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第20章 金属材料(4)

一、外观质量

轧制的钢材,其表面不得有超过标准规定深度和数量(按每平方米不得超过的缺陷数量)的裂缝、裂纹、重皮、结疤、划伤、凹坑等缺陷,对于冷拉、冷拔钢材的表面缺陷要求更严。此外,钢板各边应切齐,表面应平整,其波浪弯、瓢曲度以及冷轧钢板表面的光洁程度都不应超过标准规定;管材的壁厚应均匀,内壁与外壁应同心;圆钢的截面应成圆形,其椭圆度不得超过标准规定要求。凡是直条形状的钢材应平直,其弯曲程度不能超过标准规定要求等。

二、规格尺寸检验

是指凡是根据几何形状规定了尺寸的钢材,都应使用标准量具按国家标准规定的相应部位进行实际测量。如:圆钢的直径、长度;板材的厚度、宽度、长度;管材的外径、壁厚、长度等。对于工字钢、角钢、槽钢、钢轨、螺纹钢、六角钢等复杂断面的钢材,也要按标准规定的相应部位进行测量。

以上外观质量和规格尺寸检验中,如有某一方面达不到标准规定的,即判为不合格产品。对于不合格产品,厂方不得交货,仓库不得验收入库。

国家标准中标出了公称尺寸和允许偏差(简称为偏差)。公称尺寸是标准中规定的名义尺寸,也是生产过程中希望得到的理想尺寸。但由于工艺技术上的原因,生产过程中所得到的实际尺寸同公称尺寸总有一定的差值。而在标准中规定允许存在的尺寸偏差称为允许偏差,简称为偏差。如果某钢材尺寸规格经实际测量,其数值在标准规定的允许偏差之内,应视为合格给予验收。否则就是不合格品,不予验收。

例如:仓库接收到一批钢板,合同规定的钢板规格为:2×1000×2000毫米。查阅标准规定:其厚度允许偏差为±0.15毫米,宽度允许偏差为+20毫米,长度允许偏差+15毫米。经用量具实际测量,厚度为1.98毫米,宽度为998毫米,长度为2010毫米,根据标准规定判定该批钢板为不合格品。原因是宽度不符合标准规定的允差范围。仓库应拒绝验收入库,把钢板退回生产厂并要求生产厂补发合格产品。

5.3.5钢的热处理

为满足不同的使用要求,在提高和强化钢的性能方面,除了在冶炼过程中调整合金元素组成、控制残余有害元素含量和使用不同压力加工方法改善其组织结构外,对钢实施不同的热处理是提高和强化钢的性能非常有效、不可缺少的重要方法。

钢的热处理是将钢材加热到一定并适当地保温,然后以一定的速度和方法进行冷却,从而改变其内部组织,以达到改善和提高钢的性能的操作工艺。

钢加热到一定温度尚未熔化时,钢的内部组织将发生变化,即相变。已经发生相变的钢在冷却时,随冷却条件不同,会出现不同的内部组织。不同组织具有不同的性能,随不同的组织及其不同组织成分使钢的性能产生差异,从而得到适应不同使用要求,具备各种性能的钢材。这就是钢热处理的基本原理。

热处理可分为退火、正火、淬火、回火和表面热处理、化学热处理等方法。

一、退火

将钢加热到一定的温度并保持一定时间,然后缓慢冷却的热处理工艺,称为退火。其目的是均匀钢的组织,细化晶粒,去除内应力,降低硬度,改善切削加工性能。

按照退火的目的和方法不同,又可分为完全退火、不完全退火、等温退火等几种。

完全退火是在加热并保温后,让钢在炉内缓慢冷却的工艺方法。使钢的退火程度更彻底更充分,使钢的组织更均匀,故称为完全退火。

二、正火

将钢加热到Acm以上30~50℃,保温适当时间后,在空气中冷却的热处理工艺,称为正火。与完全退火相比,二者加热温度相同,但正火冷却较快。正火处理的钢比退火钢强度、硬度更高。正火处理的钢由于操作简便,成本较低和生产周期短而应用比较广泛。如:低、中碳钢和低合金结构经正火处理后,可细化晶粒组织,消除内应力,改善切削加工性能以及为淬火热处理做好内部组织准备。

三、淬火

将钢加热到相变温度以上,保温一定时间,而后急速冷却,从而得到马氏体组织的热处理方法,称为淬火。淬火的目的是为了增强钢的耐磨性和硬度。

淬火热处理适用于中、高碳素结构钢,合金结构钢和工具钢等。弹簧钢、轴承钢、工具模具钢都要经过淬火处理来强化硬度和耐磨性。

四、回火

淬火后的钢再加热到相变温度以下某一温度,保持一定时间,然后冷却至室温的热处理工艺,称为回火。回火的目的是减少或消除淬火应力;获得需要的韧性和塑性,调节硬度,减少因淬火而增大的脆性;稳定组织和工件尺寸。一般经过淬火处理的钢都要再做回火处理。

