合金鋼

合金鋼

合金鋼 alloy steel 裏除鐵、外,加入其他的合金元素,就叫合金鋼。 在普通碳素鋼基礎上增加適量的一種或多種合金元素而構成的鐵碳合金。根據增加元素的不同,並採取適當的加工工藝,可獲得高強度、高韌性、耐磨、耐腐蝕、耐低溫、耐高溫、無磁性等特殊性能。

  • 中文名稱
    合金鋼
  • 外文名稱
    Alloy steel
  • 類型
    鋼材
  • 歷史
    有一百多年的歷史

產生發展

合金鋼已有一百多年的歷史了。工業上較多地使用合金鋼材大約是在19世紀後半期。當時由于鋼的生產量和使用量不斷增大,機械製造業需要解決鋼的加工切削問題,1868年英國人馬希特(R.F.Mushet)發明了成分為2.5%Mn-7%W的自硬鋼,將切削速度提高到5米/分。隨著商業和運輸的發展,1870年在美國用鉻鋼(1.5~2.0%Cr)在密西西比河上建造了跨度為 158.5米的大橋;由于加工構件時發生困難,稍後,一些工業國家改用鎳鋼(3.5%Ni)建造大跨度的橋梁。與此同時,一些國家還將鎳鋼用于修造軍艦。隨著工程技術的發展,要求加快機械的轉動速度,1901年在西歐出現了高碳鉻捲動軸承鋼。1910年又發展出了18W-4Cr-1V型的高速工具鋼,進一步把切削速度提高到30米/分。可見合金鋼的問世和發展,是適應了社會生產力發展的要求,特別是和機械製造、交通運輸和軍事工業的需要分不開的。

合金鋼

20世紀20年代以後,由于電弧爐煉鋼法被推廣使用,為合金鋼的大量生產創造了有利條件。化學工業和動力工業的發展,又促進了合金鋼品種的擴大,于是不銹鋼和耐熱鋼在這段期間問世了。1920年德國人毛雷爾 (E.Maurer) 發明了18-8型不銹耐酸鋼,1929年在美國出現了Fe-Cr-Al電阻絲,到1939年德國在動力工業開始使用奧氏體耐熱鋼。第二次世界大戰以後至60年代,主要是發展高強度鋼和超高強度鋼的時代,由于航空工業和火箭技術發展的需要,出現了許多高強度鋼和超高強度鋼新鋼種,如沉淀硬化型高強度不銹鋼和各種低合金高強度鋼等是其代表性的鋼種。60年代以後,許多冶金新技術,特別是爐外精煉技術被普遍採用,合金鋼開始向高純度、高精度和超低碳的方向發展,又出現了馬氏體時效鋼、超純鐵素體不銹鋼等新鋼種。目前國際上使用的有上千個合金鋼鋼號,數萬個規格,合金鋼的產量約佔鋼總產量的10%,是國民經濟建設和國防建設大量使用的重要金屬材料

合金鋼

合金元素

合金鋼的主要合金元素有矽、、鉻、鎳、鉬、、鈦、鈮、稀土等。其中釩、鈦、鈮、鋯等在鋼中是強碳化物形成元素,隻要有足夠的碳,在適當條件下,就能形成各自的碳化物,當缺碳或在高溫條件下,則以原子狀態進入固溶體中;錳、鉻、鎢、鉬為碳化物形成元素,其中一部分以原子狀態進入固溶體中,另一部分形成置換式合金滲碳體;鋁、銅、鎳、鈷、矽等是不形成碳化物元素,一般以原子狀態存在于固溶體中。

種類劃分

一般分類

合金鋼種類很多,通常按合金元素含量多少分為低合金鋼(含量<5%),中合金鋼(含量5%~10%),高合金鋼(含量>10%);按質量分為優質合金鋼、特質合金鋼;按特徵和用途又分為合金結構鋼、不銹鋼、耐酸鋼、耐磨鋼、耐熱鋼、合金工具鋼、捲動軸承鋼、合金彈簧鋼和特殊性能鋼(如軟磁鋼、永磁鋼、無磁鋼)等。

