适应现代物流数据处理设备的存储和检索需要，国家编制了专门的国家标准规定了统一数字代号体系，以固定的6位符号结构形式，统一了钢的所有产品牌号的表示形式，对原有符号较复杂冗长的牌号进行简化，便于生产、储存及使用。根据国家标准GB/T 176161998
13、钢铁及合金牌号统一数字代号体系的规定，钢的统一数字代号由固定的6位符号组成，左边第一位用大写的拉丁字母作前缀，后接5位阿拉伯数字，如U20652表示65钢，A11602代表钢60Si2Mn。每一个统一数字代号只适用于一个产品牌号；反之，每一个产品牌号只对应于一个统一数字代号。项目二 机械零件材料的选用 统一数字代号的结构形式中，左边第一位为大写拉丁字母，代表不同的钢铁及合金类型。例如，合金结构钢用字母“A”，轴承钢用字母“B”，铸铁、铸钢及铸造合金用字母“C”，低合金钢用字母“L”，工具钢用字母“U”，等等。统一数字代号的结构形式中第一位阿拉伯数字代表各类型钢铁及合金细分类，第二、三、四、五位
14、阿拉伯数字代表不同分类的编组和统一编组内的不同牌号的区别顺序号。项目二 机械零件材料的选用 1.3 结结 构构 钢钢结构钢按用途可分为工程用钢和机器用钢两大类。工程用钢主要用于各种工程结构，包括碳素结构钢和低合金高强度结构钢，这类钢冶炼简便、成本低、用量大，一般不进行热处理；而机器用钢大多采用优质碳素结构钢和合金结构钢，它们一般都要经过热处理以后才可使用。项目二 机械零件材料的选用 1.3.1 一般工程结构钢一般工程结构钢1普通碳素结构钢普通碳素结构钢普通碳素结构钢含碳量低(0.06%0.38%)，硫、磷含量较高。大部分用于工程结构，小部分用于机械零件。这类钢通常在热轧、空冷状态下使用，其塑性
15、高，可焊性好，使用状态下的组织为铁素体加珠光体。碳素结构钢常以热轧板、带、棒及型钢使用，用量约占钢材总量的70%，适合于锻造、焊接、铆接、栓接等。碳素结构钢的牌号、化学成分、力学性能及用途见表2-2和表2-3。较常用的牌号是Q235。项目二 机械零件材料的选用 表表2-2 普通碳素结构钢的牌号、化学成分和力学性能普通碳素结构钢的牌号、化学成分和力学性能(摘自摘自GB/T 7002006)项目二 机械零件材料的选用 普通碳素结构钢一般不再进行热处理，只需保证力学性能及工艺性能即可。对于某些小型零件，也可进行正火、调质、渗碳等热处理工艺，以提高其使用性能。项目二 机械零件材料的选用 表表2-3 碳
16、素结构钢的性能特点及用途碳素结构钢的性能特点及用途 项目二 机械零件材料的选用 2.低合金高强度结构钢低合金高强度结构钢低合金高强度结构钢是在低碳钢的基础上，加入少量合金元素发展起来的。其含碳量一般小于0.2%，主加合金元素为Mn，也加入少量的V、Ti、Nb等元素。低合金高强度结构钢的性能特点是：强度显著高于相同含碳量的普通碳素结构钢，屈服强度在300 MPa以上，从而可降低结构自重、节约钢材；具有足够的塑性、韧性；具有良好的焊接性能和冷成型性能；具有良好的耐蚀性和低的冷脆转变温度。这类钢大多在热轧状态下使用，不需要进行专门的热处理。有时考虑到零件加工特点，也可在正火及淬火加回火状态下使用。这
