機械制造技術課件：常用金屬材料及選用

常用金屬材料及選用3.1鋼的分類和牌號3.2碳鋼3.3合金鋼3.4特殊性能鋼3.5鑄鋼和鑄鐵本章小結習題

3.1鋼的分類和牌號

3.1.1鋼的分類工業用鋼的種類繁多,根據不同需要,可采用不同的分類方法,在有些情況下需將幾種不同方法混合使用。

1.我國多年來采用的分類方法

(1)按鋼的用途:可分為建筑及工程用鋼、機械制造用結構鋼、工具鋼、特殊性能鋼、專業用鋼(如橋梁用鋼、鍋爐用鋼)等,每一大類又可分為許多小類。

(2)按鋼的品質:如按有害雜質硫、磷含量,劃分為普通質量鋼、優質鋼、高級優質鋼。

(3)按冶煉方法:可分為平爐鋼、轉爐鋼、電爐鋼;根據煉鋼時所用脫氧方法,可分為沸騰鋼、鎮靜鋼和半鎮靜鋼。

(4)按鋼中含碳量:可以不太嚴格地分為低碳鋼(wC≤0.25%)、中碳鋼(wC=0.25%~0.60%)、高碳鋼(wC>0.60%)。

(5)合金鋼按鋼中合金元素含量:可分為低合金鋼(wMe≤5%)、中合金鋼(wMe=5%~10%)、高合金鋼(wMe>10%)。

(6)根據鋼中合金元素的種類:可分為錳鋼、鉻鋼、硼鋼、硅錳鋼、鉻鎳鋼等。

(7)按合金鋼在空氣中冷卻后所得到的組織:可分為珠光體鋼、貝氏體鋼、馬氏體鋼、奧氏體鋼、萊氏體鋼等。

(8)工業用鋼材按最終加工方法:可分為熱軋材或冷軋材、拉拔材、鍛材、擠壓材、鑄件等。

(9)鋼的工業產品按軋制成品和最終產品(GB/T15574—1995):可分為大型型鋼、棒材、中小型型鋼、盤條、鋼筋混凝土用軋制成品、鐵道用鋼、鋼板樁、扁平成品(熱(或冷)軋薄板、厚板、鋼帶、寬扁鋼)、鋼管、中空型材、中空棒材及經過表面處理的扁平成品、復合產品等。

2.我國實施新的鋼分類方法

國家標準GB/T13304—2008《鋼分類》是參照國際標準制定的,按照化學成分、主要質量等級和主要性能及使用特性,將鋼的分類總結歸納見表3－1。

3.鑄鐵的分類

根據碳在鑄鐵中存在形態的不同,鑄鐵可分為下列幾種:

(1)白口鑄鐵:碳全部以碳化物形式存在,其斷口呈亮白色。由于有大量硬而脆的滲碳體,故普通白口鑄鐵硬度高、脆性大,工業上極少直接用它制造機械零件,而主要作為煉鋼原料或可鍛鑄鐵零件的毛坯。

(2)灰鑄鐵:碳主要以片狀石墨形式存在,斷口呈灰色。灰鑄鐵是工業生產中應用最廣泛的一種鑄鐵材料。

(3)可鍛鑄鐵:由一定成分的白口鑄鐵鑄件經過較長時間的高溫可鍛化退火,使白口鑄鐵中的滲碳體大部分或全部分解成團絮狀石墨。這種鑄鐵并不可鍛,但其強度和塑性、韌性比灰鑄鐵好。

(4)球墨鑄鐵:鐵水經過球化處理后澆注,鑄鐵中的碳大部或全部呈球狀石墨形式存在,用于力學性能要求高的鑄件。

(5)蠕墨鑄鐵:碳主要以蠕蟲狀石墨形態存在于鑄鐵中,石墨形狀介于片狀和球狀石墨之間,類似于片狀石墨,但片短而厚,頭部較圓,形似蠕蟲。

3.1.2鋼的牌號表示方法

1.非合金結構鋼和低合金高強度結構鋼的牌號

(1)碳素結構鋼和低合金高強度結構鋼:牌號由代表屈服點的漢語拼音首位字母Q、屈服點數值、質量等級符號、脫氧方法符號等部分按順序組成。其中,質量等級用A、B、C、D、E表示硫、磷含量不同;脫氧方法用F(沸騰鋼)、b(半鎮靜鋼)、Z(鎮靜)、TZ(特殊鎮靜鋼)表示,鋼號中“Z”和“TZ”可以省略。

