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钢板中各种元素对钢板性能等的影响

发布时间:2018/6/19 9:35:30 发布者:舞阳钢铁 浏览次数: 分类:技术新闻

1、碳(C):钢中含碳量增加,屈服点和抗拉强度升高,但塑性和冲击性降低,当碳量0.23%超过时,钢的焊接性能变坏,因此用于焊接的低合金结构钢,含碳量一般不超过0.20%。碳量高还会降低钢的耐大气腐蚀能力,在露天料场的高碳钢就易锈蚀;此外,碳能增加钢的冷脆性和时效敏感性。

2、硅(Si):在炼钢过程中加硅作为还原剂和脱氧剂,所以镇静钢含有0.15-0.30%的硅。如果钢中含硅量超过0.50-0.60%,硅就算合金元素。硅能显著提高钢的弹性极限,屈服点和抗拉强度,故广泛用于作弹簧钢。在调质结构钢中加入1.0-1.2%的硅,强度可提高15-20%。硅和钼、钨、铬等结合,有提高抗腐蚀性和抗氧化的作用,可制造耐热钢。含硅1-4%的低碳钢,具有极高的导磁率,用于电器工业做矽钢片。硅量增加,会降低钢的焊接性能。

3、锰(Mn):在炼钢过程中,锰是良好的脱氧剂和脱硫剂,一般钢中含锰0.30-0.50%。在碳素钢中加入0.70%以上时就算“锰钢”,较一般钢量的钢不但有足够的韧性,且有较高的强度和硬度,提高钢的淬性,改善钢的热加工性能,如16Mn钢比A3屈服点高40%。含锰11-14%的钢有极高的耐磨性,用于挖土机铲斗,球磨机衬板等。锰量增高,减弱钢的抗腐蚀能力,降低焊接性能。

4、磷(P):在一般情况下,磷是钢中有害元素,增加钢的冷脆性,使焊接性能变坏,降低塑性,使冷弯性能变坏。因此通常要求钢中含磷量小于0.045%,优质钢要求更低些。

5、硫(S):硫在通常情况下也是有害元素。使钢产生热脆性,降低钢的延展性和韧性,在锻造和轧制时造成裂纹。硫对焊接性能也不利,降低耐腐蚀性。所以通常要求硫含量小于0.055%,优质钢要求小于0.040%。在钢中加入0.08-0.20%的硫,可以改善切削加工性,通常称易切削钢。

6、铬(Cr):在结构钢和工具钢中,铬能显著提高强度、硬度和耐磨性,但同时降低塑性和韧性。铬又能提高钢的抗氧化性和耐腐蚀性,因而是不锈钢,耐热钢的重要合金元素。

7、镍(Ni):镍能提高钢的强度,而又保持良好的塑性和韧性。镍对酸碱有较高的耐腐蚀能力,在高温下有防锈和耐热能力。但由于镍是较稀缺的资源,故应尽量采用其他合金元素代用镍铬钢。

8、 钼(Mo):钼能使钢的晶粒细化,提高淬透性和热强性能,在高温时保持足够的强度和抗蠕变能力(长期在高温下受到应力,发生变形,称蠕变)。结构钢中加入钼,能提高机械性能。 还可以抑制合金钢由于火而引起的脆性。在工具钢中可提高红性。

9、钛(Ti):钛是钢中强脱氧剂。它能使钢的内部组织致密,细化晶粒力;降低时效敏感性和冷脆性。改善焊接性能。在铬18镍9奥氏体不锈钢中加入适当的钛,可避免晶间腐蚀。

10、钒(V):钒是钢的优良脱氧剂。钢中加0.5%的钒可细化组织晶粒,提高强度和韧性。钒与碳形成的碳化物,在高温高压下可提高抗氢腐蚀能力。

11、钨(W):钨熔点高,比重大,是贵生的合金元素。钨与碳形成碳化钨有很高的硬度和耐磨性。在工具钢加钨,可显著提高红硬性和热强性,作切削工具及锻模具用。

12、铌(Nb):铌能细化晶粒和降低钢的过热敏感性及回火脆性,提高强度,但塑性和韧性有所下降。在普通低合金钢中加铌,可提高抗大气腐蚀及高温下抗氢、氮、氨腐蚀能力。铌可改善焊接性能。在奥氏体不锈钢中加铌,可防止晶间腐蚀现象。

13、钴(Co):钴是稀有的贵重金属,多用于特殊钢和合金中,如热强钢和磁性材料。

14、铜(Cu):武钢用大冶矿石所炼的钢,往往含有铜。铜能提高强度和韧性,特别是大气腐蚀性能。缺点是在热加工时容易产生热脆,铜含量超过0.5%塑性显著降低。当铜含量小于0.50%对焊接性无影响。