17、类钢的牌号、化学成分和力学性能见表2-4。项目二 机械零件材料的选用 表2-4 低合金高强度结构钢的牌号、化学成分和力学性能(摘自GB/T 15912008)项目二 机械零件材料的选用 项目二 机械零件材料的选用 项目二 机械零件材料的选用 常用低合金高强度结构钢的牌号有Q345、Q390、Q420、Q500、Q550、Q620、Q690等，其中Q345(16Mn)钢是应用最广、用量最大的低合金高强度结构钢，其综合性能好。例如，我国南京长江大桥、内燃机车车体、万吨巨轮及压力容器、载重汽车大梁等都采用Q345钢制造。1.3.2 优质结构钢优质结构钢1优质碳素结构钢优质碳素结构钢优质碳素结构钢的硫
18、、磷的质量分数小于或等于0.035%，力学性能优于普通碳素结构钢，广泛用于制造较重要的机械零件。较典型的牌号是45钢。较高含锰量的优质碳素结构钢可制作尺寸稍大或强度要求略高的零件。优质碳素结构钢的牌号、化学成分和力学性能见表2-5。项目二 机械零件材料的选用 表表2-5 常用优质碳素结构钢的牌号、化学成分及正火后的常用优质碳素结构钢的牌号、化学成分及正火后的力学性能力学性能(摘自摘自GB/T 6991999)项目二 机械零件材料的选用 项目二 机械零件材料的选用 08F、10F、15F钢的含碳量低，塑性好，焊接性能好。其中，08F、10F属沸腾钢，成本低，塑性好，主要用于制造冲压件和焊接件，如
19、壳、盖、罩等；15F主要用于制造钣金件。15、20、25钢属于渗碳钢。其强度低，但塑性和韧性较高，冷冲压性与焊接性能良好，常用于受力不大，而韧性、塑性要求较高的零件，如焊接容器、螺钉、杆件、轴套、垫圈、螺母等，还可用作冲压件及焊接件。这类钢如果经渗碳、淬火+低温回火后，表面硬度可达60 HRC以上，耐磨性好，而心部具有一定的强度和韧性，可用来制作轴、销等零件。项目二 机械零件材料的选用 30、35、40、45、50、55钢属中碳钢，可用作调质钢，多用于正火、调质状态下，具有良好的综合力学性能，主要用于要求强度、塑性和韧性都较高的机械零件，如齿轮、连杆及轴类零件。这类钢在机械制造中应用最广泛，其
20、中以45钢应用最广泛。60、65、75、60Mn、65Mn、70Mn钢属于弹簧钢，具有较高的强度、硬度、弹性和耐磨性，经淬火+中温回火后可获得高的规定非比例伸长应力，主要用于制造弹簧等弹性零件及耐磨零件如农机耐磨件、钢轨、钢丝绳等。其中65钢是最常用的弹簧钢。优质碳素结构钢含有较少的有害杂质，使用前一般要经过热处理以提高力学性能。项目二 机械零件材料的选用 2碳素铸钢碳素铸钢在生产中，有些机械零件，例如水压机横梁、轧钢机机架、重载大齿轮等，因受力复杂，形状也复杂，难以用锻压方法成型，若采用铸铁铸造则不能满足力学性能要求，因此常采用铸钢来生产。碳素铸钢中含碳量为0.15%0.60%碳的质量分数过
21、高则塑性差，易产生裂纹。一般工程用铸钢件的牌号、化学成分及力学性能见表2-6。(1)ZG200400：具有良好的塑性、韧性和焊接性能，常用于受力不大，要求韧性好的各种机械零件，如机壳、变速箱等。项目二 机械零件材料的选用 表表2-6 碳素铸钢的牌号、化学成分及力学性能碳素铸钢的牌号、化学成分及力学性能(摘自摘自GB 56761985)项目二 机械零件材料的选用(2)ZG230450：具有一定的强度和较好的塑性、韧性，焊接性能良好，切削加工性尚好，常用于受力不大，要求韧性较好的各种机械零件，如砧座、外壳、轴承盖、底板、阀体等。(3)ZG270500：有较高的强度和较好的塑性，铸造性能良好，焊接性
