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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。
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。

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
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。
碳化物形成元素Mn、Cr、Mo、W等将C曲线分裂为珠光体转变和贝氏体转变两个C曲线，并在此二曲线之间出现一个过冷奥氏体的稳定区，其中Cr和Mn推迟贝氏体转变的作用大于珠光体转变；而Mo、W推迟珠光体转变的作用大于贝氏体。
2、对Ms点的影响
除钴、铝以外，大多数合金元素溶人奥氏体中会降低钢的Ms点，增加了钢中的残余奥氏体的数量，对钢的硬度和尺寸稳定性产生较大的影响。
合金元素使C曲线位置和形状的改变，有重要的实际意义，由于合金元素使C曲线右移，因而使淬火的临界冷却速度降低，提高了钢的淬透性，这样就可采用较小的冷却速度，甚至在空气中冷却就能得到马氏体，从而避免了由于冷却速度过大而引起的变形和开裂，另一方面由于形状的改变，使某些钢28CrMoNiVB采取空冷便得贝氏体组织，具有良好的综合机械性能，就不用采取等温淬火。
（三）对淬火钢回火的影响
1、提高钢的回火稳定性
合金元素固溶于马氏体中，减慢了碳的扩散，从而减慢了马氏体及残余奥氏体的分解过程和阻碍碳化物析出，聚集长大，因而在回火过程中合金钢的软化速度比碳钢慢，即合金钢具有较高的回火抗力，在较高的回火温度下仍保持较高的硬度，即在回火温度相同时，合金钢的硬度及强度比相同含碳量的碳钢高，而回火至相同硬度时，合金钢的回火温度高，内应力的消除比较彻底，因此，其塑性和韧性比碳钢好。

图6-6 对含碳0.35%钢淬火回火后硬度的影响
2、产生二次硬化
若钢中Cr、W、Mo、V等元素超过一定量时，除了提高回火抗力外，在400℃以上还会形成弥散分布的特殊碳化物，使硬度重新升高，直到500～600℃硬度达最高值，出现所谓的二次硬化现象。600℃以后硬度下降是由于这些弥散分布的碳化物聚集长大的结果。
二次硬化现象对高合金工具钢十分重要，通过500～600℃回火可使其硬度比淬火态硬度高5HRC以上。
3、回火脆性
合金元素对淬火钢回火后的机械性能的不利方面是回火脆性问题。
回火脆性一般是在250-400℃与500-650℃这两个温度范围内回火出现的，它使钢的韧性显著降低。
（1）第一类回火脆性
结构钢回火时在250-400℃出现的冲击韧性下降的现象称为“第一类回火脆性”。这类回火脆性无论是在碳钢还是合金钢中均会出现，它与钢的成分和冷却速度无关，即使加入合金元素及回火后快冷或重新加热到脆性回火温度范围内回火，都无法避免，故又称“不可逆回火脆性”。但合金元素可使第一类回火脆性的温度范围移向较高的温度。一般认为这类回火脆性的产生与马氏体，残余奥氏体的分解及Fe3C析出有关，防止方法就是避开这一温度范围回火。
（2）第二类回火脆性
500-650℃回火后缓慢冷却出现的冲击韧性下降现象称为“第二类回火脆性”。这类回火脆性如果在回火时快冷就不会出现，另外，如果脆性已经发生，只要再加热到原来的回火温度重新回火并快冷，则可完全消除，因这类回火脆性又称为“可逆回火脆性”。

