1.4 合金钢

为了改善和提高碳钢的性能，在碳钢的基础上有目的地加入一定量的其他合金元素的钢称为合金钢。常用的合金元素有硅、锰、铬、镍、铜、钒、钛和稀土元素等。

1.4.1 合金钢的分类与编号

1.4.1.1 合金钢的分类

合金钢的种类繁多，为了便于生产和使用，可按照合金元素含量、用途等对其进行分类。

（1）按合金元素总含量分类

合金钢可分为低合金钢、中合金钢和高合金钢。

（2）按用途分类

合金钢可分为合金结构钢、合金工具钢和特殊性能钢。

1.4.1.2 合金钢的牌号

（1）低合金高强度结构钢

低合金高强度结构钢的牌号由代表屈服点的字母（Q）、屈服极限数值、质量等级符号（A、B、C、D、E）三个部分按顺序排列。如Q390A，表示屈服强度为390MPa，质量等级A的低合金高强度结构钢。

（2）合金结构钢

合金结构钢的牌号由三部分组成，即“两位数字+元素符号+数字”。前面两位数字代表钢中平均碳质量分数的万倍，元素符号表示钢中所含的合金元素，其后面的数字表示该元素的平均质量分数的百倍。当其平均质量分数w_Me＜1.5%时，一般只标出元素符号而不标数字，当其w_Me≥1.5%、≥2.5%、≥3.5%、…时，则在元素符号后相应标出2、3、4、…。例如60Si2Mn钢，表示平均w_C=0.6%，平均w_Si=2%，平均w_Mn＜1.5%的合金结构钢。

（3）合金工具钢

合金工具钢牌号的表示方法与合金结构钢相似，区别仅在于碳含量的表示方法不同。当平均w_C＜1%时，牌号前面用一位数字表示平均碳的质量分数的千倍，当平均w_C≥1.0%，牌号中不标碳含量。例如9SiCr钢，表示平均w_C=0.9%，合金元素Si、Cr的平均质量分数都小于1.5%的合金工具钢；Cr12MoV钢表示平均w_C＞1%，w_Cr约为12%，w_Mo、w_V都小于1.5%的合金工具钢。高速钢不论其碳含量多少，在牌号中都不予标出，但当合金的其他成分相同，仅碳含量不同时，则在碳含量高的牌号前冠以“C”字，例如W6Mo5Cr4V2和CW6Mo5Cr4V2钢，前者w_C=0.8%～0.9%，后者w_C=0.95%～1.05%，其余成分相同。

（4）特殊性能钢

特殊性能钢的牌号表示方法与合金工具钢的牌号表示方法基本相同，只是当其平均碳含量w_C≤0.03%和w_C≤0.08%时，则在牌号前分别冠以“00”及“0”。例如0Cr19Ni9表示平均w_C＜0.08%，w_Cr=19%，w_Ni=9%的不锈钢。

（5）滚动轴承钢

高碳高铬轴承钢属于专用钢，为了表示其用途，在牌号前加以“G”字，铬含量以其质量分数的千倍来表示，碳的含量不标出，其他合金元素的表示方法与合金结构钢相同。例如GCr15SiMn钢，表示平均w_Cr=1.5%，w_Si和w_Mn都小于1.5%的滚动轴承钢。

1.4.2 合金结构钢

合金结构钢是在碳素结构钢的基础上，适当地加入一种或几种合金元素而获得的钢。它用于制造重要的工程结构和各种机器零件，如轴类零件、齿轮、弹簧和轴承等所用的钢种。

1.4.2.1 低合金高强度结构钢

低合金高强度结构钢又称低合金结构钢，其成分特点是低碳（w_C＜0.20%）、低合金（一般合金元素总量＜3%）、以锰为主加元素，并辅加以钒、钛、铌、硅、铜、磷等，有时还加入微量稀土元素。

低合金高强度结构钢具有高的屈服强度与良好的塑性和韧性、良好的焊接性、较好的耐腐蚀性等特点，被广泛用于桥梁、船舶、车辆、建筑等，使用时不需要进行专门的热处理。其中Q345钢是我国发展最早、应用最广泛的钢材。