15、铝(Al):铝是钢中常用的脱氧剂。钢中加入少量的铝,可细化晶粒,提高冲击韧性,如作深冲薄板的08Al钢。铝还具有抗氧化性和抗腐蚀性能,铝与铬、硅合用,可显著提高钢的高温不起皮性能和耐高温腐蚀的能力。铝的缺点是影响钢的热加工性能、焊接性能和切削加工性能。

16、硼(B):钢中加入微量的硼就可改善钢的致密性和热轧性能,提高强度。

17、氮(N):氮能提高钢的强度,低温韧性和焊接性,增加时效敏感性。

18、稀土(Xt):稀土元素是指元素周期表中原子序数为57-71的15个镧系元素。这些元素都是金属,但他们的氧化物很象“土”,所以习惯上称稀土。钢中加入稀土,可以改变钢中夹杂物的组成、形态、分布和性质,从而改善了钢的各种性能,如韧性、焊接性,冷加工性能。在犁铧钢中加入稀土,可提高耐磨性。


1.Al
(1)Al当钢中其含量小于3~5%时,是一有益的元素。其作用是:高的抗氧化性和电阻。
①作为强烈脱氧剂加进的Al,可生成高度细碎的、超显微的氧化物,分散于钢体积中。因而可阻止钢加热时的晶粒长大(含Al<10%,在加热<1200℃才有细化作用,否则其作用甚小)和改善钢的淬透性。所以这些氧化物成为结晶的中心,而在钢冷却时又对A体分解起促进作用。
②作为合金元素,有助于钢的氮化,因而可提高钢的热稳定性。所以AlN本身在加热时具有高稳定性,①与②都有利于减弱钢的过热倾向。
③可改善钢的抗氧化性,考虑②和③,
④能提高钢的电阻,与Cr共同用于制造高电阻铬铝合金:如Cr13Al4、1Cr17Al5、1Cr25Al5。Al使电阻增高的程度比Cr还高的多。在Cr钢中加Al,会粗晶易脆,所以其量一般不超过5%,个别才有8~9%。
⑤对硅钢而言,Al可减少α铁心损失,降低磁感强度,与氧结合可减弱磁时效现象,但Al的氧化物会使磁性变坏。Al(>0.5%)也会使硅钢变脆。
(2)Al的不良影响
①促进钢的石墨化,减少合金相中的碳溶浓度,所以硬度、强度降低。
②加速脱碳
   当Al含量增加至3~5%时,8~9%将会大大地促进钢锭的柱状结晶过程。因此而大大增加钢的机械热加工的困难,也使钢极易脱碳。(其热加工之所以困难是因为该合金钢锭具有粗晶结构,且其晶体的解理极弱,所以导热性低,加热时容易出现大的温度差而锻裂,甚至钢锭的去皮加工都会使其晶界氧化而破坏。此外,它在800℃以上的高温长时间停置也极易变脆。
一般合金钢中含Al量:
合金结构钢:   Al=0.4~1.1% (38CrAlA、38CrMoAlA、38CrWVAlA等)
耐热不起皮钢:Al=1.1~4.5% (Cr13SiAl、Cr24Al2Si、Cr17Al4Si等)
电热合金: Al=3.5~6.5% (Cr13Al4、1Cr17Al5、Cr8Al5、0Cr17Al5等)
            甚至Al=8% Cr7Al7:考虑电热合金受荷不大,虽有脆性,仍可使用.

