合金元素对钢性能的影响 |
合金元素 |
对钢性能的影响 |
硅(Si) |
是钢中常见元素之一,在炼钢过程中用作还原剂和脱氧剂。所以钢中常含有0.20%~0.30%的硅。如果钢中硅含量超过0.50%~0.60%时,硅就算作特殊的合金元素,这种钢就称为“硅钢” 硅能显著提高钢的弹性极限、屈服强度和抗拉强度,故可广泛用于制造重负的弹簧钢。在凋质结构钢中,硅不仅能增加钢的淬透性,还增加钢淬火后的抗回火性。因此,常被用作调质结构钢的合金元素,并可用于制造承受重负荷的较大截面零件的无镍铬、高强度、高韧性的高级调质钢。硅和其他合金元素如钼、钨、铬等结合,有提高钢抗腐蚀和抗高温氧化的作用,可用于制造无镍低铬的不锈耐热钢。含硅1.0%~4.5%低碳和超低碳钢,具有极高的导磁率,可做电气制造业中的硅钢片。在热处理时硅易于促使石墨化、产生脱碳现象,故在弹簧中,常加入钨、钒、铬等元素来加以防止。也用于制造耐磨的石墨钢或模具钢。但钢中含硅量较高时,在焊接时喷溅较严重,有损焊缝质量,并易导至冷脆,会增加镀锌时锌对铁的破坏作用 |
锰(Mn) |
是良好的脱氧剂和脱硫剂。因此,钢中含0.30%~0.50%的锰是经常的。在碳素钢中加入0.7%~1.8%或以上的锰时,就算是特殊钢“锰钢”了。这种含锰量较高的碳素钢的力学性能,要比一般含锰量的好得多,不但有足够的韧性(在适当的热处理条件之下),且有较高的强度和硬度,能提高钢的淬透性,改善钢的热加工性能。故在低合金结构钢中,含锰钢种发展十分迅速。利用锰和硫化合所生成的硫化锰(MnS)夹杂,有使切屑易于碎断的作用。所以在钢中可加适量的锰和硫来生产易切削钢。此外,锰在合金结构钢、弹簧钢、轴承钢,工具钢、耐磨钢、无磁钢、不锈钢、耐热钢中,也获得广泛的应用。但锰能使钢的抗腐蚀能减弱,对钢的焊接性能也有不利的影响 |
镍(Ni) |
能使钢强化,改善钢的低温性能,特别是韧性,还可以提高钢的淬透性。镍钢的抗锈性也很强,具有较高的对酸、碱和海水的耐腐蚀能力,但在高温高压下对氧介质的抗腐蚀能力无明显效果,反会造成脱碳促使钢腐蚀破裂 。 一般国产低合金结构钢中不加入镍。镍在高含量时,可显著改变钢和合金的一些物理性能。但镍是一种重要的战略物资,在全世界范围内比较稀缺,所以作为钢的一种合金元素,应该只在不能用其他元素来获得所需的性能时,才考虑使用镍。譬如需要在高强度时具有高韧性的重要用途的结构钢,在低温工作条件下具有高韧性的钢,高合金铬镍奥氏体不锈耐热钢,以及要求具有特殊物理性能的钢等 |
铬(Cr) |
加入钢中能显著提高钢的抗氧化作用,增加钢的抗腐蚀能力。并能提高钢的强度和耐磨性。由于铬加入钢中能改善钢的力学性能及物理和化学性能,因此在各种用途的合金钢中,普遍含有不同数量的铬。由于目前我国铬资源较少,故因尽量节约使用,特别是在大量生产的结构钢中,应当少用或不用铬 |
钼(Mo) |
是一种贵重的合金元素,在我国是富产,但在整个世界范围内的储量却并不丰富。钼在钢中的作用,可归纳为提高淬透性和热强性,防止回火脆性,提高剩磁和矫顽力,提高在某些介质中(如硫化氢、氨、一氧化碳、水等介质)的抗蚀性与防止点蚀倾向等。故在结构钢、弹簧钢、轴承钢、工具钢、不锈耐酸钢、耐热钢(也称热强钢)、磁钢等一系列的钢种中,得到广泛的应用。铬钼钢在很多情况下,可以代替较贵重的铬镍钢来制造各种重要的机件,由于钼增加钢的热强性,所以钼含量较高时,也会增加热加工的困难 |
