了解合金钢中的成分含量标注

碳钢具有冶炼工艺简单、易加工、价格低等优点，因而得到了广泛的应用。但是碳钢具有淬透性低、回火稳定性差、基本组成相强度低等缺点，因而其应用受到了一定的限制。为了克服碳钢存在的不足，在冶炼优质碳钢的同时可以有目的地加入一定量的一种或几种金属或非金属元素，这类元素统称为合金元素，这类含有合金元素的钢统称为合金钢。

1.2.2.1　合金钢的分类

合金钢种类繁多，为了便于生产、选材、管理及研究，根据某些特性，从不同角度出发可以将其分成若干种类。

1. 按合金元素含量分类

（1）低合金钢：合金元素总含量≤5%。

（2）中合金钢：合金元素总含量为5%～10%。

（3）高合金钢：合金元素总含量≥10%。

2. 按合金元素分类

有铬钢、锰钢、铬锰钢、铬镍钢、铬镍钼钢、硅锰钼钒钢等。

3. 按主要用途分类

（1）合金结构钢：主要用于制造各种机械零件、工程结构件等，合金结构钢可分为机械制造用钢和工程结构用钢等。

（2）合金工具钢：主要用于制造刃具、模具、量具等，合金工具钢可分为刃具钢、模具钢、量具钢三类。

（3）特殊性能钢：具有特殊物理或化学性能，主要用于制造除要求具有一定的机械性能外，还要求具有特殊性能的零件。特殊性能钢可分为抗氧化用钢、不锈钢、耐磨钢、易切削钢等。

1.2.2.2　合金结构钢

合金结构钢按用途可分为工程用钢和机器用钢两大类。

工程用钢主要用于制造各种工程结构，它们大都是用普通低合金钢制造。这类钢冶炼简便、成本低，满足工程用钢批量大的要求，使用时一般不进行热处理。

而机器用钢一般都经过热处理后使用，主要是用于制造机器零件，它们大多是用合金结构钢制造。按其用途和热处理特点，机器用钢又分为调质钢、渗碳钢、易切削钢、弹簧钢、轴承钢、耐磨钢等。

1. 合金结构钢的牌号

合金结构钢的牌号通常是以“数字+元素符号+数字”的方法来表示。牌号中起首的两位数字表示钢的平均含碳量的万分数，元素符号及其后的数字表示所含合金元素及其平均含量的百分数。若合金元素含量小于1.5%，则不标其含量。当其平均含量为1.5%～2.49%、2.5%～3.49%时，相应标注为2、3。如18Cr2Ni4W表示碳的平均质量分数为0.18%，铬的质量分数为2%，镍的质量分数为4%，钨的质量分数为1.5%。对于高级优质钢，在牌号尾部增加符号“A”，如38CrMoAlA。

易切削钢在钢号前加“Y”（“易”字声母）字，如Y12、Y40Mn、Y40CrSCa，其含碳量和合金元素含量均与结构钢编号一样，如Y40CrSCa，表示易切削钢的成分为：ωC=0.4%，ωCr＜1.5%，S、Ca为易切削元素，一般情况下ωS=0.05%～0.3%，ωCa＜0.015%。

滚动轴承钢的编号是在钢号前加“G”（“滚”字声母），其后数字为钢中平均含铬量的千分数，含碳量大于等于1.0%时不标出，如GCr15、GCr9等钢中铬的含量分别为1.5%和0.9%。

2. 普通低合金结构钢

普通低合金结构钢是在碳素结构钢的基础上，加入少量的合金元素发展起来的。从成分上看其为低碳低合金钢种，满足大型工程结构（如大型桥梁、压力容器及船舶等）减轻结构重量，提高可靠性及节约材料的需要。

与低碳钢相比，低合金结构钢不但具有良好的塑性、韧性及焊接工艺性，而且具有较高的强度、较低的冷脆转变温度和良好的耐蚀性。因此，用低合金结构钢代替低碳钢可以减少材料和能源的损耗，减轻工程结构件的自重，增加可靠性。

普通低合金结构钢主要用来制造各种要求强度较高的工程结构，如船舶、车辆、高压容器、输油输气管道、大型钢结构等，在建筑、石油、化工、铁道、造船、机车车辆、锅炉容器、农机农具等许多方面都得到了广泛的应用。

Q345（16Mn）钢是应用最广、用量最大的低合金高强度结构钢，其综合性能好，广泛用于制造石油化工设备、船舶、桥梁、车辆等大型钢结构，我国的南京长江大桥（见图1-12）即采用了Q345制造。Q390含有V、Ti、Nb等元素，强度高，可用于制造高压容器等。Q460含有Mo和B，正火后组织为贝氏体，强度高，可用于制造石化工业中的中温高压容器等。

