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氢、硼、氮等n种元素对钢铁性能的影响!

时间:2017-05-22 10:35:00 编辑:黄金城gcgc手机版 浏览:
黄金城gcgc手机版2017-05-22讯:



H(氢)

H是一般钢中最有害的元素,钢中溶有氢会引起钢的氢脆、白点等缺陷。氢与氧、氮一样,在固态钢中溶解度极小,在高温时溶入钢液,冷却时来不及逸出而积聚在组织中形成高压细微气孔,使钢的塑性、韧度和疲劳强度急剧降低,严重时会造成裂纹、脆断。“氢脆”主要出现在马氏体钢中,在铁氧体钢中不十分突出,一般与硬度和含碳量一起增加。 

另一方面,H能提高钢的磁导率,但也会使矫顽力和铁损增加(加H后矫顽力可增大0.5~2倍)。



B(硼)

B在钢中的主要作用是增加钢的淬透性,从而节约其他较稀贵的金属,与镍、铬、钼等。为了这一目的,其含量一般规定在0.001%~0.005%范围内。它可以代替1.6%的镍、0.3%的铬或0.2%的钼,以硼代钼应注意,因钼能防止或降低回火脆性,而硼却略有促进回火脆性的倾向,所以不能用硼将钼完全代替。 

中碳碳素钢中加硼,由于提高了淬透性,可使厚20mm以上的钢材调质后性能大为改善,因此,可用40B和40MnB钢代替40Cr,可用20Mn2TiB钢代替20CrMnTi渗碳钢。但由于硼的作用随钢中碳的含量的增加而减弱,甚至消失,在选用含硼渗碳钢时,必须考虑到零件渗碳后,渗碳层的淬透性将低于芯部的淬透性的这一特点。 

弹簧钢一般要求完全淬透,通常弹簧面积不大,采用含硼钢有利。对高硅弹簧钢硼的作用波动较大,不便采用。 

硼和氮及氧有强的亲和力,沸腾钢中加入0.007%的硼,可以消除钢的时效现象。


C(碳)

C是仅次于铁的主要元素,它直接影响钢材的强度、塑性、韧性和焊接性能等。 

当钢中含碳量在0.8%以下时,随着含碳量的增加,钢材的强度和硬度提高,而塑性和韧性降低;但当含碳量在1.0%以上时,随着含碳量的增加,钢材的强度反而下降。 

随着含碳量的增加,钢材的焊接性能变差(含碳量大于0.3%的钢材,可焊性显著下降),冷脆性和时效敏感性增大,耐大气锈蚀性下降。



N(氮)

N对钢材性能的影响与碳、磷相似,随着氮含量的增加,可使钢材的强度显著提高,塑性特别是韧性也显著降低,可焊性变差,冷脆性加剧;同时增加时效倾向及冷脆性和热脆性,损坏钢的焊接性能及冷弯性能。因此,应该尽量减小和限制钢中的含氮量。一般规定氮含量应不高于0.018%。 

氮在铝、铌、钒等元素的配合下可以减少其不利影响,改善钢材性能,可作为低合金钢的合金元素使用。有些牌号的不锈钢,适当增加N的含量,可以减少Cr的使用量,可以有效降低成本。


O(氧)

O在钢中是有害元素。它是在炼钢过程中自然进入钢中的,尽管在炼钢末期要加入锰、硅、铁和铝进行脱氧,但不可能除尽。钢水凝固期间,溶液中氧和碳反应会生成一氧化碳,可以造成气泡。氧在钢中主要以FeO、MnO、SiO2、Al2O3等夹杂形式存在,使钢的强度、塑性降低。尤其是对疲劳强度、冲击韧性等有严重影响。 

氧会使硅钢中铁损增大,磁导率及磁感强度减弱,磁时效作用加剧。



Mg(镁)