2. Si
(1)一般合金钢中的Si含量不会高于3.5%,更多时(4.8~6.5%)将使钢具有很高的脆性。
Si的有益作用:高的热强性和弹性极限,高的导磁率,涡流损失少。
①象Al、Cr一样,其氧化物均是尖晶石类型的组织。其晶格常数与α-Fe、γ-Fe区别小。因为其氧化物与金属分界处的晶胞之间就紧密而强固地结合在一起,氧化皮紧密地被贴在金属上,甚至在高温下也不剥落。所以它具有很强的抗氧化性和耐热性能,而被加入耐热钢。
②有利于提高钢的弹性极限,在中碳钢中加入1~2%的Si,调质中σb将增15~20%,而Aku也提高了,还提高了σs和δ。
③利于促进钢中石墨化而用于炼制石墨钢。此钢可制轴承,甚至作为工具钢代替,制冲头,拉模、弯曲模等。
④脱氧能力较强,是炼钢常用的脱氧剂,故一般钢中均含Si,其量≤0.5%。
⑤硅可减小晶体的各向异性,使磁化容易,使磁阻减小,它还可减轻钢中其他杂质对磁场磁感的危害(使%C石墨化,脱氧,与N形成氢化硅等)。所以可大大减少涡流损失。由于硅的脆性,目前高硅钢片硅含量规定为低于4.5%,最多只为4.8%,正在研究提高至6.5%。
⑥硅可显著地减慢回火马氏体在低温(200℃)时的分解速度。(在较高温度即400~500℃则作用并不显著)Si是铁素体形成元素,多加Si会使A-α转化。
(2)Si的不良影响
①促使石墨化,促进脱碳(它是阻止碳化物形成的一种元素),含Si钢一般不作渗碳。
②促进回火脆性的发展,使塑性降低。
Si对冲击韧性和韧性的温度储量的影响不是等值的。
当Si=1~1.5%时作用尚良好。Si=2.5~3%时则影响不良,含Si=2~2.5%,则难以锻造。
当Si≤2.3%时,矽铬钢对回火脆性的敏感性还很低,但对当Si=2.5~3.5%时,对回火脆性和敏感性就高。用这种钢必须采取韧性处理(回火后在水中浸渍,锻时用少韧处理),而当Si>3.5%时,甚至持用韧性处理也已不能消除矽铬钢的脆性。(不过,Mo的加入可使其脆性稍许改善),SI=4%时,室温下即可能脆裂。
③对碳素工具钢,Si含量上升时,将降低其淬透性等级。一般结构钢中均不宜加Si,对于高速钢,不大于0.4%。
④由于硅的存在,使钢中增碳困难,并使渗碳速度降低,所以此类钢多不作渗碳处理。
⑤硅锰结合,Mn可下降,因为Si引起的脱碳,Si有微弱的抑制晶粒长大的作用,可稍下降,Mn引起的调质粗晶,有相互改善作用,但易生白点,应注意冶炼时原材料的干燥烘烤。
⑥硅在钢中还常以Fe、Mn的硅酸盐类夹杂物而存在,均会降低钢的各种性能,塑性比硫化物低。这类夹杂物透光度很高,而反光度则低,故显微镜下常呈灰黑色。
(3)一般合金钢中Si含量:
一般碳钢:Si<0.5%
合金结构钢: Si =0.9~1.6% (27SiMn、40CrSi、20CrMnSi、35CrMnSiA等)
弹簧钢:     Si =1.5~2% (55Si2Mn、60Cr2Mn等)
轴承钢:     Si =0.4~0.7% (GCr9SiMn、GCr15SiMn、GCr6SiMn等)
工具钢:     Si =0.65~1.8% (SiMn、9SiCr、5SiMnMoV、6SiMoV等)
耐热钢:     Si =1~4.3% (Cr17Al4Si、Cr20Si3、4Cr9Si2、4Cr3Si4等)
电机硅钢片: Si =0.8~1.8% 、1.8~2.8%、2.8~3.8%、3.8~4.8%为低、中、较高、高级硅钢片

3、Mn
(1)锰的有益作用是高的强度和耐磨性),淬透、渗碳、冷工硬化。
14%(高耐磨钢),17~19%(护环钢)
① 作为炼钢的脱氧剂用,因为一般钢中均含Mn,其量≤0.7%。
② Mn和S作用抵消S对铁的红脆影响。
③ Mn对各类钢的作用是:

珠光体Mn钢:可提高其强度和耐磨性,塑性亦不错。所以它能细化珠光体组织。(对含碳量较高的钢,Mn↑,塑性稍有降低。对低碳钢则含Mn↑,而韧性↑。
奥氏体Mn钢:有足够高的塑性和很高的耐磨性。所以Mn能增加奥氏体的稳定性,扩大γ相区得奥氏体。降低淬火时的临界冷却速度。降低钢的临界点(A1和A3)同碳量碳素钢低25~30℃,所以可提高钢的淬透性,淬火时的变形也比较小,因此适于制大截面和复杂的零件。Mn=5%时,Mn降至0℃。
马氏体Mn钢:易使之发脆、淬裂。Mn易溶于铁素体内,形成弱碳化物其稳定性不强。所以加热过程中极易完全溶入奥氏休中,加之其临界点又低,所以晶粒极易粗化、极易淬裂,为此应严格控制淬火加热温度和保温时间,一般均以油淬或流动空气中冷却为宜,只有形状简单件才好用水淬。
调质钢:将降低其塑性(回火脆性影响)。
渗碳钢:Mn的存在能促进渗碳作用,所以能大大提高钢的表面硬度与耐磨性,尤其可贵的是在渗碳时表面软点较少,也不改变过分增碳的倾向。(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造成的心部过热)。
结构钢:将促使其回火脆性增强。
工具钢:加入约1%Mn,可减少淬火时的体积变形,这对于精密工具和长形工具来说有重要的意义。(如CrMn、CrWMn钢等)。
④ Mn可改善钢的焊接性和低温性能,还可减慢钢的脱碳作用。
⑤ Mn量中还可适当改善钢的切削性能。
⑥ 对某些钢,Mn的作用可代Ni,能扩大γ相区得奥氏体,如模具钢(增强淬透性)、奥氏体钢等。
⑦ 高锰钢对冷工硬化敏感,可提高钢的强度和耐磨性。(Mn=10~14%,而C=1~1.4%)
⑧ 铬锰奥氏体钢的热强性很好,甚至可超过Cr、Ni钢,加4%Cr、Ni红热耐磨性更好。Mn价廉。
(2)锰的不良影响是:
① 增加钢的过热敏感性(粗晶):这是由于含Mn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,Mn钢的临界点亦较低,所以就易粗晶了。为此锻造和热处理加热都要严格控制加热温度和保温时间。所有合金元素中,Mn是不能减低奥氏体晶粒长大倾向的元素,相反引起粗晶。
② 增强钢对白点的敏感性,故要缓冷。(含C>0.3%时影响即较大)
③增强回火脆性,且易形成带状和纤维组织。故纵、横向性能差较大(Mn>2.4% 延伸率↓↓)
④ 高锰钢熔点低(Mn13~14%,T熔1350~1400℃)平均线膨胀系数大(相当于钢类矽钢的1.9倍),导热系数小(约为同类矽钢的1/3~1/4),热加工稍难。

