1.2.2 合金钢
在非合金钢中有目的地加入一定量合金元素所得到的钢称为合金钢。在合金钢中，通常加入的合金元素有：锰（wMn>0.8%）、硅（wSi>0.4%）、铬、钨、镍、钼、钒、铝、铜、钛、铌及稀土元素等。这些元素在合金钢中可以提高钢的力学性能及钢的淬透性，改善钢的工艺性能或得到某种特殊的物理、化学性能，因而可以大大扩展其应用范围。合金钢按用途可分为：合金结构钢、合金工具钢、特殊性能钢。
微课：合金钢的种类及应用
1.低合金高强度结构钢
它是在低碳钢（wC<0.2%）的基础上加入少量（≤5%）合金元素制成的钢，其牌号也用“Q+数字”表示。牌号含义与普通碳素结构钢相同，例如，Q345表示最低屈服强度值为345MPa的低合金高强度结构钢。若牌号后面有字母A、B、C、D、E，也是表示质量等级，例如，Q355C表示最低屈服强度为355MPa的C级低合金高强度结构钢。
低合金钢通常在热轧退火（或正火）状态下使用，其强度比普通低碳钢高10%～20%，所以称为低合金高强度结构钢。这类钢具有较好的塑性、韧性，以及良好的焊接性和耐蚀性，广泛用于桥梁、车辆、船舶、建筑、容器等方面，可减轻结构件自身重量，保证使用的可靠性和耐久性。常用低合金高强度结构钢的牌号、性能及主要用途见表1-5。
表1-5 常用低合金高强度结构钢的牌号、性能及主要用途
2.合金结构钢
合金结构钢主要包括合金渗碳钢、合金调质钢、合金弹簧钢、滚动轴承钢等。
（1）合金渗碳钢 合金渗碳钢是在低碳钢的基础上加入铬、锰、镍、钛、钒等合金元素制成的钢，其牌号用“两位数字+合金元素符号+数字”表示。其中，前面“两位数字”表示钢中碳的平均质量分数为万分之几；“元素符号”表示钢中所含的合金元素；元素符号后面的“数字”表示其平均含量的百分数，并规定合金元素的平均含量<1.5%时，则只标出元素符号，不标数字；当合金元素的平均质量分数为1.5%～2.5%、2.5%～3.5%等时，在元素后面相应标出2、3等。例如，20Mn2表示碳的平均质量分数为0.20%，平均锰的质量分数为2%的合金渗碳钢。如果是高级优质合金结构钢，则在牌号的末尾加符号“A”，例如18Cr2Ni4WA。
合金渗碳钢通常经渗碳、淬火及低温回火后使用，主要用于表面要求高硬度、高强度、高耐磨，心部具有较高的韧性，且能承受冲击载荷的零件（如变速齿轮、齿轮轴、活塞销等）。常用合金渗碳钢有20Cr、20CrMnTi、18Cr2Ni4W等。
（2）合金调质钢 合金调质钢通常是指经调质处理后使用的中碳合金钢，其碳的质量分数为0.25%～0.50%，合金调质钢牌号的表示方法与合金渗碳钢相同，也用“两位数字+合金元素符号+数字”表示。
合金调质钢主要用于要求高硬度、良好塑性与韧性相配合的重要零件，如主轴、曲轴、连杆、重要螺栓、重要齿轮等。如果有些零件还要求工作表面有较高的硬度和耐磨性时，经调质处理后，可再进行感应淬火加低温回火。常用合金调质钢的牌号有40Cr、40MnVB、38CrMoAl、30CrMnSi等。
（3）合金弹簧钢 用于制造各种弹簧或弹性零件的合金钢称为合金弹簧钢，其碳的质量分数一般为0.45%～0.70%。合金弹簧钢牌号的表示方法与合金渗碳钢相同，也用“两位数字+合金元素符号+数字”表示。
应用最广泛的合金弹簧钢是硅锰类合金弹簧钢（硅锰弹簧钢），如55Si2Mn、60Si2Mn，它们广泛用于制造汽车、拖拉机、机车车辆的螺旋弹簧、板簧及其他高应力下工作的重要弹簧。
（4）滚动轴承钢 滚动轴承钢主要用于制造滚动轴承中的滚动体（滚珠、滚柱、滚针）和套圈，其碳的质量分数一般为0.95%～1.15%，以便淬火后得到高碳马氏体，从而使滚动轴承钢具有高硬度和高强度。
滚动轴承钢牌号用“G+Cr+数字”表示。其中，“G”是汉字“滚”拼音首字母；“Cr”是合金元素铬的化学符号；“数字”表示钢中铬的平均质量分数为千分之几。例如，GCr15表示铬的平均质量分数为1.5%的滚动轴承钢。
