各種元素對鋼鐵性能的影響(中)

11/12.元素:鉀/鈉(K/Na)
對鋼鐵性能的影響:
鉀/鈉可作為變質(zhì)劑使白口鐵中碳化物團球化,使白口鐵(以及萊氏體鋼))在保持原有硬度的條件下, 韌性提高二倍以上;使球墨鑄鐵的組織細化、蠕鐵的處理過程穩(wěn)定化;是強烈的促進奧氏體化的元素,例如,它可使奧氏體錳鋼的錳/碳比從10:1~13:1降至4:1~5:1。

13.元素:鈣(Ca)

對鋼鐵性能的影響:
鋼中加鈣能細化晶粒,部分脫硫,并改變非金屬夾雜物的成分、數(shù)量和形態(tài)。與鋼中加稀土的作用基本相似。

改善鋼的耐蝕性、耐磨性、耐高溫和低溫性能;提高了鋼的沖擊韌性、疲勞強度、塑性和焊接性能;增加了鋼的冷鐓性、防震性、硬度和接觸持久強度。

鑄鋼中加鈣使鋼水流動性大為提高;鑄件表面光潔度得到改善, 鑄件中組織的各向異性得以消除;其鑄造性能、抗熱裂性能、機械性能和切削加工性能均有不同程度的增加。

鋼中加鈣能改善抗氫致裂紋性能和抗層狀撕裂性能,可延長設(shè)備、工具的使用
壽命。鈣加入母合金中可用作脫氧劑和孕育劑,并起微合金化作用。

14.元素:鈦(Ti)

對鋼鐵性能的影響:
鈦和氮、氧、碳都有極強的親和力,與硫的親和力比鐵強,是一種良好的脫氧去氣劑和固定氮和碳的有效元素。鈦雖然是強碳化物形成元素,但不和其他元素聯(lián)合形成復(fù)合化合物。碳化鈦結(jié)合力強,穩(wěn)定,不易分解,在鋼中只有加熱到1000℃以上才能緩慢地溶入固溶體中。

在未溶入之前,碳化鈦微粒有阻止晶粒長大的作用。由于鈦和碳之間的親和力遠大于鉻和碳之間的親和力,在不銹鋼中常用鈦來固定其中的碳以消除鉻在晶界處的貧化,從而消除或減輕鋼的晶間腐蝕。

鈦也是強鐵氧體形成元素之一,強烈的提高了鋼的A1和A3溫度。鈦在普通低合金鋼中能提高塑性和韌性。由于鈦固定了氮和硫并形成碳化鈦,提高了鋼的強度。經(jīng)正火使晶粒細化,析出形成碳化物可使鋼的塑性和沖擊韌性得到顯著改善,含鈦的合金結(jié)構(gòu)鋼,有良好的力學(xué)性能和工藝性能,主要缺點是淬透性稍差。

在高鉻不銹鋼中通常需加入約5倍碳含量的鈦,不但能提高鋼的抗蝕性(主要是抗晶間腐蝕)和韌性;還能組織鋼在高溫時的晶粒長大傾向和改善鋼的焊接性能。

15.元素:釩(V)

對鋼鐵性能的影響:
釩和碳、氨、氧有極強的親和力,與之形成相應(yīng)的穩(wěn)定化合物。釩在鋼中主要以碳化物的形式存在。其主要作用是細化鋼的組織和晶粒,降低鋼的強度和韌性。當(dāng)在高溫溶入固溶體時,增加淬透性;反之,如以碳化物形式存在時,降低淬透性。釩增加淬火鋼的回火穩(wěn)定性,并產(chǎn)生二次硬化效應(yīng)。鋼中的含釩量,除高速工具鋼外,一般均不大于0.5%。

釩在普通低碳合金鋼中能細化晶粒,提高正火后的強度和屈服比及低溫特性,改善鋼的焊接性能。

釩在合金結(jié)構(gòu)鋼中由于在一般熱處理條件下會降低淬透性,故在結(jié)構(gòu)鋼中常和錳、鉻、鉬以及鎢等元素聯(lián)合使用。釩在調(diào)質(zhì)鋼中主要是提高鋼的強度和屈服比,細化晶粒,撿的過熱敏感性。在滲碳鋼中因能細化晶粒,可使鋼在滲碳后直接淬火,不需二次淬火。

釩在彈簧鋼和軸承鋼中能提高強度和屈服比,特別是提高比例極限和彈性極限,降低熱處理時脫碳敏感性,從而提高了表面質(zhì)量。五鉻含釩的軸承鋼,碳化彌散度高,使用性能良好。

釩在工具鋼中細化晶粒,降低過熱敏感性,增加回火穩(wěn)定性和耐磨性,從而延長了工具的使用壽命。

16.元素:鉻(Cr)

對鋼鐵性能的影響:
鉻能增加鋼的淬透性并有二次硬化的作用,可提高碳鋼的硬度和耐磨性而不使鋼變脆。含量超過12%時,使鋼有良好的高溫抗氧化性和耐氧化性腐蝕的作用,還增加鋼的熱強性。鉻為不銹鋼耐酸鋼及耐熱鋼的主要合金元素。

