华南理工大学机械工程材料课件第七章.docx
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华南理工大学机械工程材料课件第七章
第一节概述
第二节合金元素在钢中的作用
第三节合金结构钢
第四节轴承钢
第五节合金工具钢
第六节不锈耐蚀钢和耐热钢
第七节粉末冶金材料
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第一节概述
一、合金钢的概念
为了提高钢的性能(力学、工艺、物理、化学),在碳
钢基础上有意加入一定量合金元素,这类钢就称为合金钢。
二、钢中的合金元素
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第一节概述
三、合金钢的分类及编号方法
1、分类
(1)按成分分类
碳钢低碳钢中碳钢高碳钢
C%
<0.250.25~0.6>0.6
合金钢低合金钢中合金钢高合金钢
Me总量%<2.5
2.5~10>10
(2)按使用特性分类
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按使用特性分类
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第一节概述
2.编号方法
合金钢的编号能反映出该钢号的主要成分,包
括碳质量分数、合金元素及其质量分数。
编号原则:
数字+合金元素符号+数字
ⅰ碳质量分数
ⅱ合金元素及其质量分数
如:
20CrMnTi、W18Cr4V
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第一节概述
数字+合金元素符号+数字
¾合金结构钢:
●前面的两位数字表示钢的平均碳质量分数的万分数。
●元素符号后面的数字则表示元素平均质量分数的
百分数。
当元素质量分数小于1.50%时,编号中
只标明元素符号而不标出表示质量分数的数字。
例如:
60Si2Mn、20CrMnTi
¾铬轴承钢则属特殊,G+Cr+数字(Cr的质量分数的千分
数),钢号前冠以专业用钢代号“G”,不标含碳量。
例如:
GCr15表示该钢Cr的质量分数为1.5%。
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第一节概述
数字+元素符号+数字
¾合金工具钢及不锈钢:
●前面的一位数字表示钢的平均碳质量分数的千分数。
但当钢中的碳质量分数大于或等于1.0%时,不标数字。
例:
5CrMnMo,1Cr18Ni9Ti,Cr12MoV
有例外:
高速工具钢W18Cr4V,
Wc为0.7-0.8%,但不标。
●后面数字表示方法同合金结构钢
所有合金钢的合金元素量标法相同
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第二节合金元素在钢中的作用
‡合金元素在合金钢中可能处于的三种状态:
固溶状态、化合状态及游离态。
‡合金元素在钢中的作用包括:
¾对钢中基本相的影响
¾对Fe-Fe3C相图的影响
¾对热处理过程的影响
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第二节合金元素在钢中的作用
一、合金元素对钢中基本相的影响
1、溶于铁素体,起固溶强化作用
非碳化物形成元素及过剩的碳化物形成元素都溶于铁素体。
2、形成碳化物,起强化相作用
z合金渗碳体:
(FeCr)3C
z合金碳化物:
Mn3C、Cr7C3、Cr23C6、Fe4W2C等
z特殊碳化物:
WC、MoC、W2C、VC、TiC
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第二节合金元素在钢中的作用
二、合金元素对Fe-Fe3C相图的影响
1、对奥氏体相区的影响
(1)扩大γ区
锰对奥氏体相区的
影响
z
A1↓、A3↓、A4(NJ)↑,
S点、E点向左下方移。
Ni、Mn等作用显著,
z
当Ni>9%或Mn>13%时,S点
降到0℃以下,室温下为单相奥
氏体组织,称奥氏体钢,如:
1Cr18Ni9Ti、Mn13。
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第二节合金元素在钢中的作用
(2)缩小γ区
铬对奥氏体相区的
影响
•A1↑、A3↑、A4(NJ)↓,
S点、E点向左上方移。
•Cr等作用显著,当Cr>13%时,
奥氏体相区消失,室温下为单
相铁素体组织,称铁素体钢,
如:
Cr17
2、对E点和S点位置的影响
所有合金元素均使E点和S点左移,即这两点的含碳量下降,
使碳含量比较低的钢出现过共析组织(如4Cr13)或共晶组织
(如W18Cr4V)。