图6-7 回火温度对合金钢冲击韧性的影响
而且并非所有的钢都有第二类回火脆性，它只在含Cr、Mn或Cr-Ni、Cr-Si的合金钢中出现，发生了这类回火脆性的钢不仅室温下的冲击韧性低，而且韧脆转化温度高，因此必须设法防止或避免。产生原因是P、Mn、S、Si等元素在晶界偏聚。
消除方法：自回火温度快冷；消除P、Mn、S、Si元素的偏聚；在钢中加入0.2-0.3%Mo或0.4-0.8%W来减缓偏聚过程发生，从而消除或减轻回火脆性。
四、合金元素使合金钢具有某些特殊性能
加入元素Cr、Si、Al等，在高温下在钢的表面形成致密的高熔点的氧化膜，可防止钢件继续氧化；加入W、Mo、V等元素可提高钢的高温强度，使钢具有耐热性。
总之，不同合金元素在钢中的作用不同，同一种合金元素，其含量不同，对钢的组织和性能影响不同，因此就形成了不同类型的合金钢。
五、合金钢的分类
合金钢的种类繁多，为了便于生产，选材、管理及研究，常按用途将合金钢分为三大类：合金结构钢、合金工具钢、特殊性能钢。
第三节 合金结构钢
用于制造各类机械零件以及建筑工程结构的钢称之为结构钢。
合金结构钢的成分特点，是在碳素结构钢的基础上适当地加入一种或多种合金元素，例如Cr、Mn、Si、Ni、Mo、W、V、Ti等。合金元素除了保证有较高的强度或较好的韧性外，另一重要作用是提高钢的淬透性，使机械零件在整个截面上得到均匀一致的、良好的综合力学性能，在具有高强度的同时又有足够的韧性。
合金结构钢主要包括低合金结构钢、易切削钢、调质钢、渗碳钢、弹簧钢、滚动轴承钢等。
一、合金结构钢的编号
用数字+化学元素+数字的方法表示
前面的数字表示钢的平均含碳量的万分数，合金元素用汉字或化学符号表示，其后面的数字表示合金元素含量，一般以平均含量的百分数表示，当合金元素含量小于1.5%时，牌号中只标明元素而不标明含量，如果平均含量等于或大于1.5%、2.5%、3.5%……时，相应地以2、3、4等表示，如含0.37～0.44%C，0.8～1.10%Cr的钢40Cr，含0.57～0.65%C，1.5～2.0%Si，0.6～0.9%Mn的钢用60Si2Mn表示，对于滚珠轴承钢，在钢号前注明“滚”或“G”，后面的数字则表示铬含量的千分数，如GCr15的平均含Cr量1.5%（含C%为1%左右），含S、P量较低（S＜0.02%,P＜0.03% ）的高级优质钢，则在钢号加“高”或“A”。易切削钢，在钢号前加“易”或“Y”如Y12（Mn、Si、C、P）
二、低合金高强度结构钢
（一）用途
普通低合金结构钢(简称普低钢)是在低碳碳素结构钢的基础上加入少量合金元素(总Wme<3％)得到的钢。这类钢比相同碳质量分数碳素钢的强度约高10％一30％，因此又常被称为“低合金高强度钢”。这类钢被广泛应用于桥梁、船舶、管道、车辆、锅炉、建筑等方面，是一种常用的工程机械用钢。
（二）性能要求
与低碳钢相比，普低钢不但具有良好的塑性和韧性以及焊接工艺性能，而且还具有较高的强度，较低的冷脆转变温度和良好的耐腐蚀能力。因此，用普低钢代替低碳钢，可以减少材料和能源的损耗，减轻工程结构件的自重，增加可靠性，还可以安全地使用在北方高寒地区和要求抵抗腐蚀的行业。
（三）成分特点
1、低碳：碳的平均质量分数一般不大于0．2％C（保证较好的塑性、焊接性能和成形性）。
2、加入锰（主加元素）：平均质量分数在(1．25—1．5)％Mn之间。锰可以溶人铁素体起固溶强化作用，还可以通过对Fe—Fe3C相图中S点影响，增加组织中珠光体的量并使之细化。加入硅固溶强化，提高强度。
