1.合金结构钢的用途与分类

合金结构钢是指在碳素结构钢的基础上，冶炼时加入一种或几种合金元素而获得的合金钢。如45Mn2 合金结构钢，在碳素结构钢45 钢的基础上加入钢水总量2.0%的锰，获得45Mn2 钢。

由于加入了合金元素，所以合金结构钢性能优于碳素结构钢，被广泛应用于重要的工程结构和机械零件方面，如桥梁、大型船舶、齿轮和轴类等。

常用的合金结构钢包括低合金高强度结构钢、合金渗碳钢、合金调质钢、合金弹簧钢和滚动轴承钢等。

2.低合金高强度结构钢

低合金高强度结构钢是在碳素结构钢的基础上只加少量的合金元素（最多也未超过1.0%），其强度高于碳素结构钢10% ～20% （1 t 低合金结构钢的强度可抵1.2 ～1.3 t 碳素结构钢）。低合金高强度结构钢在转炉、平炉和电炉中均可冶炼，易于加工和热处理，成本不高，并具有良好的塑性、韧性、耐蚀性和焊接性，被广泛应用于制造机械零件和工程结构，如桥梁、船体、厂房结构和输电塔架等。

1） 成分特点

（1） 含碳量低。

含碳量被控制在0.20%以下，其目的是获得较好的塑性、韧性、焊接性和冷成形能力。

（2） 合金含量低。

低合金高强度结构钢组织为铁素体和珠光体，加入锰对铁素体起固溶强化作用，使珠光体变得更细，以提高钢的强度和韧性； 加入铌、钒、钛可在钢中生成碳化物或氮化物，以阻止钢在热轧加热时奥氏体晶粒长大，保证得到细小的铁素体晶粒，同时这些碳化物或氮化物弥散分布，又能起第二相强化作用，进一步提高了钢的强度。此外，加入少量的铜、铬、镍、钛会使钢具有某种特殊性能并细化晶粒，少量的稀土元素可改善韧性和工艺性能，消除部分杂质。

锰含量一般在0.7% ～2.0%，其他各合金元素加入量不超过1.0%，总的合金含量不超过5%。

2） 热处理

低合金结构钢一般在热轧状态下使用，但为了达到零件加工时的某些性能要求，常常对其进行正火，如强度相对较低的板材等。

3） 低合金高强度钢的牌号和典型钢种

此类钢共八个牌号，牌号由屈服强度的汉语拼音首字母“Q”、屈服强度的数值及质量等级组成。质量等级有的分A、B、C、D、E 五种，有的只有C、D、E 三种。低合金高强度钢的牌号、质量等级和化学成分见表5 -5。

表5-5　低合金高强度钢的牌号、质量等级和化学成分

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3.合金渗碳钢

许多机器零件除承受强烈的摩擦磨损和交变应力外，还要承受冲击载荷，这需要钢表面具有良好的耐磨性、抗疲劳，而中心具有良好的韧性和强度。含碳量为0.10% ～0.20%的低碳钢加入某些合金元素，再经渗碳、淬火、低温回火，即可满足上述性能要求。将这种钢称为合金渗碳钢。

1） 成分特点

（1） 低碳。此类钢含碳量最低为0.12%，最高不超过0.24%，保证了零件中心具有足够的韧性和塑性。

（2） 加入了提高淬透性的合金元素。钢主要加入了铬，此外还有锰、镍、硼等，它们都能提高钢的淬透性。淬透性提高有利于改善零件中心的韧性和强度，从而提高零件抗冲击载荷的能力。

（3） 加入了钛、钒、钨、钼等合金元素，它们能有效抑制奥氏体晶粒长大，且能提高淬透层的耐磨性。

2） 热处理及组织

热处理： 渗碳钢经机械加工后进行渗碳、淬火、低温回火、磨削处理。渗碳件表面组织是高硬度、高耐磨性的回火马氏体和合金碳化物。中心组织若淬透时为低硬回火马氏体，若未淬透时为屈氏体、少量回火马氏体和铁素体的混合物。

渗碳温度一般为900 ℃～950 ℃，淬火温度为Ac1 +（30 ～50）℃，回火温度为150 ℃～250 ℃。

3） 合金渗碳钢的牌号和典型钢种

合金渗碳钢按淬透性分三种牌号，低淬透性的有20Mn2、15Cr、20Cr、20MnV； 中淬透性的有20CrMn、20CrMnTi、20MnTiB、20MnVB； 高淬透性的有18Cr2Ni4WA、20Cr2Ni4、12Cr2Ni4。