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第二节合金元素在钢中的作用
三、合金元素对热处理过程的影响
1、对加热转变的影响
z对奥氏体化影响:
除Ni、Co外,Me都减缓奥氏体化过程;
z对奥氏体晶粒长大影响:
Ti、V、W、Mo等阻碍奥氏体晶粒
长大,即起细化晶粒作用。
2、对冷却转变的影响
z对C曲线和淬透性的影响:
除Co外,所有溶入奥氏体的合金
元素都使C曲线右移,淬透性提高(如W18Cr4V在空气中
即可淬火获得M);
z对Ms、Mf点的影响:
除Co、Al外,所有元素都使Ms、Mf点
下降,残余奥氏体量A′增多。
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合金元素对热处理过程的影响
3、回火转变
z提高回火稳定性——把回火转变过程向较高温度推移。
当回火硬度相同时,合金钢比同含碳量碳钢回火温度高;
如果同温度回火,合金钢硬度比碳钢高。
z产生二次硬化:
含高W、Mo、Ti、V钢淬火后回火(500~600℃)时,由
于析出细小弥散的特殊碳化物(弥散硬化)及回火冷却
时A′转变为M回(称二次淬火),使硬度不仅不下降,反
而升高的现象称二次硬化。
z防止第二类回火脆性:
Mo、W
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第三节合金结构钢
‡合金结构钢的定义
z
在碳素结构钢的基础上适当加入一种或几种合金元素而制
成。
z
常用元素主要有Cr、Si、Ni、Mo、W、V、Ti等。
‡合金结构钢的分类(按用途)
•工程结构钢(最常用的是低合金结构钢及高锰钢)
•机械结构钢(包括渗碳钢、调质钢、弹簧钢及易切削钢等)
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第三节合金结构钢
一、工程结构钢
普通碳素结构钢、低合金高强度结构钢、高锰钢
1.低合金高强度结构钢
z多数情况不经热处理使用。
热轧空冷状态下使用,经焊接、
铆接或压力成型后一般不再进行淬火回火处理。
z性能要求:
高强度及足够韧性;良好的焊接性能;良好的
耐蚀性等。
容器
船舶
桥梁
车辆
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第三节合金结构钢
(1)常见牌号:
Q345(16Mn)、Q390
说明:
通常情况下,屈服强度值小于300MPa时为碳素
结构钢,大于300MPa时为低合金高强度钢。
(2)成分特点
●
●
低碳:
<0.2%,在高强度基础上保持良好的塑性及韧性。
合金元素:
主要是Mn,还有少量Ti、V、Nb、Cu等,合
金元素含量≤3.0%。
合金元素的作用:
①Mn:
强化铁素体;
②Ti、V、Nb在钢中形成微细碳化物,
起细化晶粒和弥散强化作用;
南京长江大桥
③Cu、P提高抗大气腐蚀能力。
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第三节合金结构钢
2.高锰钢——耐磨钢
ZGMn13,
z成分特点:
高碳:
1.0~1.3%C,以保持高耐磨性。
高锰:
13%Mn,以保证形成奥氏体组织(A型钢)
z热处理及组织
铸态组织(γ+K)→水韧处理(1000~1100C加热、
水冷)→γ(HB180~220)→冲击、压力,加工硬化
(HB450~550)
0
铸造成型:
γ+碳化物,晶粒粗大,不均匀,硬而脆。
水韧处理:
消除碳化物,获得单相奥氏体组织。
z性能:
在工作过程中受到剧烈冲击或较大压力作用时,表层
γ组织因为塑性变形而迅速产生加工硬化,并有马氏体及ε
碳化物形成,获得高硬度、高耐磨性。
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第三节合金结构钢
z应用:
广泛应用于受强力冲击和摩擦零件,如:
铁道辙岔、
挖掘机铲齿、拖拉机的履带板、破碎机牙板、防弹板及保险
箱壳体等。
铁路辙岔
履带
破
碎机牙
板
挖掘机
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第三节合金结构钢
二、机械结构钢
按用途分类:
¾渗碳钢
¾调质钢
¾弹簧钢
¾易切削钢
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机械结构钢
1.渗碳钢
汽车变速箱齿轮
凸轮机构
手动变速器
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渗碳钢
¾定义
利用渗碳的方法获得表面高硬度耐磨、心部具有良好强韧性的钢。
¾用途
制造汽车、机车及工程机械等动力机械的传动齿轮、凸轮轴、活
塞等。
(典型零件:
汽车、拖拉机变速齿轮)
¾常用牌号