图1-12　南京长江大桥

3. 合金渗碳钢

合金渗碳钢是指经过渗碳热处理后使用的低碳合金结构钢，具有外硬内韧的性能，用于承受冲击的耐磨件，如汽车、拖拉机中的变速齿轮，内燃机上的凸轮轴、活塞销等。

渗碳钢中碳的质量分数一般为0.10%～0.25%，经过渗碳后，零件的表面变为高碳，而心部仍为低碳，因而零件心部具有足够的塑性和韧性抵抗冲击载荷。

为了改善切削加工性，渗碳钢的预先热处理一般采用正火工艺，渗碳钢件的最终热处理应为渗碳后淬火加低温回火。具体的淬火工艺根据钢种而定。合金渗碳钢一般都是渗碳后直接淬火，而渗碳时易过热的钢种，如20钢和20Cr等，在渗碳之后直接空冷（正火），以消除过热组织，而后再进行加热淬火和低温回火。热处理后的组织是：表层为高碳回火马氏体和碳化物及少量残留奥氏体，硬度为58～62 HRC；心部为低碳回火马氏体（完全淬透时），硬度为40～50 HRC，但多数情况下，心部为少量低碳回火马氏体和屈氏体与铁素体的混合组织，硬度为25～35 HRC，从而使心部具有高韧性。

图1-13　活塞销

常用渗碳钢按照淬透性大小可分为低淬透性渗碳钢、中淬透性渗碳钢、高淬透性渗碳钢三类。

（1）低淬透性渗碳钢，有20Cr、20Mn2等，典型钢种为20Cr。这类钢合金元素的质量分数较低，淬透性差，零件水淬临界直径小于25 mm，渗碳淬火后，心部韧性较低，只适于制造受冲击载荷较小的耐磨零件，如活塞销、凸轮、滑块、小齿轮等。图1-13所示为20Cr制造的活塞销。

（2）中淬透性渗碳钢，有20CrMnTi、20CrMn、20 CrMnMo、20MnVB等，典型钢种为20CrMnTi。这类钢合金元素的质量分数较高，透性较好，零件油淬临界直径为25～60 mm，渗碳淬火后有较高的心部强度，主要用于制造承受中等载荷、要求足够冲击韧性和耐磨性的汽车、拖拉机齿轮等零件，如汽车变速齿轮、花键轴套、齿轮轴等。

（3）高淬透性渗碳钢，有18Cr2Ni4WA、20Cr2Ni4A等，典型钢种为20Cr2Ni4A。这类钢合金元素的质量分数更高，淬透性很高，零件油淬临界直径大于100 mm，淬火和低温回火后心部有很高的强度，主要用于制造大截面、高载荷的重要耐磨件，如飞机、坦克中的曲轴、大模数齿轮等。

4. 合金调质钢

合金调质钢是指经过调质处理（淬火+高温回火）后使用的中碳合金结构钢，主要用于制造在多种载荷（如扭转、弯曲、冲击等）下工作，受力比较复杂，要求具有良好综合力学性能的重要零件，如汽车、拖拉机、机床等上的齿轮、轴类件、连杆、高强度螺栓等。它是机械结构用钢的主体。合金调质钢的最终热处理为调质处理，以获得回火索氏体组织，具有良好的综合力学性能；对于某些受冲击的表面耐磨零件，也可在调质后进行表面淬火并低温回火，或调质后氮化处理。而对于大截面的碳素调质钢零件，往往使用正火代替调质处理。

按淬透性的高低，合金调质钢大致可以分为低淬透性合金调质钢、中淬透性合金调质钢、高淬透性合金调质钢三类。

图1-14　双头螺栓

（1）低淬透性合金调质钢，包括40Cr、40MnB、40MnVB等，典型钢种是40Cr。这类钢的合金元素总的质量分数较低，淬透性不高，油淬临界直径为30～40 mm，广泛用于制造一般尺寸的重要零件，如轴、齿轮、连杆螺栓等。图1-14所示为40Cr制造的高强度双头螺栓。

（2）中淬透性合金调质钢，包括35CrMo、38CrMoAl、40CrNi等，典型钢种为40CrNi，这类钢的合金元素总的质量分数较高，油淬临界直径为40～60 mm，用于制造截面较大、承受较重载荷的重要件，如内燃机曲轴、变速箱主动轴、连杆等。加入Mo不仅可以提高淬透性，还可防止出现第二类回火脆性。

