工业用钢工艺学.ppt

第四章第四章 工业用工业用钢与钢与铸铁铸铁.教学基本要求教学基本要求 1.1.熟练掌握工业用钢的分类与编号表示方法；熟练掌握工业用钢的分类与编号表示方法；2.2.熟悉钢铁中合金元素的含量与作用与相应组织。熟悉钢铁中合金元素的含量与作用与相应组织。3.3.了解铸铁的石墨化过程特点与影响；了解铸铁的石墨化过程特点与影响；4.4.熟悉铸铁的分类、牌号、性能特点并基本会选。熟悉铸铁的分类、牌号、性能特点并基本会选。5.5.了解工程材料新发展简介了解工程材料新发展简介.1 1 工业用钢简介工业用钢简介 一、一、钢：钢：以铁为主元素，含以铁为主元素，含C C2 2以下，以下，并含有其它元素的材料。并含有其它元素的材料。可形变加工的铁碳合金。可形变加工的铁碳合金。1.工业用钢工业用钢(按成分按成分)包括包括非合金钢、低合金钢、非合金钢、低合金钢、合金钢合金钢三类。三类。(必须掌握的内容必须掌握的内容-考试啊考试啊!)按碳质量分数高低划分为按碳质量分数高低划分为低低碳钢碳钢(w wc c0.250.600.60)等均为非合金钢。等均为非合金钢。.非合金钢加入少量合金元素形成低合金钢。非合金钢加入少量合金元素形成低合金钢。按质量分按质量分 按钢的质量等级分按钢的质量等级分,分为普通质量钢、优质钢、分为普通质量钢、优质钢、高级优质钢、特殊优质钢高级优质钢、特殊优质钢,其中的磷和硫质量分其中的磷和硫质量分数如数如表表4-14-1所示。所示。按钢的主要性能及使用特性分按钢的主要性能及使用特性分 分工程结构用钢分工程结构用钢,机械结构用钢机械结构用钢,工具钢工具钢,不锈不锈钢钢,耐蚀耐蚀,耐热钢耐热钢,轴承钢轴承钢,特殊物理性能等钢。特殊物理性能等钢。.2.2.钢铁产品牌号表示方法钢铁产品牌号表示方法 钢材牌号采用钢材牌号采用“数字加字母数字加字母”表示。力学性表示。力学性能和元素含量能和元素含量用数字表示用数字表示，化学元素采用国际化，化学元素采用国际化学元素符号表示。学元素符号表示。产品名称、用途、冶炼和浇注方法等用汉语产品名称、用途、冶炼和浇注方法等用汉语拼音字母表示拼音字母表示。表表4-24-2(p57)(p57)不同类型钢及牌号表示方法不同类型钢及牌号表示方法。.3.3.钢铁及合金统一数字代号体系钢铁及合金统一数字代号体系 GB/T17616-1998GB/T17616-1998对钢铁及合金产品牌号规定对钢铁及合金产品牌号规定了统一数字代号，与现行的了统一数字代号，与现行的GB/T221-2000GB/T221-2000钢铁产钢铁产品牌号表示方法等同时并用。品牌号表示方法等同时并用。统一数字代号有利于现代化数据处理设备进统一数字代号有利于现代化数据处理设备进行存储和检索，便于生产和使用。行存储和检索，便于生产和使用。数字代号数字代号由固定由固定6 6位符号组成位符号组成,左边第左边第1 1位大写位大写拉丁字母作前缀拉丁字母作前缀(“I I”和和“0 0”除外除外),),后接后接5 5位阿数位阿数字。字。.每个统一数字只适用于一个每个统一数字只适用于一个产品牌号产品牌号。例如：例如：U20202U20202，表示表示20(20(非合金钢非合金钢)优质碳结优质碳结钢钢钢钢；A73402A73402表示合金调质钢中的表示合金调质钢中的40MnVB40MnVB。