如何合理选用合金结构钢？

用途对性能所提出的要求虽是选择合金结构钢的根据，但钢的供应情况和经济效果，特别是在大量生产时亦必须加以考虑。对性能的要求，应该考虑到“必要”和“够用”两方面。性能偏低，固然满足不了需要；但要求过高，除了会造成合金元素的浪费、经济方面的损失或供应上的困难外，有时甚至会给生产工艺带来一些不必要的困难，使废品率增高，结果得不偿失。

对于钢材的冲击性能也要正确地对待，不能过分强调，而应根据机械零件的具体使用条件，分别提出不同的要求。例如，研究证明，当零件在一定的负荷下承受经常性的连续冲击负荷时，降低一点钢材的冲击值而增大其强度，反而能提高钢材的服役性能，使零件经久耐用，不易断裂。

选择钢种时，还必须结合资源和供应情况，不应拘泥于国外资料所述而要求采用含有国家较稀缺的合金元素的钢种。此外，采用多合金元素的钢种，不但可有效地发挥各个元素的有利作用，而且可以充分地利用废钢中的残余元素，有一举数得的效果。但若过分地追求合金元素种类的加多，又将给冶炼工作带来困难，而钢的质量也不易得到保证。

（1）锰钢组 按YB6—1959规定，锰钢组有10Mn2、15Mn2、20Mn2、30Mn2、35Mn2、40Mn2、45Mn2、50Mn28个钢号，石油机械主要采用20Mn2、40Mn2。

锰是能溶于铁素体内和形成弱碳化物的元素。它能细化钢的珠光体组织。当钢的含碳量适当、含锰量又不超过1.8%时，钢的强度与耐磨性可获得提高，而塑性降低得很少。但在低碳钢中，钢的韧性却反随含锰量的增加而相应地提高。

锰能增加奥氏体的稳定性，降低淬火时的临界冷却速度，从而提高钢的淬透性。所以锰钢可以用来制造碳素钢所难以满足要求的较大截面的零件。

锰还能降低钢的临界点（A₁和A₃）。因此，锰钢的淬火温度，可以较含碳量相同的碳素钢的淬火温度低约25～30℃，淬火时的变形也比较小，适于制造形状较复杂的零件。

锰钢有过热敏感性，这是由于含锰渗碳体的稳定性不强，在加热过程中很容易完全溶于奥氏体中；加之，锰钢的临界点又低，以致晶粒易于粗化。所以锰钢在淬火时，应严格控制加热温度，保温的时间也不可过长。

由于锰钢的晶粒易趋粗大，淬火时有产生裂纹的危险，因此以在油中淬火为宜，也可在流动空气中冷却。只有形状简单的零件才可在水中淬火。

锰钢有回火脆性；容易发生脱碳现象；也易形成带状组织，增大钢的纵向和横向性能的差异。

中碳锰钢经调质后使用。低碳锰钢多作渗碳钢用，有时也可经正火或调质后使用。由于锰的存在，能促进渗碳作用，所以能大大地提高钢的表面硬度与耐磨性。尤其可贵的是在渗碳时表面的软点较少，也不致有过分增碳的倾向。渗碳后的锰钢在最后淬火前，应进行一次正火或退火处理，以消除因长时间渗碳所造成的心部过热组织。

锰能改善钢的焊接性。锰钢的低温性能较碳素钢好。

由于锰钢有过热倾向及对白点有敏感性（特别是当含碳量大于0.3%时），冶炼锰钢时要注意所用原材料的干燥与去气操作；而钢锭在热变形时要注意开始与终止的温度，以及其后的缓冷。碳和锰的含量愈高，钢材的断面尺寸愈大，冷却速度便应愈加缓慢。