合金鋼

在鋼中除含鐵、碳和少量不可避免的矽、錳、磷、硫元素以外,還含有一定量的合金元素,鋼中的合金元素有矽、錳、鉬、鎳、硌、礬、鈦、鈮、硼、鉛、稀土等其中的一種或幾種,這種鋼叫合金鋼。各國的合金鋼系統,隨各自的資源情況、生產和使用條件不同而不同,國外以往曾發展鎳、硌鋼系統,我國則發現以矽、錳、釩、鈦、鈮、硼、鉛、稀土為主的合金鋼系統 合金鋼在鋼的總產量中約佔百分之十幾,一般是在電爐中冶煉的按用途可以把合金鋼分為8大類,它們是:合金結構鋼、彈簧鋼、軸承鋼、合金工具鋼、高速工具鋼、不銹鋼、耐熱不起皮鋼,電工用矽鋼。

調質鋼 1.中碳型合金鋼,合金元素含量較低;2.強度較高;3.用于高溫螺栓、螺母材料等。

彈簧鋼 1、含碳量比調質鋼高;2經調質處理,強度較高 抗疲勞強度較高;3用于彈簧材料。

捲動軸承鋼 1高碳型合金鋼,合金含量較高;2具有高而均勻的硬度和耐磨性;3用于捲動軸承。

合金工具鋼 量具鋼 1高碳型合金鋼,合金元素含量較低;2具有高的硬度和耐磨性,機加工性能好,穩定性好;3用于量具材料。

特殊性能鋼 不銹鋼1低碳高合金鋼;2抗腐蝕性好;3用于抗腐蝕、部分可做耐熱材料。

耐熱鋼 1低碳高合金鋼;2耐熱性能好;3用于耐熱材料、部分可做抗腐蝕材料。

低溫鋼1低碳合金鋼,根據耐低溫程度合金元素有高有低;2抗低溫性好;3用于低溫材料(專用鋼為鎳鋼)。

傾向分類

合金鋼根據各種元素在鋼中形成碳化物的傾向,可分為三類:①強碳化物形成元素,如釩、鈦、鈮、鋯等。

合金鋼

這類元素隻要有足夠的碳,在適當的條件下,就形成各自的碳化物;僅在缺碳或高溫的條件下,才以原子狀態進入固溶體中。

②碳化物形成元素,如錳、鉻、鎢、鉬等。這類元素一部分以原子狀態進入固溶體中,另一部分形成置換式合金滲碳體,如(Fe,Mn)3C、(Fe,Cr)3C等,如果含量超過一定限度(除錳以外),又將形成各自的碳化物,如(Fe,Cr)7C3、(Fe,W)6C等。

③ 不形成碳化物元素,如矽、鋁、銅、鎳、鈷等。這類元素一般以原子狀態存在于奧氏體、鐵素體等固溶體中。合金元素中一些比較活潑的元素,如鋁、錳、矽、鈦、鋯等,極易和鋼中的氧和氮化合,形成穩定的氧化物和氮化物,一般以夾雜物的形態存在于鋼中。錳、鋯等元素也和硫形成硫化物夾雜。鋼中含有足夠數量的鎳、鈦、鋁、鉬等元素時能形成不同類型的金屬間化合物。有的合金元素如銅、鉛等,如果含量超過它在鋼中的溶解度,則以較純的金屬相存在。

鋼的性能取決于鋼的相組成,相的成分和結構,各種相在鋼中所佔的體積組分和彼此相對的分布狀態。合金元素是通過影響上述因素而起作用的。對鋼的相變點的影響 主要是改變鋼中相變點的位置,大致可以歸納為以下三個方面:

①改變相變點溫度。一般來說,擴大γ相(奧氏體)區的元素,如錳、鎳、碳、氮、銅、鋅等,使A3點溫度降低,A4點溫度升高;相反,縮小γ相區的元素,如鋯、硼、矽、磷、鈦、釩、鉬、鎢、鈮等,則使A3點溫度升高,A4點溫度降低。惟有鈷使A3和A4點溫度均升高。鉻的作用比較特殊,含鉻量小于7%時使A3點溫度降低,大于7%時則使A3點溫度提高。

