工業用鋼

Nishikori Yui

2024-04-18

技術筆記 › 工程材料學

合金設計, 材料工程, 熱處理, 鋼鐵冶金

工業用鋼包括碳素鋼（簡稱碳鋼）和合金鋼兩大類。

在工業用鋼中，除 Fe 和 C 元素外，還含有其他元素，包括雜質元素和合金元素。

雜質元素：泛指鋼冶煉後殘留在鋼中的元素。

合金元素：指為提高鋼的性能特意添加到鋼中的元素。

碳鋼是為 0.0218%～2.11% 的鐵碳合金，具有較好的性能，產量大、價格低，應用十分廣泛，但淬透性、回火抗力差、屈強比低。

合金鋼是在碳鋼的基礦上添加合金元素的鐵基合金，總體性能優於碳鋼，但加工困難、價格昂貴。選材時，如果碳鋼能夠滿足要求，一般不使用合金鋼。

鋼的分類和編號

鋼的分類

按化學成分分類

按用途分類

按金相組織分類

按質量分類

注：
高級優質鋼在其編號後加註“A”
特級優質鋼在其編號後加註“E”

鋼的編號

普通碳素結構鋼——用“符號 Q＋數字”表示

例：Q235
Q 為屈服點的漢語拼音字頭
235 表示該鋼的屈服強度值不小於 235MPa

優質碳素結構鋼——用“2 數字”表示

例：45
45 表示的萬分之幾，即該鋼的平均為 0.45%

合金結構鋼——用“2 數字＋元素符號＋數字”表示

例：36Mn2Si
36 表示的萬分之幾，即該鋼的平均為 0.36%
Mn2 表示該鋼含有錳元素，平均為 2%(百分之幾)
Si 表示該鋼含有矽元素，平均小於 1.5%

碳素工具鋼——用“T＋數字”表示

例：T12A
T 為“碳素工具鋼”的漢語拼音字頭
12 表示的千分之幾，即該鋼的平均為 1.2%
A 表示該鋼為高級優質鋼

合金工具鋼——用“1 數字＋元素符號＋數字”表示

例：9Mn2V
9 表示的千分之幾（當>1.0%,則不予標出）
Mn2 表示該鋼含有錳元素，平均為 2%(百分之幾)
V 表示該鋼含有釩元素，平均小於 1.5%

滾動軸承鋼——用“G＋數字”表示

例：GCr15
G 為“滾動軸承鋼”的漢語拼音字頭
Cr15 表示該鋼含有鉻元素，平均為 1.5%(Cr 千分之幾，其餘百分之幾)

不銹鋼——用“數字＋元素符號＋數字”表示

例：1Cr18Ni9Ti
1 表示平均的千分之幾
Cr18 表示該鋼含有鉻元素，平均為 18%
Ni9 表示該鋼含有鎳元素，平均為 9%
Ti 表示該鋼含有鈦元素，平均小於 1.5%

