碳，鉻，鎳，鈦，錳等23種合金元素對鋼材性能的影響，看這篇就夠了
發(fā)布時間：2024-04-10
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我們知道，硫元素的加入，可以促進(jìn)機(jī)械加工性能。
但是硫元素在高真空中容易脫氣，所以303不銹鋼不用在高真空中，而304可以。高蒸氣壓元素還有鋅，鎘，硫，磷元素，它們在常溫下為固體，但是高真空時會變成氣體。合金元素、熱處理以及雜質(zhì)的綜合作用決定了某種鋼的性能。那么，不同的合金元素對不銹鋼的性能有什么特定的影響？
鐵是鋼材中最重要的元素，約占鋼材的95%。鐵含量低于95%的鋼材都是非“結(jié)構(gòu)”鋼。雖然通常認(rèn)為碳不是合金元素，但它卻是鋼中最重要的成分。鐵本身的機(jī)械性能較差，但與不同含量的碳制成合金時，會產(chǎn)生廣泛的硬度和強(qiáng)度。如果碳含量增加，延展性、可鍛性和切削加工性以及鋼的焊接性能都會降低。添加碳使鋼變得更硬、更強(qiáng)，但更脆。在金屬熱處理時，碳和鐵形成硬質(zhì)馬氏體相（扭曲的體心立方）。碳還與鐵、鉻、釩、鉬和鎢結(jié)合，形成非常堅硬的碳化物顆粒，這有助于耐磨性。但碳的添加量是有一定限制的。對于奧氏體不銹鋼，添加過多的碳會促進(jìn)敏化。敏化是碳化鉻在晶界處的沉淀，消耗了鄰近區(qū)域的鉻。這使得不銹鋼容易受到晶間腐蝕。在鐵素體不銹鋼中，碳會嚴(yán)重降低韌性和耐腐蝕性。在馬氏體鋼中，硬度和強(qiáng)度的增加通常伴隨著韌性的降低。在馬氏體鋼和馬氏體-奧氏體鋼中，碳可提高硬度和強(qiáng)度。鉻是不銹鋼中最重要的合金元素。正是這種元素賦予了不銹鋼基本的耐腐蝕性，因為表面的鉻與氧反應(yīng)形成鈍化的氧化鉻層，該層保護(hù)金屬免受腐蝕。所有不銹鋼的鉻含量至少為10.5%，耐腐蝕性隨著鉻含量的增加而增加。不銹鋼的鉻含量可能超過12%。眾所周知的“18-8”不銹鋼含有8%的鎳和18%的鉻。鉻還提高了高溫下的抗氧化能力，而且鉻對鋼有鐵素體穩(wěn)定作用。鉻與碳結(jié)合形成碳化鉻，從而增強(qiáng)耐磨性。它提高拉伸強(qiáng)度、硬度和耐熱性，但它會降低鋼的延展性。鉻經(jīng)常與鎳和銅結(jié)合使用。鉻鋼用于制造軸承的滾珠、滾子和座圈。含有3.25%鎳、1.5%鉻和0.25%碳的鎳鉻鋼廣泛用于裝甲板。鉻鎳鋼還廣泛用于要求高強(qiáng)度和硬度的汽車曲軸、車軸和齒輪。鎳添加到不銹鋼中，以在室溫和低溫下形成或保留奧氏體微觀結(jié)構(gòu)。穩(wěn)定奧氏體微觀結(jié)構(gòu)所需的最小鎳含量約為8%至9%。鎳通常會增加延展性和韌性。它還可以降低活性狀態(tài)下的腐蝕速率，因此在酸性環(huán)境中具有優(yōu)勢。在鋼中添加鎳還能提高淬透性。在沉淀硬化鋼中，鎳還用于形成金屬間化合物，從而提高強(qiáng)度和硬度，而不犧牲延展性和韌性。當(dāng)在高鉻（不銹鋼）鋼中添加適量鎳時，它還可以提高高溫下的耐腐蝕和抗結(jié)垢能力。在馬氏體鋼中，添加鎳與降低碳相結(jié)合可提高焊接性。鎳通過提高斷裂韌性來增強(qiáng)材料的低溫性能，該元素的存在不會降低鋼的可焊性，極大地提高了鋼的缺口韌性。