非合金钢非合金钢，(俗说：俗说：碳素结构钢碳素结构钢)简称：碳钢简称：碳钢 由于价格低廉、易于获取，通过碳含量的控由于价格低廉、易于获取，通过碳含量的控制和热处理可使其性能得到改善，能满足生产的制和热处理可使其性能得到改善，能满足生产的基本需求，因而应用广泛。基本需求，因而应用广泛。二、常存元素对碳钢性能的影响二、常存元素对碳钢性能的影响(了解了解).1.1.碳碳(C)(C)作用作用 碳对碳钢的组织和性能影响很大。碳对碳钢的组织和性能影响很大。如图示如图示 总趋势是：状态图中自左向右总趋势是：状态图中自左向右,含碳量增加含碳量增加,FeFe3 3C C增加增加,硬度直线上升硬度直线上升,塑韧性急速下降塑韧性急速下降,强度先强度先升后降。升后降。2.2.锰锰 (Mn)(Mn)作用作用 脱氧脱氧,FeO,FeO还原还原Fe;Fe;与与S S作用作用MnSMnS降低热脆性降低热脆性;提高强度、硬度。属有益元素。提高强度、硬度。属有益元素。3.3.硅硅 (Si)(Si)作用作用 .与钢液中与钢液中FeOFeO生成炉渣生成炉渣,提高钢质量提高钢质量;溶于溶于F F中，中，固溶强化。有益元素。固溶强化。有益元素。4.4.硫硫 S S 作用：作用：形成形成FeS(FeS(熔点熔点11901190）,在晶界在晶界 处，在处，在1100 1100 1200 1200 时时,压力加工压力加工,产生脆裂产生脆裂,“热脆热脆”。有。有害元素。害元素。5.5.磷磷P P 作用作用：全部溶于全部溶于F F中中,固溶强化；固溶强化；RmRm、HB,HB,在低在低温下引起脆断温下引起脆断“冷脆冷脆”。有害元素。有害元素。三、非合金钢三、非合金钢(碳碳)钢分类钢分类 1.1.碳素结构钢碳素结构钢 GB700-1988GB700-1988 牌号由代表屈服点的字母牌号由代表屈服点的字母Q Q、屈服点数值、屈服点数值、质量等级符号、质量等级符号、脱氧方法四部分组成。脱氧方法四部分组成。其中质量等级分别用其中质量等级分别用A A、B B、C C、D D表示。表示。A A的的S S、P P量高量高,D,D的的S S、P P量最低量最低,且质量最好。且质量最好。如：如：Q235-A.FQ235-A.F Q-Q-“屈屈”字汉语拼音字首，读字汉语拼音字首，读“屈屈”。.235-Rm(235-Rm(b b)235MPa 235MPa A-A-质量等级质量等级 A A级级 F-F-脱氧方法，指脱氧方法，指“沸腾钢沸腾钢”，一般不标。，一般不标。牌号：牌号：Q195Q195；Q215Q215；Q235Q235；Q255Q255；Q275Q275五类五类.用途：用于制作螺钉、螺栓、螺母、角钢、用途：用于制作螺钉、螺栓、螺母、角钢、垫圈、焊接钢管等垫圈、焊接钢管等,详见参考书详见参考书P63P63表表4 44 4。2.2.优质碳素结构钢优质碳素结构钢 S S、P P含量较低，用于重要零件含量较低，用于重要零件 .GBGB：牌号用两位数字表示，表示含碳量万牌号用两位数字表示，表示含碳量万分之几（十）分之几（十）。如：如：08F08F、1010、1515、2020、2525，为，为低碳钢低碳钢，塑，塑性好，耐冲、好焊；性好，耐冲、好焊；3030、3535、4040、4545、5050、5555，中碳钢中碳钢含含P P多，多，强硬适中，多做重要件；强硬适中，多做重要件；6060、6565、7070、7575，高碳钢高碳钢。