合金钢——分类、编号及特性简介(简述合金钢的分类及对应的编号方法)
导语：合金钢——分类、编号及特性简介
简述合金钢的分类及对应的编号方法
一、概述
为提高钢的机械性能、工艺性能或物化性能，在冶炼时有意往钢中加入一些合金元素（Me）而形成新的合金，这种合金称为合金钢。
合金钢的选用是由对一些构件的要求而定的。
碳钢：价格低，便于获得，可在一定范围满足产品要求。但它淬透性差，回火抗力（稳定性）差（T↑，HRC↓很快）另外：碳钢不能满足特殊性能要求。如：低温、高温、腐蚀性环境下工作的产品高交变应力下工件的机器零件高磁性（变压器）、无磁性（仪表）等产品它们都要采用合金钢制造。
常用的合金元素有：铬(Cr)、镍(Ni)、锰(Mn)、硅(Si)、钨(W)、钼(Mo)、钒(V)、钛(Ti)、钴(Co)、铝(Al)、铜(Cu)、铌(Nb)、锆(Zr)、硼(B)、稀土（Re）等。
合金元素的存在形式
1、形成固溶体－合金铁素体
非碳化物形成元素：不能和碳化合的元素称为非碳化物形成元素，如：Ni 、Si、Al、 Co、Cu 等。
2、形成合金渗碳体或合金碳化物
碳化物形成元素：凡能与碳化合的元素都称为碳化物形成元素。如：Fe、Mn、Cr、W、Mo、V、Nb、Zr、Ti与碳的亲和力依次增强。(Fe,Mo,Cr)3C, Mo7C23。
二、合金钢的分类与编号
（一）合金钢的分类
合金钢的分类
（二）合金钢的编号
合金钢的编号
例如：
12CrNi3: 合金结构钢 C＝0.12％，Cr＜1.5％ ,Ni≈3％
CrWMn: 合金工具钢 含碳≥1％（当含碳量大于1%时一般不标注），含Cr、 W、 Mn均小于 1.5％
40CrNiMoA: 高级优质合金结构钠 C≈0.4％，Cr、 Ni、 Mo均小于1.5％
（三）合金结构钢
<一>低合金结构钢
（1）主要用途：车辆(底盘大梁）、船舶、桥梁、高压容器、输油管道、大型钢结构。
（2）性能要求：强度高并有足够的塑性和韧性，同时具有良好的焊接性能和冷变形能力。
（3）钢号、成分及作用
常用钢号：16Mn、16MnNb、15MnTi、15MnV
含碳量：碳含量一般不超过0.2％
主要作用：是保证有较好的韧性、焊接性能和冷成型性能
合金元素：以Mn为主(国外以Cr、 Ni为主)，最高含锰量可达1.8％，并辅助加以少量的V、 Ti、 Mo、Nb、 B等元素。其主要作用是强化铁素体，细化铁素体晶粒，使钢的强度与韧性都得到改善；加入少量的 P、 Cu元素是为了提高钢对大气的腐蚀抗力，但P和Cu的含量都不能高，否则将引起钢的脆性。
（4）热处理及组织：在热轧状态下直接使用，一般不进行热处理。组织为铁素体加珠光体。
（5）机械性能和加工性能
1）强度高 屈服强度在300-400MPa，普通碳素钢是240－260MPa；2） 塑性和韧性好 并且要求有低的韧脆转变温度；3）良好的焊接性能与冷成型性能；4）良好的耐蚀性
<二>渗碳钢
（1）主要用途：汽车拖拉机传动齿轮、坦克飞机传动齿轮、机床齿轮、活塞销、涡轮蜗杆等。
（2）性能要求：1）经渗碳、热处理后渗碳层应具有优异的的耐磨性、疲劳抗力及适当的塑性和韧性；心部应获得足够的强度及优良的韧性；2）应具有良好的工艺性能，特别是热处理工艺性能，在渗碳温度（900-950℃）下奥氏体晶粒不易明显长大，并且有良好的淬透性。
（3）钢号、成分及作用
常用钢号：20CrMnTi、 20Cr、 12Cr2Ni4A