②改變共析點S的位置。縮小γ相區的元素,均使共析點S溫度升高;擴大γ相區的元素,則相反。此外幾乎所有合金元素均降低共析點S的含碳量,使S點向左移。不過碳化物形成元素如釩、鈦、鈮等(也包括鎢、鉬),在含量高至一定限度以後,則使S點向右移。

③改變γ相區的形狀、大小和位置。這種影響較為復雜,一般在合金元素含量較高時,能使之發生顯著改變。例如鎳或錳含量高時,可使γ相區擴展至室溫以下,使鋼成為單相的奧氏體組織;而矽或鉻含量高時,則可使γ相區縮得很小甚至完全消失,使鋼在任何溫度下都是鐵素體組織。

主要區別

合金鋼焊條合金鋼與碳鋼相比含有較多其他元素

合金鋼是指鋼中除含矽和錳作為合金元素或脫氧元素外,還含有其他合金元素(如鉻、鎳 、鉬、釩、鈦、銅、鎢、鋁、鈷、鈮、鋯和其他元素等),有的還含有某些非金屬元素(如硼、氮等)的鋼。根據鋼中合金元素含量的多少,又可分為低合金鋼,中合金鋼和高合金鋼。

而碳鋼主要指力學性能取決于鋼中的碳含量,而一般不增加大量的合金元素的鋼,有時也稱為普碳鋼或碳素鋼。

碳鋼也叫碳素鋼,含碳量WC小于2%的鐵碳合金。碳鋼除含碳外一般還含有少量的矽、錳、硫、磷 按用途可以把碳鋼分為碳素結構鋼、碳素工具鋼和易切削結構鋼三類。碳素結構鋼又分為建築結構鋼和機器製造結構鋼兩種 按含碳量可以把碳鋼分為低碳鋼(WC ≤ 0.25%),中碳鋼(WC0.25%——0.6%)和高碳鋼(WC>0。6%) 按磷、硫含量可以把碳素鋼分為普通碳素鋼(含磷、硫較高)、優質碳素鋼(含磷、硫較低)和高級優質鋼(含磷、硫更低) 一般碳鋼中含碳量較高則硬度越高,強度也越高,但塑性較低。

重要作用

1、碳(C):鋼中含碳量增加,屈服點和抗拉強度升高,但塑性和沖擊性降低,當碳含量超過0.23%時,鋼的焊接性能變壞,因此用于焊接的低合金結構鋼,含碳量一般不超過0.20%。碳量高還會降低鋼的耐大氣腐蝕能力,在露天料場的高碳鋼就易銹蝕;此外,碳能增加鋼的冷脆性和時效敏感性。

合金鋼

2、矽(Si):在煉鋼過程中加矽作為還原劑和脫氧劑,所以鎮靜鋼含有0.15-0.30%的矽。如果鋼中含矽量超過0.50-0.60%,矽就算合金元素。矽能顯著提高鋼的彈性極限,屈服點和抗拉強度,故廣泛用于作彈簧鋼。在調質結構鋼中加入1.0-1.2%的矽,強度可提高15-20%。矽和鉬、鎢、鉻等結合,有提高抗腐蝕性和抗氧化的作用,可製造耐熱鋼。含矽1-4%的低碳鋼,具有極高的導磁率,用于電器工業做矽鋼片。矽量增加,會降低鋼的焊接性能。

3、錳(Mn):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”,較一般鋼量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,用于挖土機鏟鬥,球磨機襯板等。錳量增高,減弱鋼的抗腐蝕能力,降低焊接性能。

4、磷(P):在一般情況下,磷是鋼中有害元素,增加鋼的冷脆性,使焊接性能變壞,降低塑性,使冷彎性能變壞。因此通常要求鋼中含磷量小于0.045%,優質鋼要求更低些。

5、硫(S):硫在通常情況下也是有害元素。使鋼產生熱脆性,降低鋼的延展性和韌性,在鍛造和軋製時造成裂紋。硫對焊接性能也不利,降低耐腐蝕性。所以通常要求硫含量小于0.055%,優質鋼要求小于0.040%。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。

6、鉻(Cr):在結構鋼和工具鋼中,鉻能顯著提高強度、硬度和耐磨性,但同時降低塑性和韌性。鉻又能提高鋼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。