⑤ 高锰钢在冷速不够时,易生成块状碳化物沿晶界析出,使钢变脆,采用水淬速冷时,可使碳化物来不及析出,得到均匀奥氏体组织,性能改善。但因为含Mn量高,导热性差,速冷则温差应力大而易淬裂,所以淬火次数不宜多。
(3)含Mn钢的分类
① 碳钢:a、正常含Mn量碳钢
Mn=0.25~0.8%
B、较高含Mn量碳钢
Mn=0.7~1.0%
及0.9~1.2%
② 锰钢:
Mn=1.1~1.8%
少数 ~2.4%
③ 高锰钢:
Mn=13~14%
(C=1.0~1.3%)
注:Mn<1.2%为炼钢脱氧及稍许改变钢性能,作一般矽钢。Mn=1.1~1.8%或2.4%为具高塑性、耐磨性,强度而被采用。Mn=2.4~13%为粗晶极脆而不可用。Mn=13~14%为冷工硬化而成为高耐磨钢。
4、Ni
(1)镍的有益作用是:高的强度、高的韧性和良好的淬透性、高电阻、高的耐腐蚀性。
① 一方面既强烈提高钢的强度,另方面又始终使铁的韧性保持极高的水平。其变脆温度则极低。(当镍<0.3%时,其变脆温度即达-100℃以下,当Ni量增高时,约4~5%,其变脆温度竞可降至-180℃。所以能同时提高淬火结构钢的强度和塑性。含Ni=3.5%,无Cr钢可空淬,含Ni=8%的Cr钢在很小冷速下也可转变为M体。
② Ni的晶格常数与γ-铁相近,所以可成连续固溶体。这就有利于提高钢的淬硬性,Ni可降低临界点并增加奥氏体的稳定性,所以其淬火温度可降低,淬透性好。一般大断面的厚重伯都用加Ni钢。当它同Cr、W或Cr、Mo结合的时候,淬透性尤可增高。镍钼钢还具有很高的疲劳极限。(Ni钢有良好的耐热疲劳性,工作在冷热反复。σ、αk高)
③ 在不锈钢中用Ni,是为了使钢具有均匀的A体组织,以改善耐蚀性。
④ 有Ni钢一般不易过热,所以它可阻止高温时晶粒的增长,仍可保持细晶粒组织。
⑤ 含Ni量相当高的钢,其热膨胀系数很小而用作不变钢(Ni36%)和代用白金(Ni42%)。
⑥ 含Ni更高时,与Cr结合作高电阻合金(Cr15Ni60、Cr20Ni80)。
⑦ Ni和V一样,对脱碳过程没有影响。
Ni本身不是有效的抗氧化学元素,所以很少单独用作不锈钢的合金元素,但对浓苛性碱有好的作用。
⑨ Ni可提高A体钢的蠕变抗力,但还一定值作用则减弱,须加入别的合金元素,通过固溶强化或沉淀硬化的途径来解决。
⑩ Cr、Ni钢的焊接性能和低温性能也不错。
(2)Ni的不良作用:
① Ni不能提高铁素体的蠕变抗力,相反会使珠光体M体钢热脆性增大。所以珠光体、马氏体钢不加镍。
② 含硫气氛中的Ni钢耐蚀性也不及无Ni钢,因硫化镍会引起钢的赤热脆性。
③ 铬镍钢容易感受回火脆性和易形成白点(前者可在回火后采用速冷防止,后者应采用正确的熔炼规范和锻造、冷却规范防止。)
④ 对高速钢,因为它降低了它的硬度而被视为有害杂质,当Ni≈2%时或更高时,由于其抗600~660℃回火稳定性降低而热硬性变坏(使A体稳定不分解),所以硬度降低。
⑤ 同样,因为Ni降低钢之淬火层的硬度,在轴承钢中也不希望有它,Ni不大于0.30%,且Ni+Cu不大于0.50%(Cu不大于0.25%)。
⑥ Ni虽可提高电阻,促使矽石墨化,但会降低磁感和最大磁导率。所以硅钢片也不希望有Ni。
⑦ Ni在我国早,价钱高。
⑧ Ni钢氧化容易起鳞,所镍钢的氧化铁皮粘在钢表面上不易脱落。
(3)一般合金钢中的Ni含量:
渗碳钢:含C=0.15~0.25%
Ni=1~4.5%
调质钢:含C=0.35~0.55%
Ni=1~1.75%
不锈钢:含Ni≤2% M体不锈钢,含Ni=8~18% A体不锈钢。含Ni=2~8% M-P体类不锈钢。
耐热不起皮钢:含Ni达9~36%,属A 体钢。
磁钢:含Ni<25%的(Ni25、Ni9Mn9等)为弱磁性钢,用930~1000℃淬火能很好不被磁化,可用于制机器,仪表等不应被磁化零件(电机环、指南针盒、电阻等)。
