1.2.2 合金鋼
在非合金鋼中有目的地加入一定量合金元素所得到的鋼稱為合金鋼。在合金鋼中，通常加入的合金元素有：錳（wMn>0.8%）、硅（wSi>0.4%）、鉻、鎢、鎳、鉬、釩、鋁、銅、鈦、鈮及稀土元素等。這些元素在合金鋼中可以提高鋼的力學性能及鋼的淬透性，改善鋼的工藝性能或得到某種特殊的物理、化學性能，因而可以大大擴展其應用范圍。合金鋼按用途可分為：合金結構鋼、合金工具鋼、特殊性能鋼。
微課：合金鋼的種類及應用
1.低合金高強度結構鋼
它是在低碳鋼（wC<0.2%）的基礎上加入少量（≤5%）合金元素制成的鋼，其牌號也用“Q+數字”表示。牌號含義與普通碳素結構鋼相同，例如，Q345表示最低屈服強度值為345MPa的低合金高強度結構鋼。若牌號后面有字母A、B、C、D、E，也是表示質量等級，例如，Q355C表示最低屈服強度為355MPa的C級低合金高強度結構鋼。
低合金鋼通常在熱軋退火（或正火）狀態下使用，其強度比普通低碳鋼高10%～20%，所以稱為低合金高強度結構鋼。這類鋼具有較好的塑性、韌性，以及良好的焊接性和耐蝕性，廣泛用于橋梁、車輛、船舶、建筑、容器等方面，可減輕結構件自身重量，保證使用的可靠性和耐久性。常用低合金高強度結構鋼的牌號、性能及主要用途見表1-5。
表1-5 常用低合金高強度結構鋼的牌號、性能及主要用途
2.合金結構鋼
合金結構鋼主要包括合金滲碳鋼、合金調質鋼、合金彈簧鋼、滾動軸承鋼等。
（1）合金滲碳鋼 合金滲碳鋼是在低碳鋼的基礎上加入鉻、錳、鎳、鈦、釩等合金元素制成的鋼，其牌號用“兩位數字+合金元素符號+數字”表示。其中，前面“兩位數字”表示鋼中碳的平均質量分數為萬分之幾；“元素符號”表示鋼中所含的合金元素；元素符號后面的“數字”表示其平均含量的百分數，并規定合金元素的平均含量<1.5%時，則只標出元素符號，不標數字；當合金元素的平均質量分數為1.5%～2.5%、2.5%～3.5%等時，在元素后面相應標出2、3等。例如，20Mn2表示碳的平均質量分數為0.20%，平均錳的質量分數為2%的合金滲碳鋼。如果是高級優質合金結構鋼，則在牌號的末尾加符號“A”，例如18Cr2Ni4WA。
合金滲碳鋼通常經滲碳、淬火及低溫回火后使用，主要用于表面要求高硬度、高強度、高耐磨，心部具有較高的韌性，且能承受沖擊載荷的零件（如變速齒輪、齒輪軸、活塞銷等）。常用合金滲碳鋼有20Cr、20CrMnTi、18Cr2Ni4W等。
（2）合金調質鋼 合金調質鋼通常是指經調質處理后使用的中碳合金鋼，其碳的質量分數為0.25%～0.50%，合金調質鋼牌號的表示方法與合金滲碳鋼相同，也用“兩位數字+合金元素符號+數字”表示。
合金調質鋼主要用于要求高硬度、良好塑性與韌性相配合的重要零件，如主軸、曲軸、連桿、重要螺栓、重要齒輪等。如果有些零件還要求工作表面有較高的硬度和耐磨性時，經調質處理后，可再進行感應淬火加低溫回火。常用合金調質鋼的牌號有40Cr、40MnVB、38CrMoAl、30CrMnSi等。
（3）合金彈簧鋼 用于制造各種彈簧或彈性零件的合金鋼稱為合金彈簧鋼，其碳的質量分數一般為0.45%～0.70%。合金彈簧鋼牌號的表示方法與合金滲碳鋼相同，也用“兩位數字+合金元素符號+數字”表示。
應用最廣泛的合金彈簧鋼是硅錳類合金彈簧鋼（硅錳彈簧鋼），如55Si2Mn、60Si2Mn，它們廣泛用于制造汽車、拖拉機、機車車輛的螺旋彈簧、板簧及其他高應力下工作的重要彈簧。
（4）滾動軸承鋼 滾動軸承鋼主要用于制造滾動軸承中的滾動體（滾珠、滾柱、滾針）和套圈，其碳的質量分數一般為0.95%～1.15%，以便淬火后得到高碳馬氏體，從而使滾動軸承鋼具有高硬度和高強度。
滾動軸承鋼牌號用“G+Cr+數字”表示。其中，“G”是漢字“滾”拼音首字母；“Cr”是合金元素鉻的化學符號；“數字”表示鋼中鉻的平均質量分數為千分之幾。例如，GCr15表示鉻的平均質量分數為1.5%的滾動軸承鋼。