含碳量：成分特点是含碳量低，一般为0.1-0.25％。
合金元素：渗碳钢中常加入 Mn(＜2％）、 Cr(＜2 ％)Ni(＜4.5％)和 B (0.001—0.004％)，主要作用是提高淬透性，改善心部的组织与性能，并增加渗碳层的强度和韧性；
V、 Ti、 W、 Mo等，主要目的是阻止A晶粒长大，细化晶粒。并形成细小弥散的碳化物以增加强韧性和耐磨性。
（4）渗碳工艺、热处理及组织
渗碳钢的渗碳工艺：一般是加热到900-950℃，根据工件渗层的要求渗碳一定时间， 一般为6-8小时。
热处理——淬火：可采用预冷直接淬火，一次淬火和二次淬火。采用的淬火方法决定于钢中的合金元素量和对性能的要求。 低温回火——一般在180-200℃ 1-2小时。
组织：
渗碳后缓慢冷却的平衡组织：表面为过共析组织P+Fe3CII,心部则为原始的亚共析组织F+P。
渗碳后淬火+低温回火的组织：
表层：M回+点状碳化物+少量A’ HRC 58-60
心部：低碳回火马氏体+F+S HRC 30-50
20CrMnTi钢渗碳齿轮热处理工艺曲线
（5）渗碳钢的性能
渗碳钢经渗碳—淬火—低温回火后，表层硬度高、耐磨，心部有很高的韧性。
渗碳钢热处理后的强度主要取决于钢的淬透性。按强度高低，合金渗碳钢可分为三类：
1）低淬透性合金渗碳钢
水中淬透直径＜ 35mm，σb为800-1000MPa。如15Cr、20Cr、15Mn2、20Mn2等。
这类钢淬透性低，经渗碳、淬火与低温回火后心部强度较低，强度与韧性配合较差。这类钢只可用作受力不太大，不需要高强度的耐磨零件，如柴油机的凸轮轴、活塞销、滑块、小齿轮等。这类钢渗碳时心部晶粒易于长大，特别是锰钢。
2）中淬透性合金渗碳钢
油中淬透直径为25-60mm，σb为1000-1200MPa。如20CrMnTi(过去为18CrMnTi)、12CrNi3A、 20CrMnMo(过去为22CrMnMo)、20MnVB 等。
这类钢含合金元素总量较高(约≤4％)，它们的淬透性和机械性能均较高。这类钢可用作受中等动载荷的受磨零件，如变速齿轮、齿轮轴、十字销头、花键轴套、气门座、凸轮盘等。
3）高淬透性合金渗碳钢
油中淬透直径＞100mm，甚至可在空冷条件下淬透，σb1200MPa。如12Cr2Ni4A，18Cr2Ni4W等。
这类钢含合金元素总量约在4-6％之间，它们的淬透性很大，经渗碳、淬火与低温回火后心部强度很高，强度与韧性配合很好。这类钢可用作受重载和强烈磨损的重要大型零件，如内燃机车的主动牵引齿轮、柴油机曲轴、连杆及缸头精密螺栓等。
<三>调质钢
（1）主要用途：汽车、拖拉机、机床及其他机器上要求具有优良综合机械性能的重要零件。如：汽车拖拉机传动轴发动机连杆、连杆螺栓、、机床主轴等。
（2）性能要求
调质钢的基本性能要求是良好的综合机械性能。对调质钢淬透性要求是根据零件受力情况而定。
（3）钢号、成分及作用
常用钢号：40Cr 、40CrNi、40Mn2、40CrNiMo
含碳量：在0.25-0.5％之间。含碳量过低不易淬硬，回火后达不到所需要的强度；过高又会使零件的韧性不足。
合金元素：Ni、 Cr、 Mn、 Si提高淬透性，增强铁素体。增加微量的 B(0.001-0.005)，可以显著增加淬透性。
W(0.8-1.2％)、 Mo(0.4-0.6％)、 V( ≈0.1％)、 Ti(≈0.1％) 细化晶粒、提高回火抗力.