3、加入铌、钒 钛等强碳化物形成元素，在钢中能形成微细碳化物，起细化晶粒和弥散强化作用，提高钢的屈服极限、强度极限以及低温冲击韧性。
4、加入铜、磷等元素提高钢对大气的抗腐蚀能力。
（四）热处理特点
通常是在热轧或正火状态下使用，一般不再进行热处理。
（五）常用钢种
我国生产的常用普通低合金结构钢的牌号、成分、性能和用途见表6-1。
常用的低合金结构钢有Q295、Q345、Q390、Q420、Q460五档二十个等级。
三、易切削钢
在钢中附加一种或几种合金元素，以提高其切削加工性，这类钢称为易切削钢。目前常用的附加元素有硫、铅、钙、磷等。
易切削钢的特点是切削性能优异，切削过程中切削抗力小，排屑容易，加工工件表面粗糙度小，刀具使用寿命长。
（一）硫易切削钢
硫在钢中与锰、铁可形成（Mn,Fe）S夹杂物，会中断基体的连续性，促使形成卷曲半径小而短的切屑，减少切屑与刀具的接触面积；还能起减摩作用，降低切屑与刀具之间的摩擦系数，并且使切屑不粘附在刀刃上。因此，硫能降低切削力和切削热，减少刀具磨损，提高表面光洁度和刀具寿命，改善排屑性能。中碳钢的切削加工性通常是随硫含量的提高而不断改善。硫化锰的形状呈圆形而且分布均匀时，钢的切削加工性更好。但是钢中含硫量过多增加，会导致热加工性能进一步变坏，如造成纤维组织，呈现各向异性；产生低熔点共晶，引起热脆。易切钢中硫含量应限定在0.08～0.30%，并适当提高锰的含量（0.6～1.55%）。
（二）铅易切削钢
铅在钢中孤立地呈细小颗粒（3μm）均匀分布时，能改善钢的切削加工性。铅含量一般控制在0.15～0.25%，过多时将引起严重的偏析，形成粗粒的铅夹杂而削弱它对切削加工性的有利作用。与硫易切钢相比，铅易切钢可得到较高的力学性能。但铅易切钢容易产生密度偏析，并且在300℃以上由于铅的熔化而使铅易切钢的力学性能恶化。
（三）钙易切削钢
钢中加入微量的钙（0.001～0.005％）能改善钢在高速切削下的切削加工性。这是因为它在钢中能形成高熔点（约1300～1600℃之间）的钙—铝—硅的复合氧化物（钙铝硅酸盐）附在刀具上，形成薄而具有减摩作用的保护膜，从而防止刀具磨损，显著地延长高速切削刀具的寿命。
易切钢的常用钢号有Y12、Y20，Y40Mn等，其后面数字表示平均碳含量的万分之几。锰含量较高者，在钢号后标出“锰”或“Mn”。如表中T10Pb则表示平均碳含量为1.0%、附加铅的易切碳素工具钢。Y40CrSCa表示为硫钙复合的易切40Cr合金调质钢。
自动机床加工的零件，大多选用低碳碳素易切钢。若切削加工性要求高的，可选用含硫量较高的Y15，需要焊接的选用含硫量较低的Y12，强度要求稍高的选用Y20或Y30；车床丝杠常选用中碳含锰高的Y40Mn。T10Pb相当于国外17AP类型钢，广泛用于精密仪表行业中，如制造手表，照相机齿轮轴等。Y40CrSCa可在比较广泛的切削速度范围中显示出良好的切削加工性。
四、渗碳钢
用来制造渗碳（+淬火、低温回火）零件的钢称为渗碳钢。一般是低碳的优质碳素结构钢与合金结构钢。
（一）工作条件
某些机械零件如汽车和拖拉机的齿轮、内燃机凸轮、活塞销等在工作时经常既承受强烈的摩擦磨损和交变应力的作用，又承受着较强烈的冲击载荷的作用，一般的低碳钢和在此在低碳钢的基础上添加一些合金元素形成的合金渗碳钢，经渗碳和热处理后可保证这些重要的机械零件在复杂工作条件下的正常运行。
（二）性能要求
1、表面具有较高的硬度和耐磨性。