鋼中含有2%至5%的鎳和0.1%至0.5%的碳，可提高其強(qiáng)度和韌性。含25%鎳的合金具有最 大的韌性，并在高溫下具有最 大的防銹、防腐蝕和防燃燒性能。事實證明，它有利于制造鍋爐管、過熱蒸汽閥門、IC閥門。含量為36%的鎳鋼合金稱為因瓦合金，它的膨脹系數(shù)幾乎為零，常用于光學(xué)測量儀器支座。該元素是一種強(qiáng)碳化物形成元素，在合金鋼中的含量通常低于1%。極少量（0.15至0.30%）的鉬通常與鉻和錳（0.5至0.8%）一起用于制造鉬鋼。當(dāng)在400-550°C左右的溫度下使用時，不銹鋼的韌性會顯著下降，這種現(xiàn)象稱為溫度脆化。添加鉬是為了保持不銹鋼的高溫韌性和蠕變強(qiáng)度。當(dāng)鋼被加熱到高溫時，它充當(dāng)晶粒生長抑制劑。鉬鋼具有硬度、耐磨性、耐熱性和額外的抗拉強(qiáng)度，用于飛機(jī)機(jī)身和汽車零部件。因為鉬的行為與鎢非常相似，出于經(jīng)濟(jì)原因，在某些高速工具鋼中經(jīng)常大量使用鉬來替代鎢，可以提高良好的淬透性并增加紅硬性。其碳化物增加了耐磨性。鉬通常用于鉻鎳奧氏體鋼，可防止氯化物和硫化物引起的點(diǎn)蝕。鉬顯著提高了耐均勻腐蝕和局部腐蝕的能力。它在一定程度上提高了機(jī)械強(qiáng)度，并強(qiáng)烈促進(jìn)了鐵素體微觀結(jié)構(gòu)。但是，鉬還增加了鐵素體鋼、雙相鋼和奧氏體鋼中形成第二相的風(fēng)險。在馬氏體鋼中，由于其對碳化物沉淀的影響，它會在較高回火溫度下提高硬度。銅是另一種主要的耐腐蝕元素。銅可增強(qiáng)在某些酸中的耐腐蝕性并促進(jìn)奧氏體微觀結(jié)構(gòu)。同時銅可以減少加工硬化，從而改善機(jī)械加工性。它對淬透性的影響很小。在沉淀硬化鋼中，銅用于形成金屬間化合物，從而提高強(qiáng)度。錳可能是鋼中僅次于碳的第二重要元素。鋼中通常至少含有0.30%的錳，但某些碳鋼中的錳含量高達(dá)1.5%。錳具有與碳類似的作用，鋼鐵生產(chǎn)商結(jié)合這兩種元素來獲得所需材料性能。錳含量超過1.5%、碳含量為0.40%至0.55%的錳合金鋼廣泛用于齒輪、車軸、軸和其他需要高強(qiáng)度和良好延展性的零件。錳鋼的主要用于承受嚴(yán)重磨損的機(jī)械零件，這些鋼材均經(jīng)過鑄造和研磨完成。同時，錳是一種脫氧劑和脫氣劑，可與硫發(fā)生反應(yīng)以提高可鍛性。錳通過與氧和硫結(jié)合而成為鋼熱軋過程中的必需元素。它的存在主要有以下作用：它是一種溫和的脫氧劑，可作為清潔劑，將熔體中的硫和氧帶入爐渣中。它增加了硬化能力和拉伸強(qiáng)度，但降低了延展性。它與硫結(jié)合形成球狀硫化錳，這對于易切削鋼的機(jī)械加工性至關(guān)重要。錳還可以提高滲碳過程中的碳滲透率，然而當(dāng)碳含量過高和錳含量過高時，就會產(chǎn)生脆化。同時，它可以抵抗硫的脆性，有利于碳鋼的表面光潔度。對于焊接目的，錳與硫的比例應(yīng)至少為10:1。錳含量低于0.30%可能會促進(jìn)焊縫內(nèi)部氣孔和裂紋，如果含量超過0.80%也會導(dǎo)致裂紋。硫化錳含量低的鋼可能含有硫化鐵(FeS)形式的硫，這會導(dǎo)致焊縫開裂。