1.3 低合金钢、合金钢（课件）《数控加工机械基础》（高教版）同步精品课堂

任务1.3 低合金钢、合金钢 《数控加工机械基础》（高教版） 同步精品课堂—中职专业课 学习目标 01 03 02 掌握低合金钢、合金钢的牌号及分类。 理解低合金钢、合金钢的性能，并能辨别数控加工中常用刀具和工量具等所使用的材料。 通过学习低合金钢、合金钢等相关知识，培养追求卓越、精益求精的工匠精神。 学习目标 课前导入 家里的不锈钢餐具、工地的高强度钢梁、修车用的耐磨轴承，还有机床的锋利刀具，看着用途天差地别，其实都是低合金钢或合金钢做的！它们为啥比普通钢材更“能干”？牌号怎么看？不同钢材的性能和用途有啥门道？今天咱们就解锁这类“升级款钢材”的分类、牌号密码，学完就能看懂工业和生活里的高端钢材应用。 为了改善钢的性能,炼钢时在非合金钢的基础上,添加适量的一种或多种合金元素的钢称为低合金钢或合金钢。根据添加元素的不同,并采取适当的加工工艺,合金钢可获得高强度、高韧性、耐、耐蚀性、耐低温、耐高温、无磁性等特殊性能。 低合金钢和合金钢的分类 其中常用的合金元素有硅(Si)、锰(Mn)、铬(Cr)、镍(Ni)、钼(Mo)、钨(W)、钒(V)、钛(Ti)、铅(Pb)和稀土元素等。 合金元素的种类和平均质量分数低于国家标准规定范围的钢称为低合金钢。一般是指合金元素的平均质量分数小于 3.5%的钢。 (1)低合金钢的分类 低合金钢按主要质量等级可分为普通质量低合金钢、优质低合金钢和特殊质量低合金钢;按主要性能或使用特性可分为可焊接的低合金高强度结构钢、低合金耐候钢低合金混凝土用钢及预应力用钢、矿用低合金钢、铁道用低合金钢和其他低合金钢(如焊接用合金钢)等。 低合金钢和合金钢的分类 (2)合金钢的分类 合金钢种类很多,通常按主要质量等级可分为优质合金钢和特殊质量合金钢;按主要性能或使用特性可分为工程结构用合金钢,机械结构用合金钢,轴承钢,工具钢不锈、耐蚀和耐热钢,特殊物理性能钢和其他合金钢等。 为了便于生产、使用和研究,习惯上把合金钢按合金元素的种类分为铬钢、锰钢硅锰钢、镍铬钢等;按用途又可分为合金结构钢、合金工具钢和特殊物理性能钢等。 (1)低合金高强度结构钢 低合金高强度结构钢虽然是一种低碳、低合金的钢材,但具有高强度、高韧性、良好的焊接性和一定的耐蚀性,广泛应用于制造船舶、桥梁和车辆等。低合金高强度结构钢常见的牌号有 Q355、Q390、Q460等。国家体育场(鸟巢)使用的钢材就是 Q460。 常用低合金钢和合金钢的牌号、性能和用途 鸟巢的外形结构主要由巨大的门式钢架成，24根桁架柱托起了超大的屋顶结构。鸟巢使用的 Q460钢材是一种低合金高强度结构钢。在此之前这种钢一直从国外进口。中国的科研人员经历了漫长的科技攻关,经过无数次的研发与探索及多次反复试制,研制出了具有知识产权的国产O460钢材,撑起了国家体育场的钢骨脊梁。 常用低合金钢和合金钢的牌号、性能和用途 国家标准 GB/T 221-2008 规定,低合金高强度结构钢的牌号由“屈”字汉语拼音首字母 Q、最小屈服强度(单位为 MPa)、质量等级符号(B、C、D、E、F,质量依次提高)脱氧方法符号(F--沸腾钢、Z--镇静钢、TZ--特殊镇静钢,其中镇静钢、特殊镇静钢通常可省略)等部分组成。 例如,Q460E 表示最小屈服强度为 460 MPa、质量等级为 E级、脱氧方法为镇静脱氧的低合金高强度结构钢。 常用低合金钢和合金钢的牌号、性能和用途 (2)工程结构用合金钢 工程结构用合金钢主要是指工程和建筑结构用钢,包括一般工程用钢、钢筋钢压力容器用钢、矿用钢、高锰耐磨钢等。以下主要介绍高锰耐磨钢。 高锰耐磨钢常见的牌号有 ZGM13 等。