低淬透性各牌号合金渗碳钢的中心性能较差，被用于制造受冲击载荷较小的耐磨件，如活塞销、小轴和小齿轮等。

中淬透性各牌号合金渗碳钢的淬透性较好，芯部强度可达1 000 ～1 200 MN/m2，用于制造承受中等载荷且要求有足够冲击韧性和耐磨性的零件，如汽车、农业机器的齿轮和离合器轴等。最常用的牌号为20CrMnTi。

高淬透性各牌号合金渗碳钢含有2.0%左右的铬及镍元素，这使钢具有较高的淬透性，中心强度能达到1 300 MN/m2 以上，用于制造承受大载荷及高韧性和高耐磨性的零件，如飞机、坦克、重型汽车的齿轮和轴。其典型牌号为18Cr2Ni4WA。

常用合金渗碳钢的牌号、化学成分、热处理、机械性能、毛坯尺寸和应用举例见表5 -6。

4.合金调质钢

所谓合金调质钢，是指经过调质热处理后使用的结构钢，是结构钢中用量最大的钢种，具有良好的综合力学性能，用于制造承受多种性质载荷、受力复杂的机器零件，如机床的主轴、汽车后桥半轴、曲轴和齿轮等。

1） 成分特点、热处理和组织

（1） 成分特点。

①属于中碳合金钢（含碳量为0.25% ～0.50%）。含碳量过低则硬度不足，含碳量过高则韧性不足，此类钢含碳量适中。

表5-6常用合金渗碳钢的牌号、化学成分、热处理、机械性能、毛坯尺寸和应用举例

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②加入了提高淬透性的合金元素锰、铬、钼、硼、镍等，使铁素体强化并提高了韧性。

③加入了钼、钒、钨、钛等碳化物形成元素，阻止奥氏体晶粒长大，也提高了回火稳定性。(www.daowen.com)

（2） 热处理及组织。

合金调质钢在机械加工前要退火，调整硬度，这有利于机械加工，然后淬火加高温回火，即调质。淬火温度一般为820 ℃～880 ℃ （如38CrMoAl，940 ℃），回火温度可按调质件的硬度要求而定，一般为520 ℃～550 ℃ （38CrMnTi 应低些，约200 ℃； 38CrMoAl 应高些，约640 ℃）。为防止第二类回火脆性，钢回火后应快冷，要求强度较高的零件拟采用较低温度回火。合金调质钢经淬火、高温回火后组织为回火索氏体，具有较高的综合力学性能，若要求零件表面具有更高的耐磨性，则可再采用表面淬火或渗氮处理。

2） 合金调质钢的牌号和典型钢种

合金调质钢按其淬透性大小分为低淬透性调质钢、中淬透性调质钢和高淬透性调质钢。

（1） 低淬透性调质钢。

此类钢油淬临界直径为30 ～40 mm，共五个常用牌号。相对而言，其淬透性不高，用于制造尺寸较小的零件，如小齿轮和小轴等。低淬透性调质钢的典型钢种为40Cr，它的强度比碳素结构钢40 钢和45 钢高20%。

（2） 中淬透性调质钢。

此类钢油淬临界直径为40 ～60 mm，共五个常用牌号。其由于淬透性较好，故可用于制造截面尺寸较大的中型甚至大型零件，如齿轮、曲轴和连杆等。中淬透性调质钢的典型钢种有35CrMo、40CrNi 等。

（3） 高淬透性调质钢。

此类钢油淬临界直径为60 ～100 mm，共四个常用牌号。其淬透性好，用于制造大截面、承受重载的重要零件，如汽轮机主轴、叶轮和飞机发动机轴。高淬透性调质钢的典型钢种有40CrNiMo。此类调质钢含有Ni、Mo，可防止钢的回火脆性。

常用调质钢的牌号、热处理、力学性能和用途见表5 -7。

表5-7　常用调质钢的牌号、热处理、力学性能和用途

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5.合金弹簧钢

弹簧钢是用于制造各种弹簧和弹性元件的钢，在冲击、振动或周期性弯曲、扭转等交变应力下工作。合金弹簧钢有的用于驱动机件，如汽阀弹簧； 也有的用于缓冲减振，如火车轮轴上的弹簧； 还有的用以产生拉力，使工件恢复原状，如门上拉弓。弹簧钢除应具有较高的弹性极限外，还应具有较高的屈强比（屈服强度与抗拉强度的比值）。此外，合金弹簧钢还应具有足够的塑性和韧性。