(2)優質碳素結構鋼:牌號用兩位數字表示,這兩位數字表示鋼中平均碳的質量分數為萬分之幾。當鋼中錳的含量較高時,在數字后面附化學元素符號Mn。例如,鋼號40表示鋼中平均wC=0.40%;60Mn表示平均wC=0.60%,wMn=0.7%~1.00%的優質碳素結構鋼。

(3)易切削結構鋼:牌號是在同類結構鋼牌號前冠以“Y”,以區別其他結構用鋼。

(4)碳素工具鋼:牌號是在T(碳的漢語拼音字首)的后面加數字表示,數字表示鋼中平均碳的質量分數為千分之幾。例如T9,表示平均wC=0.9%的碳素工具鋼。碳素工具鋼都是優質鋼,若鋼號末尾標A,則表示該鋼是高級優質鋼。

2.合金鋼的牌號

我國合金鋼的編號是按照合金鋼中的含碳量及所含合金元素的種類(元素符號)和含量來編制的。一般牌號的首部是表示碳的平均質量分數的數字,表示方法與優質碳素鋼的編號是一致的。對于結構鋼,以萬分數計,對于工具鋼以千分數計。

(1)合金結構鋼:例如,60Si2Mn表示平均wC=0.6%、wSi>1.5%、wMn<1.5%的合金結構鋼;09Mn2表示平均wC=0.09%、wMn>1.5%的合金結構鋼。

(2)合金工具鋼:當平均wC<1.0%時,如前所述,牌號前以千分之幾(一位數)表示;當wC≥1.0%時,為了避免與結構鋼相混淆,牌號前不標數字。

(3)滾動軸承鋼:有自己獨特的牌號。牌號前面以“G”(滾)為標志,其后為鉻元素符號Cr,其質量分數以千分之幾表示,其余與合金結構鋼牌號規定相同,例如GCr15SiMn鋼。

(4)特殊性能鋼:牌號表示法與合金工具鋼基本相同,只是當wC≤0.08%及wC≤0.03%時,在牌號前面分別冠以“0”及“00”,例如0Cr19Ni9、00Cr30Mo2等。

3.鑄鋼的牌號

工程用鑄造碳鋼的牌號前面是ZG(“鑄鋼”二字漢語拼音字首),后面第一組數字表示屈服點,第二組數字表示抗拉強度,若牌號末尾標字母H(焊),則表示該鋼是焊接結構用碳素鑄鋼。例如,ZG200-400表示鑄鋼σs=200MPa、σb=400MPa的工程用鑄鋼。

3.2碳鋼

3.2.1碳素結構鋼碳素結構鋼是建筑及工程用非合金結構鋼,價格低廉,工藝性能(焊接性、冷變形成形性)優良,用于制造一般工程結構及普通機械零件。它通常熱軋成扁平成品或各種型材(圓鋼、方鋼、工字鋼、鋼筋等),一般不經過熱處理,在熱軋態下直接使用。

3.2.2優質碳素結構鋼

優質碳素結構鋼是用于制造重要機械結構零件的非合金結構鋼,在機械制造中應用極為廣泛,一般是經過熱處理以后使用,以充分發揮其性能潛力。優質碳素結構鋼的牌號用兩位數字表示,表示鋼中平均碳的質量分數為萬分之幾,當鋼中Mn的含量較高時,在數字后面附化學元素符號Mn。

3.2.3碳素工具鋼

碳素工具鋼(非合金工具鋼)生產成本較低,加工性能良好,可用于制作低速、手動刀具及常溫下使用的工具、模具、量具等。各種牌號的碳素工具鋼淬火后的硬度相差不大,但隨含碳量增加,未溶的二次滲碳體增多,鋼的耐磨性提高,韌性降低。因此,不同牌號的工具鋼適用于不同用途的工具。例如,T9表示平均wC=0.9%的碳素工具鋼,主要用于一定硬度和韌性的工具,如沖模、沖頭、鑿巖石用鑿子。

3.2.4易切削結構鋼

易切削結構鋼是鋼中加入一種或幾種元素,利用其本身或與其他元素形成一種對切削加工有利的夾雜物,來改善鋼材的切削加工性,目前常用元素是S、P、Pb、Ca等。易切削結構鋼的牌號是在同類結構鋼牌號前冠以“Y”,以區別其他結構用鋼。