锰在我国是一种资源丰富而又便宜的元素，因而锰钢被广泛地用于制造强度、韧性与耐磨性等要求较高或形状较复杂的零件。

（2）硅锰钢组 按YB6—1959规定，硅锰钢组共有27SiMn、35SiMn。42SiMn3个钢号。石油机械主要采用35SiMn。

中碳锰钢加入1.1%～1.4%的硅，经调质后，强度增加15%～20%，特别是钢的屈服强度和抗拉强度的比值提高较多，而韧性不显著降低。若硅和锰的配合适当，可减少因硅而易引起的脱碳现象，并可稍稍减小锰钢在调质时的晶粒长大倾向。

硅锰钢的临界冷却速度低，淬透性很好，回火稳定性高，锻轧加工便利，有足够的耐磨性，其低温性能也比相应的碳钢好。它的缺点是有过热敏感性及回火脆性，调质操作较为困难。调质零件的厚度大于30mm时，宜在水中淬火；较薄的零件（15mm以下）在油中即可淬硬。由于硅使钢的增碳困难，并使渗碳速度降低，所以这类钢种不作渗碳处理。

硅锰钢用作要求有较高韧性和耐磨性的各种重要结构机器零件，也可用作弹簧材料。

硅锰钢的白点敏感性大，因此在冶炼这类钢时，宜注意原材料的干燥与铁合金的烘烤。

（3）铬钢组 按YB6—1959的规定，铬钢有6个钢号，即：15Cr、20Cr、30Cr、40Cr、45Cr、50Cr。石油机械只使用其中的三个钢号：20Cr、40Cr、50Cr。

铬是一种强烈形成碳化物的元素。在钢中，它能与碳形成各种碳化物，并与铁、碳形成复杂化合物。但，含铬较低（1%～2%以下）时，铬形成碳化物的极少，几乎完全固溶于铁。由于铬的影响，钢的临界淬火速度降低，淬透性与可淬性比相应的碳钢高得多。热处理时，铬增大了碳化物的分散度，因而在提高强度的同时，塑性和韧性并不下降，反而有某些提高。

低碳铬钢属于渗碳钢，与相应的碳钢比较，它具有高的强度特性。但和合金元素较多的渗碳钢（如20CrMo、18CrMnTi、22CrMnMo等）相比，铬钢淬透性较低；在心部强度大约相同时，韧性较低。此外，这种钢在长时期渗碳时，有晶粒长大倾向，淬火时比较易变形。这些特点限制了铬渗碳钢的使用。在石油矿场机械中，它只用于制造形状简单、要求渗碳深度较浅（1.0～1.5mm以下）的小截面渗碳件。

中碳铬钢按其性质分为三组：含碳量0.3%左右的；含碳量0.4%左右的；含碳量0.5%左右的。含碳量0.4%左右的铬钢在石油机械中目前用得较广泛，今后则建议只用于较小尺寸的零件。而含碳0.3%左右的铬钢，石油机械中采用较少。

中碳铬钢主要在淬火、回火状态使用。淬火后，变更回火温度，可以使强度和塑性、韧性作不同的搭配。当含碳量足够高时（50Cr），它并具有相当的耐磨性。

中碳铬钢有回火脆性倾向。因此，高温回火后应快速冷却——截面较大的零件在油中冷却，截面较小的零件在水中冷却。应该避免在静止的空气里冷却。严禁随炉冷却。

石油机械中的一些受磨损的零件，也可用40Cr（有时也用50Cr）作氰化或高频表面淬火处理。小截面零件采用氰化处理。截面较大的零件采用高频表面淬火处理。

（4）铬钼钢组 按YB6—1959的规定，铬钼钢有8个钢号，即：12CrMo、12Cr3MoA、15CrMo、20CrMo、25CrMo1、30CrMo、35CrMo、42CrMo。其中，12CrMo、12Cr3MoA、15CrMo和25CrMo1是耐热的低合金结构钢；在石油机械中，主要用于炼油厂设备。这几个钢号另有专述。