20、20Cr、20CrMnTi、20Cr2Ni4A、18Cr2Ni4W
¾成分
•低C:
0.1~0.25%,表面以渗碳方法增碳,心部保持良好的塑
性和韧性。
•合金元素主要元素:
Cr、Ni、Mn、B,提高淬透性;
渗层(σb、耐磨性)、心部强韧性↑
辅加元素:
V、W、Mo、Ti,细化晶粒
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渗碳钢
¾热处理:
渗碳+淬火+低温回火。
典型零件:
汽车变速齿轮
◆材料:
20CrMnTi
◆工艺路线:
锻造→正火→机加工→渗碳+淬火
+低温回火→喷丸(压应力、σ-1↑)→磨
◆各部分热处理组织及作用:
正火:
S+α(少量)
①消除锻造缺陷(晶粒粗大、应力);
②调整硬度、以利于切削加工。
渗碳+淬火+低温回火:
表:
M回+K+A’(少量);
心:
M低碳,达到“表硬心韧”,
满足使用要求。
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机械结构钢
2.调质钢
曲轴
连杆
机床主轴
齿轮
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调质钢
¾调质钢定义:
调质钢指采用调质处理(淬火+高温回火,获得回火索氏
体组织)作为预先热处理或最终热处理的结构钢。
¾调质钢用途:
制造各类结构件及轴类零件,如机床齿轮、机床主轴、
连杆螺栓、内燃机曲轴等。
¾常用牌号:
45、40Cr、35CrMo、38CrMoAl
¾成分特点:
•中碳:
0.30~0.50%C;
•合金元素:
Cr、Ni、Mn、Si——提高淬透性和强韧性
Mo——防止第二类回火脆性
Al——加速氮化过程、提高渗氮层硬度和耐磨性
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调质钢
¾热处理
典型零件:
连杆螺栓(要求力学性能一致)
材料:
40Cr
锻→正(退)火→粗车→调质→精车→装配
正火:
S+α(少量)
①消除锻造缺陷(晶粒粗大、应力);
②调整硬度、以利于切削加工。
调质:
S回,满足整体力学
性能要求:
良好的综
合力学性能。
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调质钢
¾热处理:
典型零件:
机床齿轮:
材料:
45(或40Cr)
锻→正火→粗机加工→调质→精机加工
→高频表面淬火+低温回火→磨
正火:
同上
调质:
S回,保证心部的强度和韧性
高频表面淬火+低温回火:
回
表:
M+A’(少量);心:
S回
机床变速箱齿轮
达到“表硬心韧”,满足使用要求。
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机械结构钢
3.弹簧钢
弹簧
离合器弹簧
汽车板簧
拉力弹簧
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弹簧钢
¾性能要求:
高的弹性极限和屈服强度,以保证其能吸
收大量的弹性能而不发生塑性变形,同时
还具有高的疲劳强度和足够的塑性、韧性。
¾分类及用途:
汽车板簧
热轧弹簧钢:
大截面尺寸,
一般加热成型,淬火+中温回火,
获得回火托氏体(即屈氏体)组
织,并进行喷丸处理,提高疲劳
强度。
如汽车板簧;
冷拉(轧)弹簧钢:
小截面,
钢丝或薄钢带。
冷绕成型后低温
去应力定形处理。
如气门弹簧。
气门弹簧
大型热卷弹簧
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弹簧钢
¾典型牌号:
65、65Mn、
60Si2Mn、50CrV
¾成分特点:
1)碳%:
0.50-0.75%C
(中、高碳钢)
冷卷螺旋压缩弹簧
汽车板簧淬火线
2)Me%:
Si、Mn、Cr——
淬透性↑,强化铁素体
Si——提高σs/σb
V——细化晶粒。
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弹簧钢
¾弹簧钢的热处理
◆热成型弹簧:
典型零件:
60Si2Mn汽车板弹簧
扁钢剪断→加热成型→淬火→中温回火(T回)→喷丸
◆冷绕成型弹簧:
200~300℃去应力
(定型处理)
气门弹簧
汽车板簧
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机械结构钢
4.易切削钢
易切削钢棒
易切削钢油路部件
照相机外壳
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易切削钢
¾加入元素:
S、P、Pb、Ca等,提高刀具寿命。
¾用途:
小型大批量标准件。
(如仪表、钟表、照相机和计算机等的零
件。
)
¾性能要求:
在高速切削下易断屑、切削阻力小、表面质量好
¾编号及应用
钢号前冠以“Y”或“易”字样,其后面的数字表示万分之几的
碳质量分数。
若含Mn量较高者,在钢号后标出Mn或锰。
¾牌号:
Y12~Y30、Y40Mn、T10Pb、Y40CrSCa
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第四节轴承钢
滚珠
滚珠轴承
¾用途:
各种轴承
制造滚动轴承组件
(内外圈、滚子、滚珠)
轴承
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轴承钢
¾性能要求:
⑴高的硬度和耐磨性。
⑵高的σe和接触疲劳强度。
⑶足够的韧性、淬透性和耐蚀性。
¾典型牌号:
GCr15、GCr15SiMn
¾化学成分:
圆柱滚子轴承
S(≤0.02%)、P(≤0.027%)等杂质控制严格。
C:
0.95~1.15%,保证高硬度、高耐磨性能。
Cr:
1.5%,提高淬透性,形成(Fe,Cr)3C合金渗碳体,
提高硬度及耐磨性。
大型轴承:
添加适量Si+Mn,提高淬透性、弹性极限
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轴承钢
¾热处理
锻压→球化退火→机加工→淬火、低温回火→磨加工→成品
(预先热处理)(最终热处理)
↓
↓
降低硬度
获得F+细小粒状(球状)碳化物
淬火:
830℃(GCr15),保护气氛
防氧化、脱碳;
回火:
150~170℃
组织:
回火马氏体+粒状碳化物+A′
精密轴承:
淬火+冷处理+低温回火
A′↓,保证尺寸稳定性
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第五节合金工具钢
z刃具钢
1.碳素工具钢
2.低合金刃具钢
3.高速钢
z模具钢
1.冷作模具钢
2.热作模具钢
3.塑料模具钢
模具
z量具钢
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一、刃具钢
¾用途
制造各种金属切削刀具,如车刀、铣刀、钻头等。
¾刃具工况
1.切削时受工件的压力,刃部与切屑之间产生强烈的摩擦;
2.由于切削发热,刃部温度可达500℃~600℃;
切削加工
3.承受一定的冲击和震动。
¾性能要求(四高)
(1)高淬透性
(2)高硬度(>HRC60)
(3)高耐磨性不仅取决于钢的硬度,而且与钢中硬化物的
性质、数量、大小和分布有关。
(4)高热硬性热硬性是指钢在高温下保持高硬度的能力(亦称红硬性)。
¾成分:
过共析钢
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一、刃具钢
1.碳素工具钢
T7~T13
淬透性↓、热硬性↓(﹤200
C)--手动工具:
0
手用锯条、锉刀
热处理:
锻→球化退火→机加工→淬
特殊碳素工具钢钢板火+低温回火(M回+K+A′)→磨
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一、刃具钢
2.低合金刃具钢
由碳素工具钢基础上加入少量合金元素(≤3~5%)形成。
¾典型钢号:
9SiCr、CrWMn
¾成分特点:
①高碳:
0.9%~1.1%C,保证高硬度和高耐磨性。
②合金元素(总量<5%):
Cr、Mn、Si-J↑,回火稳定性↑
W、V-细化晶粒
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一、刃具钢
¾热处理:
锻→球化退火→机加工→淬火+低温回火(M回+K+A′)→磨
¾用途:
用于制造形状复杂、要求变形小的低速刃具,如板牙、丝
锥、铰刀、搓丝板及拉刀等。
低合金工具钢扳手
丝锥
螺丝板牙
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一、刃具钢
3.高速钢
¾用途:
高速切削刃具——车刀、铣刀、刨刀及钻头等。
高速钢圆锯片
铣刀
高速钢直柄麻花钻
阶梯钻
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高速钢
¾典型钢号:
W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2
¾性能特点:
0
高的淬透性(俗称风钢),良好的热硬性(﹥560C),
高硬度(HRC65),高耐磨性
¾成分特点:
①高碳:
0.70%~0.8%C
1、与W、Cr、V等形成足够数量的碳化物;
2、碳溶于奥氏体中,以保证马氏体的高硬度。
②合金元素:
Cr、W、Mo、V等,总量>10%:
1、W、Mo——
提高热硬性(产生“二次硬化”),细化晶粒
2、Cr-提高淬透性
3、V-细化晶粒,产生“二次硬化”