W、 Mo 减轻或防止高温回火脆性（第二类回火脆性）的作用。 (对于大截面的零件, 采用快速冷却抑制元素偏析有困难)。
（4）热处理及组织
热处理：预先退火或正火—淬火—高温回火
调质钢的预先热处理 通常采用退火（或正火）主要目的是调整硬度改善切削加工性能，同时为最终热处理作组织准备。
调质钢最终热处理是调质。
第一步是淬火，即将钢件加热至850℃左右（>Ac3）温度淬火，具体加热温度的高低由钢的成分决定。淬火介质可根据钢件尺寸大小和淬透性加以选择。
第二步是回火，一般采用500-650℃的温度范围进行高温回火。 以便消除应力，增加韧性，调整强度。为使调质钢具有良好的综合机械性能。
热处理后的组织：调质处理后获得S回组织。通常硬度为 HRC 30 – 42。
为了提高零件表面的耐磨性和疲劳强度，调质钢常采用感应加热表面淬火作为最终热处理进行表面强化。
（5）调质后的机械性能
获得高强度、高塑性的综合机械性能。
40Cr钢在不同温度回火后的机械性能（直径D=12mm,油淬）
（6）典型调质钢介绍
低淬透性调质钢：
40Cr 最典型它有较好的机械性能和工艺性能，因淬透性不够高，广泛用于制造较小的零件。
40MnB钢是为节约铬而发展的一种代用钢，各方面性能与40Cr很相近，但淬透性的稳定度稍差，切削加工性能也差一些。
中淬透性调质钢：
35CrMo 含有较多的合金元素，因而淬透性较高，可用于制造截面尺寸较大的中型、甚至大型零件，例如较大截面的曲轴，连杆等。钢中加有钼时，可防止第二类回火脆性。
高淬透性调质钢：多半是Ni—Cr钢，并含有钼，少数钢不含钼
37CrNi3 因容易产生回火脆性，实用中受到限制。
4OCrNiMoA 由于含合金元素多，并含有钼，主要用于制造大截面、重载荷的重要零件，例如大型的轴和齿轮等。
38CrMoAl 调质钢是一种氮化专用钢，加入一定量的Al可加速氮化过程，并形成AlN等细小的强化相，以提高氮化层的耐磨性。氮化后由于表面存在压应力，有利于提高零件的抗疲劳性能，氮化层的抗蚀性也很好。因此这类钢得到了广泛的应用。
<四>弹簧钢
（1）主要用途 弹簧钢是一种专用结构钢，用于制造各种弹簧或要求高弹性的其它零件。 弹簧起缓冲、消震和储能的作用。例：汽车板簧
（2）性能要求
弹簧钢应具有好的弹性、高的屈服强度，以保证有足够的弹性变形能力，避免在高负荷下产生永久变形：
1) 应具备高的屈强比(σs/σb）；2) 高的疲劳强度，以避免弹簧在多次振动和长期交变载荷作用下产生疲劳破坏；3)足够的塑性和韧性；4）热处理弹簧，必须有高的淬透性和低的脱碳敏感性；5）高温易蚀条件下工作的弹簧，要有好的耐蚀性和耐热性。
（3）钢号、成分及作用
常用钢号： 60Si2Mn 65Mn 50CrVA 60 75 85
碳含量：碳素弹簧钢含碳量一般为C: 0.6-0.9％；合金弹簧钢的含碳量通常是0.45-0.7％。
作用：保证弹簧钢具有高强度。一般为中、高碳。
合金元素：常加入的合金元素有 Mn、 Si、 Cr、 V、 Mo等，其中尤以Mn、 Si两种元素应用最广。
作用：能提高钢的淬透性、增加回火稳定性、进一步提高σs，使屈强比σs／σb趋近于1，并保持足够的塑性与韧性。
（4）热处理及组织
1）热成形弹簧的热处理 ：用热轧钢丝或钢板加热成形后淬火和中温回火(450-550oC) 。（较大尺寸）
组织：中温回火后的组织为回火屈氏体。
2）冷成形弹簧 的热处理 （较小尺寸）
一部分弹簧：用冷拔钢丝冷成型后不进行淬火和回火处理，只进行消除应力的低温退火，使弹簧定形；另一部分弹簧 用退火钢丝(片)绕制。绕制后进行淬火和中温回火处理，工艺与热成型弹簧的相同。