高速工具鋼——用“元素符號＋數字”表示，不標出含碳量

例：W18Cr4V
W18 表示該鋼含有鎢元素，平均為 18%
Cr4 表示該鋼含有鉻元素，平均為 4%
V 表示該鋼含有釩元素，平均小於 1.5%

鋼中的雜質及合金元素

雜質元素對鋼性能的影響

錳（Mn）

Mn 能溶入鐵素體中起固溶強化作用，提高鋼的硬度和強度。

矽（Si）

Si 能溶入鐵素體中起固溶強化作用，提高鋼的硬度和強度。

硫（S）

S 通常是有害元素，會引起鋼的“熱脆”。

磷（P）

P 通常是有害元素，會引起鋼的“冷脆”。

氮（N）

過量 N 會使鋼的塑性、韌性顯著降低，出現“時效脆化”。

氧（O）

氧通常是有害元素，在鋼中成為非金屬夾雜物而降低鋼的性能。

氫（H）

氫是鋼中的有害元素，產生“氫脆”和造成“白點”（微裂紋）。

合金元素在鋼中的作用

合金元素在鋼中的兩種存在形式：溶入鐵素體和形成碳化物。

合金元素對鋼中基本相的影響

溶入鐵素體——非碳化物形成元素

Ni、Si、Al、Co、Cu、N、B 等非碳化物形成元素主要溶入鐵素體中，起固溶強化作用，提高鋼的硬度和強度。Ni 還能提高鋼的韌性。

形成碳化物——碳化物形成元素

Ti、Zr、V、Nb、W、Mo、Cr、Mn 等在碳化物形成元素在鋼中與 C 作用形成碳化物。
鋼中的碳化物通常能夠提高鋼的強度、硬度和耐磨性。

碳化物形成元素與碳的親和力的大小：Ti, Zr, V, Nb, W, Mo, Cr, Mn, ＞Fe 依次減弱

合金元素對鐵碳相圖的影響

鋼中加入合金元素後，Fe－相圖將發生變化，這些元素或者擴大奧氏體區域，或者縮小奧氏體區域。

擴大奧氏體區的元素

Ni、Mn、C、N 等元素擴大奧氏體區域，使和溫度降低、S 點和 E 點向左下方移動。

縮小奧氏體區的元素

Cr、Mo、Si、W 等元素縮小奧氏體區域，使和溫度升高、S 點和 E 點向左上方移動。

合金元素對鋼的熱處理的影響

對奧氏體化的影響

除 Ni、Co 外，大多數合金元素都延緩鋼的奧氏體化過程。
它們阻礙 C 和 Me 的擴散，因此合金鋼的 A 化溫度較高、時間較長。

對奧氏體晶粒度的影響

除 Mn 外，幾乎所有合金元素都細化晶粒。
尤其以碳化物形成元素的細化晶粒效果最顯著，它們形成的碳化物分布在 A 中時，能夠阻礙晶界的遷移，從而阻止晶粒長大。

對鋼的淬透性的影響

除 Co 外，大多數合金元素只要溶入奧氏體中，都提高淬透性。

對鋼的回火穩定性的影響

回火穩定性：淬火鋼在回火過程中抵抗硬度下降的能力。又稱回火抗力。
大多數合金元素因為能夠阻礙 M 的分解，從而提高回火抗力。

鋼結構

工程組件用鋼

工程組件用鋼是國防、化工、石油、電站、車輛、船舶、橋梁、建築等國民經濟部門製造各種重要組件的金屬材料。

工程組件用鋼的性能要求

高的彈性極限和高的剛度，低的屈強比。
良好的焊接性和冷變形性。
良好的耐大氣、水腐蝕性。

工程組件用鋼的成分特點

低含碳量：＜0.25%。

含微量合金元素：V、Ti、Nb、Zr、Ca、RE（稀土元素）等。

工程組件用鋼分類

普通碳素結構鋼

化學成分特點：低碳：0.10～0.20%
典型鋼號：Q235
熱處理特點：一般不進行熱處理強化，只保證力學性能和工藝性能
使用狀態：熱軋態，組織：F＋P(少量)
應用：建築鋼筋

低合金高強度鋼（普通低合金結構鋼）

化學成分特點：低碳：0.10～0.20%，錳含量：1.2～1.6%
典型鋼號：16Mn
- 相當於是在 Q235 的基礦上多添加了 0.6～0.8% 的 Mn
熱處理特點——一般不進行熱處理強化，只保證力學性能和工藝性能
使用狀態：熱軋態或正火態，組織：F＋P(少量)。
應用：橋梁鋼構、船用鋼板等。

機器零件用鋼

機器零件用鋼是製造各種機器零件，如齒輪、軸、彈簧、軸承等的金屬材料。

機器零件用鋼的性能要求

高的強度和塑性、韌性。
良好的疲勞強度、耐磨性。
良好的切削加工性能和熱處理性能。

機器零件用鋼的成分特點

除 C 元素外，通常含有能夠提高淬透性和細化晶粒的合金元素：Cr、Ni、Mn、Si、Mo、Ti、V、W 等。

機器零件用鋼分類

滲碳鋼

化學成分特點：低碳：0.1～0.25%；合金元素：Cr、Mn、Ni、Mo、Ti、W、V、B 等。
- 滲碳後，表層為 1.0% 左右的高碳成分，保證高硬度、高耐磨性；心部保持原始成分，熱處理後具有良好的韌性和足夠的強度。
典型鋼號：20CrMnTi
- 在 20 號鋼的基礎上，通過添加合金元素 Cr、Mn、Ti 而形成
熱處理特點：滲碳（ $～$ ）→ 淬火（）→ 低溫回火（，2h）。
組織和性能
- 表層：高碳 $回＋＋$ ，硬度：HRC56～62。
- 心部：低碳 $回$ （淬透時），硬度：HRC30～45。
應用：重載齒輪、凸輪、活塞銷等。