2、心部则具有良好的塑性和韧性及足够高的强度。
3、有良好的热处理工艺性能。
（三）化学成分
1、低碳：0.10％～0.25％，可保证心部有良好的塑性和韧性。
2、加入合金元素Ni、Cr、Mn、B等，作用是提高淬透性，强化铁素体，改善表面和心部的组织与性能。镍在提高心部强度的同时还能提高韧性和淬透性。
3、加入微量的Mo、W、V、Ti等合金元素.为了形成稳定的合金碳化物，防止渗碳时晶粒长大，提高渗碳层的硬度和耐磨性。
（三）热处理特点
预先热处理一般采用正火工艺，渗碳后热处理一般是淬火加低温回火，或是渗碳后直接淬火。
渗碳后工件表面碳的质量分数可达到(0.80％一1.05％)C，热处理后表面渗碳层的组织是回火马氏体+合金碳化物+残余奥氏体，硬度可达到(60～62)HRC。心部组织与钢的淬透性和零件的截面尺寸有关，全部淬透时为低碳回火马氏体+铁素体，硬度为(40～48)HRC。未淬透时为索氏体+铁素体，硬度为(25—40)HRC。
（四）常用渗碳钢
按化学成分分为碳素渗碳钢和合金渗碳钢。合金渗碳钢按淬透性的高低不同，可分为低、中、高淬透性钢三类。
1、 低淬透性合金渗碳钢
有15Cr、20Cr、20Mn2、20MnV等，这类钢碳和合金元素总的质量分数(Me<2％)较低，淬透性较差，水淬临界直径约为(20—35)mm，心部强度偏低。通常用来制造截面尺寸较小、受冲击载荷较小的耐磨件，如活塞销、小齿轮、滑块等。这类钢渗碳时心部晶粒粗化倾向大，尤其是锰钢，因此当它们的性能要求较高时，常常采用渗碳后再在较低的温度下加热淬火。
2、中淬透性合金渗碳钢
有20CrMnTi、20CrMn、20CrMnMo、20MnVB等。这类钢合金元素的质量分数(Me≤4％)较高，淬透性较好，油淬临界直径约为(25～60)mm，渗碳淬火后有较高的心部强度。可用来制作承受中等动载荷的耐磨件，如汽车变速齿轮、花键轴套、齿轮轴、联轴节等。这类钢含碳化物形成元素Ti、V、Cr等，渗碳时晶粒长大倾向较小，可采用渗碳后直接淬火工艺，提高了生产效率，并且节约了能源。
3、高淬透性合金渗碳钢
有18Cr2Ni4WA、20Cr2Ni4A等。这类钢的合金元素的质量分数更高(Me≤7．5％)，在铬、镍等多种合金元素共同作用下，淬透性很高，油淬临界直径大于l00mm，淬火和低温回火后心部有很高的强度。这类钢主要用来制作承受重载和强烈磨损的零件，如内燃机车的牵引齿轮、柴油机的曲轴和连杆等。
下面以合金渗碳钢20CrMnTi制造汽车变速齿轮为例，说明其工艺路线的安排和热处理工艺的选用。
20CrMnTi钢制作汽车变速齿轮的生产工艺流程如下：
锻造→正火→加工齿形→非渗碳部位镀铜保护→渗碳→预冷直接淬火+低温回火→喷丸→磨齿(精磨)
技术要求：渗碳层厚(1．2～1．6)mm，表面碳质量分数为1．0％C；齿顶硬度(58～60)HRC，心部硬度(30-45)HRC。
齿轮毛坯在机械加工前需进行正火处理，其目的是改善锻造状态的不正常组织，以利于切削加工，保证齿形合格。20CrMnTi钢正火后的硬度为170～210HBS，切削加工性能良好；渗碳温度确定为920℃左右，渗碳时间根据所要求的渗碳层厚度（1.2~1.6mm）确定为6~8h；渗碳后，自渗碳温度预冷到870～880℃直接油淬，经200℃低温2～3h后，其力学性能为：σb≈1000MPa，ψ≈50%，AK≈64J；其表面层由于碳含量较高（渗碳后达1.0%左右），在淬火、低温回火后获得回火马氏体组织，具有很高的硬度（58～60 HRC）和耐磨性；心部在淬火、低温回火后获得回火低碳马氏体组织，具有高的强度和足够的韧性。