22、能尚好，切削加工性能好，常用于轧钢机机架、轴承盖、连杆、箱体、曲轴、缸体、飞轮、蒸汽锤等。(4)ZG310570：强度和切削加工性能良好，塑性和韧性较低，常用于制作承受载荷较高的各种机械零件，如大齿轮、缸体、制动轮、辊子等。(5)ZG340640：具有高的强度、硬度和耐磨性，切削加工性中等，焊接性能较差，流动性好，裂纹敏感性较大，常用于起重运输机的齿轮、联轴器等。项目二 机械零件材料的选用 3合金结构钢合金结构钢1)渗碳钢渗碳钢是经渗碳后使用的钢种，主要用于制造要求高耐磨性、承受高接触应力和冲击载荷的重要零件，如汽车、拖拉机的变速齿轮，内燃机凸轮轴、活塞销等。常用渗碳钢的牌号、化学成分、热处理
23、及力学性能见表2-7。渗碳钢的使用性能要求为表面具有高硬度和高耐磨性，心部具有足够的韧性和强度并具有良好的热处理工艺性能，如高的淬透性和渗碳能力等。项目二 机械零件材料的选用 项目二 机械零件材料的选用 为保证渗碳件心部有足够的塑性和韧性，渗碳钢的含碳量一般为0.1%0.25%，合金元素以Cr、Mn、Ni、B等为主加元素，辅加元素为W、Mo、V、Ti等。渗碳件一般的工艺路线为：下料锻造正火机加工渗碳淬火+低温回火磨削。根据淬透性不同，可将渗碳钢分为以下三类：(1)低淬透性渗碳钢：典型钢种如20、20Cr等，其淬透性和心部强度均较低，水中淬火临界直径不超过20 mm35 mm，只适用于制造受冲击
24、载荷较小的耐磨件，如小轴、小齿轮、活塞销等。项目二 机械零件材料的选用(2)中淬透性渗碳钢：典型钢种如20CrMnTi等，其淬透性较高，力学性能和工艺性能良好，大量用于制造承受高速中载、抗冲击和耐磨损的零件，如汽车、拖拉机的变速齿轮、离合器轴等。(3)高淬透性渗碳钢：典型钢种如18Cr2Ni4WA等，具有良好的韧性，主要用于制造大截面、高载荷的重要耐磨件，如飞机、坦克的曲轴和齿轮等。2)调质钢调质钢是指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、机床及其他机器的各种重要零件，如齿轮、连杆、螺栓、轴类件等。常用调质钢的牌号、化学成分、热处理及力学性能见表2-8。项目二 机械零件材料
25、的选用 项目二 机械零件材料的选用 调质钢一般具有良好的综合力学性能，即具有高的强度、硬度和良好的塑性、韧性，并具有良好的淬透性。调质钢含碳量为0.25%0.50%。合金元素以Mn、Si、Cr、Ni、B为主加元素，辅加元素为W、Mo、V等。调质件一般的工艺路线为：下料锻造退火粗机加工调质(半精加工表面淬火+低温回火)精加工。根据淬透性不同，可将调质钢分为以下三类：(1)低淬透性调质钢：这类钢的油中淬火临界直径为30 mm40 mm，常用钢种为45、40Cr等，常用于制造尺寸较小的齿轮、轴、螺栓等。项目二 机械零件材料的选用(2)中淬透性调质钢：这类钢的油中淬火临界直径为40 mm60 mm，常
26、用钢种为40CrNi，常用于制造截面较大的零件，如曲轴、连杆等。(3)高淬透性调质钢：这类钢的油中淬火临界直径为60 mm大多含有Ni、Cr等元素，为了防止回火脆性，钢中还加入Mo元素。常用钢种为40CrNiMo，常用于制造大截面、重载荷的零件，如汽轮机主轴、叶轮、航空发动机轴等。项目二 机械零件材料的选用 3)弹簧钢弹簧钢主要用于制造各种弹簧或类似性能的结构件。常用弹簧钢的牌号、化学成分、热处理、力学性能及用途见表2-9。弹簧是利用弹性变形来储存能量或缓和振动和冲击的零件。因此，要求弹簧钢具有高的弹性极限和高的屈强比，以保证承受大的弹性变形和较高的载荷；具有高的疲劳强度，以承受交变载荷的作用