7、鎳(Ni):鎳能提高鋼的強度,而又保持良好的塑性和韌性。鎳對酸鹼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,故應盡量採用其他合金元素代用鎳鉻鋼。

8、 鉬(Mo):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。 還可以抑製合金鋼由于淬火而引起的脆性。在工具鋼中可提高紅性。

9、鈦(Ti):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。在鉻18鎳9奧氏體不銹鋼中加入適當的鈦,可避免晶間腐蝕。

10、釩(V):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。

11、鎢(W):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。

12、鈮(Nb):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。

13、鈷(Co):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。

14、銅(Cu):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。

15、鋁(Al):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、矽合用,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。

16、硼(B):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。

17、氮(N):氮能提高鋼的強度,低溫韌性和焊接性,增加時效敏感性。

18、稀土(Xt):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。

相關影響

鋼加熱時的主要固態相變是非奧氏體相向奧氏體相的轉變,即奧氏體化的過程。整個過程都和碳的擴散有關。合金元素中,非碳化物形成元素如鎳、鈷等,降低碳在奧氏體中的激活能,增加奧氏形成的速度;而強碳化物形成元素如釩、鈦、鎢等,強烈妨礙碳在鋼中的擴散,顯著減慢奧氏體化的過程。鋼冷卻時的相變是指過冷奧氏體的分解,包括珠光體轉變(共析分解)、貝氏體相變及馬氏體相變。由于鋼中大都存在幾種合金元素的相互作用,致使對鋼冷卻時相變的影響也復雜得多。僅舉合金元素對過冷奧氏體等溫轉變曲線的影響為例,大多數合金元素,除鈷和鋁外,均起減緩奧氏體等溫分解的作用,但各類元素所起的作用有所不同。不形成碳化物的(如矽、磷、鎳、銅)和少量的碳化物形成元素(如釩、鈦、鉬、鎢),對奧氏體到向珠光體的轉變和向貝氏體的轉變的影響差異不大,因而使轉變曲線向右推移。

合金鋼

碳化物形成元素(如釩、鈦、鉻、鉬、鎢)如果含量較多,將使奧氏體向珠光體的轉變顯著延後,但對奧氏體向貝氏體的轉變的延後並不顯著,因而使這兩種轉變的等溫轉變曲線從“鼻子”處分離,而形成兩個 C形。當這類元素增加到一定程度時,在這兩個轉變區域的中間還將出現過冷奧氏體的亞穩定區。合金元素對馬氏體轉變溫度Ms (起始轉變溫度)和Mn (終了轉變溫度)的影響也很顯著,大部分元素均使Ms和Mn點降低,其中以碳的影響最大,其次為錳、釩、鉻等;但鈷和鋁則使Ms和Mn點升高。

對鋼的晶粒度和淬透性的影響 影響奧氏體晶粒度的因素很多。鋼的脫氧和合金化情況均與“奧氏體本質晶粒度”有關。一般來說,一些不形成碳化物的元素,如鎳、矽、銅、鈷等,阻止奧氏體晶粒長大的作用較弱,而錳、磷則有促進晶粒長大的傾向。碳化物形成元素如鎢、鉬、鉻等,對阻止奧氏體晶粒長大起中等作用。強碳化物形成元素如釩、鈦、鈮、鋯等,強烈地阻止奧氏體晶粒長大,起細化晶粒作用。鋁雖然屬于不形成碳化物元素,但卻是細化晶粒和控製晶粒開始粗化溫度的最常用的元素。

鋼的淬透性(見淬火)高低主要取決于化學成分和晶粒度。除鈷和鋁等元素外,大部分合金元素溶入固溶體後都不同程度地抑製過冷奧氏體向珠光體和貝氏體的相變,增加獲得馬氏體組織的數量,即提高鋼的淬透性。一些碳化物形成元素,如釩、鈦、鋯、鎢等,如果形成碳化物而固定了鋼中的碳,反而會降低淬透性,易使晶粒粗化的元素如錳,能提高淬透性;使晶粒細化的元素如鋁,則降低淬透性。硼是顯著影響淬透性的元素,合金鋼中即使隻含十萬分之一的硼,也能顯著提高鋼的淬透性。但硼的這種影響僅對低、中碳鋼有效,對高碳鋼完全無效。