铝(Al) |
是炼钢时的脱氧定氮剂,并且能细化钢的晶粒,提高钢在低温下的韧性,铝对氮有极大的亲和力,含铝的钢渗氮后,在钢种表面牢固地形成一层薄而硬的弥散分布的氮化铝层,从而提高其硬度和疲劳强度,并改善其耐磨性。铝还具有耐腐蚀性和抗氧化性,可作为不锈耐酸钢的主要合金元素。在钢的表面镀铝或渗铝,可提高其抗氧化性。 铝和铬、硅复合应用,可以显著提高钢的高温不起皮性和耐高温腐蚀能力。铝还适用于作电热合金材料和磁性材料。但是,铝会影响钢的热加工性能、焊接性能和切削加工性能 |
铜(Cu) |
在钢中加入0.20%~0.50%的铜,特别是和磷配合使用时,可以使低合金结构钢和钢轨钢获得优良的抗大气腐蚀性能,并且也有利于提高钢的强度、耐磨性和屈强比,而对钢的焊接性并没有不良的影响,是目前建造桥梁、船舶、汽车、机车车辆、化工石油设备及高压容器等的主要钢类。在奥氏体不锈钢中加入2%~3%的钢,可以提高其在酸性介质中的抗蚀性。但铜是稀缺金属之一,也是战略物资,因此一般不应在炼制中有意地加入。不过由于钢中含铜无法从冶炼过程中去除,而我国又有丰富的含铜铁矿,所以可以利用含铜铁矿来发展含铜钢 |
铅(Pb) |
不溶于钢中,它的沸点又很低,因此,为了特殊用途需要而专门加入少量的铅时,需在冶炼完了,在浇注过程中加入。其作用是在不显著地影响钢的其他性能的情况下,能显著提高钢的切削加工性 |
钨(W) |
具有熔点高、密度大的特点,和钼相似,也是一种贵重的金属元素。它在钢中的用途,主要是增加钢的回火稳定性,热硬性和热强性,以及由于形成的特殊碳化物而增加的耐磨性。如当钨加入高碳钢中时,可以显著提高其耐磨性和切削性。因此,它主要用于工具钢,如高速钢、热锻模具等,而只在个别特殊情况下,才用于机械制造用的渗碳和调质结构钢中去。但这时必须和其他元素如硅、锰、铝、钼、钒、铬、镍等同时加入,单一含钨的结构钢,在力学性能上与碳素钢相比,得不到多少改善,故很少采用。钨能耐高压氧气的侵入,还能提高钢在高温下的蠕变抗力,当与钼复合应用时,效果更加显著 |
钒(V) |
是我国富有元素之一,也是目前发展新钢种最常用的合金元素之一。它和碳、氮、氧都有极强的亲和力,与之形成相应的极为稳定的化合物。少量的不到0.5%的钒能细化钢的晶粒,提高钢的强度、屈强比和低温韧性,改善钢的焊接性能,也能增加钢的热强性和蠕变的抗力。此外钒对碳的固定作用,还可以提高钢在高温下的抗氢侵蚀。但是,钒总是和其他合金元素如锰、铬、钨、钼等配合使用。常用于低温用钢、高压抗氢钢、高级优质弹簧钢、新型轴承钢、合金工具钢、高速工具钢、耐热钢等。但钒含量不宜过高,过高则降低钢的韧性,不利于钢的蠕变性能 |
钛(Ti) |