图6-8 20CrMnTi钢制汽车齿轮热处理工艺路线
五、渗氮钢
渗氮是用氮饱和钢的表面，提高工件的耐磨和耐蚀，渗氮工艺一般是在600℃以下进行。结构钢的氮化目的在于提高其硬度、耐磨性、疲劳强度、热稳定性、耐蚀性、在氮化前需经过调质处理。
渗氮钢扩散层的结构主要取决于氮化温度。当渗氮温度低于590℃时，扩散层的性能取决于钢的成分、加热温度和时间以及氮化后的冷却速度。渗氮钢的高硬度和高耐磨性主要由合金氮化物（MoN、AlN）来保证。
合金元素对渗氮层深度和表面硬度有较大的影响，合金元素在降低C在铁素体中的扩散系数的同时，将减少渗氮层的深度。
各国广泛使用的渗氮钢主要有38Cr2MoAlA（相当我国的38CrMoAlA），近年还开发了一系列渗氮用钢，如38Cr2WVAlA、30CrNi2WVA、30Cr3WA等。
在500～600℃温度范围内渗氮时，扩散层的宽度不大，表层的力学性能较高，从表层开始迅速下降。一般情况下，钢中的合金元素种类越多，其渗氮层的硬度越高。在Cr-Mo钢中添加Al的38Cr2MoAlA钢，其渗氮层的表面硬度最高。
有些渗氮工件并不需要过高的表面硬度，因为脆性的表层会给研磨造成困难。此时可选用低Al钢或无铝钢，如38Cr2WVAlA、40CrV、40Cr等。如果把渗氮层的表面硬度从900～1000HV降低到650～900HV，则可提高其耐磨性和脆性破断抗力，此工艺可用于机床的主轴、滚动支架、丝杆等零件。对于在循环弯曲或接触载荷下工作的零件，可使用30Cr3WA钢制造。
六、调质钢
经调质处理后使用的钢称为调质钢，根据是否含合金元素分为碳素调质钢和合金调质钢。
(一)工作条件和性能要求
汽车、拖拉机、车床等其他机械上的重要零件如汽车底盘半轴、高强度螺栓、连杆等大多工作在受力复杂、负荷较重的条件下，要求具有较高水平的综合力学性能，即要求较高的强度与良好的塑性与韧性相配合。
但是不同的零件受力状况不同，其对性能要求的侧重也有所不同。整个截面受力都比较均匀的零件如只受单向拉、压、剪切的连杆，要求截面处处强度与韧性都要有良好的配合。截面受力不均匀的零件如表层受拉应力较大心部受拉应力较小的螺栓，则表层强度比心部就要要求高一些。
（二）化学成分
1、中碳 调质钢一般是中碳钢，钢中碳的质量分数在(0.25％～0.50％)C之间，碳含量过低，强度、硬度得不到保证；碳含量过高，塑性、韧性不够，而且使用时也会发生脆断现象。常用的碳素调质钢，其碳含量接近上限，如40、45、50钢等；而合金调质钢则比较接近下限，如40Cr，30CrMnTi钢等。
2、合金元素 合金调质钢的主加元素是铬、镍、硅、锰，它们的主要作用是提高淬透性，并能够溶入铁素体中使之强化，还能使韧性保持在较理想的水平。钒、钛、钼、钨等能细化晶粒，提高钢的回火稳定性。钼、钨还可以减轻和防止钢的第二类回火脆性，微量硼对C曲线有较大的影响，能明显提高淬透性。铝则可以加速钢的氮化过程。
（三）热处理特点
预先热处理采用退火或正火工艺，目的是改善锻造组织，细化晶粒，为最终热处理作组织上的准备。最终热处理是淬火十高温回火，淬火加热温度在850℃左右（≥A3），回火温度在500—650℃之间。合金调质钢的淬透性较高，一般都在油中淬火，合金元素质量分数较高的钢甚至在空气中冷却也可以得到马氏体组织。为了避开第二类回火脆性发生区域，回火后通常进行快速冷却。