滚动轴承钢中元素铬的质量分数一般为0.40%～1.65%，其作用是提高钢的淬透性，并形成弥散分布的碳化物，从而提高钢的耐磨性和接触疲劳强度。大型轴承还加入元素锰、硅等，以进一步提高钢的淬透性。
我国目前应用最广泛的滚动轴承钢是GCr15（主要用于制造中、小型轴承）和GCr15SiMn（主要用于制造较大型轴承）。滚动轴承钢还可用于制造高耐磨性和较高疲劳强度的零件，如磨床主轴、冷冲模、丝杠、精密量具、丝锥、板牙等。
3.合金工具钢
合金工具钢按用途分为合金刃具钢、合金量具钢和合金模具钢，合金模具钢又分为热作模具钢、冷作模具钢和塑料模具钢。这类钢是在碳素工具钢的基础上加入适量合金元素制成，因此比碳素工具钢具有更高的硬度、耐磨性和韧性，特别是具有更好的淬透性、淬硬性、热硬性和回火稳定性等，可用于制造截面大、形状复杂、性能要求高的工具。
合金工具钢牌号的表示方法与合金结构钢相似，只是碳含量的表示方法不同。当wC≥1%时，其碳含量不标出；当wC<1%，则用一位数字表示钢中平均碳含量为千分之几。例如，Cr12MoV表示wC≥1%，wCr=12%，wMo、wV<1.5%的合金工具钢（铬钼钒钢）；9SiCr表示wC=0.9%，wSi、wCr<1.5%的合金工具钢（硅铬钢）。
合金工具钢都是高级优质钢，所以合金工具钢牌号后面不再标出符号“A”。
（1）合金刃具钢 刃具工作时与工件摩擦剧烈并产生大量切削热，因此合金刃具钢要求高硬度、高耐磨，并应有良好的热硬性、足够的强度和韧性。合金刃具钢分为低合金刃具钢和高速钢两种。
1）低合金刃具钢。这类钢的最高工作温度不超过300℃，主要用于制造形状复杂的低速切削工具，如丝锥、板牙、铰刀等，也常用于制造冲模、量规等。常用的牌号有9SiCr、CrWMn、9Mn2V等。
2）高速钢。这类钢加入大量的W、Mo、Cr等元素，经高温淬火和回火后，具有很高的硬度、耐磨性和热硬性，工作温度可达600℃，主要用于制造各种高速切削刀具，如铣刀、车刀、钻头、齿轮刀具等。常用牌号有W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2等。
（2）合金量具钢 由于量具在使用中经常与被测零件接触和碰撞，容易磨损，因此要求量具工作部分具有高硬度（62～65HRC）、高耐磨性、高尺寸稳定性，以及足够的韧性。
常用的量具用钢有碳素工具钢和合金钢。碳素工具钢（如T8A、T10A等）价格低，经淬火和低温回火后能获得高硬度和高耐磨性，但长时间使用和存放会产生尺寸改变，所以只适于制作尺寸较小、形状简单、精度要求不高的量具，如量规、卡规等。9SiCr、CrWMn、GCr15等则常用于制作精度高、形状复杂的精密量具，如量块、塞规等。合金钢经渗碳淬火处理后也可以制作精度要求不高、耐冲击的量具。
此外，不锈钢、冷作模具钢也常用于制作量具。
（3）冷作模具钢。冷作模具钢是用于制造冲模、冷挤压模和拔模等冷态金属成型的模具用钢。这类钢经淬火、回火后使用，具有高硬度、高耐磨性，以及足够的强度和韧性，且淬透性好，淬火变形小。常用冷作模具钢的牌号、热处理、性能及用途见表1-6。
表1-6 常用冷作模具钢的牌号、热处理、性能及用途
由于冷作模具钢的性能要求与合金刃具钢基本相近，因此尺寸较小或形状不太复杂的模具可用低合金刃具钢制造，如9SiCr等。此外，高速钢也可用于制造冲模、冷挤压模等。
（4）热作模具钢 热作模具钢是用于制造热锻模、热挤压模和压铸模等使热态金属或合金在压力下成形的模具用钢。热作模具型腔的工作温度可达600℃以上，工作中除承受大的冲击载荷外，还受到很大的压应力、拉应力、弯曲应力，以及炽热金属在模腔中流动所产生的强烈摩擦力。因此要求热作模具钢在高温下能保持足够的硬度、强度、韧性和耐磨性，同时还应具有高的抗氧化性和抗热疲劳能力。