镁能使钢中夹杂物数量减少、尺寸减小、分布均匀、形态改善等。微量镁能改善轴承钢的碳化物尺寸及分布,含镁轴承钢的碳化物颗粒细小均匀。当镁含量为0.002%~0.003% ,其抗拉强度和屈服强度增加5%以上,塑性基本保持不变。


Al(铝)

铝作为脱氧剂或合金化元素加入钢中,铝脱氧能力比硅、锰强得多。铝在钢中的主要作用是细化晶粒、固定钢中的氮,从而显著提高钢的冲击韧性,降低冷脆倾向和时效倾向性。如D级碳素结构钢要求钢中酸溶铝含量不小于0.015%,深冲压用冷轧薄钢板08AL要求钢中酸溶铝含量为0.015%―0.065%。 

铝还可提高钢的抗腐蚀性能,特别是与钼、铜、硅、铬等元素配合使用时,效果更好。 

铬钼钢和铬钢中含Al可增加其耐磨性。高碳工具钢中Al的存在可使产生淬火脆性。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。


Si(硅)

Si是炼钢过程中重要的还原剂和脱氧剂:对于碳钢中的很多材质来说,都含有0.5%以下的Si,这些Si一般是由于炼钢过程中作为还原剂和脱氧剂而带入的。

硅能溶于铁素体和奥氏体中提高钢的硬度和强度,其作用仅次于磷,较锰、镍、铬、钨、钼、钒等元素强。但含硅量超过3%时,将显著降低钢的塑性和韧性。硅能提高钢的弹性极限、屈服强度和屈服比(σs/σb),以及疲劳强度和疲劳比(σ-1/σb)等。这是硅或硅锰钢可作为弹簧钢种的缘故。 

硅能降低钢的密度、热导率和电导率。能促使铁素体晶粒粗化,降低矫顽力。有减小晶体的各向异性倾向,使磁化容易,磁阻减小,可用来生产电工用钢,所以硅钢片的磁阻滞损耗较低。硅能提高铁素体的导磁率,使钢片在较弱磁场下有较高的磁感强度。但在强磁场下硅降低钢的磁感强度。硅因有强的脱氧力,从而减少了铁的磁时效作用。 

含硅的钢在氧化气氛中加热时,表面将形成一层SiO2薄膜,从而提高钢在高温时的抗氧化性。 

硅能促使铸钢中的柱状晶成长,降低塑性。硅钢若加热时冷却较快,由于热导率低,钢的内部和外部温差较大,因而断裂。 

硅能降低钢的焊接性能。因为与氧的结合能力硅比铁强,在焊接时容易生成低熔点的硅酸盐,增加熔渣和融化金属的流动性,引起喷溅现象,影响焊接质量。硅是良好的脱氧剂。用铝脱氧时酌情加一定量的硅,能显著提高率的脱氧性。硅在钢中本来就有一定的残存,这是由于炼铁炼钢时作为原料带入的。在沸腾钢中,硅限制在<0.07%,有意加入时,则在炼钢时加入硅铁合金。


P(磷)

P是由矿石带入钢中的,一般说磷也是有害元素。磷虽能使钢材的强度、硬度增高,但引起塑性、冲击韧性显著降低。特别是在低温时,它使钢材显著变脆,这种现象称"冷脆"。冷脆使钢材的冷加工及焊接性变坏,含磷愈高,冷脆性愈大,故钢中对含磷量控制较严。高级优质钢:P<0.025%;优质钢:P<0.04%;普通钢:P<0.085%。 

P的固溶强化及冷作硬化作用很好,与铜联合使用,提高低合金高强度钢的耐大气腐蚀性能,但降低其冷冲压性能,与硫、锰联合使用,改善切削性,增加回火脆性及冷脆敏感性。 

磷可提高比电阻,且由于容易粗晶而可使矫顽力和涡流损失降低,于磁感而言,则在弱中磁场下磷含量高的钢磁感会提高,含P硅钢的热加工也并不困难,但由于它会使硅钢具冷脆性,含量≯0.15%(如冷轧电机用硅钢含P=0.07~0.10%)。