多需淬火回火，。多需淬火回火，制作弹性耐磨件。制作弹性耐磨件。20Mn20Mn、65Mn65Mn等称等称 含锰量较高的含锰量较高的优质碳素结优质碳素结构钢构钢。（详见教参详见教参P68P68表表4-134-13）.3.3.碳素工具钢碳素工具钢。牌号用牌号用“碳碳”字汉语拼音字首字汉语拼音字首“T T数字表数字表示示WcWc的千分之几。的千分之几。如：如：T7T7、T8T8、T9T9、T10T10、T10AT10A、T12T12等。等。如如T10T10钢钢WWC C=1%=1%；T10AT10A中的中的“A A”表示为高表示为高级优质碳素工具钢级优质碳素工具钢(适用各类高级优质钢）。适用各类高级优质钢）。其中：其中：T7T7钢（钢（WC=0.7%WC=0.7%）主要用于制造手钳、剪刀、）主要用于制造手钳、剪刀、凿子、手锤等；凿子、手锤等；.T10 T10钢（钢（WC=1%WC=1%）用于制作手用钢锯条、简）用于制作手用钢锯条、简单冷作模具、（手工钻头）等；单冷作模具、（手工钻头）等；T12T12钢用于制作铰刀、锉刀、量具等。钢用于制作铰刀、锉刀、量具等。（详见教参详见教参P83P83表表4-254-25）四、合金钢四、合金钢 为提高钢的力学为提高钢的力学,工艺工艺,物理物理,化学性能、淬透性化学性能、淬透性等等,在碳钢的基础上加入某些合金元素在碳钢的基础上加入某些合金元素,称为合金称为合金钢。钢。按用途分按用途分合金结构钢、合金工具钢和特殊性能钢。合金结构钢、合金工具钢和特殊性能钢。.1.1.合金结构钢合金结构钢 钢号钢号:数字元素符号数字数字元素符号数字(平均百分数平均百分数)如如20CrMnTi20CrMnTi、40Cr40Cr、60Si60Si2 2MnMn、38CrMoAlA38CrMoAlA等；等；用于制造机械零件和工程构件。用于制造机械零件和工程构件。常说的常说的16Mn16Mn应归类于应归类于(低合金低合金)高强度结构钢高强度结构钢,新号新号:Q345:Q345(GB/T1591-94)(GB/T1591-94)低合金高强度结构钢低合金高强度结构钢 在在碳碳钢钢基基础础上上加加少少量量锰锰、硅硅等等合合元元制制成成。通通常在热轧、正火状态下使用。常在热轧、正火状态下使用。.牌号表达同碳素结构钢牌号表达同碳素结构钢Q295Q295、Q345Q345、Q390Q390、Q420Q420、Q460Q460.低合金高强度结构钢成本与碳素结构钢相近，低合金高强度结构钢成本与碳素结构钢相近，但性能有较大的提高但性能有较大的提高,在工程结构中应用极为广在工程结构中应用极为广泛。泛。(旧牌号旧牌号:16Mn:16Mn、09MnV09MnV2 2等等)2.2.合金工具钢合金工具钢 用于制造刃具、模具、量具等工具用于制造刃具、模具、量具等工具.如如 9SiCr9SiCr、Cr12Cr12、CrMnCrMn、GCr15GCr15等；等；GCr15GCr15有专用名称有专用名称 “滚动轴承钢滚动轴承钢”,实为实为“名名专用途广专用途广”。.高速钢高速钢 又称：锋钢、白钢。又称：锋钢、白钢。