（5）性能：弹簧经热处理后，可获得很高的屈服强度，特别是弹性极限，同时又有一定的塑性与韧性。
<五>滚动轴承钢
（1）主要用途：用于制造滚动轴承 。
（2）性能要求
很高的强度或硬度：轴承元件大多在点接触或线接触条件工作，接触处有很高的压应力。因此轴承钢必须具有非常高的抗压屈服强度或硬度，一般硬度应在HRC62~64之间。
很高的接触疲劳强度：因为轴承元件工作时受很大的交变接触应力，往往发生接触疲劳破坏，如产生麻点或剥落等。
很高的耐磨性：因为轴承元件工作时存在很强的相对摩擦。
（3）钢号、成分及作用
常用钢号：GCr15 采用特殊编号方法
含碳量：轴承钢的含碳量一般在0.95-1.10％之间。以保证淬火后的高硬度，同时可获得一定量的耐磨碳化物。
铬：铬元素为滚动轴承钢的最基本的合金元素。一般含量以0.4-1.65％为宜。Cr可以提高钢的淬透性，同时铬的碳化物非常细小、均匀，对钢的耐磨性，尤其是接触疲劳强度非常有利。
其它合金元素：加入Si、Mn、Mo、V等可进一步提高 透性，提高钢的强度和弹性极限，以适于制造大型轴承。
对杂质的要求：要求很严，S<0.02% p<0.027%
（4）滚动轴承钢的热处理及组织
热处理：球化退火、淬火－低温回火
1）球化退火：滚动轴承钢的球化退火一方面是为了降低硬度以便于切削加工，另一方面是为了获得比较理想的预备组织为最终热处理作组织准备。
2）淬火和低温回火：钢淬火温度应严格控制 840±10℃的范围内。回火温度一般为 150-160℃。
淬火和低温回火是最后决定轴承钢性能的重要的热处理工序。温度过高，晶粒粗大，则疲劳性能及韧性下降，且容易淬裂和变形。温度过低时会硬度不足。
组织：淬火、回火后的组织由回火马氏体、均匀细小的碳化物及少量残余奥氏体组成。
（5）热处理后的性能
具有很高的硬度（ HRC 62-66）且耐磨，有一定韧性。
（6）常用滚动轴承钢及编号方法
GCr15 、GCr6、GCr9SiMn等。钢的编号前面用字母“G”代表滚动轴承钢，其含碳量约为1％，所以不标注。Cr的含量以0.1％为单位，而不象一般合金结构钢以1％为单位。例如表示其含Cr量分别为1.5％和0.6％。
<六>易切削钢
通过在钢中加入S、P、Pb、Ca等元素来形成非金属夹杂或金属间化合物，或本身以金属态存在(如Pb)，可以起到断屑、减小刀具磨损和改善钢的切削性能的作用。上述夹杂物的存在会降低钢的机械性能，因此其含量必须控制在一定范围以内。这类钢的机械性能较低，只能用于一些机械性能要求不高，而加工效率和加工质量及精度要求很高的零件。
易切钢的牌号在钢号前冠以“易”或“Y”，其后面数字表示万分之几的平均含碳量。锰量较高者，在钢号后标出“Mn”。加入Pb或Ca在钢号中直接标出。常用易切钢的化学成分、性能及应用见表,如Y12,Y15Pb,Y40Mn，Y45Ca。
（四）合金工具钢
工具钢分为刃具钢、模具钢和量具钢。
<一>刃具钢（碳素刃具钢、低合金刃具钢、高速钢）
（1）主要用途 刃具钢主要用来制造各种金属切削刀具，包括车刀、铣刀、刨刀、滚刀、 锉刀、钻头、丝锥板牙、锯条等。
（2）性能要求
高硬度：硬度一般应在HRC60以上。
高热硬性：刀具在高温下保持高硬度的能力称为热硬性。热硬性是合金刃具钢区别于碳素工具钢的主要性能特点。
耐磨性：耐磨性是保证刃具刃部锋利的主要因素，而且刃具在高温下应保持高的耐磨性。
足够的塑性与韧性：切削时刀具要受各种冲击力的作用。因此，要有足够的塑性与韧性以保证刀具不会断裂或崩刃。
Ⅰ、碳素刃具钢和低合金刃具钢
1）常用钢号、成分及作用