27、；具有足够的塑性和韧性。通常情况下，碳素弹簧钢的含碳量为0.6%0.9%，合金弹簧钢的含碳量为0.45%0.7%。合金元素以Si、Mn为主加元素，辅加元素为Cr、V、W等。项目二 机械零件材料的选用 项目二 机械零件材料的选用 对于钢丝直径小于10 mm的弹簧的加工，通过冷拔(或冷拉)和冷卷成型。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。钢丝的直径越小，则强化效果越好，强度越高，强度极限可达1600 MPa以上，而且表面质量很好。对于热成型的弹簧，通常是在加热压弯成型后进行淬火加中温回火(350500)处理，其硬度可达40 HRC45 HRC，从而在保证得到高的
28、屈服强度的条件下又具有足够的韧性。弹簧的表面质量对其使用寿命影响很大，通常采用喷丸处理进行表面强化以便提高弹簧钢的屈服强度和疲劳强度。项目二 机械零件材料的选用 弹簧钢的典型钢种有：(1)Si、Mn弹簧钢：代表性钢种为65Mn、60Si2Mn，这类钢的价格较低，性能高于碳素弹簧钢，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。(2)Cr、V弹簧钢：典型钢种为50CrVA，这类钢的淬透性高，主要用于制造大截面、大载荷、耐热的弹簧，如阀门弹簧、高速柴油机的气门弹簧等。项目二 机械零件材料的选用 4)滚动轴承钢滚动轴承钢是用于制造滚动轴承的滚动体和轴承套的专用钢种，分为高碳铬轴承钢、
29、渗碳轴承钢、不锈轴承钢和高温轴承钢四类。这里只介绍高碳铬轴承钢。由于高碳铬轴承钢属于高碳钢，因此也可用于制造精密量具、冷冲模和机床丝杠等耐磨零件。根据滚动轴承的使用条件，轴承钢需要具有高而均匀的硬度(61 HRC65 HRC)和高的耐磨性、高的接触疲劳强度和弹性极限，并具有足够的韧性、淬透性和耐蚀性。滚动轴承的含碳量一般为0.95%1.10%，合金元素以Cr为主加元素，辅加元素为Si、Mn、Mo、V等。项目二 机械零件材料的选用 高碳铬轴承钢的预备热处理为球化退火，最终热处理为淬火和低温回火。为了减少残余奥氏体量，稳定尺寸，可在淬火后在(-60-80进行冷处理)，并在磨削加工后在120左右进行
30、低温(120左右)时效处理。高碳铬轴承钢的牌号、化学成分及退火硬度见表2-10，其中应用最广的是GCr15钢，大量用于制造大中型轴承，此外，还常用来制造冷冲模、量具、丝锥等。制造大型轴承也可用GCr15SiMn。项目二 机械零件材料的选用 表表2-10 高碳铬轴承钢的牌号、化学成分及退火硬度高碳铬轴承钢的牌号、化学成分及退火硬度(摘自摘自GB/T 182542002)项目二 机械零件材料的选用 1.4工具钢工具钢工具钢是用来制造各种工具的钢种。为了满足工具高硬度和耐磨性的使用要求，工具钢含碳量均较高，一般经过淬火和低温回火后使用。碳素工具钢虽然能达到较高的硬度和耐磨性，但其淬透性差，淬火变形倾
31、向大，并且韧性和红硬性差(只能在200以下保持高硬度)。因此，尺寸大、精度高、承受冲击载荷和较高工作温度的工具都要采用合金工具钢制造。工具钢按用途可分为三类：刃具钢、模具钢和量具钢。实际上，各类工具钢并无严格的使用界限，可以交叉使用。项目二 机械零件材料的选用 1.4.1刃具钢刃具钢刃具钢主要用于制造各种金属切削刀具，如车刀、铣刀、刨刀及钻头等。1性能要求性能要求刃具钢根据其工作条件，其性能要求如下：(1)高硬度和高耐磨性。刃具硬度必须大于被切材料硬度，一般要求大于60 HRC。耐磨性不仅取决于硬度，同时还与钢中硬质相的性质、数量、大小和分布有关。项目二 机械零件材料的选用(2)高热硬性或红硬