錳與硫反應(yīng)形成硫化錳，從而防止形成更不穩(wěn)定的化合物硫化亞鐵。錳通常用于不銹鋼中，以提高熱延展性。錳對鐵素體和奧氏體平衡的影響隨溫度而變化：在低溫下，錳是奧氏體穩(wěn)定劑，但在高溫下，它會穩(wěn)定鐵素體。錳增加鐵素體的溶解度。錳與氮一起添加，以減少維持奧氏體微觀結(jié)構(gòu)所需的鎳量。用錳和氮替代鎳可以減少鎳價波動的影響并降低其成本。與鎳一樣，錳也是一種奧氏體形成元素，可用于AISI200系列奧氏體不銹鋼中作為鎳的替代品。無論是在高溫下還是在低溫下的強(qiáng)氧化性溶液中，硅都能提高抗氧化性。它可以促進(jìn)鐵素體微觀結(jié)構(gòu)并提高強(qiáng)度。硅是鋼中的脫氧劑，有助于去除鋼水中的氧氣氣泡，并且作為少量殘留物存在于合金中。少量硅的存在提高了不銹鋼的強(qiáng)度。如果含量較高，它往往會在高溫下形成金屬間化合物，從而導(dǎo)致脆化。由于硅在鋼生產(chǎn)過程中被用作脫氧劑，因此在所有牌號的鋼中幾乎總是含有一定比例的硅。硅是最常用于生產(chǎn)半鎮(zhèn)靜鋼和全鎮(zhèn)靜鋼的元素，通常含量低于0.40%，當(dāng)用作脫氧劑時，通常僅少量(0.20%)存在于軋鋼中。然而，在鑄鋼件中，通常存在0.35至1.00%。對于鍍鋅目的，含硅量超過0.04%的鋼會極大地影響鍍鋅層的厚度和外觀。硅鋼的性能類似于鎳鋼。與普通碳鋼相比，這些鋼具有較高的彈性極限。含有1%-2%硅和0.1%-0.4%碳及其他合金元素的硅鋼用于電機(jī)、IC中的閥門、發(fā)動機(jī)、彈簧和耐腐蝕材料。氮是一種非常強(qiáng)的奧氏體形成元素，比鎳、錳甚至碳更有效。氮合金產(chǎn)生與碳類似的效果，但具有額外的好處，氮與鉻發(fā)生反應(yīng)的可能性較小，因此可以增加其含量以提高不銹鋼的強(qiáng)度，同時降低對敏化的敏感性，這反過來又增加了其抗晶間腐蝕的能力。由于氮不易形成氮化鉻，而碳不易形成碳化鉻，因此氮的存在可提高耐腐蝕性。由于氮在形成氮化物時的反應(yīng)性較低，因此可以在不增加碳化物尺寸和體積的情況下增加硬度，例如 Sandvik 14C28N鋼。當(dāng)?shù)c鉬合金化時，它可以提高不銹鋼的抗點(diǎn)蝕能力。在鐵素體不銹鋼中，氮會嚴(yán)重降低韌性和耐腐蝕性。在馬氏體鋼中，氮會增加硬度和強(qiáng)度，但會降低韌性。鈦是一種強(qiáng)鐵素體形成劑和強(qiáng)碳化物形成劑，因此可以通過兩種方式，降低有效碳含量并促進(jìn)鐵素體結(jié)構(gòu)。在碳含量增加的奧氏體鋼中添加鈦，是為了提高抗晶間腐蝕的能力，但它也提高了高溫下的機(jī)械性能。在鐵素體不銹鋼中，添加鈦可提高韌性、成形性和耐腐蝕性。在馬氏體鋼中，鈦通過與碳結(jié)合降低馬氏體硬度，并提高回火阻力。鈦是一種穩(wěn)定劑，添加到標(biāo)準(zhǔn)或純316不銹鋼中，形成316Ti變體。鈦是比鉻更強(qiáng)的碳化物形成元素。在高溫下，鉻傾向于與碳反應(yīng)并在晶界處沉淀，鈦含量為0.25-0.60%時，碳與鈦結(jié)合，使鉻保留在晶界并抵抗氧化。在不銹鋼316Ti中，鈦與碳而不是鉻發(fā)生反應(yīng)。這保持了奧氏體中鉻含量，從而保證了316Ti的高溫穩(wěn)定性。