按回火温度不同又分为低温回火、中温回火和高温回火三种。

五、渗碳

渗碳属于化学热处理。渗碳是将钢放入含碳的介质中加热到一定温度并保温,让介质中的碳原子渗入钢的表层,使表层的含碳量增加的热处理工艺。渗碳适用于低碳钢,目的是提高低碳钢表层的含碳量,适合表面淬火、回火处理,从而得到一定硬度和耐磨性的表层和保持良好韧性的心部。

化学热处理还有氮化。其目的是为了增加钢表层的含氮量,用以提高钢表面的硬度和耐磨性,以及提高耐腐蚀性和抗疲劳强度。机床、机车的主轴,柴油机的曲轴,气缸套等受冲击载荷、交变载荷及强烈摩擦的零部件,都要经过氮化处理。

钢材生产出来后,经过化学成分分析、力学性能试验、内部组织评定、外观质量和规格尺寸检验,再依标准规定和用户要求实施热处理全部合格后,钢材也就进入到交货阶段。

供需双方常用的专业术语——交货状态,是指成批交货产品的最终塑性变形加工方法和最终热处理方法。最终塑性变形加工方法如前所述的,有热轧、热锻、冷轧、冷拉、冷拔等;热处理方法有退火、正火、淬火、回火、调质、渗碳等。

交货状态直接影响材料的性能和使用。订购材料时,必须在合同中注明要求何种交货状态。仓库验收入库时也要按合同及标准规定的交货状态进行核对验收。

5.4钢的种类和用途

5.4.1五大元素对钢性能的影响

除铁和人为加入的合金元素以外,存在于钢中的碳、硅、锰、磷、硫常被人们称为影响钢性能的五大元素。因而,在各类钢中的化学成分中国家标准对其含量都做了具体规定。

一、碳

钢是铁和碳的合金,碳对钢的性能影响最为显著。一般来讲,钢的含碳量越高,其强度、硬度越高,耐磨性越好,而塑性、韧性及焊接性则逐渐降低。反之,钢的含碳量越低,其塑性、韧性及焊接性越好,而强度、硬度越低,耐磨性越差。因此,要获得所需要的钢材性能,恰当选择钢的含碳量极为重要。

二、硅

硅主要是作为脱氧剂而加入钢中的。其脱氧能力比锰强。脱氧后残余的硅,还能通过固溶强化作用提高钢的强度、硬度和弹性,同时使钢的塑性和韧性有所降低。在碳素钢中硅的含量一般不超过0.4%。

三、锰

钢中的锰主要来自炼钢脱氧剂。锰有很好的脱氧能力,可以改善钢的品质。脱氧后残余的锰能溶于铁素体中,使铁素体强化,从而在不降低钢的塑性、韧性情况下,提高钢的强度和硬度。在碳素钢中,锰含量一般为0.25%~0.80%,最高可达1.2%左右。

四、磷

磷是由生铁等原料带入钢中的有害元素。磷在钢中,使钢在强度和硬度增高的同时,又使钢的塑性、韧性急剧下降,引起冷脆性。但适量的磷可改善钢的切削加工性和耐腐蚀性。除此之外,磷在钢中的含量越少越好,这已成为衡量钢的冶金质量的重要指标。

五、硫

硫是由生铁及燃料带入钢中的有害元素。硫能引起热脆性,影响钢的热加工性能和焊接性能。但适量的硫可以改善钢的切削加工性能。除此之外,和磷一样,硫在钢中的含量越少越好,同样是衡量钢的冶金质量的重要指标。

5.4.2钢的分类

钢可以按冶炼方法、脱氧程度、化学成分、冶金质量等级、压力加工方法、用途以及组织等多种方法进行分类。常用的分类方法如下:

一、按冶炼方法和脱氧程度分类

(一)按冶炼方法分

分为平炉钢、转炉钢、电炉钢三种。

(二)按脱氧程度分

分为沸腾钢、半镇静钢、镇静钢、特殊镇静钢四种。

二、按化学成分分类

按化学成分分为:碳素钢、合金钢两类。

(一)碳素钢

碳素钢的化学成分,除铁以外,主要含碳,此外还有少量硅、锰、磷、硫等残余杂质,而不含有人为加入合金元素的钢,称为碳素钢。按含碳量的不同,又分为:低碳钢(C含量小于0.25%)、中碳钢(含C为0.25%~0.60%)、高碳钢(C含量大于0.60%)。

