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【基礎資料】金屬材料各種化學成分剖析

  1. 生鐵:

生鐵中除鐵外,還含有碳、硅、錳、磷和硫等元素。這些元素對生鐵的性能均有一定的影響。

碳(C):在生鐵中以兩種形態存在,一種是游離碳(石墨),主要存在于鑄造生鐵中,另一種是化合碳(碳化鐵),主要存在于煉鋼生鐵中,碳化鐵硬而脆,塑性低,含量適當可提高生鐵的強度和硬度,含量過多,則使生鐵難于削切加工,這就是煉鋼生鐵切削性能差的原因。石墨很軟,強度低,它的存在能增加生鐵的鑄造性能。

硅(Si):能促使生鐵中所含的碳分離為石墨狀,能去氧,還能減少鑄件的氣眼,能提高熔化生鐵的流動性,降低鑄件的收縮量,但含硅過多,也會使生鐵變硬變脆。

錳(Mn):能溶于鐵素體和滲碳體。在高爐煉制生鐵時,含錳量適當,可提高生鐵的鑄造性能和削切性能,在高爐里錳還可以和有害雜質硫形成硫化錳,進入爐渣。

磷(P):屬于有害元素,但磷可使鐵水的流動性增加,這是因為硫減低了生鐵熔點,所以在有的制品內往往含磷量較高。然而磷的存在又使鐵增加硬脆性,優良的生鐵含磷量應少,有時為了要增加流動性,含磷量可達1.2%。

硫(S):在生鐵中是有害元素,它促使鐵與碳的結合,使鐵硬脆,并與鐵化合成低熔點的硫化鐵,使生鐵產生熱脆性.減低鐵液的流動性,顧含硫高的生鐵不適于鑄造細件。鑄造生鐵中硫的含量規定最多不得超過0.06%(車輪生鐵除外)。

【基礎資料】金屬材料各種化學成分剖析 技術信息 第1張

2.鋼:

元素在鋼中的作用

常存雜質元素對鋼材性能的影響

鋼除含碳以外,還含有少量錳(Mn)、硅(Si)、硫(S)、磷(P)、氧(O)、氮(N)和氫(H)等元素。這些元素并非為改善鋼材質量有意加入的,而是由礦石及冶煉過程中帶入的,故稱為雜質元素。這些雜質對鋼性能是有一定影響,為了保證鋼材的質量,在國家標準中對各類鋼的化學成分都作了嚴格的規定。

1)硫

硫來源于煉鋼的礦石與燃料焦炭。它是鋼中的一種有害元素。硫以硫化鐵(FeS)的形態存在于鋼中,FeS和Fe形成低熔點(985℃)化合物。而鋼材的熱加工溫度一般在1150~1200℃以上,所以當鋼材熱加工時,由于 FeS化合物的過早熔化而導致工件開裂,這種現象稱為“熱脆”。含硫量愈高,熱脆現象愈嚴重,故必須對鋼中含硫量進行控制。高級優質鋼:S<0.02%~0.03%;優質鋼:S<0.03%~0.045%;普通鋼:S<0.055%~0.7%以下。

2)磷

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%。

3)錳

錳是煉鋼時作為脫氧劑加入鋼中的。由于錳可以與硫形成高熔點(1600℃)的 MnS,一定程度上消除了硫的有害作用。錳具有很好的脫氧能力,能夠與鋼中的FeO成為MnO進入爐渣,從而改善鋼的品質,特別是降低鋼的脆性,提高鋼的強度和硬度。因此,錳在鋼中是一種有益元素。一般認為,鋼中含錳量在0.5%~0.8%以下時,把錳看成是常存雜質。技術條件中規定,優質碳素結構鋼中,正常含錳量是0.5%~0.8%;而較高含錳量的結構鋼中,其量可達0.7%~1.2%。

4)硅

硅也是煉鋼時作為脫氧劑而加入鋼中的元素。硅與鋼水中的FeO能結成密度較小的硅酸鹽爐渣而被除去,因此硅是一種有益的元素。硅在鋼中溶于鐵素體內使鋼的強度、硬度增加,塑性、韌性降低。鎮靜鋼中的含硅量通常在0.1%~0.37%,沸騰鋼中只含有0.03%~0.07%。由于鋼中硅含量一般不超過0.5%,對鋼性能影響不大。

5)氧

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。

6)氮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。

7)氫

鋼中溶有氫會引起鋼的氫脆、白點等缺陷。白點常在軋制的厚板、大鍛件中發現,在縱斷面中可看到圓形或橢圓形的白色斑點;在橫斷面上則是細長的發絲狀裂紋。鍛件中有了白點,使用時會發生突然斷裂,造成不測事故。因此,化工容器用鋼,不允許有白點存在。氫產生白點冷裂的主要原因是因為高溫奧氏體冷至較低溫時,氫在鋼中的溶解度急劇降低。當冷卻較快時,氫原子來不及擴散到鋼的表面而逸出,就在鋼中的一些缺陷處由原子狀態的氫變成分子狀態的氫。氫分子在不能擴散的條件下在局部地區產生很大壓力,這壓力超過了鋼的強度極限而在該處形成裂紋,即白點。