热处理组织是回火索氏体，某些零件除了要求良好的综合力学性能外，表面对耐磨性还有较高的要求，这样在调质处理后还可以进行表面淬火或氮化处理。

图6-9 40Cr钢在不同温度回火后的力学性能
根据零件的实际要求，调质钢也可以在中、低温回火状态下使用，这时得到的组织是回火托氏体或回火马氏体。它们的强度高于调质状态下的回火索氏体，但冲击韧性值较低。例如模锻锤杆、套轴等采用中温回火；凿岩机活塞、球头销等采用低温回火。为了保证必需的韧性和减少残余应力，一般仅使用碳含量≤0.30%的合金调质钢进行低温回火。
（四）常用调质钢
合金调质钢可按其淬透性的高低分为三类。
1、低淬透性合金调质钢
多为锰钢、硅锰钢、铬钢、硼钢，有40Cr、40MnB、40MnVB等。这类钢合金元素总的质量分数(Me<2．5％)较低，淬透性不高，油淬临界直径约为20～40mm，常用来制作中等截面的零件如柴油机曲轴、连杆、螺栓等。40、45钢等中碳钢经调质热处理后，其力学性能大致为σb＝620～700MPa，σs=450～500MPa，δ=20%～17%，ψ=50%～45%，AK=72～64J。碳素调质钢的力学性能不高，只适用于尺寸较小、负荷较轻的零件；合金调质钢适用于尺寸较大、负荷较重的零件，以42CrMo、37CrNi3钢的综合力学性能较为良好，尤其是强度较高，比相同碳含量的碳素调质钢高出30%左右，其原因主要是由于这两种钢中合金元素对铁素体的强化效果较为显著所致。
连杆螺栓是发动机中一个重要的连接零件，工作时承受冲击性的周期性拉应力和装配时的预应力，在发动机运转中，连杆螺栓如果破断，就会引起严重事故。因此要求它应具有足够的强度、冲击韧度和抗疲劳能力。为了满足上述综合机械性能的要求，确定40Cr钢制连杆螺栓的热处理工艺如图6-10所示。

图6-10 连杆螺栓极其热处理工艺
连杆螺栓的生产工艺路线为：下料→锻造→退火→机加工→调质→机加工→装配。
退火（或正火）作为预先热处理，其主要目的是为了改善锻造组织，细化晶粒，有利于切削加工，并为随后调质热处理作好组织准备。
在调质热处理中，淬火的加热温度为840土10℃，而后油冷，获得马氏体组织；回火加热温度525土10C，水冷（防止第二类回火脆性）。
经调质热处理后金相组织应为回火索氏体，其硬度约为30～38HRC。
2、中淬透性合金调质钢
多为铬锰钢、铬钼钢、镍铬钢，有35CrMo、38CrMoAl、38CrSi、40CrNi等。这类钢合金元素的质量分数较高，油淬临界直径为40～60mm，常用来制作大截面、重负荷的重要零件如内燃机曲轴、变速箱主动轴等。
3、高淬透性合金调质钢
多为铬镍钼钢、铬锰钼钢、铬镍钨钢，有40CrNiMoA、40CrMnMo、25CrgNi4WA等。这类钢合金元素的质量分数最高，淬透性也很高，油淬临界直径为60～100mm。铬和镍的适当配合，使此类钢的力学性能更加优异。主要用来制造截面尺寸更大、承受更重载荷的重要零件如汽轮机主轴、叶轮、航空发动机轴等。
七、弹簧钢
用来制造各种弹性零件如板簧、螺旋弹簧、钟表发条等的钢称为弹簧钢。
（一）工作条件和性能要求
弹簧是广泛应用于交通、机械、国防、仪表等行业及日常生活中的重要零件，主要工作在冲击、振动、扭转、弯曲等交变应力下，利用其较高的弹性变形能力来贮存能量，以驱动某些装置或减缓震动和冲击作用。因此，弹簧必须有较高的弹性极限和强度，防止工作时产生塑性变形；弹簧还应有较高的疲劳强度和屈强比，避免疲劳破坏；弹簧应该具有较高的塑性和韧性，保证在承受冲击载荷条件下正常工作；弹簧应具有较好的耐热性和耐腐蚀性，以便适应高温及腐蚀的工作环境；为了进一步提高弹簧的力学性能，它还应该具有较高的淬透性和较低的脱碳敏感性。
