合金元素在钢中的作用

合金元素在钢中的作用钢中的元素分常存和添加两种。 在实际生产和使用的钢中总是有少量非有意加入的各种元素,如硅、锤、磷、硫、氧、氮、氢等,这些元素称为常存或残余元素。其中,硅、锺是脱氧后残留下来的;磷、硫主要是原材料带来的;而氧、氮、氢部分是原材料带来,其余部分是在冶炼过程中从空气中吸收的。
为了改善和提高钢的某些性能,或获得某些特殊性能而有意在冶炼过程中加入的元素称为合金元素。常用的合金元素有铭(Cr)、镇(Ni )、铝(Mo )、鸽(W)、饥(V)、铁(Ti)、银(Nb )、错(Zr)、钻(Co)、硅(Si)、锤(Mn)、铝(Al)、铜(Cu)、棚(B)、稀土(Re)等。磷(P)、硫(S)、氮(N)等在某些情况下也起到合金元素的作用。
合金元素在钢中与铁和碳这两个基本组元的相互作用,以及它们彼此之间的相互作用,影响钢中各组成相、组织和结构,促使其发生有利的变化,可提高和改善钢的综合力学性能;能显著提高和改善钢的工艺性能,如洋透性、回火稳定性、切削加工性等;还可使钢获得一些特殊的物理化学性能,如耐热、不锈、耐腐蚀等。这些性能的改善和获得,一部分是加入合金元素的直接影响,而大部分则是通过合金元素对钢的相变过程影响所引起的。合金元素所起的作用,与其本身的原子结构、原子大小和晶体结构特征等有关。人们对合金元素在钢中所起作用的认识是经过长期实践、不断探索而发展起来的,因此,还需不断地研究、探索、发展。
总的说来,合金元素在退火状态下起着强化铁素体的作用,从而提高退火状态下钢的强度。它们对铁素体强化的程度由强到弱排列为P、Si、Ti、Mn,Al、Cu,Ni、W、Mo、V、Co、Cro除镇外,它
们都使伸长率和冲击值下降,而镇一方面显著提高强度,另一方面却始终使塑性和韧性保持高水平。
除C o、Al外的大多数合金元素在洋火回火状态下均能提高钢的洋透性。添加了合金元素的合金钢在硬度、强度(σb,a.),塑性指标(σ%,ψ%)等性能方面均高于碳钢,冲击韧性αk也较高。一般是采用低温或高温回火。因中温回火虽可获得最高的强度指标,但由于回火脆性的产生,使αk值降低,只有弹簧为得到高的弹性极限σ
蝶形胶布才采用。
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合金元素的加入,能提高材料的强度、硬度和冷作硬化率,但降低了钢的延展性。其中P,S,S i、C等元素对提高材料冷作硬化率最显著,钢中的硫化物夹杂亦造成钢的延展性的降低,因此,凡需经冷作加工的钢,如冷冲压钢板、冷拔钢、冷徽钢、深冲钢等需严格控制钢中的有害元素P和S到最低限含量,还要尽可能降低S i和C的含量。Ni、Cr、Cu、V也会降低其延展性,会降低钢的深冲压性能,而加入少量Al则可提高深冲压钢板的表面质量,所以深冲压钢板的钢号采用08Al是适当的。
一般来说,加入W、Mo、V、Cr、Ni等元素的钢材会使压力加工变得困难。
各种合金元素在钢中的作用简要介绍如下:
( 1)铭(Cr)
铭能增加钢的洋透性并有二次硬化作用,可提高高碳钢的硬度和耐磨性而不使钢变脆。含量超过12%时,使钢有良好的高温抗氧化性和耐氧化性介质腐蚀的作用,还增加钢的热强性。锋为不锈耐酸钢及耐热钢的主要合金元素。
铭能提高碳素钢轧制状态的强度和硬度,降低伸长率和断面收缩率。当铭含量超过15%时,强度和硬度将下降,伸长率和断
面收缩率则相应地有所提高。含铭钢的零件经研磨容易获得较高的表面加工质量。
铭在调质结构钢中的主要作用是提高悴透性,使钢经洋火回火后具有较好的综合力学性能,在渗碳钢中还可以形成含铭的碳化物,从而提高材料表面的耐磨性。
含铭的弹簧钢在热处理时不易脱碳。铭能提高工具钢的耐磨性、硬度和红硬性,有良好的回火稳定性。
在电热合金中,铭能提高合金的抗氧化性、电阻和强度。
(2)镰(Ni)
