第六章++合金钢与粉末冶金

第六章 合金钢与粉末冶金

第一节 概述

1、碳钢的优缺点

碳钢的价格低廉，便于获得，容易加工；碳钢通过含碳量的增减和不同的热处理，它的性能可以得到改善，能满足很多生产上的要求。但是由于碳钢还存在着以下几个主要缺点，使它的应用受到一定限制。

（1）碳钢的淬透性低

碳钢制成的零件尺寸不能太大，否则淬不透，出现内外性能不均，对于一些大型的机械零件，（要求内外性能均匀），就不能采用碳钢制作，如发电机转子，汽轮机叶片，汽车、拖拉机的连杆螺栓等。

（2）回火抗力差

碳钢淬火后，只有经低温回火才能保持高硬度，若其回火温度超过200℃，其硬度就显著下降。即回火抗力差，不能在较高的温度下保持高硬度，因此 对于要求耐磨，切削速度较高，刃部受热超过200℃的刀具就不能采用碳钢制作。

（3）碳钢不能满足一些特殊性能的要求

如耐热性、耐腐蚀性、耐低温性（低温下高韧性）

为了弥补碳钢的不足，满足上述条件的要求，目前工业上广泛发展和使用了合金钢材料。

2、合金钢的概念

所谓的合金钢，就是为了改善钢的性能，特意地加入一些合金元素的钢。 目前常用的合金元素：Cr、Mn、Ni、Co、Cu、Si、Al、B、W、M。V、Ti、Nb、Zn及稀土Re。

钢中所含合金元素不同，其组织和性能也不同。

第二节 钢中合金元素的作用

一、合金元素对钢中基本相的影响

在退火、正火或调质状态，碳钢中的基本相是铁素体和渗碳体，当钢中加入少量合金元素时，有可能一部分溶于铁素体内形成合金铁素体，而另一部分溶于渗碳体内形成合金渗碳体。

合金元素在钢中的存在形式有三种：形成固溶体，形成化合物和呈游离状态。

通常与碳的亲和力很弱，不形成碳化物的元素主要固溶于铁素体、奥氏体、马氏体中，而不形成碳化物，如：Ni、Si、Al、Co??。

碳化物形成元素可形成合金渗碳体和特殊碳化物，如：Mn、Cr、Mo、W、V、Ti、Nb、Zr等，其中Mn与碳的亲合力较弱，它的大部分是固溶于铁素体、奥氏体、马氏体中，而少部分固溶于渗碳体中形成合金渗碳体，（Fe，Mn）3C。V、Ti、Nb、Zn与碳的亲合力很强，主要以特殊碳化物形式存在。而Cr、Mo、W与碳的亲和力较强，当含量较少时，它们主要固溶于渗碳体中，而含量较高时，才能形成特殊碳化物如：Cr23C6、WC、MoC、Cr7C6。

对于固态下不溶于铁或在铁中溶解度很小的少数元素，如Pb、Cu、（＞0.8)等，常以游离态存在。

钢中存在的合金元素对钢的性能有明显的影响。

1、形成固溶体：产生固溶强化，使钢的强度提高，而且合金元素的原子半径及晶格类型与铁原子相差愈大，强化作便愈大。

如Ni、Mn、Si（f、c、c，复杂立方，金刚石晶格）对铁素体（b、c、c）的强化作用大于Cr、Mo、W（b、c、c）。

图6-1 合金元素对缓慢冷却后铁素体硬度的影响

而且这种固溶于铁素体中的合金元素，除少量的Mn、Cr、Ni、Si（≤1.5%Mn，≤2%Cr，≤5%Ni，≤0.6%Si）能使铁素体的塑性、韧性提高外，都降低其塑性、韧性。（据此，通常使用的结构钢中各合金元素的含量都有一定限度）

2、形成合金渗碳体：合金元素固溶于渗碳体中，部分替代了渗碳体中的Fe原子而形成的，如（Fe，Cr）3C。

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使渗碳体的硬度和稳定性提高，因为和碳化物形成元素相比，铁和碳的亲合力最弱，故渗碳体是稳定性最差的碳化物。合金元素溶于渗碳体内增加了铁与碳的亲合力，从而提高了其稳定性，且这种稳定性较高的合金渗碳体较难溶于奥氏体，较难聚集长大，可提高钢的强度、硬度、耐磨性。