热作模具钢中碳的质量分数一般为0.3%～0.6%，属中碳合金钢。常用的热锻模具钢的牌号有5CrMnMo和5CrNiMo，后者淬透性比前者好，其他性能相似。5CrMnMo适于制造中、小型热锻模，5CrNiMo适于制造大、中型热锻模。常用的压铸模具钢的牌号有3CrW8V、4CrW2Si等。
（5）塑料模具钢 塑料模具钢是指用于制造塑料模具的钢种，其工作温度通常不超过200℃。按塑料制品的成型方法可将塑料成型模具分为压塑模具、挤塑模具、注射模具、吹塑模具等。工作时，模具持续受热、受压，并受到一定程度的摩擦和有害气体的腐蚀，因此要求塑料模具钢在200℃时具有足够的强度和韧性，较高的耐磨性和耐蚀性，良好的加工性、抛光性、焊接性及热处理工艺性能。
一般的中、小型且形状不复杂的塑料模具，可用T7、T8、12CrMo、CrWMn、20Cr、40Cr、Cr12等钢制造，但这些钢难以全面具备上述要求，因此发展了塑料模具钢系列，常用的塑料模具钢有3Cr2Mo，3Cr2MnNiMo。
4.特殊性能钢
特殊性能钢是指具有特殊物理、化学性能，并兼有一定力学性能的合金钢，包括不锈钢、耐热钢和耐磨钢等。
（1）不锈钢 不锈钢是指能抵抗大气、酸、碱或其他介质腐蚀的合金钢。不锈钢牌号的表示方法与合金结构钢相同，即用“数字+合金元素符号+数字”表示。其中，前面的“数字”表示钢中碳的平均质量分数为万分之几，如12Cr18Ni9、06Cr19Ni10,分别表示其碳的平均质量分数相应为0.12%、0.06%。合金元素符号及后面的数字含义与其他合金钢相同，如30Cr13表示碳的平均质量分数为0.30%，铬的平均质量分数为13%的不锈钢。
不锈钢按其金相显微组织的不同分为铁素体型、马氏体型和奥氏体型三种。
①铁素体型不锈钢。如10Cr17、10Cr17Mo等，主要用做化工设备中的容器、管道等。
②马氏体型不锈钢。主要牌号有12Cr13、20Cr13（碳含量较低），主要用于力学性能要求较高、抗蚀性要求较低的构件，如汽轮机叶片及医疗器械等；30Cr13、40Cr13（碳含量较高），主要用于要求硬且耐磨的医用手术工具、量具、不锈钢轴承及弹簧等。
③奥氏体型不锈钢。主要牌号有06Cr19Ni10、12Cr18Ni9、06Cr17Ni12Mo2等，主要用于制作耐蚀性要求高及冷变形成形后需要焊接的轻载零件，如化工设备里面的零件及管道等，也可在仪表、发电等行业中用于制作无磁性的耐蚀零件。这类钢主要是通过冷变形加工来提高其强度，而不能采用热处理强化。
常用不锈钢的牌号及用途见表1-7。
表1-7 常用不锈钢的牌号及用途
（2）耐热钢 具有良好耐热性的钢称为耐热钢。常用耐热钢的牌号有15CrMo和12CrMoV，主要用于300～500℃条件下工作的锅炉、石油热裂装置、气阀等零件；4Cr9Si2和4Cr10Si2Mo，常用于制造受高温废气腐蚀及承受冲击、磨损的排气阀等零件（又称阀门钢）；12Cr18Ni9和22Cr12NiWMoV，因其含有较多铬、镍元素，是一种广泛应用的热强钢，通常用于锅炉、汽轮机、内燃机和热处理炉中的某些零件。
（3）耐磨钢 耐磨钢是指具有高耐磨性的钢种，最常见的是高锰钢。它在强烈冲击载荷作用下能发生硬化，其碳的质量分数为1.0%～1.3%，锰的质量分数为11%～14%。
高锰钢加热到1000～1100℃，水淬后可获得单相奥氏体组织，此时的硬度并不高（180～220HBW），当它在很大压力作用下产生强烈摩擦或冲击时，工件表层的奥氏体将迅速发生塑性变形而产生加工硬化，并出现马氏体转变，从而使表层硬度显著提高（550HBW以上），耐磨性增强。当表面硬化层磨掉后，新露出的表面又将发生上述转变，使其具有高耐磨性。
高锰钢的压力加工和切削加工都很困难，一般都是直接铸成零件，经淬火后使用。高锰钢主要用在强烈摩擦与撞击条件下工作的零件，如制作坦克及拖拉机的履带、挖掘机铲齿、推土机挡板、铁路道岔及破碎机上的颚板等，其牌号按GB/T 5680—2010《奥氏体锰钢铸件》规定，常用牌号有ZG100Mn13、ZG120Mn13等。