3.2.5工程用鑄造碳鋼

在機械制造業中,許多形狀復雜,用鍛造方法難以生產,力學性能要求比鑄鐵高的零件,可用碳鋼鑄造生產。鑄造碳鋼廣泛用于制造重型機械、礦山機械、冶金機械、機車車輛的某些零件、構件。

3.3合金鋼

3.3.1低合金鋼

低合金鋼是一類可焊接的低碳低合金工程結構用鋼,主要用于房屋、橋梁、船舶、車輛、鐵道、高壓容器及大型軍事工程等工程結構件。這些構件的特點是尺寸大,需冷彎及焊接成形,形狀復雜,大多在熱軋或正火條件下使用,且可能長期處于低溫或暴露于一定環境介質中。因而,要求鋼材必須具有:較高的強度和屈強比;較好的塑性和韌性;良好的焊接性;較低的缺口敏感性和冷彎后低的時效敏感性;較低的韌脆轉變溫度。

1.低合金高強度結構鋼

低合金高強度結構鋼的主要合金元素有Mn、V、Ti、Nb、Al、Cr、Ni等。Mn有固溶強化鐵素體,增加并細化珠光體的作用;V、Ti、Nb等主要作用是細化晶粒;Cr、Ni可提高鋼的沖擊韌度,改善鋼的熱處理性能,提高鋼的強度,并且Al、Cr、Ni均可提高鋼對大氣的抗蝕能力。為改善鋼的性能,高性能級別鋼可加入Mo、稀土等元素。

2.低合金專業用鋼

為了適應某些專業的特殊需要,對低合金高強度結構鋼的成分、工藝及性能作相應的調整和補充規定,從而發展了門類眾多的低合金專業用鋼。例如鍋爐、各種壓力容器、船舶、橋梁、汽車、農機、自行車、礦山、建筑鋼筋等,許多已納入國家標準。

3.3.2機械結構用合金鋼

機械結構用合金鋼主要用于制造各種機械零件,其質量等級都屬于特殊質量等級,大多須經熱處理后才能使用,按其用途、熱處理特點可分為合金滲碳鋼、合金調質鋼、合金彈簧鋼、滾動軸承鋼、超高強度鋼等。

1.合金滲碳鋼

1)用途與性能特點

合金滲碳鋼通常是指經滲碳淬火、低溫回火后使用的合金鋼。合金滲碳鋼主要用于制造承受強烈沖擊載荷和摩擦磨損的機械零件,如汽車、拖拉機中的變速齒輪,內燃機上的凸輪軸、活塞銷等。其工作表面具有高硬度、高耐磨性,心部具有良好的塑性和韌性。

2)常用鋼種及熱處理特點

20CrMnTi是應用最廣泛的合金滲碳鋼,用于制造汽車、拖拉機的變速齒輪、軸等零件。合金滲碳鋼的熱處理一般是滲碳后淬火加上低溫回火。熱處理使合金滲碳鋼的表層獲得高碳回火馬氏體加碳化物,硬度一般為58~64HRC;而心部組織則視鋼的淬透性高低及零件尺寸的大小而定,可得到低碳回火馬氏體或珠光體加鐵素體組織。

2.合金調質鋼

1)用途與性能特點合金調質鋼是指經調質后使用的鋼。合金調質鋼主要用于制造在重載荷下同時又受沖擊載作用的一些重要零件,如汽車、拖拉機、機床等上的齒輪、軸類件、連桿、高強度螺栓等。它是機械結構用鋼的主體,要求零件具有高強度、高韌性相結合的良好綜合力學性能。

2)常用鋼種及熱處理特點

最典型的合金調質鋼鋼種是40Cr,用于制造一般尺寸的重要零件。合金調質鋼的最終熱處理為淬火后高溫回火(即調質處理),回火溫度一般為500~650℃,熱處理后的組織為回火索氏體。若要求合金調質鋼表面有良好的耐磨性,則可在調質后進行表面淬火或氮化處理。合金調質鋼主要用于汽車后半軸、機床齒輪、軸、花鍵軸、頂尖套等。

3.合金彈簧鋼

1)用途與性能特點合金彈簧鋼是專用結構鋼,主要用于制造彈簧等彈性元件。彈簧類零件應有高的彈性極限和屈強比(σs/σb),還應具有足夠的疲勞強度和韌性。

2)常用鋼種及熱處理特點

55Si2Mn鋼是典型的合金彈簧鋼。合金彈簧鋼的熱處理一般是淬火后中溫回火,獲得回火托氏體組織。55Si2Mn主要用于汽車、拖拉機、機車上的減振板簧和螺旋彈簧,氣缸安全閥簧等。