通過減少析出物的形成，可以提高耐晶間腐蝕性能。鈦用于控制晶粒尺寸長大，從而提高韌性。鈦還可將硫化夾雜物從細(xì)長形狀轉(zhuǎn)變?yōu)榍驙?，從而提高?qiáng)度和耐腐蝕性以及韌性和延展性。鈮是一種關(guān)鍵的晶粒細(xì)化元素，也是鋼鐵生產(chǎn)中的強(qiáng)度增強(qiáng)元素。具有通過形成硬質(zhì)碳化物來穩(wěn)定碳的優(yōu)點(diǎn)，通常存在于高溫鋼中。少量的鈮可以顯著提高鋼的屈服強(qiáng)度，并在較小程度上提高鋼的抗拉強(qiáng)度，并具有適度的沉淀強(qiáng)化作用。鈮既是強(qiáng)鐵素體又是碳化物形成元素。與鈦一樣，它可以促進(jìn)鐵素體結(jié)構(gòu)。在奧氏體鋼中添加鈮是為了提高抗晶間腐蝕能力，還可以提高高溫下的機(jī)械性能。在鐵素體不銹鋼中，有時添加鈮和/或鈦來提高韌性和提高抗敏化性，從而最 大限度地降低晶間腐蝕的風(fēng)險。在馬氏體鋼中，鈮會降低硬度并增加抗回火性。在美國，鈮也稱為鈳(Cb)。鈦具有更好的穩(wěn)定性，而鈮可確保出色的焊接強(qiáng)度和抗蠕變性。鋁是一種脫氧劑和脫氣劑。它延緩晶粒生長并用于控制奧氏體晶粒尺寸。在滲氮鋼中，當(dāng)用量為1.00%-1.25%時，它有助于產(chǎn)生均勻堅硬且堅固的滲氮層。如果添加大量鋁，則可以提高抗氧化性。出于此目的，鋁被用于某些耐熱等級鋼。在沉淀硬化鋼中，鋁用于形成金屬間化合物，從而提高時效條件下的強(qiáng)度。鈷添加到鋼中時，它可以細(xì)化石墨和珠光體，并起到晶粒細(xì)化劑的作用。鈷元素與鎢一樣，只添加到高速工具鋼中。然而，大量添加鈷會提高鋼的臨界淬火溫度，并可能增加表面脫碳并降低韌性。釩與鈦和鈮一樣，釩可以產(chǎn)生穩(wěn)定的碳化物，從而提高高溫下的強(qiáng)度。通過促進(jìn)細(xì)晶粒結(jié)構(gòu)，可以保持延展性。釩有助于細(xì)化碳化物結(jié)構(gòu)，從而提高工具鋼的可鍛性。此外，釩表現(xiàn)出強(qiáng)烈的形成硬質(zhì)碳化物（例如VC和V2C）的傾向，這提高了工具鋼的硬度和耐磨性能。然而，過量的碳化釩使得工具鋼的磨削極其困難，導(dǎo)致磨削性低。釩在較低溫度下形成碳化物和氮化物，促進(jìn)顯微組織中的鐵素體形成，并增加韌性。當(dāng)含量大于0.05%時，鋼在熱應(yīng)力消除處理過程中可能有變脆的趨勢。釩與其他合金元素一起用于氮化鋼、耐熱鋼、工具鋼和彈簧鋼、軸、齒輪、銷和許多零件。鎢作為雜質(zhì)，存在于大多數(shù)不銹鋼中，盡管一些特殊牌號鋼添加了用于提高耐點(diǎn)蝕性能的添加劑，例如超級雙相牌號4501。鎢與鉻、釩、鉬或錳一起生產(chǎn)用于切削工具的高速鋼。并且它形成堅硬且耐磨的碳化鎢（例如WC和W2C），從而提高工具鋼的耐磨性能。碳化鎢形式的鎢，即使在赤熱狀態(tài)下也能賦予鋼材高硬度。據(jù)說鎢鋼具有“紅硬性”或在變紅后堅硬到足以切割。鎢鋼的主要用途是用于切削工具、模具、閥門、水龍頭和永磁體。硫天然存在于原礦石和礦渣中。與硅和磷一樣，硫作為生產(chǎn)殘留物存在于不銹鋼中。高含量會導(dǎo)致硫脆并對可焊性和高溫性能產(chǎn)生不利影響。