高锰耐磨钢在一般工作条件下并不耐磨只有在巨大压力和强烈冲击载荷作用下才具有高耐磨性。高锰耐钢适用于制造长时间经受高冲击和磨损的耐磨部件,如用于制造坦克履带、挖掘机铲斗的斗齿以及防弹钢板、保险箱钢板、铁路道岔等,由于高锰钢极易产生加工硬化,使切削加工困难,但铸造性能好,故大多数高锰钢零件采用铸造成形。 常用低合金钢和合金钢的牌号、性能和用途 (3)机械结构用合金钢 机械结构用合金钢是指适用于制造机器和机械零件的结构钢,它是在碳素结构钢的基础上,有目的地加人一种或几种合金元素而得到的多元合金,其力学性能显著提高,应用日益广泛。常用的机械结构用合金钢有合金渗碳钢、合金调质钢、合金弹簧钢等。 常用低合金钢和合金钢的牌号、性能和用途 常用低合金钢和合金钢的牌号、性能和用途 机械结构用合金钢的牌号一般由三部分组成:两位数字、元素符号和数字,其含义如下: ① 两位数字表示碳的平均质量分数的万分数。 ② 元素符号表示主要合金元素。 ③ 元素符号后面的数字表示合金元素平均质量分数的百分数。当合金元的平均质量分数<1.5% 时,元素符号后面不标数字;当合金元素的平均质量分数为 1.50%~ 2.49%时,在该元素符号后标“2”;当合金元素的平均质量分数为 2.50%~3.49%时,在该元素符号后标“3”;以此类推。 ④ 如果为高级优质钢、特级优质钢,则分别在钢后加“A”“E”,优质钢不用标注。 常用低合金钢和合金钢的牌号、性能和用途 1)合金渗碳钢 合金渗碳钢是碳的平均质量分数为0.10%~0.25%的合金结构钢,属于低碳合金结构钢,加入的主要合金元素是 Cr,以提高淬透性。一般经过渗碳处理,使零件表面具有足够高的硬度和耐磨性。合金渗碳钢常用来制造凸轮、蜗杆、齿轮等。合金渗碳钢常见牌号有 20Cr、20CrMnTi等。 常用低合金钢和合金钢的牌号、性能和用途 2)合金调质钢 合金调质钢中碳的平均质量分数为 0.25%~0.50%,属于中碳合金结构钢。合金调质钢是一般需经过调质(淬火+高温回火)处理后使用的合金结构钢,可以使零件具有良好的综合力学性能,多用于制造机床主轴、齿轮和丝杠等,如图1-11所示。合金调质钢常见的価郗腠钼牌号有 40Cr、40MnB、40CrNi等。 常用低合金钢和合金钢的牌号、性能和用途 3)弹簧钢 弹簧钢中碳的平均质量分数为 0.45%~0.75%,属于中、高碳合金结构钢,加入的主要合金元素有 Mn、Si、Cr 等,以提高钢的力学性能,满足高弹性、高强度的要求,弹簧钢主要用于制造弹簧或者其他弹性零件。弹簧钢主要有硅锰弹簧钢,如60Si2Mn、55CrMn 等。 常用低合金钢和合金钢的牌号、性能和用途 (4)轴承钢 轴承钢是用来制造滚珠、滚柱和轴承套圈的专用钢,如图1-12所示,也可用于制作精密量具、冷冲模具等。轴承钢有高而均匀的硬度和耐磨性及高的弹性极限,主要包括高碳铬轴承钢、渗碳轴承钢、不锈轴承钢和高温轴承钢等,以下主要介绍应用最广泛的高碳铬轴承钢。 常用低合金钢和合金钢的牌号、性能和用途 高碳铬轴承钢的牌号头部是字母“G”,元素 Cr后面的数字表示铬的平均质量分数的千分数,其余元素符号及数字的表示方法与机械结构用合金钢牌号的第三部分相同。例如,GCr15 表示铬的平均质量分数为1.5%的高碳铬轴承钢。 铬是高碳铬轴承钢的主加元素,通常铬的平均质量分数为 0.40%~1.65%,铬可以增加钢的淬透性和耐磨性。高碳铬轴承钢常用的牌号有GCr15和GCr15SiMn。 常用低合金钢和合金钢的牌号、性能和用途 (5)工模具钢 工模具钢是在非合金工具钢的基础上加人铬、钼、钨、钒等合金元素以提高淬透性、韧性、耐磨性和耐热性的一类钢种。工模具钢主要用于制造刃具、量具、耐冲击工具和冷、热模具及一些特殊用途的工具。 