钼是强烈形成碳化物的元素。它与碳的化合能力大大超过了铬，仅次于钨。但在含钼少于1%的珠光体钢中，钼主要溶于铁素体。

铬钢中加入少量（0.15%～0.25%）的钼，能很有效地阻止奥氏体晶粒长大，消除过热倾向。各种牌号的铬钼钢都是本质细晶粒钢。热处理和化学热处理时，铬钼钢的加热温度可以大大超过临界点。例如，20CrMo的渗碳温度可以提高到970℃。经试验，即使在970～990℃的温度下进行渗碳，得到的机械性能也没有下降；反而，由于固溶体均匀度大大增加，其韧性和塑性也跟着增加了。

钼的加入，进一步降低了临界淬火速度，增加了淬透性。在强度相同时，铬钼钢的韧性和塑性显著比铬钢好。

铬钼钢在回火时的硬度能保持到比铬钢更高的温度。这是因为，钼能进一步地阻止马氏体分解，并促使马氏体分解产物形成细小的分散相。

中碳铬钢有第二类回火脆性倾向。但各种牌号的铬钼钢，由于钼的加入，消除了这种回火脆性倾向。铬钼钢回火后，允许在空气中冷却。

此外，铬钼钢具有高的高温强度和抗蠕变性能。20CrMo在500～520℃以下可以采用。高于这个温度，钢的耐热性会降低。但是，当应力较小时，这种钢可用于550℃以下的温度。当温度升高到500～520℃时，其屈服强度大约要降低20%。钢的塑性及冲击韧性在所有的温度下都是很高的。30CrMo与35CrMo可以在500℃以下采用，超过这个温度（特别是达到550℃时），其耐热性就要显著降低。

在石油矿场机械中，20CrMo用作中级渗碳钢。而炼油厂机械和设备中，主要在淬火、高温回火（650℃以上）状态使用。30CrMo、35CrMo、42CrMo在淬火、回火状态使用。淬火后的回火温度至少应比使用温度高出100℃。35CrMo、42CrMo有时也用作对心部强度要求很高的表面淬火件。

在很多场合下（特别是截面较小时），铬钼钢可以有效地代用铬镍钢，制造重要的零件。(www.xing528.com)

（5）铬锰硅钢组 按YB6—1959的规定，该组有20CrMnSi、25CrMnSi、30CrMnSi。35CrMnSiA4个钢号，石油机械主要采用35CrMnSiA。

铬锰硅钢是在寻求和铬钼钢有同样高的强度和焊接性的钢种时，在铬锰钢的基础上发展出来的。它们的最大优点是：在高强度下具有足够的韧性，碳低时有较好的焊接性；但淬透性则略低于相应的铬钼钢。这组钢广泛地用于制造重要的薄型焊接构件。由于它们还具有良好的耐磨性，所以也用来制造在耐磨损条件下工作的零件。它们的切削加工性不是很好，所以用途受到一定的限制。

这组钢的缺点是：回火脆性倾向和脱碳倾向较大，横向性能也较差。

这组钢可根据使用要求，进行低温或高温回火以获得所需要的综合性能。这组钢虽可进行焊接，但由于淬透性较高，焊接时要特别小心；焊后应尽可能地进行热处理，尤其是当碳含量偏高时。

由于这组纲不含贵重的合金元素，其性能又不亚于铬钼钢和铬镍钢，所以是价廉而又重要的结构用钢，可广泛地用于各工业部门。

（6）铬锰钛钢组 按YB6—1959的规定，该组有18CrMnTi、30CrMnTi、35CrMnTi、30CrMnTi、35CrMnTi、30CrMnTi。

铬锰钛钢的力学性能与加工工艺性能均甚良好。铬锰钢内加入少量的钛，可以使钢的晶粒更加细化，提高钢的强度和韧性。在国外，无论是渗碳用的或调质用的铬锰钛钢均为含镍较高的铬镍钢种和铬锰钼钢的代用品。

