18种合金元素在钢中的作用总结.docx

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1、18种合金元素在钢中的作用总结为了改善和提高钢的某些性能和使之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、银、铝、鸨、钮、钛、钝、错、钻、硅、镒、铝、铜、硼、稀土等。磷、硫、氮等在某些情况下也起到合金的作用。(1)铭(Cr)铭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%0t,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。铭为不锈钢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

2、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铭的碳化物,从而提高材料表面的耐磨性。含铝的弹簧钢在热处理时不易脱碳。铝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)像(Ni)银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。一般地讲，对不需调质处理而在轧钢、正火或退火状态使用的低碳钢，一定的含银量能提高钢的强度而不显著降低其韧性。据统计，每增加1%的银约可提高强度29.4Pa.随着锂含量的增加，钢的屈服程度比抗拉强

3、度提高的快，因此含银钢的比可较普通碳素钢高。银在提高钢强度的同时，对钢的韧性、塑性以及其他工艺的性能的损害较其他合金元素的影响小。对于中碳钢，由于银降低珠光体转变温度，使珠光体变细；又由于银降低共析点的含碳量，因而和相同的碳含量的碳素钢比，其珠光体数量较多，使含银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，含银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。银可以提高钢对疲劳的抗力和减小钢对缺口的敏感性。像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。含像3.5%的钢可在-IOO时使用，含镁9%的钢则可在：96时工作。像不增加钢对蠕变的抗力，因此一般不作

4、为热强钢的强化元素。镁含量高的铁银合金,其线胀系数随像含量增减而显著变化,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。止匕外，银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。(3).(Mo)铝在钢中能提高淬透性和热强性，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淬深、淬透，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同火，从而更有效地消除(或降低)残余应力，提高塑性。在渗碳钢中铝除了具有上述作用外，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

5、的奥氏体,相对地增加了表面层的耐磨性。在锻模刚中，铝还能保持钢有比较稳定的硬度，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，防止了氯离子的存在所产生的点腐蚀倾向。含1%左右铝的W12Cr4V4Mo高速钢具有耐磨性、回火硬度和红硬性等。(4)铝(W)铝在钢中除形成碳化物外，部分地溶入铁中形成固溶体。其作用与铝相似,按质量分数计算，一般效果不如铝显著。铝在钢中主要样图是增加回火稳定性、红硬性、热强性以及由于形成碳化物而增加的耐磨性。因此它的主要用于工具钢,如高速钢

6、、热锻模具用钢等。铝在优质弹簧钢中形成难熔碳化物，在较高温度回火时，能缓解碳化物的聚集过程，保持较高的高温强度。鸨还可以降低钢的过热敏感性、增加淬透性和提高硬度。65SiMnWA弹簧钢热轧后空冷就具有很高的硬度，50mm2截面的弹簧钢在油中即能淬透，可作承受大负荷、耐热(不大于350)、受冲击的重要弹簧。30W4Cr2VA高强度耐热优质弹簧钢，具有大的淬透性，10501100C淬火，550650C回火后抗拉强度达14701666Pa它主要用于制造在高温(不大于500)条件下使用的弹簧。由于铝的加入，能显著提高钢的耐磨性和切削性，所以，铝是合金工具钢的主要元素。(5)机(V)钮和碳、氨、氧有极强

7、的亲和力，与之形成相应的稳定化合物。钮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。钮增加淬火钢的回火稳定性，并产生二次硬化效应。钢中的含钢量，除高速工具钢外，一般均不大于0.5%。钮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。钮在合金结构钢中由于在一般热处理条件下会降低淬透性，故在结构钢中常和镒、铭、铜以及铝等元素联合使用。钮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

8、淬火。钮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。五铭含钮的轴承钢，碳化弥散度高，使用性能良好。钮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。(6)钛(Ti)钛和氮、氧、碳都有极强的亲和力，与硫的亲和力比铁强。因此，它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IOO(TC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铭

9、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铭在晶界处的贫化，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。在高铭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。(7)-/轲(Nb/Cb)银与轲常和铜共生，它们在钢中的作用相近。银和铜部分溶

10、入固溶体，起固溶强化作用。溶入奥氏体时显著提高钢的淬透性。但以碳化物和氧化物微粒形式存在时，细化晶粒并降低钢的淬透性。它能增加钢的回火稳定性，有二次硬化作用。微量混可以在不影响钢的塑性或韧性的情况下提高钢的强度。由于有细化晶粒的作用，能提高钢的冲击韧性并降低其脆性转变温度。当含量大于碳的8倍时,几乎可以固定钢中所有的碳，使钢具有良好的抗氢性能。在奥氏体钢中可以防止氧化介质对钢的晶间腐蚀。由于固定碳和沉淀硬化作用，能提高热强钢的高温性能，如蠕变强度等。混在建筑用普通低合金钢中能提高屈服强度和冲击韧性，降低脆性转变温度有益焊接性能。在渗碳及调质合金结构钢中在增加淬透性的同时。提高钢的韧性和低温性能