工模具钢的牌号一般由一位数字、元素符号和数字组成。一位数字表示碳的平均质量分数的千分数,当wc>1%时不标出;元素符号和数字分别表示主要合金元素符号以及合金元素质量分数的百分数,具体表示方法与机械结构用钢第三部分相同。 常用低合金钢和合金钢的牌号、性能和用途 ①量具用钢。量具是机械制造中的测量工具,如块规、千分尺等,如图所示。量具在使用过程中经常与被测工件接触,受到损与碰撞,因此量具用钢要具有高的硬度和耐磨性、高的尺寸稳定性和足够的韧性。 制作量具没有专用的钢号,除了量具刃具用钢、高碳 铬轴承钢和不锈钢均可用来制造量具。对精度要求较 高的量具一般采用微变形合金工具钢制造,如 CrWMn、 GCr15等;在腐蚀条件下工作的量具可选用不锈钢制造, 如 40Cr13、95Cr18 等。 常用低合金钢和合金钢的牌号、性能和用途 ②刃具用钢。由于合金元素的加入,刃具用钢有较高的硬度和耐磨性,提高了强度,主要用于制造形状复杂的小型工件,如丝锥(上图)、板牙(下图)、钻头、铰刀、量具和高精度冲模等,常见的牌号有 9SiCr、CrWMn。 ③冷作、热作模具钢。冷作模具钢主要用于制造对冷状态下的工件进行压制成形的模具,如冷冲压模具、冷拉深模具、压印模具、冷挤压模具等。热作模具钢主要用于制造对高温状态下的工件进行压力加工的模具,如热锻模具、热挤压模具、压铸模具等。 常用低合金钢和合金钢的牌号、性能和用途 (6)高速工具钢 高速工具钢是一种具有高硬度、高耐磨性和高耐热性的工具钢,俗称白钢。它在高速切削产生高热量的情况下(约600℃)仍能保持高的硬度,HRC能在50以上。这就是高速工具钢最主要的特性--红硬性。 高速工具钢在机械制造业中应用广泛,常见的牌号有 W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2,主要用于制造高速切削的开孔器（如图所示）、铣刀、车刀、铰刀、钻头及插齿刀等。 高速工具钢的牌号表示方法与机械结构用合金钢牌号表示方法相似,但高速工具钢的牌号只呈现合金元素及其平均质量分数,不显示碳的平均质量分数。 常用低合金钢和合金钢的牌号、性能和用途 (7)不锈钢和耐热钢 不锈钢和耐热钢是具有特殊化学性能的特殊性能钢。 不锈钢和耐热钢的牌号表示方法与机械结构用合金钢相似,只是当碳的平均质量分数大于或等于 0.04%时,碳的平均质量分数用两位数字表示；当碳的平均质量分数小于或等于 0.03% 时,则取三位数字。 例如,12Cr18Ni9 表示碳的平均质量分数为0.12%,铬的平均质量分数为18%,镍的平均质量分数为 9%的不锈钢。022Cr19Ni10 表示碳的平均质量分数为0.022%,铬的平均质量分数为 19%,镍的平均质量分数为10%的不锈钢。 常用低合金钢和合金钢的牌号、性能和用途 常用低合金钢和合金钢的牌号、性能和用途 1)常用不锈钢 ①铬不锈钢 常用铬不锈钢的牌号有12Cr13、20Cr13、30Cr13和40Cr13等12Cr13 和 20Cr13 钢具有良好的抗大气、海水、蒸汽等介质腐蚀的能力,塑性和韧性好,适用于制造在腐蚀条件下工作、受冲击载荷的零件,如汽轮机叶片、水压机阀门、内燃机车水泵轴等。30Cr13 和 40Cr13 钢经热处理后硬度较高,耐磨、耐蚀性好,适用于制造弹簧、量具、阀座、阀门、医疗器械及在弱腐蚀条件下工作且具有高强度要求的零件。 常用低合金钢和合金钢的牌号、性能和用途 1)常用不锈钢 ②镍铬不锈钢 镍铬不锈钢是应用最广泛的不锈钢。常用镍铬不锈钢的牌号有06Cr19Ni10、12Cr18Ni9等。这类不锈钢碳含量低,镍含量高,其耐蚀性、塑性和韧性较好,主要用于制造不锈钢餐具及在强腐蚀介质(如硝酸、磷酸、有机酸及碱水溶液等)中工作的零件,如储槽、管道及容器等。 