4.滾動軸承鋼

1)用途與性能特點滾動軸承鋼主要用于制造滾動軸承的內、外套圈以及滾動體,此外還可用于制造某些工具,如模具、量具等。滾動軸承在工作時承受很大的交變載荷和極大的接觸應力,受到嚴重的摩擦磨損,并受到沖擊載荷、大氣和潤滑介質腐蝕的作用。這就要求滾動軸承鋼必須具有高而均勻的硬度和耐磨性、高的接觸疲勞強度、足夠的韌性和對大氣等的耐蝕能力。

2)常用鋼種及熱處理特點

我國目前以Cr滾動軸承鋼應用最廣,最有代表性的是GCr15。滾動軸承鋼的最終熱處理是淬火并低溫回火,組織為極細的回火馬氏體、均勻分布的細粒狀碳化物及微量的殘余奧氏體,硬度為61~65HRC。GCr15主要用于汽車、拖拉機、內燃機、機床及其他工業設備上的軸承。

3.3.3合金工具鋼和高速工具鋼

合金工具鋼與碳素工具鋼相比,主要是合金元素提高了鋼的淬透性、熱硬性和強韌性。合金工具鋼通常按用途分類,有量具刃具鋼、耐沖擊工具鋼、冷作模具鋼、熱作模具鋼、無磁工具鋼和塑料模具鋼。高速工具鋼(簡稱高速鋼)用于制造較高速切削的刃具,有鋒鋼之稱。

1.合金工具鋼

1)量具刃具鋼

量具刃具鋼主要用于制造形狀較復雜、截面尺寸較大的低速切削刃具,如鉸刀、絲錐、成形刀、鉆頭等金屬切削刀具,也用于制造如卡尺、千分尺、塊規、樣板等在機械制造過程中控制加工精度的測量工具。刃具切削時受切削力作用且切削發熱,還要承受一定的沖擊與振動,因此刃具鋼要具有高強度、高硬度、高耐磨性、高的熱硬性和足夠的塑性與韌性。量具在使用過程中主要是磨損,因此要有較高的硬度和耐磨性,高的尺寸穩定性以及一定的韌性。

2)模具鋼

制造模具的材料很多,非合金工具鋼、高速鋼、軸承鋼、耐熱鋼等都可制作各類模具,用得最多的是合金工具鋼。根據用途模具鋼可分為冷作模具鋼、熱作模具鋼和塑料模具鋼。

2.高速工具鋼

1)用途與性能要求

高速工具鋼要求具有高強度、高硬度、高耐磨性以及足夠的塑性和韌性。由于在高速切削時,其溫度可高達600℃,因此要求此時其硬度仍無明顯下降,要具有良好的熱硬性。

2)常用鋼種及熱處理特點

通用型高速鋼代表鋼種有兩種,即W18Cr4V和W6Mo5Cr4V2,在此基礎上改變基本成分或添加Co、Al、RE等,派生出許多新鋼種。近年又研制超硬型高速鋼、粉末冶金高速鋼及其他新的鋼號,使用效果良好。高速鋼的熱處理特點主要是淬火加熱溫度高(1200℃以上),以及回火時溫度高(560℃左右)、次數多(三次),硬度可達63~64HRC。

3.4特殊性能鋼

3.4.1不銹鋼1.用途與性能特點

不銹鋼通常是不銹鋼和耐酸鋼的統稱。能夠抵抗空氣、蒸汽和水等弱腐蝕性介質腐蝕的鋼為不銹鋼;在酸、堿、鹽等強腐蝕性介質中能夠抵抗腐蝕的鋼為耐酸鋼。不銹鋼主要用來制造在各種腐蝕介質中工作的零件或構件,例如化工裝置中的各種管道、閥門和泵,醫療手術器械,防銹刃具和量具等。

2.常用鋼種及熱處理特點

鉻不銹鋼包括馬氏體不銹鋼和鐵素體不銹鋼兩種類型。Cr13型不銹鋼屬馬氏體不銹鋼,可淬火獲得馬氏體組織,熱處理是淬火和回火。當含Cr量較高時,鉻不銹鋼的組織為單相鐵素體,如1Crl7鋼,其耐蝕性優于馬氏體不銹鋼,通常在退火狀態下使用。

