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對鋼性能產生影響的19種化學元素

鋼鐵中有著各種各樣的化學元素,組成成百上千的不同牌號,那么這些化學元素在鋼材中到底發揮了些什么作用呢?

今天帶您走進鋼材中化學元素的世界

1.碳(Carbon):

碳元素在鋼材中的作用是把雙刃劍,隨著碳含量的增高,材料屈服點和抗拉強度會逐漸提高,但是可塑形和沖擊性卻會降低。因此碳含量需要根據不同的材料用途而量身定做。

當含碳量超過0.23%時,焊接性能會大幅下滑,使得用于焊接場合的低合金結構鋼的含碳量不能超過0.20%。過高的碳含量也會導致鋼材的耐大氣腐蝕能力下滑,在露天料場的高碳鋼就很容易遭到腐蝕。

碳含量高也不凈是缺點,高碳含量能提高鋼的冷脆性和時效敏感性。

2.硅(Silicon):

硅元素作為還原劑和脫氧劑被添加在煉鋼過程中,因此鎮靜鋼中會含有0.15-0.30%的硅,當鋼中含硅量超過0.50-0.60%,那么硅就算是合金元素。

硅元素能顯著提升鋼的彈性極限、屈服點和抗拉強度,故廣泛用于彈簧鋼中,如65Mn和82B這類彈簧鋼就含有0.15-0.37%的硅。在調質結構鋼中加入1.0-1.2%的硅,可以提升鋼材15-20%的強度;硅與鉬、鎢、鉻等接合,有提高抗腐蝕性和抗氧化的作用,可制造耐熱鋼;含硅1.0-4.0%的低碳鋼,具有極高的導磁率,用于電器工業做矽鋼片。

當然,硅也不是百利而無一害的,會降低鋼的焊接性能。

3.錳(Manganese):

在煉鋼過程中,錳是良好的脫氧劑和脫硫劑,一般鋼中含錳0.30-0.50%。在碳素鋼中加入0.70%以上時就算“錳鋼”,較一般的鋼不但有足夠的韌性,且有較高的強度和硬度,提高鋼的淬性,改善鋼的熱加工性能,如16Mn鋼比A3屈服點高40%。含錳11-14%的鋼有極高的耐磨性,用于挖土機鏟斗,球磨機襯板等。

含錳量高也是有缺點的。含錳量較高時,鋼材有較明顯的回火脆性現象;錳元素有促進晶粒增長的作用,在熱處理過程中需要注意;當錳的質量分數超過1%時,會降低鋼材焊接性能。

4.硫(Sulfur):

硫來源于煉鋼的礦石和燃料焦炭,是鋼材中的一種有害元素。

硫以硫化鐵(FeS)的形態存在于鋼材中,FeS和Fe形成低熔點(985℃)的化合物,而鋼材的熱加工溫度一般在1150-1200℃,所以當鋼材熱加工時,FeS化合物會過早熔化導致工件開裂,這種現象稱為“熱脆”。含硫量越高,熱脆現象越嚴重,故必須對鋼材中的含硫量進行控制。

高級優質鋼S<0.02-0.03%,優質鋼S<0.03-0.045%,普通鋼S<0.055%-0.07%。在個別情況下也會有需要添加硫的情況,比如在鋼中加入0.08-0.20%的硫,可以改善切削加工性,通常稱易切削鋼。

硫對焊接性能也不利,會降低耐腐蝕性。

5.磷(Phosphorus):

磷是由礦石帶入鋼中的,一般說磷也是有害元素。磷雖能使鋼材的強度、硬度增高,但引起塑性、沖擊韌性顯著降低。特別是在低溫時,它使鋼材顯著變脆,這種現象稱"冷脆"。冷脆使鋼材的冷加工及焊接性變壞,含磷愈高,冷脆性愈大,故鋼中對含磷量控制較嚴。高級優質鋼: P<0.025%;優質鋼: P<0.04%;普通鋼: P<0.085%。

6.氧(Oxygen):

氧在鋼中是有害元素。它是在煉鋼過程中自然進入鋼中的,盡管在煉鋼末期要加入錳、硅、鐵和鋁進行脫氧,但不可能除盡。氧在鋼中以FeO、MnO、SiO2、Al2O3等夾雜形式,使鋼的強度、塑性降低。尤其是對疲勞強度、沖擊韌性等有嚴重影響。

7.氮(Nitrogen):

