合金结构钢的特点与应用

合金结构钢是在优质或高级优质碳素结构钢的基础上加入适量合金元素的钢。按其用途可分为工程用钢和机械制造用钢两大类。工程用钢主要用于制造汽车大梁等各种工程构件，工程用钢的合金元素含量较少，所以又称为低合金结构钢，常用的有低合金高强度结构钢。机械制造用钢主要用于制造各种机械零件，按其用途和热处理特点不同，又分为合金渗碳钢、合金调质钢、合金弹簧钢和滚动轴承钢等。

4.2.2.1　低合金高强度结构钢

低合金高强度结构钢是在低碳钢的基础上加入少量合金元素（一般小于3%）得到的，具有较高的强度。低合金高强度结构钢中碳的质量分数为0.12%～0.25%，合金元素的含量一般小于3%，其成分特点为低碳、低合金元素含量，所加入的合金元素主要有锰、钒、钛等。由于合金元素的存在，低合金高强度结构钢比相同含碳量的碳素钢的强度高30%～50%，并且具有良好的塑性、韧性、耐腐蚀性和焊接性，还具有比碳素结构钢更低的韧脆转变温度（一般为-30℃左右），这对北方高寒地区使用的构件及运输工具，具有十分重要的意义。

低合金高强度结构钢一般是经热轧处理，在空气中冷却后而成，加工成构件后不需要进行热处理就可以直接使用。用低合金高强度结构钢替代碳素钢可以提高构件强度，减轻构件重量，延长其使用寿命。低合金高强度结构钢广泛用于制造桥梁（图4-17）、船舶（图4-18）、车辆和高压容器（图4-19）等。

图4-17　桥梁

图4-18　船舶

图4-19　高压容器

常用低合金高强度结构钢的牌号、力学性能及用途见表4-8，低合金高强度结构钢在汽车上主要用于汽车大梁（图4-20）、保险杠（图4-21）等，见表4-9。

表4-8　常用低合金高强度结构钢的牌号、力学性能及用途

图4-20　汽车大梁

图4-21　汽车保险杠

表4-9　常用低合金高强度结构钢在汽车上的应用

4.2.2.2　合金渗碳钢

合金渗碳钢是指经渗碳、淬火+低温回火后使用的钢，这类钢碳的质量分数为0.10%～0.25%。通过渗碳处理使表面达到高含碳量（ω（C）=0.85%～1.05%），而芯部仍是较低的含碳量，使这类钢经热处理后可以达到“表硬芯韧”的性能，即能保证钢的表面具有高的强度和硬度，而芯部具有足够的塑性和韧性。钢中常加入铬、镍、锰、硼等合金元素，以提高钢的强度和淬透性；加入钒、钛等元素用以细化晶粒，提高渗碳层的耐磨性。

汽车上有许多零件是在高速、重载荷、强烈冲击和剧烈摩擦的状态下工作的，如变速齿轮（图4-22）、万向节十字轴（图4-23）、活塞销（图4-24）、气门挺杆等。它们的表面要求具有高硬度、高耐磨性，而芯部则要求具有高的强度和韧性，因而这些零件大多采用合金渗碳钢制造。

图4-22　变速齿轮

图4-23　万向节十字轴

图4-24　活塞销

合金渗碳钢种类很多，在汽车上用量也很大，以15Cr、20Cr、18CrMnTi、20CrMnTi及20MnTiB的使用最为广泛。近几年来，含硼的渗碳钢（20Mn2B、20MnVB）在汽车中也被广泛采用，并用来代替20CrMnTi，以节约贵重合金元素铬。常用合金渗碳钢的牌号、力学性能及用途见表4-10，表4-11所示为常用合金渗碳钢在汽车上的应用。

表4-10　常用合金渗碳钢的牌号、力学性能及用途

表4-11　常用合金渗碳钢在汽车上的应用

4.2.2.3　合金调质钢

合金调质钢是指经调质处理后使用的钢。在汽车结构中的某些重要零件，如发动机的连杆（图4-25）、重载汽车曲轴（图4-26）、汽车底盘的万向节、半轴（图4-27）等，它们都在多种载荷下工作，承受载荷情况较为复杂，因此，既要求零件具有良好的综合力学性能（良好的强韧性配合），又要求有较高的韧性。这类零件通常由合金调质钢制造。