11、。能降低低碳马氏体耐热不锈钢的空气硬化性，避免硬化同火脆性,提高蠕变强度。(8)错(Zr)错是强碳化物形成元素，它在钢中的作用与混、但、钮相似。加入少量倍有脱气、净化和细化晶粒作用，有利于钢的低温性能，改善冲压性能，它常用于制造燃气发动机和弹道导弹结构使用的超高强度钢和银基高温合金中。(9)钻(Co)钻多用于特殊的钢和合金中，含钻的高速钢有高的高温硬度，与铝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，钻在热强钢和磁性材料中也是重要的合金元素。钻降低钢的淬透性，因止匕,单独加入碳素钢中会降低调质后的综合力学性能。钻能强化铁素体，加入碳素钢中，在退火或正火状态下能提高钢的硬度、

12、屈服点和抗拉强度，对伸长率和断面收缩率有不利的影响，冲击韧性也随着钻含量的增加而降低。由于钻具有抗氧化性能，在耐热钢和耐热合金中得到应用。钻基合金燃气涡轮中更显示了它特有的作用。（10）氮（N）氮能部分用于铁中，有固溶强化和提高淬透性的作用，但不显著。由于氮化物在晶界上析出，能提高晶界高温强度，增加钢的蠕变强度。与钢中其他元素化合，有沉淀硬化作用。对钢抗腐蚀性能不显著，但钢的表面渗氮后，不仅增加其硬度和耐磨性，也显著改善抗腐蚀性。在低碳钢中残留氮会导致时效脆性。与渗碳相比，渗氮处理后零件具有：高的硬度和耐磨性，高的疲劳强度，较高的抗咬合性，较高的抗蚀性，渗氮过程在钢的相变温度以下（450-60

13、0。C）进行,因而变形小，体积稍有胀大。缺点是周期长（一般气体渗氮土艺的渗氮时间长达数十到IOOh）、成本高、渗层薄（一般为0.5mm左右）而脆，不能承受太大问接触应力和冲击载荷。渗氮后零件虽然具有高硬度、高耐磨性和高的疲劳强度，但只是表面很薄的一层（铭铝铝钢于500-540C经35-65h渗氮层深只达0.3-0.65mm）。必须有强而韧的心部组织作为渗氮层的坚实基底，才能发挥渗氮的最大作用。总的来看,大部分渗氮零件是在有摩擦和复杂的动载荷条件下工作的，不论表面和心部的性能都要求很高。渗氮零件注意事项1）渗氮前的预备热处理调质-渗氮工件在渗氮前应进行调质处理，以获得同火索氏体组织。调质处理回火

14、温度一般高于渗氮温度。2）渗氮前的预备热处理去应力处理-渗氮前应尽量消除机械加工过程中产生的内应力以稳定零件尺寸。消除应力的温度均应低于回火温度，保温时间比回火时间要长些，再缓慢冷却到室温。断面尺寸较大的零件不宜用正火。工模具钢必须采用淬火同火，不得用退火。(11)硅(Si)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，较镐、银、铭、铝、铝、钮等元素强。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(osob),以及疲劳强度和疲劳比(。-1ob)等。这是硅或硅镒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

15、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

16、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v007%,有意加入时，则在炼钢时加入硅铁合金。(12)镒(Mn)镒是良好的脱氧剂和脱硫剂。钢中一般都含有一定量的镒，它能消除或减弱由于硫引起的钢的热脆性，从而改善钢的热加工性能。镒和铁形成的固溶体，提高钢中铁素体和奥氏体的硬度和强度；同时又是碳化物形成的元素，进入渗碳体中取代一部分铁原子，镒在钢中由于降低临界转变温度，起到细化珠光体的作用，也间接地起到提高珠光体钢强度的作用。镒稳定奥氏体组织的能力仅次于银，也强烈增加钢的淬透性。已用含量不超过2%的镒与其他元素配合制成多种合金钢。镒具有资源丰富、效能多样的特点，获得了广泛的应用，如含镒较高的碳素结构钢、弹簧钢。在高碳高镒耐磨钢中,镒含量可达10%14%,