1） 成分特点

此类钢含碳量为0.45% ～0.70%，若含碳量过高，则韧性、塑性会下降，疲劳强度也会下降。加入的合金元素有硅、锰，用以提高钢的淬透性和屈强比，可使屈强比提高到接近于1，但加入硅易使钢加热时脱碳，加入锰又易使钢过热，而加入铬、钒和钨可减少脱碳和过热，克服硅、锰的不利影响。加入硅的含量一般为0.17% ～2.00%，锰为0.4% ～1.6%，铬不大于2.5%，钒最多0.8%，钨最多4.5%。

2） 热处理和组织

弹簧成形有两种方法： 热成形和冷成形。热成形弹簧如汽车和火车上的弹簧； 冷成形弹簧一般用于制造小型弹簧，如门上拉弓等。

热成形弹簧由热轧钢板（厚度为10 ～15 mm） 或粗钢丝制成，成形后淬火和中温回火，获得回火托氏体组织，具有较高的屈服强度、弹性极限与疲劳强度，硬度为40 ～45 HRC。有的再经喷丸处理，使表面产生硬化层，以消除或减轻表面裂纹、划痕和氧化等缺陷。

冷成形弹簧一般为小型弹簧，用冷拉弹簧钢丝缠绕成形。由于弹簧钢丝已具备了良好的性能，所以成形后无须淬火和回火，只需进行一次200 ℃～300 ℃去应力退火使弹簧定形。

3） 合金弹簧钢的牌号和典型钢种

合金弹簧钢共13 个牌号，不同牌号的合金弹簧钢的用途有所区别。其中60Si2Mn 淬透性较好，价格便宜，常用于制造截面尺寸较大的弹簧。50CrV 弹簧钢常用于制造大截面、大载荷和工作温度较高的螺旋弹簧和阀门弹簧，其由于加入了0.1% ～0.2%的V 细化组织，因此减少了过热敏感性，提高了强度和冲击韧性，应用广泛。

合金弹簧钢的牌号、热处理、力学性能和用途见表5 -8。

表5-8　合金弹簧钢的牌号、热处理、力学性能和用途

6.滚动轴承钢

滚动轴承钢属于专用钢，被用于制造轴承滚动体、内圈和外圈，但其化学成分、性能又与工具钢相似，故也被用于制造刃具、量具和模具。

因为滚动轴承钢制成的滚动轴承既要承受高速滚动摩擦和滑动摩擦，也要承受较大而集中的交变应力，所以此类钢应具有较高的硬度、耐磨性、弹性极限和接触疲劳强度及一定的韧性，防止轴承受冲击载荷损坏。

滚动轴承钢共分四类，包括高碳铬轴承钢、渗碳轴承钢、不锈轴承钢和高温轴承钢。本节对高碳铬轴承钢作介绍。

1） 成分特点

（1） 高碳。含碳量一般为0.95% ～1.10%，以保证高硬度和耐磨性。

（2） 含有0.35% ～1.95%的铬，铬一部分溶入奥氏体增加淬透性； 一部分与碳形成碳化物，保证了硬度和耐磨性，也有利于提高钢的耐蚀性。但含铬量不应过高，否则淬火后残留奥氏体量过多，会降低硬度和尺寸稳定性。钢中加入少量的钼、锰、硅，其目的是提高淬透性，有利于制造大型壁厚的轴承内圈和外圈。GGr15 钢球化退火工艺曲线如图5 -5 所示。

2） 热处理和组织

高碳铬轴承钢经机械加工后的最终热处理为淬火、低温回火，获得组织为回火马氏体和细小颗粒碳化物，以及少量残留奥氏体。

应严格控制淬火温度，温度过高会使抗疲劳性能和韧性下降，温度太低会使硬度不足。淬火温度应被控制在（840 ±10）℃，其淬火介质为油。

回火温度对轴承钢性能亦有较大影响，图5 -6 所示为回火温度对GCr15 钢性能的影响。一般回火温度应控制在160 ℃～180 ℃。

图5-5　GGr15 钢球化退火工艺曲线

图5-6　回火温度对GGr15 钢性能的影响

1—接触疲劳寿命； 2—硬度HRC； 3—弯曲强度

为了减少残留奥氏体量，保证尺寸的稳定性，常在淬火后进行冷处理（ -80 ℃～-60 ℃），并在磨削加工后进行人工时效处理（120 ℃），以消除磨削产生的内应力，进一步稳定尺寸。

高碳高铬轴承钢中GCr15、GCr15SiMn 为应用较广的典型钢种，前者用于中小型滚动轴承，后者用于较大型轴承。