含Ni=25~30%的是陈化磁性钢,它具有非常高的磁性,当残余磁感应为5000~7500高斯时,矫顽磁力可达500~700奥斯特甚至1000,但它具有高的脆性(和硬度),所以多做铸造磁铁。
含Ni=35~37%的是恒范合金(不变合金)
Ni=42~44%的是类铂合金。
含Ni=50~80%的是高导磁率的合金,(但要很纯,才能发挥作用)
5、Cr
(1)铬的有益作用:具有许多有价值的性能:高硬度、高强度、屈服点、高的耐磨性而对塑性、韧性影响又不大,高的抗氧化性,耐蚀性,还能提高电阻和导磁率等等。
1)Cr是中等碳化物形成元素,在所有各种碳化物中,铬碳化物是最细小的一种,它可均匀地分布在钢体积中,所以具有高的强度、硬度、屈服点和高的耐磨性。由于它能使组织细化而又均分布,所以塑性、韧性也好,这对工具钢尤有价值。
2)Cr的碳化物也较难溶解,在短时间加热下有阻碍晶粒长大作用,长时间渗碳还会粗晶。所以可减小过热敏感效应。
3)Cr可使A 体分解速度减缓,降低淬火时的临界冷却速度,因而有助于M体形成和提高M体的稳定性,所以Cr钢均有优良的淬透性,且淬火变形较小。注意:Cr是铁素体形成元素,缩小γ区,所以在没A体化元素存在时,高Cr钢将呈铁素体组织。
4)Cr与W或Mo结合,能使淬火钢中残余奥氏体增加,而有助于获得需要粉碎程度的碳化物相。
5)Cr能大大提高结构钢的强度和塑性,这种影响在Cr与Ni结合的钢中尤其显著。如12CrNi3N等。
6)Cr≥12%时,有好的耐蚀性,再加8~9%的Ni,耐蚀性更会大大提高。Cr提高耐蚀能力的作用随含碳量增加而会有所降低,因为Cr与C结合后不起作用。
7) Cr≥25~30%时,有好抗氧化性。如Cr=27~28%即可作1300℃的热电偶温度计的防护罩,当Cr与Si、Al结合时,甚至Cr相当少而抗氧化性也很高。如Cr 6~10%+Si 2~3%就有高的耐热性和抗氧性。
8)Cr、Al结合(1Cr17AL5、Cr13AL4等)及Cr、Ni结合(如Cr15Ni60、Cr20Ni80等)均有很高的电阻。
9)Cr能提高钢的矫顽力和阻止钢的组织时效,所以Cr钢用于制造永久磁铁。
10)Cr价较低。
11)因为Cr可形成稳定的碳化物,减缓碳的扩散和生成紧固的氧化皮膜,所以可降低脱碳作用。
12)含Cr>2.5%的多元素合金钢。(18Cr3MoWVA、20Cr3MoWVA等)是良好的抗氢蚀钢。
含Cr<0.08% 这是石墨钢的要求,所以Cr是阻止石墨化的一种元素。
含Cr≯1.2%
低合金高强度钢(一般Mn钢和SiMn钢)
含Cr=0.5~1.65% 作轴承钢(C≈1%)——其合金含量低,价廉,而又具有高强度、高耐磨性、良好的耐疲劳性和淬透性,且热处理也简便。
含Cr=3~10%的钢——Cr对钢强度和韧性的影响是Cr<2%时逐渐增强到2%时,强化作用最为显著。但超过此限则会损害其热强性。3~10%时最为明显,当含Cr>12%时,则强度又复升高。但是当含Cr量增至3%时,由于其马氏体回火稳定性显著增高。所以有较高的硬度和耐磨性而用于模具。当含Cr量增至3%时,其与含C1%的磁性配合也最好。所以又用作磁钢。含Cr4%而与18%W及1%V结合可得到很好的红硬性(620℃ HRC=60),所以广泛用于高速工具钢中,含Cr5%的钢(含C1%)即可空气中淬火。含Cr5~6%及含Cr6~10%且含Si2~3%的矽铬钢,尽管强度不是很高,但亦具有足够的耐热性和抗氧化性而用于气阀中及石油、化学工业(氨合成设备等)。
含Cr=12~14%的钢是最典型的不锈钢(1Cr13~4Cr13)它们都有较高的抗蚀力,强度也不错,面Cr12、Cr12Mo等则是典型的具有高淬透性和高耐磨性的模具钢。(此类多属马氏体钢)
含Cr=16~18%的钢有的只具单相(铁素体),有的双相(M体—铁素体),此类具单相的Cr钢耐蚀力比含Cr=12~14%的钢还高。如Cr17、9Cr18等,如再加8~9%的Ni其耐蚀力又将大大增高。如1Cr18Ni9、1Cr18Ni9Ti等都是典型的不锈钢、耐酸性较好,CrNi钢的缺点是有晶间腐蚀,加Ti、Nb可改善。