磷是强化铁素体作用最强的元素。(P对硅钢再结晶温度和晶粒长大的影响将超过同等硅含量作用的4~5倍。)



S(硫)

硫来源于炼钢的矿石与燃料焦炭。它是钢中的一种有害元素。硫以硫化铁(FeS)的形态存在于钢中,FeS和Fe形成低熔点(985℃)化合物。而钢材的热加工温度一般在1150~1200℃以上,所以当钢材热加工时,由于FeS化合物的过早熔化而导致工件开裂,这种现象称为“热脆”。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。高级优质钢:S<0.02%~0.03%;优质钢:S<0.03%~0.045%;普通钢:S<0.055%~0.7%以下。 

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),(如Cr14)有意加进少量的硫(=0.2~0.4%)。 某些高速钢工具钢进行硫化表面。



K/Na(钾/钠)

钾/钠可作为变质剂使白口铁中碳化物团球化,使白口铁(以及莱氏体钢))在保持原有硬度的条件下, 韧性提高二倍以上;使球墨铸铁的组织细化、蠕铁的处理过程稳定化;是强烈的促进奥氏体化的元素,例如,它可使奥氏体锰钢的锰/碳比从10:1~13:1降至4:1~5:1。



Ca(钙)

钢中加钙能细化晶粒,部分脱硫,并改变非金属夹杂物的成分、数量和形态。与钢中加稀土的作用基本相似。 

改善钢的耐蚀性、耐磨性、耐高温和低温性能;提高了钢的冲击韧性、疲劳强度、塑性和焊接性能;增加了钢的冷镦性、防震性、硬度和接触持久强度。 

铸钢中加钙使钢水流动性大为提高;铸件表面光洁度得到改善, 铸件中组织的各向异性得以消除;其铸造性能、抗热裂性能、机械性能和切削加工性能均有不同程度的增加。 

钢中加钙能改善抗氢致裂纹性能和抗层状撕裂性能,可延长设备、工具的使用

寿命。钙加入母合金中可用作脱氧剂和孕育剂,并起微合金化作用。



Ti(钛)

钛和氮、氧、碳都有极强的亲和力,与硫的亲和力比铁强,是一种良好的脱氧去气剂和固定氮和碳的有效元素。钛虽然是强碳化物形成元素,但不和其他元素联合形成复合化合物。碳化钛结合力强,稳定,不易分解,在钢中只有加热到1000℃以上才能缓慢地溶入固溶体中。 

在未溶入之前,碳化钛微粒有阻止晶粒长大的作用。由于钛和碳之间的亲和力远大于铬和碳之间的亲和力,在不锈钢中常用钛来固定其中的碳以消除铬在晶界处的贫化,从而消除或减轻钢的晶间腐蚀。 

钛也是强铁氧体形成元素之一,强烈的提高了钢的A1和A3温度。钛在普通低合金钢中能提高塑性和韧性。由于钛固定了氮和硫并形成碳化钛,提高了钢的强度。经正火使晶粒细化,析出形成碳化物可使钢的塑性和冲击韧性得到显著改善,含钛的合金结构钢,有良好的力学性能和工艺性能,主要缺点是淬透性稍差。 

在高铬不锈钢中通常需加入约5倍碳含量的钛,不但能提高钢的抗蚀性(主要是抗晶间腐蚀)和韧性;还能组织钢在高温时的晶粒长大倾向和改善钢的焊接性能。



V(钒)

钒和碳、氨、氧有极强的亲和力,与之形成相应的稳定化合物。钒在钢中主要以碳化物的形式存在。其主要作用是细化钢的组织和晶粒,降低钢的强度和韧性。当在高温溶入固溶体时,增加淬透性;反之,如以碳化物形式存在时,降低淬透性。钒增加淬火钢的回火稳定性,并产生二次硬化效应。钢中的含钒量,除高速工具钢外,一般均不大于0.5%。 