碳素刃具钢：T7 T8 T10 T12等。是含碳0.65-1.35％的优质碳钢，具有很高的硬度和耐磨性，且加工性能优良，价格便宜，在生产中应用很多。
缺点：热硬性低，刃部受热至250℃时，其硬度就降到HRC60以下；
淬透性低，水中淬透的最大直径只有15mm，因此只适于制造低速、进刀量小和形状简单的小尺寸刃具。
低合金刃具钢 ：9SiCr CrWMn 9Mn2V
含碳0.85－0.95％或0.9－1.05％ 。目的是要得到高硬度
合金元素及作用：低合金刃具钢的碳含量较高，多在0.9-1.1％之间。主要是保证钢具有高硬度与高耐磨性。加入Cr、Si、Mn、V等元素提高淬透性和回火稳定性。特别是回火稳定性的提高，可使钢经160—230 ℃回火后硬度仍在HRC60以上，从而保证具有一定的热硬性。
2）热处理及组织
热处理：球化退火——淬火及低温回火
热处理后最终组织：回火马氏体、点状碳化物和少量残余奥氏体组成。
3）性能：高硬度和高耐磨性。硬度为HRC 60-63
Ⅱ、高速钢
1）常用钢号 W18Cr4V、 W12Cr4V4Mo W6Mo5Cr4V2 高速钢由于加入了大量的W等元素，使得刀具的切削速度大为提高。高速钢具有很高的热硬性，在600℃仍能保持 HRC60以上的硬度。
2）成分特点及作用
高碳：高速钢的含碳量应根据形成碳化物的需要来确定，一般在0.70％ -1.0％范围，最高可达1.5％ 左右。
作用：高的含碳量一方面保证钢在淬得马氏体后有高的硬度；另一方面与强碳化物形成元素生成极硬的合金碳化物，大大地增大钢的耐磨性。
铬：所有的高速钢都含有4％ 左右的铬。
作用：提高钢的淬透性铬的碳化物在淬火加热时容易溶解，铬几乎全部溶入奥氏体中，增加奥氏体的稳定性，使钢的淬透性大大提高，以致截面尺寸很大的高速钢零件，在空冷条件下都可完全淬透。
钨和钼：W最高含量为17.5－19.0％，Mo是4.5－5.5％
作用：造成二次硬化，以保证高的热硬性。退火状态下，形成钨或钼的碳化物。这种碳化物在淬火加热时极难溶解，大约只有不到一半的量溶于奥氏体中，而剩余的部分作为残余碳化物留下来，起阻止奥氏体晶粒长大及提高耐磨性的作用。溶入的部分在回火时以W2C或Mo2C形式析出使钢产生二次硬化。
钒：最高达3.8-4.0%
作用：提高钢的耐磨性。钒在高速钢中生成硬度极高的碳化物（VC），这种碳化物非常稳定，很难溶入奥氏体中，大部分以残余碳化物的形式保留下来。而且颗粒细小，分布均匀，对提高钢的耐磨性有很大作用。
3）热加工特点
锻造特点：由于高速钢中含有大量的W和Cr等元素，使相图中E点左移，铸态组织中出现大量的鱼骨状莱氏体，碳化物呈网络状分布。这样的钢性能很差，必须进行反复锻造，将碳化物打碎并促使其均匀分布。高速钢的反复锻造，不仅是为了成型，而主要是为了将粗大的莱氏体中的碳化物破碎为比较细小和均匀分布的粒状碳化物。
4）热处理及组织
热处理：等温退火、淬火—三次回火
a、等温退火 锻造后应进行等温球化退火，以便于机械加工
退火组织：索氏体＋细小碳化物
b、淬火 淬火加热温度：1220-1280℃之间，都非常高。目的是让大量难溶解的合金碳化物充分溶入奥氏体当中。同时，W、V碳化物未溶部分可阻碍A晶粒的长大。另外，高速钢合金元素含量很高，导热性较差，若淬火加热速度太快，容易引起开裂。所以淬火时要先预热、冷却时分级淬火。
淬火组织： 由淬火马氏体、合金碳化物与大量残余奥氏体组成。
c、回火： 550-570℃下回火。为了保证得到高的硬度及高的热硬性，高速钢一般都在二次硬化峰值温度(即550-570℃)下回火，以产生明显的二次硬化效应。
W18Cr4V钢硬度与回火温度的关系
回火要进行三次。
