优质碳素结构钢及其制造应用

2023-07-02 理论教育版权反馈

【摘要】：此外其切削加工性较好，可用于制造受力较大或受力较复杂的零件，如主轴、曲轴、齿轮、连杆、套筒、活塞销等零件，其中45钢是应用最广泛的中碳优质碳素结构钢。

碳素结构钢有多种分类方法，按其含碳量可以分为低碳钢、中碳钢和高碳钢（见表4-2）；按其脱氧程度可以分为沸腾钢、半镇静钢和镇静钢；按其品质又可分为普通碳素钢和优质碳素钢。为了保证碳素结构钢的性能，要求严格限制钢中的硫、磷含量（见表4-3）。碳素结构钢和优质碳素结构钢的化学成分及力学性能见GB/T 700—2006《碳素结构钢》和GB/T 699—1999^[1]《优质碳素结构钢》。碳素结构钢应用广泛，根据其应用行业的特殊要求，通过对普通碳素结构钢的成分和性能进行调整，可以派生出一系列专业用碳素结构钢，如船体结构用钢、锅炉和压力容器用钢、桥梁用钢、焊接气瓶用钢、汽车用钢、建筑用钢和油气管线钢等，而这些专业用碳钢由于合金成分的调整，也常常归类到低合金钢类别中。

表4-2 碳素结构钢的分类及典型性能

表4-3 碳素结构钢中硫、磷含量的限制

①普通碳素结构钢根据不同牌号及不同等级，其硫、磷含量的限制也不同。

1.低碳钢

普通碳素结构钢由代表屈服强度的字母Q、屈服强度数值、质量等级符号（A、B、C、D）、脱氧方法符号（F：沸腾钢、Z：镇静钢、TZ：特殊镇静钢）等四个部分按顺序组成，主要牌号有四种：Q195、Q215、Q235、Q275。普通低碳钢一般在热轧、控轧或正火状态下供应和使用。其中Q215、Q235牌号中的A级钢，一般用于不经锻压和热处理的普通工程结构件、机器中受力不大的普通零件及不重要的渗碳件。其余牌号和质量等级的碳素结构钢，必要时可以通过锻造和热处理来调整其力学性能，用于制造较为重要的机器零件和船用钢板，代替相应含碳量的优质碳素结构钢，以降低成本。

低碳优质碳素结构钢主要牌号有08F、10F、15F、08、10、15、20、25、15Mn、20Mn、25Mn，优质低碳钢主要轧制成薄板、钢带、型钢及拉丝等供货。由于强度低、塑性好、韧性好，易于冲压和焊接，一般用于制造受力不大的零件，如螺栓、螺母、垫圈、小轴、销子、链等。经过渗碳处理可用来制作表面要求耐磨，芯部要求塑性、韧性好的机械零件。其中08F多用于制造各种冲压件，如搪瓷制品、汽车外壳零件等；15、20、20Mn是常用的渗碳钢，用于制造对芯部强度要求不高的渗碳零件，如机械、汽车和拖拉机的齿轮、凸轮、活塞销等。

碳素结构钢的焊接性主要取决于它的含碳量，随着含碳量的增加，其焊接性逐渐变差。低碳钢含碳量低，锰、硅含量少，在通常情况下不会因焊接而引起严重组织硬化或出现淬火组织。这种钢的塑性和韧性优良，其焊接接头的塑性、韧性也极其良好，几乎可以用各种焊接方法进行焊接。焊接时一般不需预热和后热，不需采取特殊的工艺措施，即可获得优质的焊接接头。

2.中碳钢

中碳优质碳素结构钢的典型牌号见表4-2中的中碳钢，如果是高级优质钢，在牌号后面加“A”，如果是特级优质钢，在牌号后面加“E”。中碳钢多轧制成形钢供货，与低碳优质碳素结构钢相比，强度较高而塑性、韧性稍低，即具有较好的综合力学性能。此外其切削加工性较好，可用于制造受力较大或受力较复杂的零件，如主轴、曲轴、齿轮、连杆、套筒、活塞销等零件，其中45钢是应用最广泛的中碳优质碳素结构钢。

中碳钢由于含碳量较高，有较大的淬硬倾向，其焊接性比低碳钢差。中碳钢中碳的质量分数为0.25%～0.60%。当碳的质量分数接近0.25%而含锰量不高时，焊接性良好。随着含碳量的增加，焊接性逐渐变差。碳的质量分数为0.45%左右时，在热影响区可能产生硬脆的马氏体组织，易于开裂，即形成冷裂纹。另外，中碳钢焊接时，相当数量的母材被熔化进入焊缝，使焊缝的含碳量增高，促使焊缝中产生热裂纹，特别是当硫等杂质控制不严时，热裂纹更易出现。这种裂纹在弧坑处更为敏感，分布在焊缝中的热裂纹与焊缝的鱼鳞状波纹线相垂直。由于含碳量高，还会增加对气孔的敏感性。此外，中碳钢接头的塑性、韧性不好，疲劳强度不高。

3.高碳钢

高碳优质碳素结构钢的典型牌号见表4-2中的高碳钢。高碳钢多以型钢供货，具有较高的强度、硬度、弹性和耐磨性，但塑性、韧性较低，主要用于制造耐磨零件、弹簧和钢丝绳等，如凸轮、轧机轧辊及减振弹簧、座垫弹簧等。

高碳钢比中碳钢具有更大的淬硬倾向，并形成高碳马氏体，对冷裂纹的形成更为敏感。同时，焊接热影响区内形成的马氏体组织硬而脆，导致接头的塑性和韧性大大下降，因此高碳钢的焊接性相当差，必须采取特殊的焊接工艺，才能保证接头的性能。

优质碳素结构钢及其制造应用

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