調質鋼

化學成分特點：中碳：0.30～0.50%；合金元素：Cr、Ni、Mn、Mo、W、V、Ti、B 等。熱處理後可滿足綜合力學性能的要求。
典型鋼號：40Cr
- 在 40 號鋼的基礎上，通過添加合金元素 Cr 而形成
熱處理特點：調質處理：淬火（）→ 高溫回火（）。
組織： $回$ ，硬度：HRC25～35。
應用：各種軸類零件、汽車後橋半軸、連桿、螺栓等。

彈簧鋼

化學成分特點：中、高碳：0.45～0.70%；合金元素：Si、Mn、Cr、V 等。
典型鋼號：
- 熱成形彈簧（彈簧用鋼的尺寸較大）：60Si2Mn（在 60 號鋼的基礎上，通過添加合金元素 Si、Mn 等元素而形成）
- 冷成形彈簧（彈簧用鋼絲的直徑一般小於 10mm）：50CrVA。
熱處理特點
- 熱成形彈簧：淬火（）→ 中溫回火（）。
- 冷成形彈簧：卷繞→ 去應力退火（）。
組織： $回$ ，硬度：HRC35～45。
應用：
- 60Si2Mn —— 汽車減振板彈簧、懸擺彈簧。
- 50CrVA —— 汽車發動機氣閥彈簧。

滾動軸承鋼

化學成分特點：高碳：0.95～1.15%；合金元素：Cr（主要）、Si、Mn 等。
典型鋼號：GCr15
熱處理特點：
- 預備熱處理：球化退火，以降低硬度，改善切削加工性，並獲得 P 粒。
- 最終熱處理：淬火（840°C）→ 低溫回火（150～160°C）。
組織： $回＋＋$ 硬度：＞HRC61。
應用：滾動軸承的滾珠、軸承套等。

工具鋼

刃具鋼

刃具鋼是製造各種車刀、銑刀、鑽頭等切削工具的金屬材料。

刃具鋼的性能要求

高的硬度和耐磨性。HRC＞60。
高的熱硬性（紅硬性）。
- 熱硬性：刃具在高溫下保持高硬度的能力。
足夠的塑性和韌性。

刃具鋼的成分特點

高碳：以保證高的硬度，並形成足夠多的碳化物以提高耐磨性。
合金元素：

提高淬透性的元素 Cr、Ni、Mn、Si 等；
提高熱硬性的元素 W、Mo、V、Co 等。

刃具鋼分類

碳素工具鋼

化學成分特點
- 高碳：0.65～1.35%。
  - 高的含碳量保證高硬度及形成足夠的碳化物，提高耐磨性。
典型鋼號
- T7、T8、T10、T12。
熱處理特點：
- 預備熱處理：
  - 球化退火（T8、T10、T12）；
  - 完全退火（T7）。
- 最終熱處理：淬火（780°C）→ 低溫回火（180°C）（除 T7 外，溫度以上）。
組織和性能：
- 組織： $回＋＋$
- 硬度：＞HRC60。
應用：
- T7、T8 —— 木工工具、刃具（切削軟金屬）及錘子、沖頭等沖擊負荷工具。
- T9~T11 —— 手用鋸條、要求不高的刀具、鑽頭等。
- T12、T13 —— 耐磨性最高，韌性最低，銼刀、量具等。

低合金工具鋼

化學成分特點
- 高碳：0.75～1.5%；合金元素：Cr、Mn、Si、W、V 等。
  - 高的含碳量保證高硬度及形成足夠的碳化物，提高耐磨性和熱硬性。
典型鋼號
- 9SiCr
熱處理特點
- 預備熱處理：球化退火
- 最終熱處理：淬火（830～860°C）→ 低溫回火（180～200°C）。
組織和性能
- 組織： $回＋＋$
- 硬度：HRC61～63。
應用
- 丝錐、板牙、鑽頭、鉸刀等。

高速鋼

在高速切削過程中，刀具的刃部溫度可達 600℃以上，低合金鋼刃具已不能滿足這種要求。

化學成分特點
- 高碳：0.70～1.6%；合金元素：W、Mo、Cr、V、Co 等。
  - 高的含碳量形成足夠的碳化物，保證淬硬性；W 提高熱硬性。
典型鋼號
- W18Cr4V
熱處理特點
- 鍛造（使大塊的碳化物破碎）→ 等溫退火（等同於球化退火）→ 淬火（1280°C）→ 回火（560°C，3 次）（消除 A’，得 M，消除二次應力）。
組織和性能
- 組織： $回＋＋$
- 硬度：＞HRC62。
應用
- 高速車刀、拉刀、鑽頭等。