（二）化学成分
碳素弹簧钢碳的质量分数一般在0.6～0.9%之间，合金弹簧钢的碳含量在0.45～0.75%之间，以保证其有较高弹性极限和疲劳强度，碳含量过低，强度不够，易产生塑性变形；碳含量过高，塑性和韧性会降低，耐冲击载荷能力下降。碳素钢制成的弹簧件力学性能较差，只能做一些工作在不太重要场合的小弹簧。
合金弹簧钢中的主加合金元素是硅和锰，主要是为了提高淬透性和屈强比，硅的作用比较明显，但是硅会使弹簧钢热处理表面脱碳倾向增大，锰则会使钢易于过热。铬、钒、钨的加入为的是在减少弹簧钢脱碳、过热倾向的同时，进一步提高其淬透性和强度，这些元素可以提高过冷奥氏体的稳定性，使大截面弹簧得以在油中淬火，降低其变形、开裂的几率。此外，钒还可以细化晶粒，钨、钼能防止第二类回火脆性，硼则有利于淬透性的进一步提高。
（三）热处理特点
根据弹簧的尺寸和加工方法不同，可分为热成型弹簧和冷成形弹簧两大类，它们的热处理工艺也不相同。
1、热成型弹簧的热处理
直径或板厚大于10～15mm的大型弹簧件，多用热轧钢丝或钢板制成。先把弹簧加热到高于正常淬火温度50℃～80℃的条件下热卷成形，然后进行淬火+中温回火，获得具有良好弹性极限和疲劳强度的回火托氏体。弹簧热处理后一般还要进行喷丸处理，目的是强化表面，使表面产生残余压应力，提高疲劳强度，延长使用寿命。
热轧弹簧钢采用热成形制造板簧的工艺路线如下：
扁钢剪断→加热压弯成型后淬火→中温回火→喷丸→装配。
弹簧钢的淬火温度一般为830~880℃，温度过高易发生晶粒粗大和脱碳，使其疲劳强度大为降低。因此在淬火加热时，应选用少、无氧化的设备如盐浴炉、保护气氛炉等，防止氧化脱碳。炉气要严格控制，并尽量缩短弹簧在炉中停留的时间。淬火加热后在50~80℃油中冷却，冷至100～150℃时即可取出进行中温回火。回火温度根据弹簧的性能要求加以确定，一般为480~550℃。回火后的硬度约为39～52HRC。对剪切应力较大的弹簧回火后硬度应为48～52HRC，板簧回火后的硬度应为39～47HRC。
2、冷成型弹簧的热处理
直径小于8mm的小尺寸弹簧件，常用冷拔钢丝冷卷成形。根据拉拔工艺不同，冷成形弹簧可以只进行去应力处理或进行常规的弹簧热处理。冷拉钢丝制造工艺及后续热处理方法有以下三种：
① 铅浴处理冷拉钢丝 先将钢丝连续拉拔三次，使总变形量达到50％左右，然后加热到Ac3（900-950℃）以上温度使其奥氏体化，随后在500—550℃的铅浴中等温，使奥氏体全部转化为索氏体组织，再多次冷拔至所需尺寸。这类弹簧钢丝的屈服强度可达1600MPa以上，而且在冷卷成形后不必再进行淬火处理，只要在200～300℃退火消除应力即可。
② 油淬回火钢丝 先将钢丝冷拉到规定尺寸，再进行油淬回火。这类钢丝强度虽不如铅浴处理的冷拉钢丝，但是其性能均匀一致。在冷卷成形后，只要进行去应力回火处理，不再经过淬火回火处理了。
③ 退火状态钢丝 将钢丝冷拉到所需尺寸，再进行退火处理。软化后的钢丝冷卷成形后，需经过淬火十中温回火，以获得所需的力学性能。
八、滚动轴承钢
用来制作各种滚动轴承零件如轴承内外套圈，滚动体(滚珠、滚柱、滚针等)的专用钢称为滚动轴承钢。
（一）工作条件和性能要求