钒在普通低碳合金钢中能细化晶粒,提高正火后的强度和屈服比及低温特性,改善钢的焊接性能。 

钒在合金结构钢中由于在一般热处理条件下会降低淬透性,故在结构钢中常和锰、铬、钼以及钨等元素联合使用。钒在调质钢中主要是提高钢的强度和屈服比,细化晶粒,捡的过热敏感性。在渗碳钢中因能细化晶粒,可使钢在渗碳后直接淬火,不需二次淬火。 

钒在弹簧钢和轴承钢中能提高强度和屈服比,特别是提高比例极限和弹性极限,降低热处理时脱碳敏感性,从而提高了表面质量。五铬含钒的轴承钢,碳化弥散度高,使用性能良好。 

钒在工具钢中细化晶粒,降低过热敏感性,增加回火稳定性和耐磨性,从而延长了工具的使用寿命。



Cr(铬)

铬能增加钢的淬透性并有二次硬化的作用,可提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腐蚀的作用,还增加钢的热强性。铬为不锈钢耐酸钢及耐热钢的主要合金元素。 

铬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。当铬含量超过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。含铬钢的零件经研磨容易获得较高的表面加工质量。 

铬在调质结构中的主要作用是提高淬透性,使钢经淬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铬的碳化物,从而提高材料表面的耐磨性。 

含铬的弹簧钢在热处理时不易脱碳。铬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,铬能提高合金的抗氧化性、电阻和强度。



Mn(锰)

Mn能提高钢材强度:由于Mn价格相对便宜,且能与Fe无限固溶,在提高钢材强度的同时,对塑性的影响相对较小。因此,锰被广泛用于钢中的强化元素。可以说,基本上所有碳钢中,都含有Mn。大家常见的冲压软钢,双相钢(DP钢),相变诱导塑性钢(TR钢),马氏体钢(MS钢),都含有锰元素。一般,软钢中的Mn含量不会超过0.5%;高强钢中的Mn含量会随着强度级别的升高而升高,例如马氏体钢,锰含量可高达3%。 

Mn提高钢的淬透性,改善钢的热加工性能:比较典型的例子是40Mn和40号钢。

Mn能消除S(硫)的影响:Mn在钢铁冶炼中可与S形成高熔点的MnS,进而消弱和消除S的不良影响。 

但是,Mn的含量也是一把双刃剑。Mn含量并不是越高越好。锰含量的增高,会降低钢的塑性以及焊接性能。



Co(钴)

钴多用于特殊的钢和合金中,含钴的高速钢有高的高温硬度,与钼同时加入马氏体时效钢中可以获得超高硬度和良好综合力学性能。此外,钴在热强钢和磁性材料中也是重要的合金元素。 

钴降低钢的淬透性,因此,单独加入碳素钢中会降低调质后的综合力学性能。钴能强化铁素体,加入碳素钢中,在退火或正火状态下能提高钢的硬度、屈服点和抗拉强度,对伸长率和断面收缩率有不利的影响,冲击韧性也随着钴含量的增加而降低。由于钴具有抗氧化性能,在耐热钢和耐热合金中得到应用。钴基合金燃气涡轮中更显示了它特有的作用。



Ni(镍)

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。

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。 

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。一般大断面的厚重件都用加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) 

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。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。



Cu(铜)

铜在钢中的突出作用是改善普通低合金钢的抗大气腐蚀性能,特别是和磷配合使用时,加入铜还能提高钢的强度和屈服比,而对焊接性能没有不利的影响。含铜0.20%~0.50%的钢轨钢(U-Cu),除耐磨外其耐腐蚀寿命为一般碳素钢轨的2-5倍。 

铜含量超过0.75%时,经固溶处理和时效后,可产生时效强化作用。含量低时,其作用与镍相似,但较弱。含量较高时,对热变形加工不利,在热变形加工时导致铜脆现象。2%~3%铜在奥氏体不锈钢中可以对硫酸、磷酸及盐酸等抗腐蚀性能及对应力腐蚀的稳定性。




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