【基礎資料】金屬材料各種化學成分剖析 技術信息 第2張

3. 合金鋼

合金鋼中元素的作用

為了合金化而加入的合金元素,最常用的有硅、錳、鉻、鎳、鉬、鎢、釩,鈦,鈮、硼、鋁等。現分別說明它們在鋼中的作用。

1)硅

①提高鋼中固溶體的強度和冷加工硬化程度使鋼的韌性和塑性降低;

②硅能顯著地提高鋼的彈性極限、屈服極限和屈強比;

③耐腐蝕性。硅的質量分數為15%一20%的高硅鑄鐵,是很好的耐酸材料。含有硅的鋼在氧化氣氛中加熱時,表面也將形成一層SiO2薄膜,從而提高鋼在高溫時的抗氧化性。

缺點:使鋼的焊接性能惡化。

2)錳

①錳能提高鋼的淬透性。

②錳對提高低碳和中碳珠光體鋼的強度有顯著的作用。

③錳對鋼的高溫瞬時強度有所提高。

缺點:

①含錳較高時,有較明顯的回火脆性現象;

②錳有促進晶粒長大的作用,因此錳鋼對過熱較敏感t在熱處理工藝上必須注意。這種缺點可用加入細化晶粒元素如鉬、釩、鈦等來克服:

③當錳的質量分數超過1%時,會使鋼的焊接性能變壞

【基礎資料】金屬材料各種化學成分剖析 技術信息 第3張

3)鉻在鋼中的作用

①鉻可提高鋼的強度和硬度。

②鉻可提高鋼的高溫機械性能

③使鋼具有良好的抗腐蝕性和抗氧化性

④阻止石墨化

⑤提高淬透性。

缺點:

①是顯著提高鋼的脆性轉變溫度

②鉻能促進鋼的回火脆性。

4)鎳在鋼中的作用

①可提高鋼的強度而不顯著降低其韌性;

②鎳可降低鋼的脆性轉變溫度,即可提高鋼的低溫韌性;

③改善鋼的加工性和可焊性;

④鎳可以提高鋼的抗腐蝕能力,不僅能耐酸,而且能抗堿和大氣的腐蝕。

5)鉬在鋼中的作用

①鉬對鐵素體有固溶強化作用。

②提高鋼熱強性

③抗氫侵蝕的作用。

④提高鋼的淬透性。

缺點:

鉬的主要不良作用是它能使低合金鉬鋼發生石墨化的傾向。

6)鎢在鋼中的作用

①提高強度

②提高鋼的高溫強度。

③提高鋼的抗氫性能。

④是使鋼具有熱硬性。因此鎢是高速工具鋼中的主要合金元素。

【基礎資料】金屬材料各種化學成分剖析 技術信息 第4張

7)釩在鋼中的作用

①熱強性。

②釩能顯著地改善普通低碳低合金鋼的焊接性能。

8)鈦在鋼中的作用

①鈦能改善鋼的熱強性,提高鋼的抗蠕變性能及高溫持久強度;

②并能提高鋼在高溫高壓氫氣中的穩定性。使鋼在高壓下對氫的穩定性高達600℃以上,在珠光體低合金鋼中,鈦可阻止鉬鋼在高溫下的石墨化現象。因此,鈦是鍋爐高溫元件所用的熱強鋼中的重要合金元素之一。

9)鈮在鋼中的作用

①鈮和碳、氮、氧都有極強的結合力,并與之形成相應的極為穩定的化合物,因而能細化晶粒,降低鋼的過熱敏感性和回火脆性。

②有極好的抗氫性能。

③鈮能提高鋼的熱強性

10)硼在鋼中的作用 ;

①提高鋼的淬透性。

②提高鋼的高溫強度。強化晶界的作用。

11)鋁在鋼中的作用

①用作煉鋼時的脫氧定氮劑,細化晶粒,抑制低碳鋼的時效,改善鋼在低溫時的韌性,特別是降低了鋼的脆性轉變溫度;

②提高鋼的抗氧化性能。曾對鐵鋁合金的抗氧化性進行了較多的研究;4%AI即可改變氧化皮的結構,加入6%A1可使鋼在980C以下具有抗氧化性。當鋁和鉻配合并用時,其抗氧化性能有更大的提高。例如,含鐵50%一55%、鉻30%一35%、鋁10%一15%的合金,在1 400C高溫時,仍具有相當好的抗氧化性。由于鋁的這一作用,近年來,常把鋁作為合金元素加入耐熱鋼中。

③此外,鋁還能提高對硫化氫和V2O5,的抗腐蝕性。

缺點:

①脫氧時如用鋁量過多,將促進鋼的石墨化傾向。

②當含鋁較高時,其高溫強度和韌性較低。

【基礎資料】金屬材料各種化學成分剖析 技術信息 第5張


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用戶評論

  1. 董經理
    歡迎大家關注我們的微信公眾號 steelbos
    2018-06-12 11:24:53 回復

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