特特点点是是高高热热硬硬性性、耐耐磨磨性性、淬淬透透性性，常常用用牌牌号号：W18Cr4VW18Cr4V、W6Mo5Cr4V2W6Mo5Cr4V2等等，制制造造形形状状复复杂杂的的高高速速切切削削工工具具，如如：麻麻花花钻钻、铣铣刀刀、拉拉刀刀、齿齿轮刀具和其他成形刀具。轮刀具和其他成形刀具。3.3.特殊性能钢特殊性能钢 不锈钢不锈钢 （不锈钢又多为耐热钢！）不锈钢又多为耐热钢！）1)1)铬不锈钢铬不锈钢 马氏体型不锈钢马氏体型不锈钢,其牌号有：其牌号有：12Cr1312Cr13、20Cr1320Cr13、30Cr1330Cr13 .2)2)铬镍不锈钢铬镍不锈钢：奥氏体型不锈钢，其牌号：奥氏体型不锈钢，其牌号：12Cr18Ni912Cr18Ni9（Ti Ti）、06Cr18Ni906Cr18Ni9 3)3)铁素体不锈钢铁素体不锈钢：10Cr17-10Cr17-容器容器,日用品。日用品。耐磨钢耐磨钢 GB5680-98 GB5680-98 又称又称“高锰钢高锰钢”,强烈强烈冲击力作用下发生硬化现象冲击力作用下发生硬化现象 如牌号：如牌号：ZGMn13-1ZGMn13-1、ZGMn13-2 ZGMn13-2 等，应用等，应用 铁铁道叉、履带板、颚板、铲斗、保险箱等。道叉、履带板、颚板、铲斗、保险箱等。磁钢（略）磁钢（略）.2 2 铸铁铸铁 铸铁是在凝固过程中经历共晶转变，用于生铸铁是在凝固过程中经历共晶转变，用于生产铸件的铁基合金的总称。产铸件的铁基合金的总称。生产上应用的铸铁碳的质量分数常在生产上应用的铸铁碳的质量分数常在2.5%2.5%4%4%之间之间。铸铁抗拉强度较低铸铁抗拉强度较低,塑性和韧性差塑性和韧性差,不能进行不能进行锻造锻造,但有一系列优点但有一系列优点,而在工业上应用广泛。而在工业上应用广泛。.1.1.铸铁石墨化铸铁石墨化 石墨化就是铸铁中的碳原子析出并形成石墨石墨化就是铸铁中的碳原子析出并形成石墨的过程。的过程。在铸铁中的碳能以渗碳体和游离状态的石墨在铸铁中的碳能以渗碳体和游离状态的石墨形式存在。形式存在。一般的石墨可以从液体中结晶出来，也能从一般的石墨可以从液体中结晶出来，也能从A A中析出，也可以由渗碳体分解得到。中析出也可以由渗碳体分解得到。实践证明，成分相同的合金在冷却时，冷却实践证明，成分相同的合金在冷却时，冷却速度愈快，析出的渗碳体的可能性愈大；速度愈快，析出的渗碳体的可能性愈大；.冷却速度愈慢，析出石墨的可能性愈大。冷却速度愈慢，析出石墨的可能性愈大。故故,在铁碳合金结晶过程中存在两种相图在铁碳合金结晶过程中存在两种相图,即即Fe-FeFe-Fe3 3C C相图相图(它说明了析出它说明了析出FeFe3 3C C的规律的规律)和和Fe-G(Fe-G(石石墨墨)相图相图(它说明了析出石墨的规律它说明了析出石墨的规律),),为便于比较为便于比较和应用和应用,将上述两种相图重叠在一起称为将上述两种相图重叠在一起称为铁碳双铁碳双重相图重相图，如，如图图4-94-9所示所示 。按按Fe-G(Fe-G(石墨石墨)相图分析过共晶成分的铁液由相图分析过共晶成分的铁液由高温到室温的冷却过程，可将铸铁的石墨化过程高温到室温的冷却过程，可将铸铁的石墨化过程分为几个阶段分为几个阶段：.第一阶段第一阶段：液相至共晶阶段。包括从过共晶：液相至共晶阶段。包括从过共晶成分的液相中直接结晶出一次石墨和共晶石墨。成分的液相中直接结晶出一次石墨和共晶石墨。中间阶段中间阶段：共晶至共析转变的阶段。