32、性。热硬性是指钢在高温下保持高硬度的能力。要求高的热硬性是为了防止刀具在高速切削时因摩擦升温而软化。(3)足够的韧性。这样可避免刃具在受冲击振动时发生崩刃或脆断。2常用刃具钢常用刃具钢1)碳素工具钢碳素工具钢为高碳钢，其含碳量为0.65%1.35%，随含碳量提高，钢中碳化物量增加，钢的耐磨性提高，但韧性下降。根据钢中磷、硫的含量，碳素工具钢分为优质钢和高级优质钢。碳素工具钢的牌号、化学成分及力学性能见表2-11。项目二 机械零件材料的选用 表表2-11 碳素工具钢的牌号、化学成分及力学性能碳素工具钢的牌号、化学成分及力学性能(摘自摘自GB/T 12982008)项目二 机械零件材料的选用 碳素
33、工具钢的预备热处理一般为球化退火，其目的是降低硬度(217 HB)，便于切削加工，并为淬火做组织准备。最终热处理为淬火+低温回火，硬度可达62 HRC65 HRC。碳素工具钢的优点是成本低，耐磨性和加工性较好，在手用工具和机用低速工具上得到了广泛应用；缺点是热硬性差(切削温度低于200)，淬透性低，只适于制作尺寸不大、形状简单的低速刃具。项目二 机械零件材料的选用 日常生产中，T7、T8钢能制作承受冲击、韧性较好、硬度适当的工具，例如扁铲、冲头、手钳、大锤、改锥、木工工具、压缩空气锤等；T8Mn的使用范围同T7、T8钢，但由于其淬透性较大，可制作截面较大的工具；T9钢可制作韧性中等、硬度高的工
34、具，如冲头、木工工具、凿岩工具等；T10、T11钢可制作不受剧烈冲击、高硬度耐磨的工具，如车刀、刨刀、丝锥、手锯条等；T12、T13钢可制作不受冲击、要求高硬度和高耐磨性的工具，如锉刀、刮刀、精车刀、丝锥、量具等。项目二 机械零件材料的选用 2)低合金工具钢低合金工具钢是在碳素工具钢的基础上加入少量合金元素(总量小于5%)形成的，其在保持高的含碳量(0.75%1.50%)的同时，加入了Cr、Mn、Si、W、V等合金元素。Cr、Mn、Si的主要作用是提高淬透性，Si还有提高耐回火性的作用；W、V的作用是提高耐磨性，并细化晶粒。低合金工具钢的热处理特点基本与碳素工具钢相同。采用球化退火作为预备热处
35、理，最终热处理为淬火加低温回火。与碳素工具钢不同的是，由于加入了合金元素，钢的淬透性提高了，可在油中淬火，淬火后的硬度与碳素工具钢处于同一范围，但淬火变形、开裂倾向小。切削温度可达250，仍属于低速切削刃具钢。项目二 机械零件材料的选用 低合金工具钢的牌号、化学成分及热处理见表2-12。其典型钢种是9SiCr，由于加入Si、Cr而提高了淬透性。另外，由于Si等还能提高耐回火性，使钢在250300下仍保持60 HRC以上的硬度。低合金工具钢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，也常用做冷冲模、量具等。项目二 机械零件材料的选用 表表2-12 低合金工具钢的牌号、化学成分
36、及热处理低合金工具钢的牌号、化学成分及热处理(摘自摘自GB/T 12992000)项目二 机械零件材料的选用 3)高速工具钢高速工具钢又称高速钢，是制造高速切削刀具用钢。其主要性能特点是热硬性高，当切削温度达到600时，硬度仍能保持在55 HRC60 HRC以上。高速钢的淬透性高，空冷即可淬火，俗称“风钢”。高速钢的含碳量为0.70%1.6%，合金元素以Cr、W、Mo、V为主加元素，各高速钢的Cr含量大多在4%左右。高速钢的加工工艺路线为：下料锻造球化退火机加工淬火+回火喷砂磨削加工。对于高速钢而言，锻造具有成型和改善组织的双重作用。球化退火的目的是降低硬度，便于切削加工，并为淬火做组织准备。