對鋼的力學性能和回火性能的影響 鋼的性能取決于鐵的固溶體和碳化物各自性能以及它們相對分布的狀態。合金元素對鋼的力學性能的影響也與此有關。固溶于鐵素體中的合金元素,起固溶強化作用,使強度和硬度提高,但同時使韌性和塑性相對地降低。其中以磷和矽的固溶強化作用最顯著,而矽對韌性的影響也最嚴重。少量的錳、鉻或鎳,反而對鐵素體的韌性有一定提高。

調質鋼的韌性-脆性轉變溫度是評價力學性能的一項重要指標。①提高轉變溫度的元素有 B、P、C、Si、Cu、Mo、Cr;②降低轉變溫度的元素有Ni、Mn;③少量時提高、多量時降低轉變溫度的元素有Ti、V;④少量時降低、多量時提高轉變溫度的元素有Al。

合金鋼的回火穩定性比碳素鋼好,這是由于合金元素在回火時阻礙了鋼中原子的擴散,因而在同樣溫度下,起到延遲馬氏體分解和抗回火軟化的作用。對合金鋼的回火穩定性影響比較顯著的為:釩、鎢、鈦、鉻、鉬、鈷、矽等元素;影響不明顯的為:鋁、錳、鎳等元素。可以看到,碳化物形成元素,對回火軟化的延遲作用特別顯著。鈷和矽雖屬不形成碳化物元素,但它們對滲碳體晶核的形成和長大,有強烈的延遲作用,因此,也有延遲回火軟化的作用。各種合金元素對回火脆性影響的程度是不同的。定性地說,錳、鉻、氮、磷、釩、銅、鎳等均有促進回火脆性的傾向。鉬的作用較特殊,它加入已有回火脆性的合金鋼(例如含錳、鉻等)中,能顯著地降低回火脆性傾向;若單獨加入普通碳素鋼中,則成為促進回火脆性傾向的元素。鎢的作用與鉬相似,但對回火脆性的影響尚未十分確定。

對鋼的焊接性和被切削性的影響 焊接性和被切削性是衡量鋼的工藝性能好壞的主要方面。凡能提高淬透性的合金元素均對鋼的焊接性不利。因為在焊縫熱影響區靠近熔合線一側冷卻時易形成馬氏體等硬脆組織,有導致開裂的危險。另一方面,熱影響區靠近熔合線處的晶粒因受高熱容易粗化,因此,合金鋼中含有可使晶粒細化的元素如鈦、釩等是有益的。矽含量高,焊接時會發生嚴重噴濺。硫含量高容易產生熱裂,同時會逸出二氧化硫氣體,在焊接金屬內形成氣孔和疏松。磷含量高容易導致冷裂。

鋼中加入適量的硫、鉛等元素可改善鋼的被切削性(見易切削鋼)。合金鋼中的合金元素一般會使鋼的硬度增加,因而增高切削抗力,加劇刀具磨損。通過改變鋼的基體組織、夾雜物的種類、數量和形狀可以影響鋼的被切削性。對鋼的耐蝕性能的影響 鉻是不銹耐酸鋼和耐熱鋼的主要合金元素。合金鋼中含鉻量若達到12%左右,在鋼的表面便形成致密的鉻的氧化物,使鋼在氧化性介質中的耐蝕性發生突變而大大提高。鉻、鋁、矽等元素,能提高鋼的抗氧化性和抗高溫氣體的腐蝕性能,但過量的鋁和矽則會使鋼的熱塑性變壞。鎳主要用來形成和穩定奧氏體組織,使鋼獲得良好的力學性能、耐蝕性能和工藝性能。鉬能使不銹耐酸鋼很快鈍化,提高對含有氯離子的溶液及其他非氧化性介質的耐蝕能力。鈦、鈮通常用來固定合金鋼中的碳,使它生成穩定的碳化物,以減輕碳對合金鋼耐蝕性能的有害作用。銅和磷配合使用時,可提高鋼的耐大氣腐蝕性能。

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