滚动轴承在工作时，滚动体与套圈处于点或线接触方式，接触应力在1500～5000MPa以上。而且是周期性交变承载，每分钟的循环受力次数达上万次，经常会发生疲劳破坏使局部产生小块的剥落。除滚动摩擦外，滚动体和套圈还存在滑动摩擦，所以轴承的磨损失效也是十分常见的。因此，滚动轴承必须具有较高的淬透性，高且均匀的硬度和耐磨性，良好的韧性、弹性极限和接触疲劳强度，在大气及润滑介质下有良好的耐蚀性和尺寸稳定性。
（二）化学成分
1、高碳：滚动轴承钢碳的质量分数较高，一般在(0.95％—1.15％)C之间，以保证其获得高强度、高硬度和高耐磨性。
2、铬为基本合金元素：铬是滚动轴承钢的基本合金元素，其质量分数为(0.4％～1.65％)Cr。铬的主要作用是提高淬透性和回火稳定性，铬能与碳作用形成细小弥散分布的合金渗碳体(Fe，Cr)3C，可以使奥氏体晶粒细化，减轻钢的过热敏感性，提高耐磨性，并能使钢在淬火时得到细针状或隐晶马氏体，使钢在保持高强度的基础上增加韧性。
但铬的含量不易过高，否则淬火后残余奥氏体的量会增加，碳化物呈不均匀分布，导致钢的硬度、疲劳强度和尺寸稳定性等降低。
3、其它元素：对大型轴承(如钢珠直径超过30～50mm的滚动轴承)而言，还可以加入硅、锰、钒，进一步提高淬、强度、耐磨性和回火稳定性。
4、纯度要求高：滚动轴承钢的接触疲劳强度等对杂质和非金属夹杂物的含量和分布比较敏感，因此，必须将硫、磷的质量分数分别控制在0.02％S和0.027％P之内，氧化物、硫化物、硅酸盐等非金属夹杂物含量和分布控制在规定的级别之内。
（三）热处理特点
1、预先热处理：滚动轴承的预先热处理采用球化退火，球化退火工艺为将钢材加热到790～800℃，在710～720℃保温3～4小时，而后炉冷。
目的是得到细粒状珠光体组织和均匀过剩的细粒状碳化物，降低锻造后钢的硬度，使其不高于210HBS，提高切削加工性能，并为零件的最终热处理作组织上的准备。
2、最终热处理：滚动轴承钢的最终热处理一般是淬火+低温回火，淬火加热温度严格控制在820—840℃，如果淬火加热温度过高(≥850℃)，将会使残余奥氏体量增多，并会因过热而淬得粗片状马氏体，使钢的冲击韧度和疲劳强度急剧降低。淬火后应立即回火，回火温度为150～160℃，保温2～3小时。组织应为极细的回火马氏体+细小而均匀分布的粒状碳化物+少量残余奥氏体，硬度为(61—65)HRC。
对于尺寸性稳定要求很高的精密轴承，可在淬火后于一60～一80℃进行冷处理，消除应力和减少残余奥氏体的量，然后再进行回火和磨削加工，为进一步稳定尺寸，最后采用低温时效处理120～130℃保温5—10h。
（四）常用滚动轴承钢
我国的滚动轴承钢大致可分为两类：
1、铬轴承钢
目前我国的轴承钢多届此类钢，其中最常见的是GCrl5，除用作中、小轴承外，还可制成精密量具、冷冲模具和机床丝杠等。
2、其他轴承钢
含硅、锰等合金元素轴承钢
为了提高淬透性，在制造大型和特大型轴承常在铬轴承钢基础上添加硅、锰等，如GCrl5SiMn。
无铬轴承钢
为节约铬，我国制成只有锰、硅、钼、钒，而不含铬的轴承钢如GSiMnV、GSiMnMoV等，与铬轴承钢相比，其淬透性、耐磨性、接触疲劳强度、锻造性能较好，但是脱碳敏感性较大且耐蚀性较差。
渗碳轴承钢
为进一步提高耐磨性和耐冲击载荷可采用渗碳轴承钢，如用于中小齿轮、轴承套圈、滚动件G20CrMo、G20CrNiMo；用于冲击载荷的大型轴承的G20Cr2Ni4A。常用滚动轴承钢的牌号、成分、热处理及用途见表6-7。
（五）应用举例
滚动轴承钢除用作轴承外，还可用来制作精密量具