1.4.2.2 合金渗碳钢

合金渗碳钢通常是指经渗碳淬火及低温回火后使用的合金钢。其渗碳层具有优异的耐磨性、抗疲劳性；未渗碳的心部具有高的韧性和强度。合金渗碳钢中w_C一般为0.1%～0.25%。加入了镍、锰、硼、钨、钼、钒、钛等合金元素。

20CrMnTi是应用最广泛的合金渗碳钢，主要用于制造承受中等载荷、要求足够冲击韧度和耐磨性的汽车、拖拉机齿轮等零件。

1.4.2.3 合金调质钢

合金调质钢是指经调质处理后使用的钢，其具有良好的淬透性、热处理工艺性及良好的综合力学性能。合金调质钢中w_C在0.25%～0.50%之间。主加元素为铬、镍、锰、硅、硼等，辅加元素有钼、钨、钒、钛等。

合金调质钢的典型钢种如40Cr、35SiMn等广泛用于制造一般尺寸的重要零件，如轴、齿轮和连杆螺栓等；40CrNi、35CrMo等用于制造截面较大和承受较重负荷的零件，如曲轴和连杆等；40CrNiMoA、37CrNi3等用于制造大截面且承受重负荷的重要零件，如汽轮机主轴、压力机曲轴和航空发动机曲轴等。

1.4.2.4 合金弹簧钢

合金弹簧钢是指用来制造各种弹簧和弹性元件的钢。合金弹簧钢中w_C一般为0.45%～0.70%。重要用途的弹簧钢必须加入铬、矾和钨等元素。

65Mn和60Si2Mn是以Si和Mn为主要合金元素的弹簧钢。这类钢的价格便宜，淬透性明显优于碳素弹簧钢，这类钢主要用于车辆上的板簧和螺旋弹簧；50CrVA是含Cr、V等元素的弹簧钢，这类钢可制作在350～400℃温度下承受重载的较大弹簧。

1.4.2.5 滚动轴承钢

主要用来制造滚动轴承的滚动体和内外套圈的钢称为滚动轴承钢。要求其具有高而均匀的硬度，高的弹性极限和接触疲劳强度，足够的韧性和淬透性及一定的耐蚀性。

滚动轴承钢是一种高碳低铬钢，碳的平均质量分数一般为0.95%～1.15%。铬为基本合金元素，辅加入硅、锰和钒等元素。GCr15、GCr15SiMn钢是应用最多的轴承钢。前者用于制造中小型滚动轴承，后者用于制造大型轴承。

1.4.3 合金工具钢

用来制造刀具、模具和量具的合金钢称为合金工具钢，相应称为合金刃具钢、合金模具钢和合金量具钢，但实际应用界限并不十分严格。

1.4.3.1 合金刃具钢

合金刃具钢主要用来制造各种金属切削刃具，如车刀、铣刀和钻头等。要求其具有高的硬度、耐磨性和热硬性，足够的塑性和韧性。合金刃具钢又分为低合金刃具钢和高速工具钢两类。