37、高速钢的淬火温度高达l280，通常在550570进行三次回火。项目二 机械零件材料的选用 高速钢的牌号、化学成分及热处理见表2-13。其中最常用的钢种为钨系的W18Cr4V和钨钼系的W6Mo5Cr4V2。这两种钢的组织性能相似，但前者的热硬性较好，后者的耐磨性、热塑性和韧性较好。高速钢主要用来制造高速切削刃具，如车刀、刨刀、铣刀、钻头等。项目二 机械零件材料的选用 项目二 机械零件材料的选用 1.4.2 模具钢模具钢模具钢是用以制造各种模具的钢种，分为冷作模具钢、热作模具钢和塑料模具钢。1冷作模具钢冷作模具钢冷作模具钢是在冷态下使金属材料产生塑性变形的模具，如冲裁模、弯曲模、拉深模、拉丝模等，
38、这类模具的工作温度不超过200300。只要能够满足使用要求，冷作模具钢可以使用碳素工具钢、滚动轴承钢、合金工具钢、高速工具钢等。常用合金冷作模具钢的牌号、化学成分及热处理见表2-14。项目二 机械零件材料的选用 项目二 机械零件材料的选用 根据冷作模具钢的工作条件，对其性能要求是：高的硬度和耐磨性、较高的强度和韧性、较好的抗疲劳性和抗咬合性及良好的工艺性。冷作模具钢一般要求含碳量不小于0.9%，以保证有足够的合金碳化物。主要加入的合金元素有Mn、Cr、W、Mo、V等。Mn、Cr等合金元素主要提高淬透性和强度。W、Mo、V等元素与碳形成难熔的合金碳化物，可提高钢的耐磨性、回火稳定性并能细化晶粒，
39、Mo还能改善钢的韧性。项目二 机械零件材料的选用 冷作模具钢的最终热处理一般为淬火+低温回火。一般冲孔落料模，因其工作条件繁重，对凸模和凹模均要求较高的硬度(58 HRC62 HRC)和高的耐磨性以及足够的强度和韧性，并要求淬火变形小。根据上述性能要求，合金刃具钢通常可用于冷作模具。常用的冷作模具钢根据工作用途分类如下：1)低淬透性冷作模具钢低淬透性冷作模具钢中，使用最多的是碳素工具钢和GCr15轴承钢等。这类钢常用于轻载、小型、形状简单、生产批量不大的冷作模具，如T8A、T10A、T12A、GCr15、8MnSi、Cr2、9Cr2、Cr06、W等。项目二 机械零件材料的选用 2)低变形冷作模
40、具钢低变形冷作模具钢是在碳素工具钢的基础上加入少量合金元素而发展起来的。通常加入的合金元素有Cr、Mn、Si、W、V等，其主要作用是提高淬透性，减小淬火变形开裂倾向，形成特殊碳化物，细化晶粒，提高回火稳定性。因此这类模具钢的强韧性、耐磨性、热硬性都比碳素工具钢高，使用寿命也较碳素工具钢长。常用钢种为CrWMn、9Mn2V、9CrWMn、9Mn2、MnCrWV、SiMnMo等，其中CrWMn、9Mn2V最为常用。项目二 机械零件材料的选用 3)高耐磨微变形冷作模具钢高耐磨微变形冷作模具钢一般是高碳高铬钢，是一种高合金冷作模具钢，应用量最多、最广泛。这类钢自20世纪70年代开始用于冷作模具，现已成