此时从：共晶至共析转变的阶段。此时从奥氏体中直接析出二次石墨。奥氏体中直接析出二次石墨。第二阶段第二阶段：共析转变阶段。包括共析转变时：共析转变阶段。包括共析转变时奥氏体转变为铁素体奥氏体转变为铁素体+石墨。石墨。当然，也可按当然，也可按Fe-FeFe-Fe3 3C C相图进行上述三个阶段相图进行上述三个阶段的石墨化过程。不同的是，先析出的石墨化过程。不同的是，先析出FeFe3 3C C，然后，然后FeFe3 3C C在高温下分解出石墨。在高温下分解出石墨。.石墨是碳的一种结晶体，具有六方晶格石墨是碳的一种结晶体，具有六方晶格,见见图图4-104-10.原子呈层状排列原子呈层状排列,同一晶面上的碳原子间同一晶面上的碳原子间距为距为0.1420.142 10-10m,10-10m,相互间呈共价键结合相互间呈共价键结合,结合力结合力强。层与层之间的距离为强。层与层之间的距离为0.3040.304 1010-10-10m,m,原子间呈原子间呈分子键结合，结合力较弱。分子键结合，结合力较弱。因此，因此，石墨结晶形态常易发展为片状，强石墨结晶形态常易发展为片状，强度度R Rm m 、塑性、塑性A A极低，极低，硬度为硬度为3HBW3HBW;低的力学性能低的力学性能,及其数量、形状、大小和分布及其数量、形状、大小和分布使灰铁使灰铁基体上布基体上布满了裂纹和孔洞满了裂纹和孔洞.由于由于G G的存在的存在 减少了基体承载的有效面积减少了基体承载的有效面积；G G的尖角割裂基体的尖角割裂基体,造成严重的应力集中造成严重的应力集中且且G G片越是粗大、分布不匀片越是粗大、分布不匀,其力学性能越差其力学性能越差.但是但是,灰铸铁的抗压强度受灰铸铁的抗压强度受G G影响小。影响小。灰铁不能锻造灰铁不能锻造,不能冲压不能冲压;但是有如下但是有如下优点优点：良好的铸造性良好的铸造性(流动性好，收缩小流动性好，收缩小)；易切削易切削;(;(？)抗压强度高；抗压强度高；.减震和减摩性能好；减震和减摩性能好；切口不敏感性；切口不敏感性；制造容易、价格便宜。制造容易、价格便宜。2.2.铸铁的组织及影响因素铸铁的组织及影响因素 灰铸铁按基体不同可分为灰铸铁按基体不同可分为;P P灰铸铁灰铸铁P+FP+F灰铸灰铸铁铁F F灰铸铁灰铸铁 要控制铸铁组织与成分，必须控制其石墨化程要控制铸铁组织与成分，必须控制其石墨化程度，而影响石墨化的主要因素为：度，而影响石墨化的主要因素为：1)1)化学成分化学成分 成分：成分：Wc=2.5%4%Wc=2.5%4%；WWsi si=12.5%=12.5%；WWMn Mn=0.61.2%;Wp0.3%=0.61.2%;Wp0.3%；Ws0.15%.Ws0.15%.随随C C、Si Si 增多，增多，G G核增多，核增多，析出析出G G多而粗大；反多而粗大；反之，之，G G少；少；S S、MnMn阻碍阻碍 G G，增加白口化，应严控，增加白口化，应严控，P P增加增加冷脆性。冷脆性。2)2)冷却速度冷却速度(V)(V)冷却快，原子来不及急扩散，冷却快，原子来不及急扩散，G G化难以进行；化难以进行；易白口易白口。冷却的慢，冷却的慢，可得灰口。得灰口。显然，欲求灰口件合理选择显然，欲求灰口件合理选择 铸件壁厚。铸件壁厚。.冷却速度与铸型材料也直接关联冷却速度与铸型材料也直接关联,如如:金属型比砂金属型比砂型的冷却速度快，铸件易白口型的冷却速度快，铸件易白口.3.3.