模具鋼

模具鋼是製造各種衝模、擠壓模、鍛模等模具的金屬材料。

根據模具的工作條件，模具鋼分為冷作模具鋼和熱作模具鋼兩類。

模具鋼的性能要求

保持尺寸精度（或尺寸穩定性）是量具最基本的性能要求。

高的硬度和耐磨性。HRC58～60。
高的組織穩定性。儘量減少殘余奧氏體量。
良好的耐腐蝕性。

模具鋼的成分特點

冷作模具鋼

高碳：以保證高的硬度，並形成足夠多的碳化物以提高耐磨性。
合金元素：Cr、Mo、V、W 等，提高淬透性、細化晶粒。

熱作模具鋼

中碳：以保證良好的綜合力學性能。
合金元素：Cr、Ni、Mn、W、Mo、V 等。
- Cr、Ni、Mn、Mo 提高淬透性；
- Cr、Mo 提高回火抗力；
- Cr、W、Mo 縮小區，提高溫度，提高抗冷熱蠕變性能。

模具鋼分類

冷作模具鋼（在冷態下變形的模具）

化學成分特點
- 高碳：1.4～2.3%；合金元素：Cr、Mo、V、W 等。
  - 高的含碳量保證形成足夠的碳化物，提高硬度及耐磨性。
典型鋼號
- 碳素工具鋼、低合金工具鋼、高碳高鉻的 Cr12 型模具鋼。
  - Cr12MoV（Cr12 型模具鋼）
熱處理特點
- 預備熱處理：球化退火（850～870°C）
- 最終熱處理：淬火（980～1030°C）→ 低溫回火（160～180°C）。
組織和性能
- 組織： $回＋＋少量$
- 硬度：HRC61～63。
應用
冷沖模、冷擠壓模、拉絲模等。

量具鋼

量具鋼是製造計量工件尺寸的工具的金屬材料。

量具鋼的性能要求

保持尺寸精度（或尺寸穩定性）是量具最基本的性能要求。

高的硬度和耐磨性。HRC58～64。
高的組織穩定性。盡量減少殘余奧氏體量。
良好的耐腐蝕性。

量具鋼的成分特點

高碳：以保證高的硬度，並形成足夠多的碳化物以提高耐磨性。
合金元素：Cr、Mn、W 等，提高淬透性、耐磨性。

量具鋼分類

量具鋼

化學成分特點
- 高碳：0.9～1.5%；合金元素：Cr、Mn、W 等。
  - 高的含碳量保證形成足夠的合金碳化物提高硬度及耐磨性。
典型鋼號
- 低合金工具鋼：CrWMn、GCr15
- 碳素工具鋼：T10、T12
熱處理特點
- 球化退火→淬火→冷處理 (淬火後繼續冷至－70～－80°C，減少 A’)→長時間低溫回火（提高鋼的組織穩定性）→人工時效 (低溫回火後在 120～130°C 長時間保溫，進一步穩定尺寸)
組織和性能
- 組織： $回＋＋少量$
- 硬度：HRC58～64。
應用
- 游標卡尺、千分尺、直尺、塞尺、塊規等。

特殊鋼

不鏽鋼

不鏽鋼是能抵抗大氣或酸等化學介質腐蝕的鋼種。

不鏽鋼又稱不銹耐酸鋼。

金屬腐蝕的形式：

化學腐蝕
- 是金屬與介質直接發生化學作用的結果，如氧化。
電化學腐蝕
- 是金屬在電解質中由於形成原電池而引起的腐蝕。

電化學腐蝕是金屬腐蝕的主要形式。

合金中的原電池

在合金中，由於組成合金的相不同，而不同相的電極電位有高有低，因此就會形成無數個原電池。

例如：鋼中的珠光體，由 F 和組成，F 的電極電位低，為陽極，的電極電位高，為陰極，如果鋼的表面覆蓋了酸性介質（如酸雨），則作為陽極的 F（鋼的基體）就會被腐蝕掉，從而造成鋼的腐蝕。

防止金屬電化學腐蝕的措施

室溫下獲得單相組織
- 例如：加入＞24%Ni，室溫下可獲得單相奧氏體組織。
提高金屬基體的電極電位
- 例如：加入＞13%Cr，F 的電極電位從－0.56V 跃增至 0.2V。
金屬表面形成鈍化膜
- 例如：加入 Cr、Al、Si 可在金屬的表面形成致密的氧化膜，將金屬與介質分隔開。