常用低合金钢和合金钢的牌号、性能和用途 2)耐热钢 ① 抗氧化钢(不起皮钢) 一般钢铁在较高温度(560 ℃以上)时表面容易氧化,主要是由于在高温下会生成松脆多孔的氧化铁,它较易剥落,最终导致零件破坏。实际应用的抗氧化钢,大多数是在铬钢、铬镍钢、铬锰氮钢基础上添加硅、铝制成的。碳含量增加,会降低钢的抗氧化性,故一般抗氧化钢为低碳钢。 常见的抗氧化钢有16Cr25Ni20Si2,可用于制造加热的炉管、燃烧室筒体、退火炉罩等;10Cr17 钢可用于制造散热器、炉用部件和油喷嘴等。 常用低合金钢和合金钢的牌号、性能和用途 2)耐热钢 ②热强钢 热强钢在高温下具有良好的抗氧化能力、较高的强度和良好的组织稳定性。 为了提高钢在高温下的强度和抗氧化能力,常在钢中加人铬、钨、钼、钛和钒等合金元素。常用的热强钢有15CrMo,它是典型的锅炉用钢,可制造在 300~500 ℃条件下长期工作的零件;45Cr14Ni14W2Mo 钢可制造在 600 ℃以下工作的零件,如内燃机重载荷排气阀:42Cr9Si2 钢可用于制造内燃机进气阀、轻载荷发动机排气阀等。 常用低合金钢和合金钢的牌号、性能和用途 课堂练习 1.厨房中常用的不锈钢餐具，其牌号最可能是（ ） A. Q355 B. GCr15 C. 1Cr18Ni9 D. ZG270-500 答案：C 解析：1Cr18Ni9是奥氏体不锈钢，耐腐蚀性好、卫生无毒，适合制造餐具；Q355是结构钢，GCr15是轴承钢，ZG270-500是铸钢，故选C。 课堂练习 2.耐热钢的主要用途是（ ） A. 制造刀具 B. 制造高温设备零件 C. 制造轴承 D. 制造建筑构件 答案：B 解析：耐热钢能在高温环境下保持强度和稳定性，适合制造锅炉、汽轮机等高温设备零件，故选B。 课堂练习 3.机械结构用合金钢的主要用途是（ ） A. 制造工程结构 B. 制造机械零件 C. 制造模具 D. 制造高温设备 答案：B 解析：机械结构用合金钢性能均匀，强度和韧性适配，用于制造齿轮、连杆等机械零件，故选B。 课堂练习 4.下列属于工程结构用合金钢用途的是（ ） A. 制造汽车车架 B. 制造机床刀具 C. 制造化工容器 D. 制造桥梁支座 答案：D 解析：工程结构用合金钢用于大型工程结构的关键部件，如桥梁支座；汽车车架用低合金钢，刀具用高速工具钢，化工容器用不锈钢，故选D。 课堂练习 5.牌号“12CrMoV”属于（ ） A. 耐热钢 B. 不锈钢 C. 轴承钢 D. 工模具钢 答案：A 解析：“Cr”（铬）、“Mo”（钼）、“V”（钒）是耐热钢的常见合金元素，12CrMoV常用于高温管道、锅炉部件，故选A。 课堂练习 6.低合金高强度结构钢相比碳素结构钢，最显著的优势是（ ） A. 价格更低 B. 强度更高、韧性更好 C. 耐腐蚀性极强 D. 加工更简单 答案：B 解析：低合金高强度结构钢通过添加少量合金元素，强度和韧性远超碳素结构钢，价格略高，耐腐蚀性不如不锈钢，故选B。 课堂练习 7.下列钢材中，属于合金钢的是（ ） A. Q235 B. Q355 C. GCr15 D. 45钢 答案：C 解析：GCr15（轴承钢）合金元素总含量≥5%，属于合金钢；Q235、45钢是非合金钢，Q355是低合金钢，故选C。 课堂练习 8.制造航空发动机高温叶片应选择（ ） A. 高速工具钢 B. 耐热钢 C. 不锈钢 D. 机械结构用合金钢 答案：B 解析：航空发动机叶片工作环境温度高，需耐热钢的高温强度和稳定性，故选B。 课后作业 高速工具钢的突出性能和典型用途是什么？ 工模具钢和高速工具钢的用途有何区别？ 耐热钢的核心性能和适用场景是什么？ 课堂小结 $