鐵素體溶解氮的能力很低。當鋼中溶有過飽和的氮,在放置較長一段時間后或隨后在200~300℃加熱就會發生氮以氮化物形式的析出,并使鋼的硬度、強度提高,塑性下降,發生時效。鋼液中加入Al、Ti或V進行固氮處理,使氮固定在AlN、TiN或VN中,可消除時效傾向。

8.鉻 (Chromium):

在結構鋼和工具鋼中,鉻能顯著提高強度、硬度和耐磨性,使鋼材具有良好的的抗氧化性和耐腐蝕性,因而是不銹鋼,耐熱鋼的重要合金元素;還能提高鋼材的淬透性,是很重要的合金元素。

但是鉻也會提高鋼材的脆性轉變溫度,提高鋼材的回火脆性,對于加工過程會導致不必要的困擾。

9.鎳(Nickel):

鎳能提高鋼的強度,而又保持良好的塑性和韌性。鎳對酸堿有較高的耐腐蝕能力,在高溫下有防銹和耐熱能力。但由于鎳是較稀缺的資源,故應盡量采用其他合金元素代用鎳鉻鋼。檢測不銹鋼中的Ni含量,防止供應商以次充好,對生產廠家是至關重要的。GNR手持式光譜儀P5能夠有效的檢測Ni含量(右側超鏈接)--GNR手持式光譜儀 | 鎳合金檢測報告

10.鉬(Molybdenum):

鉬能使鋼的晶粒細化,提高淬透性和熱強性能,在高溫時保持足夠的強度和抗蠕變能力(長期在高溫下受到應力,發生變形,稱蠕變)。結構鋼中加入鉬,能提高機械性能。還可以抑制合金鋼由于火而引起的脆性。在工具鋼中添加鉬元素,則可提高紅性。

11.鈦(Titanium):

鈦是鋼中強脫氧劑。它能使鋼的內部組織致密,細化晶粒力;降低時效敏感性和冷脆性。改善焊接性能。在Cr18Ni9奧氏體不銹鋼中加入適當的鈦,可避免晶間腐蝕。

12.釩(Vanadium):

釩是鋼的優良脫氧劑。鋼中加0.5%的釩可細化組織晶粒,提高強度和韌性。釩與碳形成的碳化物,在高溫高壓下可提高抗氫腐蝕能力。

13.鎢(Tungsten):

鎢熔點高,比重大,是貴生的合金元素。鎢與碳形成碳化鎢有很高的硬度和耐磨性。在工具鋼加鎢,可顯著提高紅硬性和熱強性,作切削工具及鍛模具用。

14.鈮(Niobium):

鈮能細化晶粒和降低鋼的過熱敏感性及回火脆性,提高強度,但塑性和韌性有所下降。在普通低合金鋼中加鈮,可提高抗大氣腐蝕及高溫下抗氫、氮、氨腐蝕能力。鈮可改善焊接性能。在奧氏體不銹鋼中加鈮,可防止晶間腐蝕現象。

15.鈷(Cobalt):

鈷是稀有的貴重金屬,多用于特殊鋼和合金中,如熱強鋼和磁性材料。

16.銅(Copper):

武鋼用大冶礦石所煉的鋼,往往含有銅。銅能提高強度和韌性,特別是大氣腐蝕性能。缺點是在熱加工時容易產生熱脆,銅含量超過0.5%塑性顯著降低。當銅含量小于0.50%對焊接性無影響。

17.鋁(Aluminum):

鋁是鋼中常用的脫氧劑。鋼中加入少量的鋁,可細化晶粒,提高沖擊韌性,如作深沖薄板的08Al鋼。鋁還具有抗氧化性和抗腐蝕性能,鋁與鉻、硅合用,可顯著提高鋼的高溫不起皮性能和耐高溫腐蝕的能力。鋁的缺點是影響鋼的熱加工性能、焊接性能和切削加工性能。

18.硼(Boron):

鋼中加入微量的硼就可改善鋼的致密性和熱軋性能,提高強度。

19.稀土(Rare Earth Element):

稀土元素是指元素周期表中原子序數為57-71的15個鑭系元素。這些元素都是金屬,但他們的氧化物很象“土”,所以習慣上稱稀土。鋼中加入稀土,可以改變鋼中夾雜物的組成、形態、分布和性質,從而改善了鋼的各種性能,如韌性、焊接性,冷加工性能。在犁鏵鋼中加入稀土,可提高耐磨性。

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來源:廣東精譜實業有限公司

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