（3）高淬透性合金调质钢，包括40CrNiMoA、40CrMnMo、25Cr2Ni4WA等，典型钢种为40CrNiMoA。这类钢的合金元素总的质量分数最高，淬透性也高，零件油淬临界直径为60～100 mm，多为铬镍钢。高淬透性调质钢用于制造大截面、承受重载荷的重要件零件，如汽轮机主轴、叶轮、压力机曲轴、航空发动机曲轴等。

5. 合金弹簧钢

合金弹簧钢是用于制造弹簧或者其他弹性零件的钢种。弹簧一般是在交变应力下工作，常见的破坏形式是疲劳破坏，因此，合金弹簧钢必须具有高的屈服强度和屈强比、弹性极限、抗疲劳性能，以保证弹簧有足够的弹性变形能力并能承受较大的载荷。同时，合金弹簧钢还要求具有一定的塑性与韧性，一定的淬透性，不易脱碳及不易过热。一些特殊弹簧还要求有耐热性、耐蚀性或在长时间内具有稳定的弹性。中碳钢和高碳钢都可作弹簧使用，但因其淬透性和强度较低，只能用来制造截面较小、受力较小的弹簧。合金弹簧钢则可用于制造截面较大、屈服强度较高的重要弹簧。

弹簧钢中碳的质量分数一般为0.5%～0.70%。以满足高弹性、高强度的性能要求。加入的合金元素主要是Si、Mn、Cr，作用是强化铁素体、提高淬透性和耐回火性。但加入过多的Si会造成钢在加热时表面容易脱碳，加入过多的Mn容易使晶粒长大。加入少量的V和Mo可细化晶粒，从而进一步提高强度并改善韧性。此外，它们还有进一步提高淬透性和耐回火性的作用。

具有代表性的弹簧钢有65Mn、70钢、55Si2Mn、60Si2Mn、50CrVA几种。

（1）65Mn、70钢，这两种钢可用于制造截面直径小于15 mm的小型弹簧，如坐垫弹簧、发条、弹簧环、刹车弹簧、离合器簧片等。

（2）55Si2Mn、60Si2Mn，这类钢中加入了Si、Mn元素，提高了钢的淬透性，可用于制造直径为20～25 mm的弹簧，如汽车、拖拉机、机车上的减振板簧和螺旋弹簧、气缸安全阀簧（工作温度小于230 °C）。图1-15所示为用60Si2Mn制造的减振板簧。

图1-15　减振板簧

（3）50CrVA，不仅淬透性高，还有较高的热强性，适于制造工作温度在350～400 °C下的重载大型弹簧，如阀门弹簧、气门弹簧。

6. 滚动轴承钢

滚动轴承钢是用于制造滚动轴承的滚动体和内外套圈的专用钢，通常在淬火状态下使用。滚动轴承在工作中需承受很高的交变载荷，滚动体与内外圈之间的接触应力大，同时又工作在润滑剂介质中。因此，滚动轴承钢具有高的抗压强度和抗疲劳强度，具有一定的韧性、塑性、耐磨性和耐蚀性，钢的内部组织、成分均匀，热处理后有良好的尺寸稳定性。常用的滚动轴承钢含碳0.95%～1.10%、含铬0.40%～1.60%的高碳低铬轴承钢，如GCr6、GCr9、GCr15等。其中用量最大的是GCr15，图1-16所示为用GCr15制造的深沟球轴承。

图1-16　深沟球轴承

为了满足轴承在不同工作情况下的使用要求，还发展了特殊用途的轴承钢，如制造轧钢机轴承用的耐冲击渗碳轴承钢、航空发动机轴承用的高温轴承钢和在腐蚀介质中工作的不锈轴承钢等。从化学成分看，滚动轴承钢属于工具钢范畴，所以这类钢也经常用于制造各种精密量具、冷冲模具、丝杠、冷轧辊和高精度的轴类等耐磨零件。

7. 易切削钢

易切削钢是指在钢中加入一定数量的一种或几种如硫、磷、铅、钙、硒、碲等易切削元素，以改善其切削性能的合金钢。易切削钢能降低切削力和切削热，减少刀具磨损，提高工件、刀具的寿命，改善排屑性能，提高切削速度。

自动机床加工的零件大多选用低碳易切削钢，对切削性能要求高的可选用含硫较高的Y15，需要焊接的可选低硫的Y12，对强度要求较高的可选用Y20或Y30，车床丝杠可选用Y40Mn。Y12Pb广泛用于精密仪表行业，如制造手表、照相机齿轮、轴类等。新研制的Y40CrSca适用于高速切削，具有良好的切削加工性能。