不銹鋼分類

馬氏體不銹鋼

化學成分特點
- 碳含量：0.1～0.45%；鉻含量：12～14%（提高 F）
典型鋼號
- Cr13 型：1Cr13、2Cr13、3Cr13、4Cr13
- 隨 C%的增加，強度、硬度增大，但耐腐蝕性降低。
熱處理特點及組織
- 預備熱處理：完全退火或高溫回火。
- 最終熱處理：淬火（1000～1100°C）→ 回火。
- 對 1Cr13、2Cr13：高溫回火（600～700°C），組織： $回$ 。
- 對 3Cr13、4Cr13：低溫回火（200～300°C），組織： $回$ 。
應用
- 1Cr13、2Cr13：汽輪機葉片、水壓機閥、鍋爐管附件等耐蝕結構鋼。
- 3Cr13、4Cr13：醫用手術刀、耐蝕彈簧等耐蝕工具鋼。

鐵素體不銹鋼

化學成分特點
- 高鉻低碳：碳含量：<0.15，鉻含量：12～30%。
典型鋼號
- Cr17 型：1Cr17
- 隨 Cr%的增加，基體電極電位提高，並在室溫獲得單相 F。
熱處理特點及組織
- 鐵素體不銹鋼在加熱、冷卻時不發生組織轉變，組織始終為 F，因此不能通過熱處理進行強化。
- 鐵素體不銹鋼可採用冷塑性變形，通過加工硬化提高強度。
應用
- 硝酸、氮肥、磷酸工業中的耐蝕零件（強度低）。

奧氏體不銹鋼

化學成分特點
- 低碳：＜0.15%；合金元素：Cr%：18%、Ni%：8～11% (Ni 擴大奧氏體區域，室溫下就能得到亞穩的單相奧氏體)。
典型鋼號
- 18－8 型：1Cr18Ni9Ti
- Ti 的作用：防止晶間腐蝕
熱處理特點及組織
- 固溶處理：1050～1150°C 水冷。獲得單相 A。
- 穩定化處理：850～900°C、2～4h 空冷。形成 TiC，防止晶界形成 Cr23C6，晶界貧 Cr 引起晶間腐蝕。
- 去應力處理：300～350°C。
應用
- 應用廣泛，主要用於製造各類耐蝕的結構零件，如硝酸槽等。

晶間腐蝕

沿晶界發生的腐蝕稱為晶間腐蝕。

產生晶間腐蝕的原因（晶界貧鉻理論）

Cr 的碳化物 Cr23C6 沿晶界析出，導致晶界附近基體貧鉻（即降低），使耐蝕性顯著下降。

防止晶間腐蝕的措施

加入 Ti
Ti 與 C 的親和力遠大於 Cr 與 C 的親和力，Ti 將優先與 C 形成 TiC，從而可避免 Cr23C6 的形成，從而防止晶間腐蝕。
降低
降低可減少 Cr23C6 的形成。

耐熱鋼

耐熱鋼是指在高溫下具有一定強度和抗氧化、耐腐蝕能力的鋼種。

耐熱性的兩層涵義

熱穩定性

表現為金屬在高溫下的抗氧化能力，即高溫抗氧化性。

熱強性

表現為金屬在高溫下具有高的強度，即高溫強度。

蠕變

金屬在高溫下工作時，隨時間的延長發生極其緩慢的塑性變形的現象。

蠕變發生時，工作應力小於金屬的屈服強度，這在常溫下是不可能發生塑性變形的。

耐熱鋼種類

珠光體耐熱鋼

典型鋼號：12Cr1MoV，工作溫度：350～550°C
熱處理：正火（950～1050°C）→ 高溫回火（600～750°C）。
組織：P+F
應用：鍋爐管等。

馬氏體耐熱鋼

典型鋼號：1Cr13、2Cr13，工作溫度：550～600°C
熱處理：淬火（＞1000°C）→ 高溫回火（600～700°C）。
組織： $回$
應用：內燃機葉片、排氣閥等。

奧氏體耐熱鋼

典型鋼號：1Cr18Ni9Ti，工作溫度：600～700°C
熱處理：固溶處理（1050～1150°C 水冷）。
組織：A
應用：汽輪機葉片、內燃機排氣閥等。