渗碳的铬锰钛钢，在经过恰当的热处理后，可以获得足够高的力学性能、硬而耐磨的表面和强而韧的心部；变形的程度也较其他渗碳钢种为小，故可用以制造几何形状复杂的零件。

这组钢在热处理时有回火脆性倾向，零件在高温回火后必须快速冷却。回火温度应严格控制在180～200℃的范围内，否则将使冲击性能变坏。

含钛的钢液尤其是含碳量较低时，由于黏度较大，其中的非金属夹杂不易分离浮出，故在冶炼时应注意高温操作与钢液的脱氧。钢的含钛量不易掌握，但如将钛铁加入盛钢桶中，不但钛的回收率可以比较稳定，且可防止出钢时二次氧化。在浇注时应使钢液呈亮面平稳上升，并且采用活泼性强的涂料，如加萘的焦油，以获得较好的钢锭表面质量。

（7）铬锰钼钢组 按YB6—1959的规定，该组有15CrMnMo、22CrMnMo、40CrMnMo、22CrMnMo、22CrMnMo、CrMnMo。

铬锰钢中加入少量的钼，可得到细晶粒组织与无回火脆性倾向的钢，使钢的韧性大大提高。

低碳的铬锰钼钢系高级渗碳钢。由于铬钼的影响，渗碳层中的碳容易过饱和，而且扩散困难，形成网状碳化物的倾向很大；淬火后的残余奥氏体也较多，所以宜用缓和的渗碳剂和较低的渗碳温度，以免在渗碳层中产生多余的碳化物。渗碳后如在空气中冷却，则易形成裂纹。为了使钢得到高的力学性能，渗碳后最好经过两次淬火处理，但也可采用直接淬火。调质用的铬锰钼钢，由于淬透性好和无回火脆性倾向，故多用于制造断面较大的部件。

（8）铬铝、铬钼铝及铬钨钒铝钢组 这三组钢均为氮化钢。氮化时，氮与铝、钒、铬、钼、钨等形成氮化物，使钢的表面硬度可以高达1200HV。这些氮化物的热稳定性也很高，加热到600～650℃时仍能保持其硬度。

铝对氮有极大的亲和力，故氮容易渗入钢中而形成一层薄而硬的氮化铝层牢固地结合在母体金属上。铬、钼、钨、钒等除易形成氮化物外，还可消除铝钢所特有的粗晶粒组织，提高钢的强度和淬透性，其中铬并有改善表面氧化膜的致密性、阻止钢继续氧化的功效。少量的钼和钨更能改善氮化层组织，使钢具有耐热性，以及消除钢在氮化温度下长期保温和在随后的缓慢冷却时所产生的回火脆性。加入钒而减少铝，主要是为了改善低温冲击性能和冶炼质量。

氮化钢的质量（尤其是表面质量）必须十分优良。由于氮化层硬而脆，若此层下面没有高强度的心部来支持，它就容易因受压破碎而剥落。另外，因氮化后不宜再进行调质处理，所以在氮化处理前，必须先将钢调质为索氏体组织，使之具有足够的强度和韧性。氮化过程中为了使心部不发生组织变化而引起变形，氮化温度必须低于回火温度，以保证钢件心部组织和性能的稳定性，使氮化层能充分发挥作用。

氮化层的硬度虽然很高，但很薄。因此，表面承受高载荷或较大冲击负荷的零件，不宜进行氮化处理。

与渗碳相比，氮化温度比渗碳及淬火温度要低很多，且系在其他工艺操作完成后进行的；所以氮化后无需经过淬火，缓冷即可获得高的表面硬度。因此，在热处理后零件尺寸的变化极小。氮化层的硬度与耐磨性也远比渗碳层为高，故经氮化的零件经久耐用。但氮化处理毕竟是昂贵、复杂而又费时间的操作，因此除对零件质量有特殊要求者以外，一般不宜采用。