是化学上极为活泼的金属元素之一,它和氮、氧、碳都有极强的亲和力。因此,钛也是一种良好的脱氧去气剂和固定氮和碳的有效元素。钛能使钢的内部组织致密,提高钢的强度,含钛量为0.06%~0.12%的低合金结构钢,具有良好的力学性能和工艺性能,但主要缺点是淬透性稍差。在含钼锅炉钢中,钛可以阻止在高温(大于500℃)下长期使用时出现的石墨化现象;在含铬4%~6%的耐热钢中,加人大于4倍碳含量的钛,可以避免钢的淬硬倾向,还可以显著提高钢的焊接性能。钛还能提高钢在高温高压下抗氢、氮、氨腐蚀的能力。与其他元素配合使用,能提高钢的抗大气、海水及抗硫化氢(H2S)腐蚀的能力。此外,一定量的钛加入Cr18Ni9型奥氏体不锈钢中,可完全避免晶间腐蚀,从而被广泛地应用。目前钛越来越多地被应用于夹端工业材料,成为重要的战略物资 |
铌(Nb)和钽(Ta) |
均是难熔的稀有元素,价格较昂贵,在钢中的作用和钒、钛、锆等类似,和碳、氮、氧都有极强的亲和力,与之形成相应的极稳定的化合物。铌和钽均能细化钢的晶粒,降低钢的过热敏感性和回火脆性,在一定的存在条件下,也能提高钢的强度和韧性及对蠕变的抗力等。在低合金结构钢中加铌,既能提高钢的抗大气、海水腐蚀能力,及在高温高压下抗氢、氮、氨腐蚀能力,也能提高钢的屈服强度和冲击韧性,降低其脆性转变温度,并改善其焊接性能;在高铬耐热不锈钢中加铌,可以降低钢的空冷硬化性,提高钢的热强性,避免回火脆性,提高其蠕变强度,并改善钢的高温不起皮性,在奥氏体钢如Cr18Ni8型不锈耐热钢中加铌,可以防止不锈钢晶间腐蚀现象的发生,但这类钢冷变形比较困难,焊接性也较差 |
镐(Zr) |
是稀有金属,为碳化物形态元素。在炼钢过程中,锆是强有力的脱氧和脱氮元素。钴能细化钢的奥氏体晶粒,它和硫能化合成硫化锆,因此能防止钢的热脆性。锆还能改善钢的蓝脆现象,降低钢的回火脆性,在低合金结构钢中改善钢的低温韧性,作用比钒好。但由于锆在钢中的溶解度很小,且价格昂贵,因此很少在一般钢中应用,而多用于特殊用途。目前,锆主要用于原子能工业,广泛用作核反应堆的包套材料和结构材料。此外,在化工方面,锆和铪一起用于制造耐腐蚀性很高的设备 |
钴(Co) |
是世界上稀有的贵重金属,因此多用于特殊钢和合金中。如在高速钢中加入钴,可以提高它的高温硬度。钴加入含镍(18%~25%)的马氏体时效钢中,可以获得很高的硬度和强度,很好的综合力学性能。尤其是随着钴和钼含量的增多,时效后硬度和强度的增高就更为显著。而与此同时,如再加入适量的钛、铝、硼和钴,则对时效后的性能更好。此外,钴在热强钢和磁性材料中,也是重要的合金元素 |
稀土元素(RE) |
是很好的钢中脱硫去气剂,可用于清除其他如砷、锑、铋等有害杂质,可以改变钢中夹杂物的形态和分布情况,从而改善钢的质量。在低合金结构钢中加入适量的稀土,有良好的脱氧、脱硫作用,可以提高冲击韧性(特别是低温韧性),耐大气腐蚀,并有良好的焊接性能和冷加工性能,在高合金的不锈耐热钢和电热合金中加入稀土,既可以提高钢的抗氧化性和抗蚀性,也可以改善钢和合金的铸态组织,从而改善其热加工性能并提高其使用寿命。但由于稀土加入方法以及分析检验方法尚未能很好地掌握,以致使用效果波动颇大,甚至有时反会产生不利的影响,有待今后进一步研究。一般所说的稀土元素,是指镧、铈、镨、钕、钜、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥、钇、钪共17个元素 |
铍(Be) |