41、为重载冲头的基本材料。其代表牌号有Cr12、Cr12MoV、Cr12Mo1V1、Cr12W、Cr12V、Cr4W2MoV、Cr5Mo1V、Cr6WV、LD(7Cr7Mo2V2Si)、ER5(Cr8MoWV3Si)和GM(9Cr6W3Mo2V2)等。这类钢热处理后变形小、耐磨性高、承载力大，经常用于制造在高耐磨、微变形、高负荷条件下工作的冷加工用模具，但该类钢韧性较差，易出现崩刃、脆裂现象。项目二 机械零件材料的选用 4)高强度高耐磨冷作模具钢传统的高速钢(W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2)即是此类钢的典型钢种。高速钢具有很高的硬度、抗压强度和耐磨性，采用低温淬火、快速加热淬火等工艺措施可以
42、有效地改善其韧性，因此越来越多地用于制造要求重载荷、高使用寿命的冷作模具。这类钢的常用牌号有W18Cr4V(W18)、W6Mo5Cr4V2(M2)、W12Mo3Cr4V3N(V3N)、W9Mo3Cr4V(W9)以及为提高韧性而研制的降碳降钒高速钢6W6Mo5Cr4V(6W6)，这些高速钢在制造重载荷的冷作模具方面获得了良好的使用效果。高速钢主要用于重载冲头，如冷挤压冲头、冷镦冲头和中厚钢板冲孔冲头。项目二 机械零件材料的选用 5)抗冲击冷作模具钢这类钢成分接近合金调质钢，常用牌号有4CrW2Si、5CrW2Si、6CrW2Si、6CrMnSi2Mo1、5Cr3Mn1SiMo1V、9CrSi、6
43、0Si2Mn、5CrMnMo、5CrNiMo、5SiMnMoV，主要合金元素是Mn、Si、Cr、W、Mo。由于成分相近，故此类钢具有一些共同特点，如碳化物少、组织均匀、淬火组织以板条状马氏体为主，具有高抗弯强度、高冲击疲劳抗力、高韧性和良好的耐磨性。但也有抗压强度低、热稳定性差和淬火变形难以控制等缺陷。项目二 机械零件材料的选用 6)高强韧性冷作模具钢随着低合金钢、不锈钢和轴承钢冷挤压技术的发展，对冷作模具钢提出了不仅要有高硬度、高耐磨性，而且还要有高韧性的要求。显然，上述各类模具钢不能满足这些要求。铬钨硅系钢的耐磨性不够，而高铬、中铬钢以及高速钢中碳化物的数量多，韧性不足。为了满足冷挤压工艺
44、发展的需要，目前已研制出多种高强韧性模具钢，如降碳高速钢、基体钢、低合金高强度钢和马氏体时效钢等。典型钢种为6W6Mo5Cr4V、6Cr4W3Mo2VNb(65Nb)、7Cr7Mo2V2Si(LD)、7CrSiMnMoV(CH-1)、6CrNiSiMnMoV(GD)、8Cr2MnWMoVS等。项目二 机械零件材料的选用 7)高耐磨高强韧性冷作模具钢高强韧性钢虽然克服了高铬钢、高速钢的脆断倾向，但是由于含碳量的减少，其耐磨性不如高铬钢、高速钢。因此专门研制了高耐磨、高强韧性冷作模具钢，常用钢种为9Cr6W3Mo2V2(GM)、Cr8MoWV3Si(ER5)。8)特殊用途冷作模具钢这类钢主要有两类
45、：一类为典型的耐蚀冷作模具钢，常用的钢种有9Cr18、Cr18MoV、Cr14Mo、Cr14Mo4；另一类为无磁模具钢，如1Cr18Ni9Ti、5Cr21Mn9N14W、7Mn15Cr2Al3V2WMo。项目二 机械零件材料的选用 2热作模具钢热作模具钢热作模具钢是用来制造对金属进行热变形加工的模具，如热锻模、热挤压模、压铸模等。根据热作模具钢的使用条件，对其性能要求是：较高的高温强度和良好的韧性、耐磨性、耐热疲劳性、导热性、成型加工工艺及高淬透性、热稳定性等。热作模具钢碳的质量分数为0.3%0.6%，主要加入的合金元素有Cr、Ni、Mn、W、Mo和V。热作模具钢的加工工艺要求毛坯要反复锻造，