含Cr=23~32%的钢具有很好的抗蚀稳定性,极高的抗氧化性,甚至在普通温度下能抵抗浓硝酸、浓磷酸、浓硫酸的浸蚀。含Cr 27~28%的钢可作1300℃的热电偶温度计的防护罩。这类钢是纯铁素体钢,所以不能通过热处理改变其组织及性能。且再结晶温度较低,粗晶作用较强,有高的脆性,所以不能作受振及打击零件。加入Mo、W、V可适当改变性能。减少Cr含量,加Si量可提高其热强度如Cr9Si2、Cr10Si2Mo等。加Ni也成,如Cr20Ni14Si、Cr25Ni20、Cr18Ni25Si、Cr14Mn14W、Cr18Ni6Mn5等等。
Cr不同于Mn、Ni,它是缩小γ区的合金元素。(它同α-Fe都具有体心立方晶格,且自熔点1849℃至绝对0oK,纯铬均为这一晶格不变),所以随含Cr量增加Ac3虽也从910℃开始降低,但其速很慢,而Ac4却从1400℃迅速降低,至含铬达8%时Ac3为850℃已为最低。含Cr再增加,Ac3即迅速上升。当含Cr量达13%时,Ac3与Ac4会合为一点,γ区被封闭,所以含Cr>13%时变为纯铁素体相,不再发生转变,用热处理也不能再改变其晶粒尺寸。——即为铁素体钢。当Cr量继续增加,约在25~60%特别是45~48%区域,当温度低于950℃时(多在820℃)慢冷,将会析出一种无磁性脆性组分——σ相。这些在进行二次加热后将会游离析出,致使得在固溶体中产生巨大体积改变造成颇大应力,故极脆。但在950℃以下急冷时,σ相可由于固溶体内不析出,影响则较小。δ相问题:有人指出,当Cr和C含量搭配时,特别在含左右时,将极易生成游离态的铁素体即δ相,它将使钢的工艺性能和耐热性降低,所以要很好注意在含Cr=0.11%时,含Cr=10.9%可使δ相量减至最少。
Cr对抗腐性的改善上很有利的,但对抗蠕变的影响则较复杂。因为作耐热钢应注意,当含Cr=1%抗蠕变强度最高。含Cr↑则出现,Cr>C3三方晶格,至Cr=7%抗蠕强降至最低点,当含Cr增至12%时,Cr23C6将取代Cr7C3,抗蠕强(耐热性)可有少许提高,添加V、Nb、Ti可得极细弥散相,对抗蠕强(耐热性)改善极为有利。
6、W
(1)W的良好作用是:
1)细化晶粒,(其作用比Cr还强,所以可降低钢的过热倾向性,提高强度、韧性和热稳定性。
2)提高M体稳定性,大大提高淬透性,18CrNiWN任何冷却速度都能完全淬透,得M体,用W18%与Cr4%配合,M体稳定性可达600℃,保持红硬性。
3)阻止回火脆性发展,所以可提高强度同时不降低塑性,提高韧性。
4)提高淬火钢的矫顽磁力,阻止钢的组织时效。
5)其碳化物极其稳定,高温也难溶进固溶体,所以可作高速工具钢。
6)W钢一般硬度、耐磨性较好,热处理变形小,不易淬裂,回火稳定性也较好。
7)W因能提高A体的稳定性,而用于阀门钢中,缩小γ区,同Cr。
8)可提高珠光体耐热钢的热强性,提高再结晶温度。
9)在高合金Cr、Ni钢中加入2~4%W便可提高钢的屈服点,疲劳强度和热稳定性,并因为形成碳化物而减小晶向腐蚀倾向(Fe3W2和Fe2W都是极稳定的化合物,高度弥散,所以可提高强度、热稳定性。)
(2)W的不良影响:
1)增加脱碳(碳化物稳定)阻止石墨化。
2)W是强碳化物元素,应防止碳化物不均影响性能而成废品(可增加镦拔数及正火处理纠正)。
3)含W>9%时硬度显著提高,而δ、ψ显著降低。
4)W使钢导热率降低,含W>10%其导热率只有纯铁的0.7倍。
5)含W增加,可锻温度范围降低。
(3)一般合金钢中的W的含量:
合金结构钢:W=0.3~1.0% (例20Cr3MoWVA、18Cr3MoWVA等)
耐热不起皮钢:W=0.3~3.2% (上二种为抗氢钢亦属此类,又如Cr15Ni36W3Ti等)
合金工具钢:W=1~18%(CrWMn、W、W2、3Cr2W8V、P9、P18等)
向钢中加入多于20~22%的W,是不合适的。所以超过此值W对钢的性能的改善并没更好的作用,所以多加是不经济的。
一般提到的降低回火脆性的方法有如下几种:
1)在钢中加入0.3~1.0%的Mo或1~1.5%的W。
2)回火时采用快速冷却,用水冷或油冷。
3)提高回火温度,此法因为使性能(强度)下降,得不到充分发挥,所以少用。
4)延长回火时间,或增加重复高温回火的次数。
5)降低淬火温度,或采用二次淬火①AC3以上正常淬火②AC1~AC3之间不完全淬火以消除回火脆性。
6)在钢中加入V(约是钼含量%+0.1%可等效),以提高钢的回火稳定性,抑制回火脆性,不过此作用甚微。
7)采用形变热处理,即加热至AC3以上进行形变(变形度15~20%最佳)后立即淬火回火,韧性提高3倍。
8)高速度(1000℃/秒)加热和冷却,最后二种方法因为生产上很难实现而未被采用。
注:常说的回火脆性是第二类回火脆性(即450~570℃可650~700℃出现的),而第一类回火脆性(250~400℃),所有钢都不可避免的存在,而可用重复回火即能消除,故多不再讨论。
9、Co
(1)Co良好作用是:
1)能细化晶粒,可降低钢的过热倾向性,向高速钢中加Co,可提高其耐用度。
2)能提高钢的热强性(热硬性),它给高速钢增加了合金化的强度和促进回火碳化物形成。
3)能提高磁钢的矫顽力又同时提高它对磁碱留感应值,所以对磁钢有良好的影响(它本身即为磁性物质)。
4)含碳量很高时会促进钢中碳石墨化。
(2)Co的不良影响:
1)含量过高,难以锻造。因为易析出硬而脆的金属化合物。
2)有相当高的脱碳倾向性。
3)价格昂贵,所以下列各种钴钢都很少使用。
4)钴的一个特性是:降低奥氏体的稳定性,促使钢中奥氏体等温转变曲线(C-曲线)左移。
5)因为易析出硬而脆的金属间化合物使机性变坏。
(3)一般合金钢的钴含量:
1)热强钢:含Co=2~4%
(主要是铬钴钼钢组)
2)高速钢:含Co=4.5~10.5%
(BCo5、BCo10等超过10%作用已无显著增加)。
3)磁钢:含Co=2.5~16.5%
(Cr6Co3、Cr6Co5、Cr7Co10Mo、Cr9Co15Mo等)。
10、Ti
(1)钛的有益作用是:
1)能形成很强固的TiC,可稳定到1300℃,有此稳定到高温的高度分散的TiC质点,所以可细化晶粒,降低钢的过热倾向性。
2)能防止产生晶间腐蚀现象,实践知:当Ti:C=5(一般C=0.03)时,效果最佳。当Ti:C=3,抗蠕变强度最高。满足上条件时的钢,因为所有的游离碳都被结合成了强固TiC,所以在加热过程中就不会再沿奥氏体晶界析出碳化铬。否则,晶界碳化铬的生成就将出现晶界固溶体的贫铬区,其电位就相对地降低了,而与固溶体基体和碳化物形成微温差电偶,晶间固溶体本身即为阳极而被腐蚀。晶间腐蚀的程度将随含碳量增加而加强。(粗晶亦易蚀)
3)钛钢易产生时效硬化,含钛量超过2%的低碳合金,其时效硬化就尤其明显。
4)钛可改善不锈钢的焊接性能。
5)Ti是强烈的铁素体形成元素。0.65%Ti就能使γ区完全封闭。它又是强碳化物形成元素。
6)Ti能与S作用,降低硫的热脆作用,这与Mn相似。
(2)钛的不良影响:
1)含Ti钢,特别是低碳之Ti钢,往往因其钢液粘度较大,而使其中非金属加杂,不易分离浮出应一致,在防止造成缺陷应注意。可在冶炼时注意高温操作和钢液的脱氧。
2)淬火钛钢硬度随含Ti量增加而降低。因为TiC非常稳定,甚至加热到1300℃都不能溶入到固溶体而减少了合金固溶体中的碳浓度的缘故。
3)钛与N、O有很大的亲和力而极易成形TiN和TiO2,钢锭在较低温度时,就形成了较多的非金属夹杂和皮下多孔等缺陷。
4)Ti也是铁素体形成元素,所以其含量较多(>2%)就易生成铁素体δ相或其它脆性相而使韧性降低。
5)铜V一样,含Ti达0.05%时就将使硅钢矫顽力降低,这可能是脱氧的作用,它对硅钢还会促进其二次再结晶,这倒可得粗晶而改善磁性。
(3)一般钢中的Ti含量:
1)通常钢中含Ti量取决于它的含碳量,一般约为Ti%=4~8倍*C%。
2)合金结构钢中有铬锰钛钢、不锈钢和耐热钢中也含Ti,一般为0.06%~2%。