图4-25　连杆

图4-26　重载汽车曲轴

图4-27　汽车半轴(www.xing528.com)

合金调质钢中碳的质量分数一般为0.25%～0.50%，属于中碳钢。钢中常加入铬、锰、镍、硼等合金元素以增加钢的淬透性，提高钢的强度，其中镍还可以提高钢的韧性；加入钨、钼、钒、钛等合金元素可细化晶粒，提高钢的回火稳定性。

40Cr钢是最常用的合金调质钢，其强度比40钢提高20%，并具有良好的塑性，常用于制造转向节、气缸盖螺栓等。为节约铬元素，也可用40MnB或40MnVB代替。合金调质钢的热处理是调质（淬火+高温回火），如果要求零件表面有较高的硬度和耐磨性，可以在调质后再进行表面热处理。

常用合金调质钢的牌号、力学性能及用途见表4-12，表4-13所示为常用合金调质钢在汽车上的应用。

表4-12　常用合金调质钢的牌号、力学性能及用途

续表

表4-13　常用合金调质钢在汽车上的应用

4.2.2.4　合金弹簧钢

合金弹簧钢是用于制造弹簧和弹性元件的专用钢。弹簧是汽车、机械和仪表中的重要零件，它是利用弹性变形时所储存的能量，缓和机械设备的振动和冲击作用。例如，汽车上的钢板弹簧（图4-28）、离合器压紧弹簧（图4-29）、火车上的缓冲弹簧（图4-30）、钟表发条、阀门弹簧等。

图4-28　钢板弹簧

图4-29　离合器压紧弹簧

图4-30　火车上的缓冲弹簧

合金弹簧钢碳的质量分数比调质钢高，一般为0.46%～0.70%。钢中常加入锰、硅、铬等合金元素，用以提高钢的强度和弹性极限，有重要用途的弹簧钢还加入少量的钼、钨、钒等合金元素，以提高韧性和回火稳定性。

弹簧是汽车的重要构件，具有能量储存、自动控制、缓冲平衡、固定复位、安全减震等作用。通常一辆汽车上装有50～60种、100多件弹簧，用于悬架、发动机、离合器、制动器等重要部位。

常用合金弹簧钢的牌号、力学性能及用途见表4-14，表4-15所示为常用合金弹簧钢在汽车上的应用。

表4-14　常用合金弹簧钢的牌号、力学性能及用途

续表

表4-15　常用合金弹簧钢在汽车上的应用

4.2.2.5　滚动轴承钢

滚动轴承钢用来制造各种滚动轴承（图4-31）元件，如轴承内、外套圈和滚动体（滚珠、滚柱、滚针）（图4-32），属于专用结构钢。滚动轴承工作时承受很大的局部交变载荷，滚动体与套圈间接触应力较大，易使轴承工作表面产生接触疲劳破坏和磨损。因此，要求轴承钢具有高的硬度、耐磨性、弹性极限和接触疲劳强度，足够的韧性和耐蚀性。

图4-31　滚动轴承

图4-32　滚动轴承元件

滚动轴承钢碳的质量分数较高，一般为0.95%～1.15%，以保证钢具有高的硬度和耐磨性。钢中常加入0.45%～1.65%的铬，用以提高钢的淬透性和耐磨性，对于大型轴承用钢还加入硅、锰等合金元素，使钢具有足够的韧性和疲劳强度。滚动轴承钢对硫、磷含量要求严格（ω（S）＜0.025%，ω（P）＜0.030%），因此它是一种高级优质钢，但其牌号后面没有符号“A”。

滚动轴承钢除用于轴承外，还用于制造其他耐磨零件，如汽车的油泵柱塞（图4-33）、喷油嘴、针阀等，也可制造形状复杂的工具、冲压模具和精密量具。常用滚动轴承钢的牌号、热处理及用途见表4-16。

图4-33　油泵柱塞

表4-16　常用滚动轴承钢的牌号、热处理及用途

4.2.2.6　超高强度钢

超高强度钢是指屈服强度大于1 400 MPa、抗拉强度大于1 500 MPa、兼有适当韧性的合金钢。它是在合金调质钢的基础上加入多种合金元素而形成和发展起来的。我国常用的超高强度钢有30CrMnTiNi2A、4Cr5MoVSi等，主要用作航空、航天工业的结构材料，如飞机主梁、起落架、发动机结构零件等。