滾動軸承鋼中元素鉻的質量分數一般為0.40%～1.65%，其作用是提高鋼的淬透性，并形成彌散分布的碳化物，從而提高鋼的耐磨性和接觸疲勞強度。大型軸承還加入元素錳、硅等，以進一步提高鋼的淬透性。
我國目前應用最廣泛的滾動軸承鋼是GCr15（主要用于制造中、小型軸承）和GCr15SiMn（主要用于制造較大型軸承）。滾動軸承鋼還可用于制造高耐磨性和較高疲勞強度的零件，如磨床主軸、冷沖模、絲杠、精密量具、絲錐、板牙等。
3.合金工具鋼
合金工具鋼按用途分為合金刃具鋼、合金量具鋼和合金模具鋼，合金模具鋼又分為熱作模具鋼、冷作模具鋼和塑料模具鋼。這類鋼是在碳素工具鋼的基礎上加入適量合金元素制成，因此比碳素工具鋼具有更高的硬度、耐磨性和韌性，特別是具有更好的淬透性、淬硬性、熱硬性和回火穩定性等，可用于制造截面大、形狀復雜、性能要求高的工具。
合金工具鋼牌號的表示方法與合金結構鋼相似，只是碳含量的表示方法不同。當wC≥1%時，其碳含量不標出；當wC<1%，則用一位數字表示鋼中平均碳含量為千分之幾。例如，Cr12MoV表示wC≥1%，wCr=12%，wMo、wV<1.5%的合金工具鋼（鉻鉬釩鋼）；9SiCr表示wC=0.9%，wSi、wCr<1.5%的合金工具鋼（硅鉻鋼）。
合金工具鋼都是高級優質鋼，所以合金工具鋼牌號后面不再標出符號“A”。
（1）合金刃具鋼 刃具工作時與工件摩擦劇烈并產生大量切削熱，因此合金刃具鋼要求高硬度、高耐磨，并應有良好的熱硬性、足夠的強度和韌性。合金刃具鋼分為低合金刃具鋼和高速鋼兩種。
1）低合金刃具鋼。這類鋼的最高工作溫度不超過300℃，主要用于制造形狀復雜的低速切削工具，如絲錐、板牙、鉸刀等，也常用于制造沖模、量規等。常用的牌號有9SiCr、CrWMn、9Mn2V等。
2）高速鋼。這類鋼加入大量的W、Mo、Cr等元素，經高溫淬火和回火后，具有很高的硬度、耐磨性和熱硬性，工作溫度可達600℃，主要用于制造各種高速切削刀具，如銑刀、車刀、鉆頭、齒輪刀具等。常用牌號有W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2等。
（2）合金量具鋼 由于量具在使用中經常與被測零件接觸和碰撞，容易磨損，因此要求量具工作部分具有高硬度（62～65HRC）、高耐磨性、高尺寸穩定性，以及足夠的韌性。
常用的量具用鋼有碳素工具鋼和合金鋼。碳素工具鋼（如T8A、T10A等）價格低，經淬火和低溫回火后能獲得高硬度和高耐磨性，但長時間使用和存放會產生尺寸改變，所以只適于制作尺寸較小、形狀簡單、精度要求不高的量具，如量規、卡規等。9SiCr、CrWMn、GCr15等則常用于制作精度高、形狀復雜的精密量具，如量塊、塞規等。合金鋼經滲碳淬火處理后也可以制作精度要求不高、耐沖擊的量具。
此外，不銹鋼、冷作模具鋼也常用于制作量具。
（3）冷作模具鋼。冷作模具鋼是用于制造沖模、冷擠壓模和拔模等冷態金屬成型的模具用鋼。這類鋼經淬火、回火后使用，具有高硬度、高耐磨性，以及足夠的強度和韌性，且淬透性好，淬火變形小。常用冷作模具鋼的牌號、熱處理、性能及用途見表1-6。
表1-6 常用冷作模具鋼的牌號、熱處理、性能及用途
由于冷作模具鋼的性能要求與合金刃具鋼基本相近，因此尺寸較小或形狀不太復雜的模具可用低合金刃具鋼制造，如9SiCr等。此外，高速鋼也可用于制造沖模、冷擠壓模等。
（4）熱作模具鋼 熱作模具鋼是用于制造熱鍛模、熱擠壓模和壓鑄模等使熱態金屬或合金在壓力下成形的模具用鋼。熱作模具型腔的工作溫度可達600℃以上，工作中除承受大的沖擊載荷外，還受到很大的壓應力、拉應力、彎曲應力，以及熾熱金屬在模腔中流動所產生的強烈摩擦力。因此要求熱作模具鋼在高溫下能保持足夠的硬度、強度、韌性和耐磨性，同時還應具有高的抗氧化性和抗熱疲勞能力。