主要目的：消除大量的残余奥氏体。每回火一次，残余奥氏体含量降低一次。
原因：加热到回火温度（550－570）时，从奥氏体中析出合金碳化物，使奥使体中的合金元素含量减少从而使马氏体点上升，在回火冷却过程中残余奥氏体转变为马氏体。
W18Cr4V钢淬火时残余奥氏体含量约为30％。
经三次回火后，残余奥氏体的量可以降到1-2％。并且后一次回火还可以消除前一次回火由于残余奥氏体转变为马氏体所产生的二次淬火的内应力。
回火组织：由回火马氏体+少量残余奥氏体+碳化物所组成
高速钢热处理工艺图
<二>模具钢
模具钢是用于制造冷作模具和热作模具的钢种。
Ⅰ、冷作模具钢
（1）用途 用于冷态成型的模具钢称为冷作模具钢，如冷冲模、冷挤压模，冷作模具的工作温度不超过200-300℃。
（2）性能要求 使用中承受着巨大的应力和剧烈的摩擦。应具有高硬度、高耐磨性和足够高的强度和韧性，同时还应具有良好的锻造性、切削性等工艺性能。
（3）常用钢号、成分特点
钢号： 9SiCr， 9Mn2V， Cr12， Cr12MoV， 9CrWMn
含碳量较高，多在1％以上, 保证硬度在HRC60左右,使冷作模具钢具有很高的耐磨性。
合金元素： Cr、 Mo、 W、 V等加入能形成难溶碳化物、提高耐磨性特别是Cr。代表性的冷作模具钢：Cr12和Cr12MoV，含Cr量高达12％ ，并且Cr溶人奥氏体中，可大大提高淬透性，300mm厚的模具用空冷即可淬透。
（4）热处理及组织
热处理： 球化退火－淬火－低温回火
组织：回火马氏体＋粒状碳化物＋残余奥氏体
Cr12类型的钢是冷作模具钢中的代表钢种，这一类钢中的碳化物含量较多。为了使碳化物均匀，必须反复进行锻造，锻造后须经等温球化退火，最终热处理可根据不同的使用要求进行选择。
Ⅱ、热作模具钢
（1）主要用途 用于热态成型的模具钢称为热作模具钢，如热锻模、热挤压模和压铸模的钢种。
（2）工作条件及性能要求：一般均需承受较大的冲击载荷、冷热疲劳、液态金属的腐蚀与冲刷以及受到严重的摩擦磨损。由于热作工件的硬度较低，故热作模具钢不必追求很高的硬度，但必须保证充分的韧性。
（3）常用的热作模具钢成分特点
钢号： 5CrNiMo 5CrMnMo。
含碳量 ： 在中碳范围：是为了保证钢有高的韧性。
合金元素：加入Cr、W、Si等合金元素提高相变温度，使热作模具在反复受热时不致发生相变从而产生相变应力，以提高抗热疲劳的能力；加入Mo、W、V可提高钢的耐热强度。
（4）热处理及组织
典型热作模具钢5CrMnMo和5CrNiMo的热处理工艺
预先热处理为退火，最终热处理为淬火后中高温回火
5CrNiMo(5CrMnMo)钢热处理工艺图
淬火温度5CrNiMo为850-870℃；5CrMnMo中含有Mn元素加热温度为840-860℃。分级淬火，回火温度为大型模具为520-540 ℃，中小型模具为480-500 ℃并且快速冷却以避免二类回火脆性。为减小内应力再进行一次350-400 ℃回火。
Ⅲ、量具钢
（1）用途：量具钢用于制造各种量具，如千分尺，螺旋测微仪等。
（2）工作条件及要求
量具在工作过程中一般不受大的载荷，但为了保证测量精度，不容许有较大的变形或尺寸变化，因此量具应具有较高的硬度、耐磨性、尺寸的稳定性以及良好的加工工艺性。
（3）常用钢号：T10A、T12A、9SiCr CrWMn、GCr15
碳钢用于 精度较低、形状简单的量具如量规、样套等可采用T10A、T12A、9SiCr等钢制造高精度的精密量具如塞规、块规等常用热处理变形小的钢如CrWMn、GCr15等制造。
（4）热处理及组织
热处理：淬火－冷处理－低温回火
组织：回火马氏体