1.2.2.3　合金工具钢

合金工具钢，是在碳素工具钢基础上加入铬、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。它主要用于制造量具、刃具、耐冲击工具和冷、热模具及一些特殊用途的工具。合金工具钢按用途可分为合金刃具钢、合金模具钢和合金量具钢。

1. 合金工具钢的牌号

合金工具钢牌号的表示方法与合金结构钢相似，基本组成为“一位数字（或无数字）+元素符号+数字”，其平均含碳量是用质量分数的千倍表示，当碳的质量分数ωC≥1.0%时，钢号中不标出。例如，9SiCr的成分为ωC=0.9%，ωSi＜1.5%，ωCr＜1.5%；Cr、W、Mn的成分分别为ωC≥1.0%，ωCr、ωW、ωMn均小于1.5%。高速钢如W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2等，碳的质量分数均小于1.0%，但不标明其数字；合金元素含量与合金工具钢的标注方法相同，如W18Cr4V的成分为ωC=0.7%～0.8%，ωW=18%，ωCr=4%，ωV＜1.5%。合金工具钢均属于高级优质钢，但钢号后不加“A”字。属于这一编号方法的钢种还有不锈钢、奥氏体型和马氏体型耐热钢。

2. 合金刃具钢

合金刃具钢主要用于制造切削刀具，如车刀、铣刀、钻头、丝锥、板牙等。刃具钢经热处理之后应具有高硬度、高耐磨性、高红（热）硬性、高淬透性、足够的韧性和塑性。

合金刃具钢有两类：一类是低合金刃具钢，用于低速切削，其工作温度低于300 °C；另一类是高速钢，用于高速切削，工作温度高达600 °C。

图1-17　圆板牙

（1）低合金刃具钢，典型牌号为9SiCr和CrWMn。9SiCr的淬透性高，油中淬火最大直径为60 mm，经230 °C～250 °C回火后硬度仍不低于60 HRC，常用于制造薄刃刀具和冷冲模等，工作温度小于300 °C，图1-17所示为用9SiCr制造的圆板牙。CrWMn含有较多的碳化物，有较高的硬度和耐磨性，淬透性也较高，淬火后有较多残留奥氏体，工件变形很小，但其热硬性不如9SiCr，常用于制造截面较大、切削刃受热不高、要求变形小、耐磨性高的刃具，如长丝锥、长铰刀、拉刀等，也常用作量具钢和冷作模具钢。

（2）高速钢，主要有两种，一种为钨系W18Cr4V（简称18-4-1），另一种为钨-钼系W6Mo5Cr4V2（简称6-5-4-2）。前者的热硬性高，过热倾向小；后者的耐磨性、热塑性和韧性较好，适于制造要求耐磨性与韧性配合良好的薄刃细齿刃具。

3. 合金模具钢

模具是机械、仪表等工业部门中的主要加工工具。专门用于制造各种模具的钢材称为模具钢。根据使用状态，模具钢可分为两大类：一类是用于冷成形的冷作模具钢，工作温度不超过300 °C；另一类是用于热成形的热作模具钢，模具表面温度可达600 °C。

（1）冷作模具钢，适用于制作在室温下对金属进行变形加工的模具，包括冷冲模、冷镦模、冷挤压模、拉丝模、落料模等，图1-18所示为用冷作模具钢制造的冷冲模。冷作模具应具有高的硬度和耐磨性，以承受很大的压力和强烈的摩擦；具有较高的强度和韧性，以承受很大的冲击和载荷，保证尺寸的精度并防止崩刃。截面尺寸较大的模具要求具有较高的淬透性，而高精度模具则要求热处理变形小。

根据冷作模具的工作条件可选用碳素工具钢，如T8A、T10A、T12A等，制造载荷大、尺寸小、形状简单的模具。合金工具钢，如9SiCr、CrWMn、GCr15等，可制造载荷、尺寸较大，形状较复杂，批量不很大的模具。而载荷大、形状复杂、变形要求小的大型冷作模具应选用Cr12型钢，如Cr12MoV等。