（1）低合金刃具钢

低合金刃具钢是在碳素工具钢的基础上加入少量合金元素的钢。其碳的平均质量分数一般为0.75%～1.50%。加入的合金元素主要有硅、锰、铬、钼、钨和矾等。

低合金刃具钢中常用的有9SiCr、9Mn2V和CrWMn等。9SiCr被广泛用来制造各种薄刃工具，如丝锥、板牙和铰刀等。

（2）高速工具钢

高速工具钢又称高速钢，其碳的平均质量分数较高，一般为0.75%～1.6%，并含大量的钨、钼、铬和钒等碳化物形成元素。

高速钢应用最多的是W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2和W9Mo3Cr4V三种。

1.4.3.2 合金模具钢

根据工作条件的不同，合金模具钢可分为冷作模具钢和热作模具钢两类。

（1）冷作模具钢

冷作模具钢用于制造使金属在冷态下产生变形的模具，如冷冲模、冷挤压模和拉丝模等。要求其具有高的硬度和耐磨性，足够的强度和韧性，同时，要求热处理变形小。

对于尺寸小、形状简单且工作负荷不大的冷作模具，可用碳素工具钢和低合金刃具钢制造。如T10A、9SiCr、CrWMn、9Mn2V等。

目前最常用的冷作模具钢属于高碳高铬模具钢，即Cr12型冷作模具钢。这类钢中碳的平均质量分数为1.4%～2.3%；铬的质量分数为11%～12%。

在Cr12钢基础上加入钼、钒后，除了可以进一步提高钢的回火稳定性，增加淬透性外，还能细化晶粒，改善韧性，所以Cr12MoV钢性能优于Cr12钢。Cr12和Cr12MoV钢由于淬透性好，淬火变形小，耐磨性好，广泛用于制造负荷大、尺寸大和形状复杂的模具。

（2）热作模具钢

热作模具钢用于制造在受热状态下对金属进行变形加工的模具，如热锻模、热挤压模、压铸模等。要求其具有高的热硬性和高温耐磨性，良好的综合力学性能，高的热疲劳强度和较好的抗氧化能力，同时，还要具有高的淬透性和导热性。热作模具钢一般是中碳合金钢，其碳的平均质量分数为0.3%～0.6%，加入的合金元素有锰、铬、镍、钨、钼、钒等。

目前，制作热锻模的典型钢种有5CrMnMo和5CrNiMo钢；制作热压模的常用钢为3Cr2W8V钢。

1.4.4 特殊性能钢

特殊性能钢是指具有特殊的物理性能和化学性能的合金钢，用来制造除要求具有一定力学性能外，还要求具有特殊性能的零件。主要包括不锈钢、耐热钢和耐磨钢。

1.4.4.1 不锈钢

不锈钢是指在腐蚀性介质中具有耐腐蚀能力的钢。按其化学成分的不同，可分为铬不锈钢、铬镍不锈钢和铬锰不锈钢等；按其组织特征，则可分为马氏体不锈钢、铁素体不锈钢和奥氏体不锈钢等。

（1）马氏体不锈钢

常用马氏体不锈钢就是指Cr13型不锈钢，典型牌号有1Cr13、2Cr13、3Cr13和4Cr13等，属于铬不锈钢，马氏体不锈钢只在氧化性介质中耐腐蚀，在非氧化性介质中耐蚀性很低。因此常作为工具钢使用，用来制造医疗器械、刀具和热油泵等。

（2）铁素体不锈钢

常用的铁素体不锈钢的典型牌号有0Cr13、1Cr17、1Cr17Ti和1Cr28等。这类钢在退火或正火状态下使用，强度较低但塑性较好，可用形变强化提高强度。主要用于要求较高耐腐蚀性而受力不大的构件，如化工设备中容器、管道等。

（3）奥氏体不锈钢

奥氏体不锈钢，简称为 18-8型不锈钢。其典型牌号有 0Cr19Ni9、1Cr18Ni9、0Cr18N11Ti钢等。奥氏体不锈钢具有很好的塑性、韧性和焊接性，强度、硬度低，无磁性，耐腐蚀性和耐热性很好，但切削加工性较差，易粘刀和产生加工硬化。因此，这类钢广泛用于在强腐蚀介质中工作的设备、管道、槽等，还广泛用于要求无磁性的仪表、仪器元件等。

1.4.4.2 耐热钢

耐热钢是指在高温下具有热化学稳定性和热强性的钢，它包括抗氧化钢和热强钢等。对这类钢的主要要求是优良的高温抗氧化性和高温强度。此外，还有适当的物理性能，如热膨胀系数小和良好的导热性，以及较好的加工工艺性能等。

常用牌号有3Cr18Ni25Si2、4Cr14Ni14W2Mo等。

1.4.4.3 耐磨钢

耐磨钢主要用于运转过程中承受严重磨损和强烈冲击的零件，如车辆履带、挖掘机铲斗、破碎机颚板和铁轨分道叉等。对耐磨钢的主要要求是有很高的耐磨性和韧性。

高锰钢是目前最主要的耐磨钢，常见的牌号是ZGMn13。