此外，它降低了耐腐蝕性，特別是耐點(diǎn)蝕性。當(dāng)在受控條件下添加硫時，硫可以改善不銹鋼的機(jī)械加工性。在這種情況下，錳可用于抵消硫的負(fù)面影響。正如本文已開始所說，硫改善了切削加工性，但降低了橫向延展性和缺口沖擊韌性，并且對縱向機(jī)械性能影響很小。它在鋼中的含量限制為0.05%，但在易切削鋼中的添加量高達(dá)0.35%，同時增加錳含量以抵消不利影響。硫與錳結(jié)合形成錳硫化物，用作碎屑器。硫改善易切削鋼的機(jī)械加工性，但如果沒有足夠的錳，則會在紅熱時產(chǎn)生脆性。鈰是稀土金屬(REM) 之一，在某些耐熱等級中添加少量鈰，以提高抗氧化和高溫腐蝕能力。磷也是碳鋼制造過程中的殘留物。大量的磷會增加回火脆化的可能性，并且比硅更有害。磷通常與硫一起添加，以改善低合金鋼的切削加工性。盡管它提高了鋼的抗拉強(qiáng)度并改善了機(jī)械加工性，但由于其脆化作用，通常被視為不良雜質(zhì)。磷元素的作用根據(jù)濃度的不同會對鋼產(chǎn)生不同的影響。較高等級鋼中磷的最 大含量為0.03%至0.05%。在低合金高強(qiáng)度鋼中添加高達(dá)0.10%的磷將提高強(qiáng)度并提高鋼的耐腐蝕性。當(dāng)淬硬鋼中的含量過高時，脆化的可能性會增加。盡管強(qiáng)度和硬度提高，但延展性和韌性卻下降。易切削鋼的切削加工性得到改善，但如果磷含量超過0.04%，則在焊接過程中會出現(xiàn)焊縫脆性和/或焊縫裂紋。硼（0.001-0.003%）在鋼中最重要的作用和目的是大幅提高淬透性，可改善變形能力和切削加工性。全鎮(zhèn)靜鋼中，只需添加極少量硼即可產(chǎn)生硬化效果，在低碳鋼中添加硼是最有效的。硼含量也可能過高，從而降低淬透性、韌性并導(dǎo)致脆化。鋼中碳的百分比對硼的淬透性也有影響。隨著硼對淬透性的影響增加，碳的含量應(yīng)按比例減少。當(dāng)硼添加到鋼中時，必須采取預(yù)防措施以確保它不會與氧或氮發(fā)生反應(yīng)，因為硼與兩者中的任何一種結(jié)合都會使硼變得無用。雖然嚴(yán)格來說鉛不是合金元素，但添加它是為了改善加工特性。鉛雖然幾乎不溶于液態(tài)或固態(tài)鋼，但有時在澆注過程中，通過機(jī)械分散將鉛添加到碳鋼中，以提高可加工性。鋼中添加鋯可改變夾雜物的形狀。通常添加到低合金、低碳鋼中。結(jié)果是，當(dāng)形狀從細(xì)長形轉(zhuǎn)變?yōu)榍蛐螘r，從而提高了韌性和延展性。鉭的化學(xué)性質(zhì)與鈮(Nb)非常相似，因此對合金具有類似的作用：形成非常堅硬、非常小、簡單的碳化物。提高延展性、硬度、耐磨性和耐腐蝕性。硒：硒是一種營養(yǎng)元素，在鋼中也可以提高機(jī)械加工性能。穩(wěn)定奧氏體：鎳，錳，鈷和銅等元素會增加奧氏體存在的溫度范圍。穩(wěn)定鐵素體：鉻，鎢，鉬，釩，鋁和硅可幫助降低碳在奧氏體中的溶解度，這導(dǎo)致鋼中碳化物數(shù)量的增加。碳化物的形成：許多次要金屬，包括鉻，鎢，鉬，鈦，鈮，鉭和鋯，會生成堅固的碳化物，從而在鋼中增加硬度和強(qiáng)度。這種鋼通常用于制造高速鋼和熱作工具鋼。石墨化：硅，鎳，鈷和鋁會降低鋼中碳化物的穩(wěn)定性，促進(jìn)其分解和形成游離石墨。