（2）热作模具钢，适用于制造在受热状态下对金属进行变形加工的模具，包括热锻模、压铸模、热镦模、热挤压模、高速锻模等，图1-19所示为用热作模具钢制造的热锻模。

图1-18　冷冲模

图1-19　热锻模

热模锻压机模锻

在热作模具钢工作时经常会接触炽热的金属，型腔表面温度高达400～600 °C。因此，热作模具钢的主要性能要求是具有优异的综合力学性能、抗热疲劳性和高的淬透性等。

热作模具钢中，最常用的是5CrMnMo和5CrNiMo，制造中、小型热锻模（模具有效高度小于400 mm）一般选用5CrMnMo，制造大型热锻模（模具有效高度大于400 mm）多选用5CrNiMo，5CrNiMo的淬透性和抗热疲劳性比5CrMnMo好。热挤压模和压铸模冲击载荷较小，但因模具与热态金属长时间接触，对热硬性和热强性要求较高，常选用3Cr2w8v、4Cr5MoSiV、4Cr3Mo3V等钢种。其中4Cr5MoSiV是一种空冷硬化的热模具钢，广泛应用于制造模锻锤的锻模和热挤压模以及铝、铜及其合金的压铸模等。

4. 合金量具钢

用于制造各种测量工具如游标卡尺、千分尺、块规、塞规等的合金钢称为合金量具钢，如图1-20所示。

图1-20　各种测量工具

量具在使用过程中必须保持自身尺寸的稳定性，因此，量具钢必须具有高硬度、高耐磨性、较高的尺寸稳定性、良好的耐蚀性。

一般非精密量具可选用碳素工具钢（如T10A、T12A），对于精密量具，应选用CrWMn、GCr15等。如CrWMn其淬透性较高，淬火变形小，可用于制作高精度且形状复杂的量规及块规；GCr15耐磨性及尺寸稳定性好，可用于制作高精度块规、千分尺。在腐蚀性介质中使用的量具可使用铬不锈钢（如4Cr13、9Cr18等）制造。

1.2.2.4　特殊性能钢

特殊性能钢是指具有特殊物理和化学性能的专用钢，如不锈钢、耐热钢、耐磨钢、低温钢等。这些钢往往用在特殊工况条件下，故应具有某些特殊的性能。

1. 不锈钢

不锈钢是指耐空气、蒸汽、水等弱腐蚀介质和酸、碱、盐等化学侵蚀性介质腐蚀的钢，又称不锈耐酸钢。实际应用中，常将耐弱腐蚀介质腐蚀的钢称为不锈钢，而将耐化学介质腐蚀的钢称为耐酸钢。由于两者在化学成分上的差异，前者不一定耐化学介质腐蚀，而后者则一般均具有不锈性。不锈钢的耐蚀性取决于钢中所含的合金元素。

不锈钢常按组织状态分为：马氏体不锈钢、铁素体不锈钢、奥氏体不锈钢、奥氏体-铁素体（双相）不锈钢及沉淀硬化不锈钢等。图1-21所示为食品级奥氏体不锈钢——304不锈钢。另外，不锈钢还可按成分分为：铬不锈钢、铬镍不锈钢和铬锰氮不锈钢等。

图1-21　304不锈钢制品

2. 耐热钢

耐热钢是指在高温下具有较高的强度和良好的化学稳定性的合金钢。耐热钢按其性能可分为抗氧化钢（又称高温不起皮钢）和热强钢两类。抗氧化钢一般要求具有较好的化学稳定性，但承受的载荷较低。热强钢则要求具有较高的高温强度和相应的抗氧化性。耐热钢按其正火组织可分为奥氏体耐热钢、马氏体耐热钢、铁素体耐热钢及珠光体耐热钢等。

耐热钢常用于制造锅炉、汽轮机、动力机械、工业炉和航空、石油化工等工业部门中在高温下工作的零部件。这些部件除要求高温强度和抗高温氧化腐蚀外，根据用途不同还要求有足够的韧性、良好的可加工性和焊接性，以及一定的组织稳定性。

3. 耐磨钢

耐磨钢是耐磨损性能强的钢铁材料的总称，是当今耐磨材料中用量最大的一种。耐磨钢种类繁多，大体上可分为高锰钢，中、低合金耐磨钢，铬钼硅锰钢，耐气蚀钢，耐磨蚀钢以及特殊耐磨钢等。一些通用的合金钢如不锈钢、轴承钢、合金工具钢及合金结构钢等也都在特定的条件下作为耐磨钢使用，由于它们来源广泛，性能优良，故在耐磨钢的使用中也占有一定的比例。

耐磨钢广泛用于矿山机械、煤炭采运、工程机械、农业机械、建材、电力机械、铁路运输等部门。例如，球磨机的钢球、衬板、挖掘机的斗齿、铲斗（见图1-22），各种破碎机的轧臼壁、齿板、锤头，拖拉机和坦克的履带板、风扇磨机的打击板，铁路辙叉，煤矿刮板输送机用的中部槽中板、槽帮、圆环链，推土机用铲刀、铲齿，大型电动轮车斗用衬板，石油和露天铁矿穿孔用牙轮钻头等。

图1-22　挖掘机铲斗