鉻鎳不銹鋼經1100℃水淬固溶處理,在常溫下呈單相奧氏體組織,故又稱奧氏體不銹鋼。奧氏體不銹鋼無磁性,耐蝕性優良,塑性、韌性、焊接性優于別的不銹鋼,是應用最為廣泛的一類不銹鋼。由于奧氏體不銹鋼固態下無相變,所以不能熱處理強化,冷變形強化是有效的強化方法。奧氏體不銹鋼的品種很多,我國原以1Cr18Ni9Ti為主,近年逐步被低碳或超低碳的0Cr18Ni10或00Cr18Ni11所取代,超低碳不銹鋼可避免晶間腐蝕,塑性成形性亦有提高。

3.4.2耐熱鋼

耐熱鋼主要用于熱工動力機械(汽輪機、燃氣輪機、鍋爐和內燃機)、化工機械、石油裝置、加熱爐等高溫條件工作的構件。鋼的耐熱性是高溫抗氧化性和高溫強度保持性的綜合性能。耐熱鋼按性能和用途可分為抗氧化鋼和熱強鋼兩類;按使用狀態下的組織,可分為奧氏體型、鐵素體型、珠光體型、馬氏體型等多種類型鋼。

1.抗氧化鋼

抗氧化鋼主要用于長期在燃燒環境中工作,有一定強度的零件,如各種加熱爐底板、輥道、滲碳箱、燃氣輪機燃燒室等。

抗氧化鋼中加入鉻、硅、鋁等元素,在鋼的表面形成致密的高熔點氧化膜(Cr2O3、SiO2、Al2O3),能保護鋼不被進一步氧化破壞。此外,鉻、鎳等元素使鋼呈單相固溶體,且固態范圍內加熱無相變而使抗氧化能力增強。

碳在鋼中對抗氧化性不利,碳與鉻易形成碳化物,減少固溶體含鉻量,降低抗氧化能力。因此,耐熱鋼一般限制wC=0.1%~0.2%。抗氧化鋼有鐵素體、奧氏體兩類。

2.熱強鋼

熱強鋼的特點是在高溫下不僅有良好的抗氧化能力,而且有較高的高溫強度及保持能力。例如,汽輪機、燃氣輪機的轉子和葉片、鍋爐過熱器、內燃機的排汽閥等零件,長期在高溫下承受載荷工作,即使所受應力小于材料的屈服強度,也會緩慢而持續的產生塑性變形,這種塑性變形稱為蠕變,最終將導致零件斷裂或損壞。表示熱強鋼抵抗蠕變,保持高溫強度的常用指標是蠕變極限和持久強度極限。

3.4.3耐磨鋼

鐵路道岔、坦克履帶、挖掘機鏟齒等構件的共同特點是工作時其表面受到劇烈的沖擊、強摩擦、高壓力。因此,這類零件制造用鋼必須具有表面硬度高、耐磨,心部韌性、強度高的特點。通常用高錳鋼制造這類零件,其牌號是ZGMn13,其成分特點是高錳、高碳,wMn=11.5%~14.5%,wC=0.9%~1.3%,其鑄態組織是奧氏體和大量錳的碳化物,經固溶化處理可獲得單相奧氏體組織。

單相奧氏體組織韌性、塑性很好,開始投入使用時硬度很低、耐磨性差,當工作中受到強烈的擠壓、撞擊、摩擦時,鋼件表面迅速產生劇烈的加工硬化,同時伴隨奧氏體向馬氏體的轉變以及ε碳化物沿滑移面析出,從而使鋼的表面硬度提高到50HRC以上,獲得耐磨層,而心部仍保持原來的組織和高韌性狀態。

3.5鑄鋼和鑄鐵

3.5.1鑄鋼在重型機械、冶金設備、運輸機械、國防工業等部門中,有不少零件如齒輪、軸、軋輥、機座、缸體、外殼、閥體等是鑄鋼件。鑄鋼通常按化學成分和用途分類。鑄鋼按化學成分可分為鑄造碳素鋼和鑄造合金鋼;按用途可分為鑄造結構鋼、鑄造特殊鋼(如耐磨鋼、不銹鋼和耐熱鋼)、鑄造工具鋼(如高速鋼和模具鋼)等。

1.鑄造碳素鋼

碳質量分數是影響鑄鋼性能的主要元素,隨著碳質量分數的增加,屈服強度和抗拉強度增加,但抗拉強度比屈服強度增加得更快,當碳質量分數超過0.45%時,屈服強度增加很少,而塑性、韌性卻顯著下降。從鑄造性能來看,適當提高含碳量,可降低鋼液的熔化溫度,增加鋼液的流動性,鋼中氣體和夾雜物也能減少。所以,生產中使用最多的是ZG25、ZG35、ZG45三種鑄鋼。