灰铸铁的孕育处理灰铸铁的孕育处理 直接向已熔炼出炉的低碳、硅含量铁水中加入直接向已熔炼出炉的低碳、硅含量铁水中加入孕育剂（经过破碎又预热的孕育剂（经过破碎又预热的7575硅铁）硅铁）.灰铁经孕育处理后灰铁经孕育处理后G G片细小均匀力学性能有明片细小均匀力学性能有明显提高，故称高强度铸铁显提高，故称高强度铸铁 4.4.灰铸铁的牌号、用途灰铸铁的牌号、用途.牌号牌号:H T:H T RmRm M MPaPa 读作读作:“灰铁灰铁”,汉语拼音字母首汉语拼音字母首 有有:HT100HT100、HT150HT150、HT200HT200、HT250HT250、HT300HT300、HT350(HT350(见见P100P100表表4-334-33)主用于床身、箱体、重锤、暖气片等。主用于床身、箱体、重锤、暖气片等。5.5.灰铸铁的生产特点灰铸铁的生产特点 6.6.灰铸铁的热处理灰铸铁的热处理 1)1)消除应力退火；消除应力退火；.2)2)消除白口组织改善切削性能退火消除白口组织改善切削性能退火 3)3)表面淬火表面淬火 如机床导轨如机床导轨 二、可锻铸铁二、可锻铸铁 又称又称:马铁、韧性铸铁、展性铸铁、玛钢。马铁、韧性铸铁、展性铸铁、玛钢。1.1.成分成分：Wc=2.22.8%,Wsi=11.8;Wc=2.22.8%,Wsi=11.8;碳、硅量低。碳、硅量低。2.2.生产过程生产过程：首先浇注成白口铸铁件，然后再经过可锻化首先浇注成白口铸铁件，然后再经过可锻化(石石墨化墨化)退火而得到团絮状石墨的可锻铸铁退火而得到团絮状石墨的可锻铸铁。因退火方法不同分：因退火方法不同分：.白心白心(B)(B)可锻铸铁；可锻铸铁；黑心黑心(H)(H)可锻铸铁；可锻铸铁；珠光体珠光体(Z)(Z)可锻铸铁等三种。可锻铸铁等三种。3.3.性能性能 R Rm m、A A、a ak k比灰铸铁好比灰铸铁好,但不能锻造但不能锻造.4.4.牌号牌号 GB9440-88GB9440-88 K T H(K T H(或或Z)Z)A A%R Rm m M Mpapa 黑心或黑心或P P可锻铸铁可锻铸铁.如：如：KTH300-06KTH300-06；建筑脚手架扣件、三通管件、；建筑脚手架扣件、三通管件、阀门。阀门。KTZ550-04KTZ550-04；用于载荷较高的耐磨损、凸轮轴，；用于载荷较高的耐磨损、凸轮轴，齿轮等。齿轮等。详见详见P101 P101 表表4 43434。三、球墨铸铁三、球墨铸铁 1.1.制取制取:在金属液中加入球化剂稀土镁合金在金属液中加入球化剂稀土镁合金 -球球化处理使化处理使 G G 变为球状。变为球状。2.2.组织组织:基体是基体是(F(F，F+PF+P，P)+P)+球状球状 石墨石墨 G G.3.3.性能性能 较高的较高的R Rm m、-1-1(旧疲劳强度旧疲劳强度),),但但A A、a ak k比钢差比钢差.4.4.牌号、用途牌号、用途 GB1348-88 GB1348-88 见见4949表表2 25 5 牌号：牌号：Q TQ T-A A=%R Rm m Mpa Mpa 球墨铸铁球墨铸铁(球铁球铁)5.5.球铁的生产特点球铁的生产特点 1)1)铁水含碳硅量要高铁水含碳硅量要高;S;S、P P要低要低;温度温度14001400。.