3、形成特殊碳化物：（VC、TiC、WC、MoC??）因其稳定性很高，具有高熔点和高硬度，更难溶于奥氏体，难以聚集长大。随特殊碳化物数量增多，钢的硬度增大，耐磨性增加，但塑性、韧性下降，特别是当这类碳化物大小不一，分布不均匀时，钢的脆性显著增加。

4、游离态存在：显著降低钢的强度、塑性和韧性，但可提高切削加工性。 二、合金元素对Fe-Fe3C相图的影响

实验表明，合金元素对Fe-Fe3C相图的影响，主要表现在对纯铁同素异构转变温度A4、A3，共析转变温度A1及对γ区的影响。

1、扩大γ区

Ni、Mn等元素是扩大γ区的元素，它们使A4和NJ线升高，A3和GS线降低，使γ区增大，当扩大γ区的元素含量很高时，可把A3点温度降至室温以下，这时钢在室温下就得到奥氏体组织——称为奥氏体钢、如含13%Mn的Mn13耐磨钢，含9%Ni的Cr18Ni9不锈钢等均属奥氏体钢。

图6-2 扩大γ相区的合金元素——Fe示意图

2、缩小γ区

Cr、W、Mo、V、Ti、Al、Si等是缩小γ区的元素，它们能使A4和NJ线下降，此时钢在冷却时便不发生组织转变，室温下组织铁素体组织—称为铁素体钢，如含17~28%Cr的Cr17、Cr25、Cr28等铬不锈钢均属铁素体钢。

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图6-3 缩小γ相区的合金元素——Fe示意图

奥氏体钢和铁素体钢具有特殊性能如：耐热、耐腐蚀、耐低温等等。 3、使E点和S点左移

无论是扩大γ区的合金元素，还是缩小γ区的合金均使E点和S点左移，即降低共析点的含碳量及碳在奥氏体中的最大溶解度。因此使相同含碳量的碳钢和合金钢具有不同的显微组织，如含碳0.4%的碳钢具有亚共析组织，而含C0.4%，13%Cr的合金钢则具有过共析组织。因为此时的共析成分已不再是0.77%，而是变为0.3%C了，另外，由于E点的左移，使含碳量远低于2.11%C的合金钢中出现莱氏体。如18%W的高速工具钢，含0.70-0.80%C，其铸态组织中出现了莱氏体。

a) Mn对Ｅ、Ｓ点的影响 b) Cr对Ｅ、Ｓ点的影响

图６-４ 合金元素对Ｅ、Ｓ点的影响

三、合金元素对钢的热处理工艺的影响 （一）对钢加热时奥氏体形成的影响

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实验表明，合金元素对钢加热时奥氏体形成的影响，主要表现在对奥氏体的形成速度及奥氏体的晶粒大小的影响。

1、对奥氏体形成速度的影响

合金钢在室温的平衡组织大多是由合金铁素体和碳化物组成，在加热至Ac1或Ac3以上温度时将发生奥氏体化过程，同样此过程包括奥氏体的形成，剩余碳化物的溶解和奥氏体成分均匀化，均是由合金元素和碳的扩散所控制。

非碳化物形成元素Co和Ni提高碳在奥氏体中扩散速度，加速奥氏体的形成。Si、Al、Mn等元素，对C的扩散速度影响不大。因而对奥氏体的形成速度影响不大。碳化物形成元素：Cr、W、Nb、Mo、Ti、V阻碍C的扩散，缓减奥氏体的形成速度。

此外，奥氏体转变完成时，合金元素和碳的分布是不均匀的，必须通过C和合金元素的扩散，才能使奥氏体成分均匀化，且合金元素的扩散能力远比碳小，因此，要获得均匀的奥氏体，合金钢的加热温度应比碳钢高，保温时间应比碳钢长。

2、对奥氏体晶粒大小的影响

碳化物形成元素：Ti、V、Nb、Zr??强烈阻碍晶粒长大； W、Mo、Cr??一般阻止晶粒长大；非碳化物形成元素：Ni、Cu、Si、Co等影响不大； P、Mn促进晶粒长大。

（二）对钢淬透性的影响（对C曲线的影响）

图６-５ 合金元素对C曲线的影响

1、对“C”曲线的影响

除Co、Al以外，大多数溶入奥氏体中的合金元素都增加奥氏体的稳定性，使C曲线右移。且非碳化物形成元素Al、Ni、Si、Cu等不改变C曲线的形状，只使其右移，碳化物形成元素Mn、Cr、Mo、W等除使C曲线右移外，还改变其形状。

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