2.鑄造合金鋼

由于鑄造碳素鋼的淬透性低,某些物理、化學性能滿足不了工程的需要,因此在碳鋼中加入適量的合金元素,以提高碳鋼的力學性能和改善某些物理、化學性能,常用的元素有Mn、Si、Mo、Cr、Ni、Cu等。按加入的合金元素總量的多少,鑄造合金鋼又分為鑄造低合金鋼和鑄造高合金鋼。

原則上講,鑄造合金鋼與型材合金鋼相比,在本質上區別不大,要求的化學成分基本相同。只是相比型材合金鋼而言,鑄造合金鋼由于組織粗大,易產生縮孔、縮松和夾砂等缺陷,所以其力學性能方面相對稍差。

1)鑄造低合金鋼

鑄造低合金鋼中的合金元素質量分數總量小于5%,主要加入元素有Si、Mn、Cr。Si元素在鋼中不形成碳化物,只形成固溶體,能在鐵素體中起固溶強化的作用。Mn元素在鋼中能固溶于鐵素體、奧氏體中,并形成合金滲碳體(Fe,Mn)3C,因此Mn對鋼有較大的強化作用。Cr元素起提高鋼淬透性、耐磨性作用。

2)鑄造高合金鋼

不銹鋼1Cr13、2Cr13、1Cr18Ni9,高速鋼W18Cr4V,模具鋼5CrMnMo、5CrNiMo等可以鑄造成形使用,在鋼號前加“ZG”兩個字母,如ZG1Cr13。這類鑄鋼中的合金元素質量分數總量為10%以上,稱為鑄造高合金鋼。鑄造高合金鋼具有特殊的使用性能,如耐磨、耐熱、耐腐蝕等性能。這些鑄鋼的化學成分、性能及應用與相應的型材基本相同。

3.鑄鋼的組織特征及熱處理

由于鑄鋼的澆注溫度很高,而且冷卻較慢,所以容易得到粗大的奧氏體晶粒。在冷卻過程中,鐵素體首先沿著奧氏體晶界呈網狀析出,然后沿一定方向以片狀生長,形成“魏氏組織”。魏氏組織的特點是鐵素體沿晶界分布并呈針狀插入珠光體內,使鋼的塑性和韌性下降,不能直接使用,所以鑄鋼要經過退火或正火處理,以細化晶粒,消除魏氏組織和鑄造應力,改善力學性能。鑄鋼經過退火或正火后的組織為晶粒比較細小的珠光體和鐵素體。

3.5.2鑄鐵

1.鑄鐵的石墨化

鑄鐵中的碳除極少量固溶于鐵素體以外,大部分碳以兩種形式存在:一是碳化物狀態,如滲碳體(Fe3C)及合金鑄鐵中的其他碳化物;二是游離狀態,即石墨(以G表示)。石墨的晶格類型為簡單六方晶格,如圖3－1所示,其基面中的原子結合力較強,而兩基面之間的結合力較弱,故石墨的基面很容易滑動,其強度、硬度、塑性和韌性極低,常呈片狀形態存在。圖3－1石墨的晶體結構

冷卻速度對鑄鐵石墨化的影響也很大,冷卻越慢,越有利于石墨化的進行。冷卻速度受造型材料、鑄造方法、鑄件壁厚等因素的影響。例如,金屬型鑄造使鑄鐵冷卻快,砂型鑄造冷卻較慢;壁薄的鑄件冷卻快,壁厚的冷卻慢。圖3－2表示化學成分(C+Si)和冷卻速度(鑄件壁厚)對鑄鐵組織的綜合影響。從圖中可以看出,對于薄壁鑄件,容易形成白口鑄鐵組織。要得到灰鑄鐵組織,應增加鑄鐵的碳、硅含量。相反,厚大的鑄件,為避免得到過多的石墨,應適當減少鑄鐵的碳、硅含量。圖3－2鑄鐵的成分和冷卻速度對鑄鐵組織的影響

2.常用鑄鐵

常用鑄鐵有灰鑄鐵、球墨鑄鐵、可鍛鑄鐵和蠕墨鑄鐵,它們的組織形態都是由某種基體組織加上不同形態的石墨構成的。

1)灰鑄鐵目前生產中,灰鑄鐵的化學成分范圍一般為:wC=2.5%~3.6%,wSi=1.0%~2.5%,wP≤0.3%,wMn=0.5%~1.3%,wS≤0.15%。灰鑄鐵的性能取決于基體組織和石墨的數量、形狀、大小及分布狀態。