46、使碳化物均匀分布。锻造后要退火以消除锻造应力、降低硬度，便于切削加工。最终热处理一般为淬火+高温(中温)回火，得到回火索氏体，以获得良好的综合力学性能，来满足使用要求。项目二 机械零件材料的选用 根据用途、工作温度、性能和合金元素可对通用热作模具钢分类如下：(1)按用途分：热锻模用钢、热挤压模用钢、压铸模用钢和热冲裁模用钢。(2)按耐热性分：低耐热钢(350370)、中耐热钢(550600)和高耐热钢。(3)按特有性能分：高韧性热作模具钢、高热强热作模具钢和高耐磨热作模具钢。(4)按合金元素分：钨系热模钢、铬系热模钢铬钼系热模钢和铬钨钼系热模钢。常用合金热作模具钢的牌号、化学成分及热处理见表2
47、-15。项目二 机械零件材料的选用 项目二 机械零件材料的选用 下面我们按照用途来分别介绍。1)热锻模用钢(高韧性、低合金)热锻模是在高温下通过冲击力或压力使炽热的金属坯料成型的模具，包括锤锻模、压力机锻模、热镦模、精锻模和高速锻模等，其中锤锻模最有代表性。热锻模用钢主要用于各种尺寸的锤锻模、平锻机锻模、大型压力机锻模等。热锻模要求具有较高的高温强度和韧性、良好的耐磨性和耐热疲劳性，由于锤锻模尺寸比较大，还要求锤锻模用钢具有高的淬透性。项目二 机械零件材料的选用 常用的热锻模用钢主要有5CrNiMo、5CrMnMo、4CrMnSiMoV等，此外还有国内近年来研制的新钢种，如4SiMnMoV、5
48、Cr2NiMoVSi、45Cr2NiMoVSi等。其中45Cr2NiMoVSi钢是应用比较成熟的高强韧大截面锤锻模具钢。2)热挤压模用钢(高热强热、中合金)热挤压模的工作条件相当繁重，既要承受压缩应力和弯曲应力，脱模时也要承受一定的拉应力，另外还要受到冲击负荷的作用。对于这类模具特别要求具有高的热稳定性、较高的高温强度和足够的韧性、良好的耐热疲劳性和高的耐磨性。项目二 机械零件材料的选用 常用的热挤压模具用钢是钨系热作模具钢和铬系热作模具钢，还有铬钼系、钨钼系和铬钼钨系等新型的热作模具钢以及基体钢等。钨系热作模具钢的代表性钢种为传统的3Cr2W8V钢，由于其耐热疲劳性较差，在热挤压模方面的应用
49、逐渐减少，但在压铸模方面的应用较多。铬系热作模具钢的代表性钢种有4Cr5MoSiV(H11)、4Cr5MoSiV1(H13)、4Cr5W2VSi(HM1)、3Cr3Mo3VNb(HM3)、4Cr3Mo3SiV(H10)等。项目二 机械零件材料的选用 3)压铸模用钢(高热强热、中合金)压铸模用钢用于制造压力铸造和挤压铸造模具。压铸模工作时与高温的液态金属接触，对压铸模的性能要求是：较高的耐热性和良好的高温力学性能、优良的耐热疲劳性、高的导热性、良好的抗氧化性和耐蚀性、高的淬透性等。常用的压铸模用钢以钨系、铬系、铬钼系和铬钨钼系热作模具钢为主，也有一些其他合金工具钢或合金结构钢，用于工作温度较低的
50、压铸模，如4CrSi、4CrW2Si、5CrW2Si、5CrNiMo、5CrMnMo、4Cr5MoSiV、4Cr5MoSiVl、4Cr5W2VSi、3Cr2W8V、3Cr3Mo3W2V等。其中3Cr2W8V钢是制造压铸模的典型钢种，常用于制造浇铸铝合金和铜合金的压铸模；与其性能和用途相类似的还有3Cr3Mo3W2V钢。项目二 机械零件材料的选用 4)热冲裁模用钢(高耐磨、低合金高碳)在热作模具中热冲裁模的工作温度较低，因此对材料的性能要求也相对放宽。除了应具有高的耐磨性、良好的强韧性以及加工工艺性能外，几乎所有的热作模具钢都能满足热冲裁模的工作条件要求。所以在选材时，可着重考虑材料的经济性和生