(二)合金钢

合金钢的化学成分,除含有铁、碳以及少量杂质元素外,还有人为加入合金元素的钢,称为合金钢。按含合金元素的多少,又分为:低合金钢(合金元素总含量<;5%)、中合金钢(合金元素总含量为5%~10%)、高合金钢(合金元素总含量>;10%)。

三、按冶金质量等级分类

按钢中含硫、磷杂质多少,分为:普通钢、优质钢、高级优质钢、特级优质钢和超级优质钢。冶金质量等级级别,在具体钢种里都有具体规定。

四、按用途分类

按用途分为结构钢、工具钢、特殊钢三类。

(一)结构钢

结构钢又分为建筑及工程结构钢和机械制造用结构钢两类。

1.建筑及工程结构钢。主要用于建筑工程结构。常用的有碳素结构钢和低合金高强度结构钢等。所用材料种类有圆钢、线材、螺纹钢、工字钢、角钢、槽钢、桥梁钢等。

2.机械制造用结构钢。主要用于制造各种机械零部件。常用的有优质碳素结构钢、合金结构钢、弹簧钢、易切削钢和滚动轴承钢等。

(二)工具钢

工具钢包括碳素工具钢、合金工具钢、高速工具钢三种。用于制造各种工具、刀具、量具及冷、热模具。

(三)特殊钢

特殊钢是指具有某些物理、化学性能,用于特殊用途的钢。包括不锈耐酸、耐热、耐磨和电工用硅钢等。

五、综合分类

综合分类是综合钢的质量、用途和方便管理等因素进行的分类。综合分类法可将普通钢和优质钢分为两大类。

(一)普通钢

普通钢包括碳素结构钢、低合金高强度结构钢以及专门用途的普通结构钢。

(二)优质钢

优质钢(包括高级优质钢)分为结构钢、工具钢和特殊钢三类。

1.结构钢。包括优质碳素结构钢、合金结构钢、易切削钢、弹簧钢、滚动轴承钢及其他专门用途的优质结构钢。

2.工具钢。包括碳素工具钢、合金工具钢和高速工具钢。

3.特殊钢。包括不锈耐酸钢、耐热钢、耐磨钢、电工用硅钢等。

5.4.3碳素结构钢

碳素结构钢和后面的低合金高强度结构钢,由于冶炼方便,价格便宜,并具备良好的力学性能和工艺性能,在一般情况下都能满足使用要求,成为用途最广泛的普通型钢种。这两类钢的产量,占到钢总产量的80%。

碳素结构钢的现行标准为GB700—88。其钢号表示方法是由表示屈服点的拼音字母“Q”、屈服点数值、质量等级符号和脱氧程度符号四个部分按顺序组成。

脱氧程度符号——用汉语拼音的首位字母表示,沸腾钢表示为“F”;半镇静钢表示为“b”;镇静钢表示为“Z”;特殊镇静钢表示为“TZ”。Z和TZ在钢号中可以省略。

5.4.4优质碳素结构钢

优质碳素结构钢中的杂质元素比碳素结构钢少,表面质量、组织结构的均匀性更好,并可经过热处理来进一步改善力学性能,常用作各种重要的机械零部件。

优质碳素结构钢现行标准为GB699—2000。其钢号用两位数字表示,这两位数字表示该钢平均含碳量的万分之几。优质碳素结构钢根据含锰量的不同,又可分为普通含锰量钢(含锰量<;0.80%=和较高含锰量钢(含锰量为0.70%~1.20%),较高含锰量钢要在表示含碳量的两位数字后面标出锰元素符号“Mn”。如20Mn,表示平均含碳量为0.20%的较高含锰量的优质碳素结构钢。

如果为沸腾钢或某种专用钢种,则在钢号后面标出规定的符号。优质碳素结构钢的主要缺点是淬透性较差,所以,一些较大的重要机械零部件要采用合金结构钢来制造。

5.4.5碳素工具钢

碳素工具钢的含碳量在0.65%~1.35%之间。随含碳量的增加,其硬度和耐磨性逐渐增加,适合用于制作各种工具、刀具、量具等。

碳素工具钢现行标准为GB1298—86。其钢号以“T+数字”组成,T是“碳”字汉语拼音的首位字母,数字表示钢中平均含碳量的千分之几的数字。含锰量较高的钢要在数字后面标注“Mn”;硫含量低的高级优质钢在钢号后面标注“A”。

碳素工具钢经淬火处理后的硬度相差不大,都能达到62HRC以上,但随着含碳量的增加,耐磨性逐渐增强,韧性逐渐降低,所以不同牌号的碳素工具钢用于制作不同使用情况的工具。

5.4.6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加入少量合金元素(一般合金元素总含量不超过3%)的钢,用于取代碳素结构钢制造各种要求强度较高的工程结构件。