根據灰鑄鐵石墨化的程度,有三種不同的基體組織,即鐵素體、鐵素體+珠光體、珠光體。鐵素體基體強度、硬度低,珠光體基體強度、硬度較高。當石墨狀態相同時,基體組織珠光體的量越多,鑄鐵的強度越高。由此可見,灰鑄鐵的組織相當于在鋼的基體上分布著片狀石墨。由于石墨的強度很低,就相當于在鋼基體中有許多孔洞和裂紋,破壞了基體的連續性,并且在外力作用下,裂紋尖端處容易引起應力集中,而產生破壞。

因此,灰鑄鐵的抗拉強度、疲勞強度都很差,塑性、沖擊韌度幾乎為零。當基體組織相同時,其石墨越多、片越粗大、分布越不均勻,鑄鐵的抗拉強度和塑性越低。由于片狀石墨對灰鑄鐵性能的決定性影響,即使基體的組織從珠光體改變為鐵素體,也只會降低強度而不會增加塑性和韌性,因此珠光體灰鑄鐵得到廣泛應用。

石墨雖然降低了鑄鐵的力學性能,但卻使鑄鐵獲得了許多鋼所不及的優良性能。例如,由于石墨本身的潤滑作用,以及它從鑄鐵表面脫落后留下的孔洞具有儲存潤滑油的能力,故鑄鐵又有良好的減摩性;由于石墨組織松軟,能夠吸收振動,因而鑄鐵也有良好的減振性。另外,石墨相當于零件上的許多小缺口,使工件加工形成的切口作用相對減弱,故鑄鐵的缺口敏感性低。鑄鐵在切削加工時,石墨的潤滑和斷屑作用使灰鑄鐵有良好的切削加工性;灰鑄鐵的熔點比鋼低,流動性好,凝固過程中析出了比容較大的石墨,減小了收縮率,故具有良好的鑄造工藝性,能夠鑄造形狀復雜的零件。

2)球墨鑄鐵

球墨鑄鐵是將鐵水經過球化處理而得到的。球墨鑄鐵的基體組織上分布著球狀石墨,由于球狀石墨對基體組織的割裂作用和應力集中作用很小,所以球墨鑄鐵力學性能遠高于灰鑄鐵,而且石墨球越圓整、細小、均勻則力學性能越高,在某些性能方面甚至可與碳鋼相媲美。球墨鑄鐵同時還具有灰鑄鐵的減振性、耐磨性、低的缺口敏感性等一系列優點。

3)可鍛鑄鐵

可鍛鑄鐵是由一定化學成分的白口鑄鐵,通過可鍛化退火而獲得的具有團絮狀石墨的鑄鐵。可鍛鑄鐵的生產過程分為兩步,第一步先鑄成白口鑄鐵件,第二步再經高溫長時間的可鍛化退火,使滲碳體分解出團絮狀石墨。可鍛鑄鐵可分為黑心(鐵素體)可鍛鑄鐵和珠光體可鍛鑄鐵兩種類型。可鍛鑄鐵生產過程較為復雜,退火時間長,生產率低、能耗大、成本較高。近年來,不少可鍛鑄鐵件已被球墨鑄鐵件代替。可鍛鑄鐵韌性和耐蝕性好,適宜制造形狀復雜、承受沖擊的薄壁鑄件及在潮濕環境中工作的零件,與球墨鑄鐵相比具有質量穩定、鐵水處理簡易、易于組織流水線生產等優點。

4)蠕墨鑄鐵

蠕墨鑄鐵是近十幾年來發展起來的新型鑄鐵。它是在一定成分的鐵水中加入適量的蠕化劑,獲得石墨形態介于片狀與球狀之間,形似蠕蟲狀石墨的鑄鐵。蠕墨鑄鐵的牌號用“RuT”加抗拉強度數值表示,如RuT340。各牌號蠕墨鑄鐵的主要區別在于基體組織。

蠕墨鑄鐵的力學性能介于相同基體組織的灰鑄鐵和球墨鑄鐵之間,其鑄造性能、熱傳導性、耐疲勞性及減振性與灰鑄鐵相近。蠕墨鑄鐵已在工業中廣泛應用,主要用來制造大功率柴油機氣缸蓋、氣缸套、電動機外殼、機座、機床床身、閥體、玻璃模具、起重機卷筒、紡織機零件、鋼錠模等鑄件。

