【2017年整理】钢铁中微量元素影响

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1、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 铬 ， 镍 ， 钼 ， 钨 ， 钒 ， 钛 ， 铌 ， 锆 ， 钴 ，硅， 锰 ， 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)铬 (Cr) 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

2、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

3、、 电 阻和强度。 （ 2） 镍 （ Ni） 镍 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 镍 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 镍约 可提高强度 29.4Pa。 随 着 镍 含量的增加， 钢 的屈服程度比抗拉强度提高的快，因此含 镍钢 的比可 较 普通 碳 素 钢 高。 镍 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

4、，由于 镍 降低珠光体 转变温 度，使珠光体 变细 ；又由于 镍 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 镍 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 镍钢 的 碳 含量可以适 当 降低，因而能使 钢 的 韧 性和塑性有所提。 镍 可以提高 钢对 疲 劳 的抗力和 减 小 钢对 缺口的敏感性。 镍 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 镍 3.5%的 钢 可在 -100 时 使用，含 镍 9%的 钢则 可在 -196 时 工作

5、。 镍 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。 镍 含量高的 铁镍 合金，其 线胀 系 数随镍 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。 此外， 镍 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， 镍 是不 锈 耐酸 钢 中的重要元素之一。 （ 3） 钼 （ Mo） 钼 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， 钼 能使 较 大 断 面的零件淬深

6、、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 度下回火， 从 而更有效地消除（或降低） 残 余 应 力，提高塑性。 在渗 碳钢 中 钼 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 留的 奥 氏体，相 对 地增加了表面 层 的耐磨性。 在 锻 模 刚 中， 钼还 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， 钼 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

7、抗 蚀 性。特 别 是由于 钼 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 钼 的 W12Cr4V4Mo 高速 钢 具有耐磨性、回火硬度和 红 硬性等。 （ 4） 钨 （ W） 钨 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 与钼 相似，按 质 量分 数计 算，一般效果不如 钼显 著。 钨 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 、 热锻 模具用 钢 等。 钨 在 优质弹 簧 钢 中形成 难 熔 碳 化物，在 较 高 温 度回火 时 ，

8、能 缓 解 碳 化物的聚集 过 程，保持 较 高的高 温强度。 钨还 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， 1050 1100 淬火， 550650 回火后抗拉强度 达 1470 1666Pa。 它 主要用于制造在高 温 （不大于 500 ） 条 件下使用的 弹簧。 由于 钨 的加入，能 显 著提高 钢 的耐磨性和切削性，所以

9、， 钨 是合金工具 钢 的主要元素。 （ 5） 钒 （ V） 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

10、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

11、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 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

12、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

13、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） 铌 /钶 （ Nb/Cb） 铌与钶 常和 钽 共生， 它们 在 钢 中的作用相近。 铌 和 钽 部分溶入固溶体，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 铌 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

14、 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。 铌 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。能降低低 碳马 氏体耐 热 不 锈钢 的空 气 硬化性，避免硬化回火脆性，提高蠕 变 强度。 （ 8） 锆 （ Zr） 锆 是强 碳 化物形成元素， 它 在 钢 中的作用 与铌

15、 、 钽 、 钒 相似。加入少量 锆 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 镍 基高 温 合金中。 （ 9） 钴 （ Co） 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

16、，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。 （ 10）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（ s/b），以及疲 劳 强度和疲 劳 比（ -1/b）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