镰在钢中强化铁素体并细化珠光体,总的效果是提高强度,对塑性的影响不显著。一般来说,对不需调质处理而在轧制、正火或退火状态使用的低碳钢,一定的含镰量能提高钢的强度而不显著降低其韧性。据统计,每增加1%的镰约可提高强度29.4 Pa。随着镰含量的增加,钢的屈服强度比抗拉强度提高得快,因此含镰钢的屈服比可较普通碳素钢高。镰在提高钢强度的同时,对钢的韧性、塑性以及其他工艺性能的损害较其他合金元素的影响小。对于中碳钢,由于镰降低珠光体转变温度,使珠光体变细;又由于镰降低共析点的含碳量,因而和相同碳含量的碳素钢比,其珠光体数量较多,使含镰的珠光体铁素体钢的强度较相同碳含量的碳素钢高。反之,若使钢的强度相同,含镰钢的碳含量可以适当降低,因而能使钢的韧性和塑性有所提高。
镰可以提高钢对疲劳的抗力和减小钢对缺口的敏感性。镰降低钢的低温脆性转变温度,这对低温用钢有极重要的意义。含镰3.5%的钢可在-100℃时使用,含镰9%的钢则可在-196℃时工作。镰不增加钢对蠕变的抗力,因此一般不作为热强钢的强
化元素。
镰含量高的铁镇合金,其线胀系数随镇含量增减有显著的变化,利用这一特性,可以设计和生产具有极低或一定线胀系数的精密合金、双金属材料等。
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此外,镇加入钢中不仅能耐酸,而且也能抗碱,对大气及盐都有抗蚀能力,镇是不锈耐酸钢中的重要元素之一。
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(3)铝(Mo)
铝在钢中能提高洋透性和热强性,防止回火脆性,增加剩磁和矫顽力,以及在某些介质中的抗蚀性。
在调质钢中,铝能使较大断面的零件洋深、洋透,提高钢的抗回火性或回火稳定性,使零件可以在较高温度下回火,从而更有效地消除(或降低)残余应力,提高塑性。
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在渗碳钢中铝除具有上述作用外,还能在渗碳层中降低碳化物在晶界上形成连续网状的倾向,减少渗碳层中残留奥氏体,相对地增加了表面层的耐磨性。
在锻模钢中,铝还能使钢保持比较稳定的硬度,增加对变形、开裂和磨损等的抗力。
在不锈耐酸钢中,铝能进一步提高对有机酸(如蚁酸、醋酸、草酸等)以及过氧化氢、硫酸、亚硫酸、硫酸盐、酸性染料、漂白粉液等的抗蚀性。特别是由于铝的加入,防止了氯离子存在所产生的点腐蚀倾向。
含1%左右铝的W12Cr4V4Mo高速钢具有高的耐磨性、回火硬度和红硬性等。
(4)鸽(W)
鸽在钢中除形成碳化物外,部分地溶入铁中形成固溶体。其作用与夺目相似,按重量百分数计算,一般效果不如铝显著。鸽在
钢中的主要用途是增加回火稳定性、红硬性、燕强性以及由于形成碳化物而增加的耐磨性。因此它主要用于工具钢,如高速钢、热锻模具钢等。
鹊在优质弹簧钢中形成难熔碳化物,在较高温度回火时,能延缓碳化物的聚集过程,保持较高的高温强度。鸽还可以降惩镜的过热敏感性、增加津透性和提高硬度。65Si2MnW A弹簧钢热轧后空冷就具有较高的硬皮,50mm2截面的弹簧在油中即能淳透,可作承受大负荷、耐热(不大于350%)、受冲击的重要弹簧。
到百4Cr2 VA作为高强度耐热优质弹簧钢,具有较好的摔透性,1050~1100℃洋火,550叫“。吃白大后抗拉强度达1470~1666 Pa。它主要用于制造在高温(不大于500%)条件�使用的弹簧。
由于鸽的加入,能显著提高钢的耐磨性和切削’崖,所以,键是合金工具钢的主要元素。
(5)筑(V)
锐和碳、氮、氧有极强的亲和力,与之形成相应的稳定化合物。筑在钢中主要以嵌化物的形态存在。其主要作用是细化镑的组织和品粒,降低钢的过热敏感性,提高钢的强度和韧性。当在高温溶入固溶体时,增加猝透性;反之,如以碳化物形态存在时,降低摔透性。毛FL增加湾火锅的回火稳定性,并产生二次硬化效应。
钢中的含钥茧,除高速工具锅外,一般均不大于0.5%。
锁在普通低合金钢中能细化品粒,提高正火后的强度和屈服比及低温韧性,改善钢的焊接性能。
饥在合金结构钢中由于在一般热处理条件�会薛榄津透性,指示牌制作
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