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机械工程材料精品课程
高速钢-W18Cr4V
¾加工工艺及热处理特点
下料→锻造→退火→机加工→淬火→回火→磨
高速钢是莱氏体钢,其铸态
组织为亚共晶组织,由鱼骨状共
晶莱氏体、黑色组织和白色组织
(M+A´)组成,脆性大且无法热
处理改善。
(1)锻造作用:
不仅是为了成型,更
重要的是为了击碎粗大的鱼骨
状共晶碳化物,使之均匀分布。
高速钢的铸态组织×400
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机械工程材料精品课程
高速钢-W18Cr4V
温度
(2)退火目的:
20°C/h860~880
2~3
消除应力、降低硬度、为随后的
淬火处理提供较好的原始显微组织。
15~20
°C/h
500~550
空冷
组织:
索氏体+颗粒状碳化物
40°C/h
时间/h
普通退火工艺曲线
温
800~880
打开炉门
720~750
6炉冷
500
空冷
40°C/h
等温退火工艺曲线时间/h
W18Cr4V钢的退火组织
W18Cr4V的两种退火工艺曲线
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机械工程材料精品课程
高速钢-W18Cr4V
(3)淬火:
840C预热、1270~1280C加热、600C分级淬火
000
800~840℃预热——减少变形,防止开裂
淬火加热温度:
1270~1280℃,使合金元素充分固溶于A
中,以保证高速钢的热硬性及回火稳定性。
若温度过高,奥氏体晶粒将迅速长大
W18Cr4V钢正常淬火组织:
淬火马氏体+未溶碳化物+残留奥氏体
2012-05-14
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机械工程材料精品课程
高速钢-W18Cr4V
(4)回火:
560
0
C三次回火
560C回火,目的产生“二次硬化”
0
①沉淀析出W2C,VC(弥散硬化)
②使A´→M(二次淬火)
回火三次:
减少A´量
使用状态下组织:
M回+颗粒状碳化物+少量A´
W18Cr4V高速钢淬火回火后组织
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机械工程材料精品课程
高速钢-W18Cr4V
W18Cr4V钢铣刀淬火回火工艺
1270~1280
温
分级淬火
铣刀
800~840
580~620
560
560
560
60min
回火
60min
回火
60min
回火
40°C/h
时间/h
W18Cr4V钢铣刀淬火回火工艺
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二、模具钢
1.冷作模具钢
(1)用途
用于制造各种冷冲模、冷镦模、冷挤压模和拉丝模等,
工作温度不超过200℃~300℃。
钢板冷冲模
冷镦模
冲裁模
(2)工作条件
冷模具工作时受挤压、弯曲、冲击及摩擦。
主要失效形式是
磨损,也常出现崩刃、断裂和变形等失效现象。
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二、模具钢
(3)基本性能要求:
①高硬度,一般为HRC58~HRC62;
②高耐磨性;
③足够的韧性和疲劳抗力;
(4)选用材料
冷冲压件
①轻载、形状简单、小尺寸模具
——碳素工具钢,如T8A、T10A、T12A
②轻载,形状复杂或大尺寸模具
——低合金刃具钢,如9SiCr,9Mn2V,CrWMn
③重载,复杂、大尺寸模具
——Cr12型(Cr12,Cr12MoV-日本SKD11)
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冷作模具钢
¾典型钢号:
Cr12、Cr12MoV
•成分特点
①高C:
1.7~2.3%C——保证高硬度、高耐磨性。
②合金元素:
高Cr(12%Cr)
—提高淬透性;
形成高硬度碳化物,提高耐磨性。
Mo、V——细化晶粒,产生二次硬化。
•组织特点:
淬火组织中存在大量残余奥氏体;
—铸态组织中有大量共晶碳化物,又称莱氏体钢。
2012-05-14
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机械工程材料精品课程
冷作模具钢
z加工工艺过程及热处理特点
下料→锻造→球化退火→机加工→淬火+回火→磨
﹡Cr12型模具钢也是莱氏体钢,需进行锻造、退火,目的同
高速钢。
锻造:
击碎粗大碳化物,使碳化物均匀分布
球化退火:
消除应力、降低硬
汽
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- 华南理工大学 机械工程 材料 课件 第七