鉻能提高碳素鋼軋制狀態(tài)的強度和硬度,降低伸長率和斷面收縮率。當(dāng)鉻含量超過15%時,強度和硬度將下降,伸長率和斷面收縮率則相應(yīng)地有所提高。含鉻鋼的零件經(jīng)研磨容易獲得較高的表面加工質(zhì)量。

鉻在調(diào)質(zhì)結(jié)構(gòu)中的主要作用是提高淬透性,使鋼經(jīng)淬火回火后具有較好的綜合力學(xué)性能,在滲碳鋼中還可以形成含鉻的碳化物,從而提高材料表面的耐磨性。

含鉻的彈簧鋼在熱處理時不易脫碳。鉻能提高工具鋼的耐磨性、硬度和紅硬性,有良好的回火穩(wěn)定性。在電熱合金中,鉻能提高合金的抗氧化性、電阻和強度。

17.元素:錳(Mn)

對鋼鐵性能的影響:
Mn能提高鋼材強度:由于Mn價格相對便宜,且能與Fe無限固溶,在提高鋼材強度的同時,對塑性的影響相對較小。因此,錳被廣泛用于鋼中的強化元素??梢哉f,基本上所有碳鋼中,都含有Mn。我們常見的沖壓軟鋼,雙相鋼(DP鋼),相變誘導(dǎo)塑性鋼(TR鋼),馬氏體鋼(MS鋼),都含有錳元素。一般,軟鋼中的Mn含量不會超過0.5%;高強鋼中的Mn含量會隨著強度級別的升高而升高,例如馬氏體鋼,錳含量可高達3%。

Mn提高鋼的淬透性,改善鋼的熱加工性能:比較典型的例子是40Mn和40號鋼。
Mn能消除S(硫)的影響:Mn在鋼鐵冶煉中可與S形成高熔點的MnS,進而消弱和消除S的不良影響。

但是,Mn的含量也是一把雙刃劍。Mn含量并不是越高越好。錳含量的增高,會降低鋼的塑性以及焊接性能。

18.元素:鈷(Co)

對鋼鐵性能的影響:
鈷多用于特殊的鋼和合金中,含鈷的高速鋼有高的高溫硬度,與鉬同時加入馬氏體時效鋼中可以獲得超高硬度和良好綜合力學(xué)性能。此外,鈷在熱強鋼和磁性材料中也是重要的合金元素。

鈷降低鋼的淬透性,因此,單獨加入碳素鋼中會降低調(diào)質(zhì)后的綜合力學(xué)性能。鈷能強化鐵素體,加入碳素鋼中,在退火或正火狀態(tài)下能提高鋼的硬度、屈服點和抗拉強度,對伸長率和斷面收縮率有不利的影響,沖擊韌性也隨著鈷含量的增加而降低。由于鈷具有抗氧化性能,在耐熱鋼和耐熱合金中得到應(yīng)用。鈷基合金燃氣渦輪中更顯示了它特有的作用。

19.元素:鎳(Ni)

對鋼鐵性能的影響:
鎳的有益作用是:高的強度、高的韌性和良好的淬透性、高電阻、高的耐腐蝕性。

一方面既強烈提高鋼的強度,另方面又始終使鐵的韌性保持極高的水平。其變脆溫度則極低。(當(dāng)鎳<0.3%時,其變脆溫度即達‐100℃以下,當(dāng)Ni量增高時,約4~5%,其變脆溫度競可降至‐180℃。所以能同時提高淬火結(jié)構(gòu)鋼的強度和塑性。含Ni=3.5%,無Cr鋼可空淬,含Ni=8%的Cr鋼在很小冷速下也可轉(zhuǎn)變?yōu)镸體。

Ni的晶格常數(shù)與γ‐鐵相近,所以可成連續(xù)固溶體。這就有利于提高鋼的淬硬性,Ni可降低臨界點并增加奧氏體的穩(wěn)定性,所以其淬火溫度可降低,淬透性好。一般大斷面的厚重件都用加Ni鋼。當(dāng)它同Cr、W或Cr、Mo結(jié)合的時候,淬透性尤可增高。鎳鉬鋼還具有很高的疲勞極限。(Ni鋼有良好的耐熱疲勞性,工作在冷熱反復(fù)。σ、αk高)

在不銹鋼中用Ni,是為了使鋼具有均勻的A體組織,以改善耐蝕性。有Ni鋼一般不易過熱,所以它可阻止高溫時晶粒的增長,仍可保持細晶粒組織。

20.元素:銅(Cu)

對鋼鐵性能的影響:
銅在鋼中的突出作用是改善普通低合金鋼的抗大氣腐蝕性能,特別是和磷配合使用時,加入銅還能提高鋼的強度和屈服比,而對焊接性能沒有不利的影響。含銅0.20%~0.50%的鋼軌鋼(U-Cu),除耐磨外其耐腐蝕壽命為一般碳素鋼軌的2-5倍。

銅含量超過0.75%時,經(jīng)固溶處理和時效后,可產(chǎn)生時效強化作用。含量低時,其作用與鎳相似,但較弱。含量較高時,對熱變形加工不利,在熱變形加工時導(dǎo)致銅脆現(xiàn)象。2%~3%銅在奧氏體不銹鋼中可以對硫酸、磷酸及鹽酸等抗腐蝕性能及對應(yīng)力腐蝕的穩(wěn)定性。

各種元素對鋼鐵性能的影響(上)
各種元素對鋼鐵性能的影響(下)