本章小結

(1)我國多年來采用的鋼的分類方法如下:①按鋼中含碳量分為低碳鋼(wC≤0.25%)、中碳鋼(wC=0.25%~0.60%)、高碳鋼(wC>0.60%)。②合金鋼按鋼中合金元素含量分為低合金鋼(wMe≤5%)、中合金鋼(wMe=5%~10%)、高合金鋼(wMe>10%)。

(2)我國實施新的鋼分類方法如下:

(3)鑄鐵分類如下:

(4)非合金結構鋼和低合金高強度結構鋼的牌號表示方法如下:

①碳素結構鋼和低合金高強度結構鋼牌號由代表屈服點的漢語拼音首位字母Q、屈服點數值、質量等級符號、脫氧方法符號等部分按順序組成。其中,質量等級用A、B、C、D、E表示硫、磷含量不同;脫氧方法用F(沸騰鋼)、b(半鎮靜鋼)、Z(鎮靜)、TZ(特殊鎮靜鋼)表示,鋼號中“Z”和“TZ”可以省略。

②優質碳素結構鋼牌號用兩位數字表示,這兩位數字表示鋼中平均碳的質量分數為萬分之幾。

③易切削結構鋼牌號是在同類結構鋼牌號前冠以“Y”,以區別其他結構用鋼。

④碳素工具鋼牌號是在T(碳的漢語拼音字首)的后面加數字表示,數字表示鋼中平均碳的質量分數為千分之幾。

(5)合金鋼的編號是按照合金鋼中的含碳量及所含合金元素的種類(元素符號)和含量來編制的。一般牌號的首部是表示碳的平均質量分數的數字,表示方法與優質碳素鋼的編號是一致的。對于結構鋼,以萬分數計,對于工具鋼以千分數計。

(6)工程用鑄造碳鋼牌號前面是ZG(“鑄鋼”二字漢語拼音字首),后面第一組數字表示屈服點,第二組數字表示抗拉強度。

(7)碳素結構鋼是建筑及工程用非合金結構鋼,價格低廉,工藝性能(焊接性、冷變形成形性)優良,用于制造一般工程結構及普通機械零件。

(8)優質碳素結構鋼是用于制造重要機械結構零件的非合金結構鋼,在機械制造中應用極為廣泛,一般是經過熱處理以后使用,以充分發揮其性能潛力。

(9)碳素工具鋼生產成本較低,加工性能良好,可用于制作低速、手動刀具及常溫下使用的工具、模具、量具等。

(10)易切削結構鋼是鋼中加入一種或幾種元素,利用其本身或與其他元素形成一種對切削加工有利的夾雜物,來改善鋼材的切削加工性。

(11)鑄造碳鋼廣泛用于制造重型機械、礦山機械、冶金機械、機車車輛的某些零件、構件。

(12)低合金高強度結構鋼的主要合金元素有Mn、V、Ti、Nb、Al、Cr、Ni等。Mn有固溶強化鐵素體,增加并細化珠光體的作用;V、Ti、Nb等主要作用是細化晶粒;Cr、Ni可提高鋼的沖擊韌度,改善鋼的熱處理性能,提高鋼的強度,并且Al、Cr、Ni均可提高鋼對大氣的抗蝕能力。為改善鋼的性能,高性能級別鋼可加入Mo、稀土等元素。

(13)低合金專業用鋼:為了適應某些專業的特殊需要,對低合金高強度結構鋼的成分、工藝及性能作相應的調整和補充規定,從而發展了門類眾多的低合金專業用鋼。

(14)合金滲碳鋼通常是指經滲碳淬火、低溫回火后使用的合金鋼。合金滲碳鋼主要用于制造承受強烈沖擊載荷和摩擦磨損的機械零件。

(15)合金調質鋼是指經調質后使用的鋼。合金調質鋼主要用于制造在重載荷下同時又受沖擊載作用的一些重要零件。

(16)合金彈簧鋼是專用結構鋼,主要用于制造彈簧等彈性元件。彈簧類零件應有高的彈性極限和屈強比(σs/σb),還應具有足夠的疲勞強度和韌性。

(17)滾動軸承鋼主要用于制造滾動軸承的內、外套圈以及滾動體,此外還可用于制造某些工具。

(18)量具刃具鋼主要用于制造形狀較復雜、截面尺寸較大的低速切削刃具,也用于制造在機械制造過程中控制加工精度的測量工具。

(19)制造模具的材料很多,非合金