11、Nb
(1)铌的有益作用是:
1)能生成高度分散的强固的碳化物NbC(熔点3500℃),所以可细化晶粒,直加热至于1100~1200℃,仍可阻止晶粒长大。
2)同Ti能防止产生晶间腐蚀,实践知,以含Ni=8*C%为佳。
3)能与Fe生成金属间化合物Fe2Nb2,这种化合物在α铁中听溶解度随温度↑而↓,所以含Nb低碳钢能促进时效硬化。
4)加铌可提高低碳钢的抗强度和屈服点(25%),可提高不锈钢的高温抗蚀性和强度,可提高抗酸能力。
(2)铌的不良影响是:
1)同Ti钢,铌钢的硬度亦将随含Nb量↑而↓。
2)Nb虽可细化晶粒而提高钢的韧性,但含量过高时,亦将生成铁素体δ相或其它脆性相,而使其韧性降低,热加工性能变坏。
一般合金钢中的含Nb量:仅不锈钢中含Nb,其量为8~12*C%≤1.5%。
12、Cu
(1)铜的有益作用:
1)能提高钢中奥氏体的稳定性,所以可提高可淬性和淬透性,在A体钢中加2
~4%Cu,可提高抗酸力。
2)有强化铁素体的作用,在铁素体中加Cu,可提高它在某些还原性介质中的耐蚀性和改善钢的韧性。
3)在低合金钢中加入0.20%左右的Cu,特别当和P联合使用时,可提高钢对大气的抗蚀力,当含Cu量超过0.75%时,可以经过沉淀硬化处理提高钢强度。
4)Cu是一种强烈的石墨化元素,用于炼制石墨钢。(Cu钢的时效硬化是因为Cu在α铁中的溶解度变化很大,在830℃时达3.5%,到20℃则降至0.35%,所以含Cu>0.35%者可促进时效硬化。)
(2)铜的不良影响是:
1)含Cu量较高时将导致钢具热脆性,而使热锻轧加工困难。
2)含Cu过多会使矫顽力和磁滞损失增加,于磁钢不利。
3)“铜脆”——在钢的缺陷一文中指出当Cu>0.2%时,加热过程由于表面发生选择性氧化,使Fe先Cu而发生氧化,而表层Cu含量即相对增加形成一层薄膜,然后向扩散形成含Cu网络,在1030℃即容易锻裂。适量加Ni可生成熔点较高的Cu-Ni固溶体,可降低“铜脆”。
综合来说,含Cu<0.7%会溶于α-Fe中,促使碳不氧化,对磁性无大影响。含Cu=0.5%时,防锈能力可提高15倍;含Cu>0.7%时将出现不均匀混合物,而使矫顽力和磁滞损失增加,并使铜变脆。
(3)一般合金钢中含铜量:
1)硅钢:含Cu=0.2~0.3%
2)轴承钢:含Cu≤0.25%,且Cu+Ni≤0.50%,因为Cu会引起时效硬化而影响轴承精度,Ni会降低淬火层硬度。
3)低合金钢:Cu≤0.2%(对低合金高强度钢,合金元素含量一般地都限制在≯0.2%范畴)。
4)不锈钢:含Cu=2~4%(Cr18Ni9Cu3Ti等)。
5)石墨钢:含Cu=0.6%
13、S
(1)硫的有益作用是:
1)由于其切屑发脆而可得到非常光泽的表面,所以可用于制要求负荷不大而具高表面光洁度的钢制件(名为快削钢)。
2)某此高速钢工具钢进行硫化表面以达到如下目的。
(2)硫的不良影响是:
1)引起热脆:主要是因易生成(Fe+FeS)易熔共晶体分布于奥氏体晶界所致。
2)硫能使结构钢的塑性银屏剧降低,使工具钢的淬裂敏感性增高。
(3)、一般合金钢中的含S量:
1)一般地说,硫对各种钢均为有害的杂质元素,所以均限制它的含量。
普通碳钢S≤0.05%,酸性转炉冶炼,18MnSi及25MnSi钢允许含S≯0.05%).
轴承钢S≤0.02%
优质碳钢S≤0.04%
高级优质钢S≤0.03%
仅有极个别要求表面很光洁的钢(如Cr14)有意加进少量的硫(=0.2~0.4%)(Cr14可做螺钉、螺母、磁轮及其它螺纹零件,其表面光滑,耐磨性好)


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