熱作模具鋼中碳的質量分數一般為0.3%～0.6%，屬中碳合金鋼。常用的熱鍛模具鋼的牌號有5CrMnMo和5CrNiMo，后者淬透性比前者好，其他性能相似。5CrMnMo適于制造中、小型熱鍛模，5CrNiMo適于制造大、中型熱鍛模。常用的壓鑄模具鋼的牌號有3CrW8V、4CrW2Si等。
（5）塑料模具鋼 塑料模具鋼是指用于制造塑料模具的鋼種，其工作溫度通常不超過200℃。按塑料制品的成型方法可將塑料成型模具分為壓塑模具、擠塑模具、注射模具、吹塑模具等。工作時，模具持續受熱、受壓，并受到一定程度的摩擦和有害氣體的腐蝕，因此要求塑料模具鋼在200℃時具有足夠的強度和韌性，較高的耐磨性和耐蝕性，良好的加工性、拋光性、焊接性及熱處理工藝性能。
一般的中、小型且形狀不復雜的塑料模具，可用T7、T8、12CrMo、CrWMn、20Cr、40Cr、Cr12等鋼制造，但這些鋼難以全面具備上述要求，因此發展了塑料模具鋼系列，常用的塑料模具鋼有3Cr2Mo，3Cr2MnNiMo。
4.特殊性能鋼
特殊性能鋼是指具有特殊物理、化學性能，并兼有一定力學性能的合金鋼，包括不銹鋼、耐熱鋼和耐磨鋼等。
（1）不銹鋼 不銹鋼是指能抵抗大氣、酸、堿或其他介質腐蝕的合金鋼。不銹鋼牌號的表示方法與合金結構鋼相同，即用“數字+合金元素符號+數字”表示。其中，前面的“數字”表示鋼中碳的平均質量分數為萬分之幾，如12Cr18Ni9、06Cr19Ni10,分別表示其碳的平均質量分數相應為0.12%、0.06%。合金元素符號及后面的數字含義與其他合金鋼相同，如30Cr13表示碳的平均質量分數為0.30%，鉻的平均質量分數為13%的不銹鋼。
不銹鋼按其金相顯微組織的不同分為鐵素體型、馬氏體型和奧氏體型三種。
①鐵素體型不銹鋼。如10Cr17、10Cr17Mo等，主要用做化工設備中的容器、管道等。
②馬氏體型不銹鋼。主要牌號有12Cr13、20Cr13（碳含量較低），主要用于力學性能要求較高、抗蝕性要求較低的構件，如汽輪機葉片及醫療器械等；30Cr13、40Cr13（碳含量較高），主要用于要求硬且耐磨的醫用手術工具、量具、不銹鋼軸承及彈簧等。
③奧氏體型不銹鋼。主要牌號有06Cr19Ni10、12Cr18Ni9、06Cr17Ni12Mo2等，主要用于制作耐蝕性要求高及冷變形成形后需要焊接的輕載零件，如化工設備里面的零件及管道等，也可在儀表、發電等行業中用于制作無磁性的耐蝕零件。這類鋼主要是通過冷變形加工來提高其強度，而不能采用熱處理強化。
常用不銹鋼的牌號及用途見表1-7。
表1-7 常用不銹鋼的牌號及用途
（2）耐熱鋼 具有良好耐熱性的鋼稱為耐熱鋼。常用耐熱鋼的牌號有15CrMo和12CrMoV，主要用于300～500℃條件下工作的鍋爐、石油熱裂裝置、氣閥等零件；4Cr9Si2和4Cr10Si2Mo，常用于制造受高溫廢氣腐蝕及承受沖擊、磨損的排氣閥等零件（又稱閥門鋼）；12Cr18Ni9和22Cr12NiWMoV，因其含有較多鉻、鎳元素，是一種廣泛應用的熱強鋼，通常用于鍋爐、汽輪機、內燃機和熱處理爐中的某些零件。
（3）耐磨鋼 耐磨鋼是指具有高耐磨性的鋼種，最常見的是高錳鋼。它在強烈沖擊載荷作用下能發生硬化，其碳的質量分數為1.0%～1.3%，錳的質量分數為11%～14%。
高錳鋼加熱到1000～1100℃，水淬后可獲得單相奧氏體組織，此時的硬度并不高（180～220HBW），當它在很大壓力作用下產生強烈摩擦或沖擊時，工件表層的奧氏體將迅速發生塑性變形而產生加工硬化，并出現馬氏體轉變，從而使表層硬度顯著提高（550HBW以上），耐磨性增強。當表面硬化層磨掉后，新露出的表面又將發生上述轉變，使其具有高耐磨性。
高錳鋼的壓力加工和切削加工都很困難，一般都是直接鑄成零件，經淬火后使用。高錳鋼主要用在強烈摩擦與撞擊條件下工作的零件，如制作坦克及拖拉機的履帶、挖掘機鏟齒、推土機擋板、鐵路道岔及破碎機上的顎板等，其牌號按GB/T 5680—2010《奧氏體錳鋼鑄件》規定，常用牌號有ZG100Mn13、ZG120Mn13等。