在这些钢组中，以铬铝钢最为经济，应用较广；只有当零件的截面较大，或负荷较高，或工作温度在300℃以上时才宜选用其他钢种。

冶炼含铝高的钢时，宜将铝加在炉中，以免因铝的分布不均匀而发生点状偏析。含铝高的钢液黏性较大，容易产生夹杂和使钢锭表面质量变坏，甚至报废，因此需要在较高的温度下，以较快的速度进行浇注；但为了不致加剧枝晶偏析等缺陷，又不可使钢液过热。此外，在出钢时应使钢与渣分开出炉，以免造成含铝量偏低而含硅量偏高的危险。这些钢在热加工时还有很大的脱碳倾向。所有这些都应在各项工艺操作中予以特别注意。

石油机械主要采用38CrAlA和38CrMoAlA。

（9）硼钢组 钢中加入微量的硼（0.0005%～0.005%），可以显著提高钢的淬透性，而对其他性能并无影响，或影响甚小。所以，微量的硼在一定程度上可以减少钢中贵重合金元素，特别是镍、铬的含量。这在国民经济建设方面，有很重大的意义。

硼虽会降低奥氏体晶粒粗化的温度，但若稍微增加钢中的含铝量来适当控制钢的晶粒大小，这一缺点仍可予以克服。硼对钢的淬裂敏感性影响很小。结构钢中的硼会降低钢材在正火后的冲击值，但在淬火与随后的低温回火后，能得到良好的冲击值。

就含硼的低碳钢来说，渗碳性能良好，表面的碳浓度不易过度增大。含硼的渗碳钢，除了个别钢种外，渗碳后均可采用降温直接淬火。与重新加热淬火比较，淬透性并无显著变化。渗碳后的硼钢，缺口敏感度也是很小的。

根据研究，要使渗碳的含硼钢获得最优良的性能，渗碳层表面的含碳量不宜超过1.0%。

中碳钢中加硼，经淬火及高温回火后，具有良好的综合机械性能。硼钢的回火稳定性、回火脆性、疲劳极限与强度硬度间的关系等，基本上与不含硼的钢相同。

硼钢的热机械加工与一般合金结构钢相同。工艺性能良好，但钢中的含硼量超过0.007%时，则容易引起热脆。

硼通常是以硼铁或复合金的形式在出钢过程中加入钢液内或插入盛钢桶中的。由于硼与氧、氮的亲和力很强，它很易形成氧化物或氮化物，因而减低了硼在钢中的有效含量，失去增加淬透性的效应。因此，在未加硼之前，必须使钢液脱氧和去氮良好。为达到这一目的，可在出钢前，于炉中先后加入0.1%～0.12%的铝和0.06%～0.04%的钛（不考虑烧损的计算量）。冶炼硼钢时，为了避免硅含量出格，出钢前的硅含量宜控制在中限以下。

硼是我国的富产元素。硼钢在国内外业已用来制造汽车、飞机及其他机器上某些需经热处理的零件。因此，大力推广使用含硼钢种，可节约钢中铬镍钼的合金含量，这对我国具有重大的现实意义。

石油工业主要采用20SiMnVB、40MnB。

（10）常用的国外镍铬钢

1）渗碳用钢：20XH、12XH2、12XH3、12X2H4A、20X2H4A、18X2H4BA（18XHBA）。这些钢由于同时含有镍和铬而具有高的强度、高的韧性和良好的淬透性。一般用作截面较大，负荷较高，而又需要良好的韧性和缺口敏感度甚低的重要零件。如齿轮、传动轴、曲轴、花键轴、活塞销等。钢可以经渗碳后淬火回火使用，亦可不经渗碳而在调质状态下应用。

2）调质用钢：40XH、50XH、40XHMA。这些钢均有高的强度、较高的韧性和良好的淬透性，它们多用作截面较大的重要零件，如轴、齿轮、转子及紧固材料等。调质后应用。