是稀有轻金属之一。和氧、硫都有极强的亲和力,是一种理想的脱氧去硫剂。铍是极强的铁索体固溶强化元素之一,钢中加铍,能增加钢的淬透性,也可以使钢具有较高的温度强度和蠕变性能。但由于铍供给困难,价格昂贵,目前除了特殊用途(如原子能工业、导弹等)外,在一般合金钢中尚难于普遍使用 |
硫(S) |
硫在钢中一般认为它是残存在钢中的有害元素之一。它降低钢的延展性及韧性,损害钢的抗蚀性,对焊接也有不利影响等。所以在优质钢中,其含量控制在0.045%以下,就是在普通钢中也不得大于0.055%(在侧吹碱性转炉钢中,放宽为不大于0.065%)。但在某种条件下,害处可以转化为益处,如在含硫易切钢中,就是提高其硫和锰的含量,使形成较多的硫化锰(MnS)微粒,以改善钢的切削加工性,硒和碲在周期表中和硫同族,性能颇相似,在钢中的作用也相似 |
硒(Se) |
碲(Te) |
磷(P) |
是属于元素周期表中同一族的元素。因此这三种元素在钢中有一些类似的作用。它们加入钢中都有不同程度的抗腐蚀能力。磷和砷,尤其是磷对提高钢的抗拉强度有显著的作用,也能改善钢的切削加工性,但它们又都增加钢的脆性,尤其是低温脆性。此外,磷和砷都是造成钢较严重偏析的有害元素,砷和锑都有抗蚀作用,但如何在钢中予以应用,尚需研究 |
砷(As) |
锑(Sb) |
硼(B) |
硼和氮及氧都有很强的亲和力,它在钢中突出的作用是微量(0.001%)的硼就可以成信地增加钢的淬透性,从而节约其他较稀缺、贵重的合金元素,如镍、铬、钼等。在珠光体耐热钢中,微量硼可以提高钢的高温强度,并提高钢的抗硫化氢(H2S)腐蚀能力;在奥氏体钢中加入0.025%的硼,可以提高其蠕变强度.至于硼含量较高(大于1%)的钢,在原子能方面的应用,则是近十几年的事 |
氮(N) |
在钢中的作用主要为:①固溶强化及时效沉淀强化;②形成和稳定奥氏体组织;③改善高铬和高铬镍钢的宏观组织,使之致密坚实,并提高其强度;④借渗入方法与钢表面层中的铬、铝等合金元素化合形成氮化物,增加钢表面层的硬度、强度、耐磨性及抗蚀性等。但氮在钢中的作用,也有其不利的一面,如对低碳钢,由于氮化铁(Fe4N)的析出,导致时效和蓝脆现象;含量超过一定限度时,易在钢中形成气泡和疏松,与钢中的钛、铝等元素形成带棱角而性脆的夹杂群等。氮的使用,不受资源的跟制,如能用其所长,避其所短,充分发挥其作用,含氮钢是有其广泛发展前途的 |
氢(H) |
以原子或离子形成溶于钢中,形成间隙固溶体,因而也起到某些合金化的作用,有稳定奥氏体,增加钢淬透性的好处。但它在钢中造成很多严重的缺陷,如产生白点、点状偏析、氢脆,以及焊缝热影响区内的裂缝等。这些缺陷的危害性,远远超过它作为合金化元素所带来的好处,所以一般把它看做是一种有害的元素,而采取种种措施,以降低其在钢中的含量 |
氧(O) |
钢中的氧对钢的力学性能有不利的影响,是作为有害元素来看待的。但氧在冶炼过程中却是不可缺少的主要因素之一,特别是在吹氧炼钢中,它起着主要的作用。其次,在炼制沸腾钢和半镇静钢时,钢液中还必须保留适量的氧,以便钢液在钢锭模中发生适度的沸腾作用,使钢锭有一个较纯净坚实的外壳层,使轧成的钢板和钢材具有光滑优良的表面层。同时,由于沸腾过程中产生的一氧化碳(CO)气泡,在钢锭中占有一定体积,压缩或消除钢锭中的缩孔,这可以增加钢的收得率和成材率。这些也可以说是氧在钢中的有利作用 |