钢中各元素在钢中的作用2018.1.17

钢中各元素在钢中的作用

李祥才

1、碳

碳是对钢的强度贡献最大的元素。碳溶解在钢中形成间隙固溶体，起固溶强化的作用，另外它与强碳化物形成元素如V、Nb、Ti形成碳化物析出时，起到沉淀强化作用。碳对钢的强度、硬度、塑性、韧性、脱碳倾向和显微组织都有很大影响，其影响往往超过其他合金元素，并且淬火加热时溶入奥氏体的碳能够提高钢的淬透性，但是碳含量增加时会使钢的塑性、韧性明显变差，增加钢的脱碳倾向，其影响往往超过其他合金元素，因此钢中的碳含量不宜太多。

2、硅

硅具有明显的固溶强化作用，它不形成碳化物，基本上以固溶状态存在于钢中，在常用合金元素中，硅的固溶强化作用最强。硅能改变回火时析出碳化物的数量、尺寸和形态，提高钢的回火稳定性及间接的促进沉淀强化的作用。并且硅还能显著提高钢的弹性极限、屈服极限和屈强比，故广泛用于作弹簧钢。但硅含量较高时会明显增加钢的脱碳倾向。

3、锰

锰是提高淬透性最有效的合金元素，它溶入铁素体中有固溶强化作用，同时能够改善钢的热处理性能，细化珠光体晶粒，提高钢的强度和硬度。对弹簧钢而言，锰含量只有大于0.5％时，才有可能

使淬火时弹簧钢心部完全转变为马氏体，但当锰含量超过1.5％时，韧性会明显下降，因此Mn在钢中含量不宜太高。

4、铬

铬是强碳化物形成元素，Cr作为合金元素加入，可降低钢中碳的活度，改善钢的抗氧化作用，增加钢的抗腐蚀能力，提高钢的强度，显著提高钢的淬透性。Cr与C有较强的亲和力，含Cr１％左右时，钢中渗碳体以（Fe，Cr）3为主。Cr元素最突出的优点是能够提高钢中碳扩散的激活能，减少钢的脱碳倾向和晶粒粗化倾向。锰、铬两种元素的主要作用是提高钢的淬透性，特别是两者共用时淬透性效果更好，典型的钢种如弹簧钢SUP9和SUP9A，Mn、Cr共用，可显著提高该类钢的淬透性。

5、钼

钼能使钢的晶粒细化，提高淬透性和热强性能，在高温时可保持足够的强度和抗蠕变能力(长期在高温下受到应力，发生变形，称蠕变)。钢中加入钼，能提高机械性能，还可以抑制合金钢由于回火而引起的脆性。典型的钢种如35CrMo（H）、42CrMo（H）以及

52CrMoV4等。

6、钒

钒是强碳氮化物形成元素，与C、N元素有很强的亲和力，当它们生成细小弥散的VC、VN时可产生强烈的沉淀强化效果，并能细化晶粒，提高钢的硬度、强度，特别是屈强比。但是只有溶入奥氏体中的钒才能够强烈提高钢的淬透性，不能溶入奥氏体的V（如V与C、

N结合易形成VC、VN细小颗粒，容易作为相变晶核）反而降低钢的淬透性。V作为一种微合金化元素，通常情况下是利用细小钒碳氮化合物在冷却或回火过程中的析出强化作用，以及碳氮化钒对晶粒的细化作用来提高微合金钢的强度和韧性，但不是提高了钢的淬透性。研究发现，钢中存在少量的固溶V即可显著提高钢的淬透性，因此在加热奥氏体化后，奥氏体中只要存在少量的固溶V，即使在慢冷速条件下，也可以获得优异的力学性能。TiN、AlN、NbN及VN中合金元素与N元素的理想化学配比值分别为3.42、1.93、6.63和4.24，Al在固氮中起到主导作用，其次是Ti，再其次是V，再次是Nb。钢中与N结合的Al为酸溶Al，根据AlN中两种元素的理想化学配比，并考虑其他元素对Al的消耗反应，如果钢中酸溶Al含量与N含量的比值满足≥3:1，可以保证生成AlN，阻止VN的生成，使更多的V元素固溶于奥氏体中，那么V元素对于钢淬透性的提高作用将会被充分发挥出来，这对于弹簧钢如50CrVA、52CrMoV4等含V钢并且要求淬透性的钢非常重要，虽然加Ti也可以固氮，提高含V钢淬透性，但高温形成的粗大TiN会对钢的疲劳性能及低温冲击性能产生不利影响，如果有对疲劳性能和低温冲击性能要求的钢，固氮尽量不要使用Ti固氮，而使用Al来固氮。

7、钛

钛也是强碳氮化物形成元素，与C、N元素有很强的亲和力，当它们生成细小弥散的TiC、TiN时可产生强烈的沉淀强化效果，并能细化晶粒，提高钢的硬度、强度。钛在钢中一般含量在0.15%以下，

常与Cr、Mn、B钢等配合使用，如高锰钢40Mn2、38Mn2V、Q345B等，含硼钢40CrB、35MnB等，钢中往往加入一定量的Ti。对含B钢的研究表明，钢中的Ti和Al可以有效固定钢中的N，可以保证B有效固溶于奥氏体中，B化学性质也极为活泼，和N也有很强的亲和力，由于钢中的Ti和Al可以有效固定钢中的N，可以保证B有效固溶于奥氏体中，这说明Ti、Al和N的亲和力大于B和N的亲和力，在含B钢中，常加入Ti来固氮，来保证有效B，以提高钢的淬透性，通常情况下Ti/N 比一般不小于4。但值得指出的是高温形成的粗大TiN会对钢的疲劳性能及低温冲击性能产生不利影响，如果有的钢要求有高的疲劳性能，则尽量避免加Ti，如GCr15轴承钢，钢中的Ti含量则越低越好，这种情况下往往加Al来固氮；对高锰钢40Mn2、38Mn2V、Q345B等钢种来说，钢中加入一定的Ti，除细化晶粒外，还可改善连铸坯表面质量，降低铸坯表面裂纹产生的几率，但加Ti会对某些要求低温冲击性能的钢产生不利影响，如Q345E，Q460D等钢种，这种情况下最好用Al来固氮，或者Ti和Al共同使用，尽量降低Ti的不良影响。8、硼

B元素在钢中含量极微（不大于50ppm），其主要作用是增加钢的淬透性，其影响效果比Cr、Mn和其它合金元素的作用大的多，应用微量的B可节约大量合金元素。但B化学性质极为活泼，和N、O有很强的亲和力，和C也能形成B4C。注意的是：只有以固溶状态存在的B 才对钢的淬透性产生有益影响，而以化合物存在的B对钢的淬透性没有影响。钢中的Ti和Al可以有效固定钢中的N，可以保证B有效固溶

于奥氏体中，Ti/N比一般不小于4或Al/N比不小于3，或者二者混合使用，但值得指出的是高温形成的粗大TiN会对钢的疲劳性能及低温冲击性能产生不利影响，如果对疲劳性能及低温冲击性能要求高的钢，最好加Al来固氮，或者Ti和Al共同使用，尽量降低Ti的不良影响。

9、铝

铝在钢中一般用作炼钢脱氧、定氮剂，并且细化晶粒。铝在钢中作为合金元素主要应用在渗氮钢中（如38CrMoAl专用渗氮钢）。Al 对氮具有极大的亲和力，容易生成AlN，细化晶粒。研究表明，TiN、AlN、NbN及VN中合金元素与N元素的理想化学配比值分别为3.42、1.93、6.63和4.24，说明Al在固氮中起到主导作用，其次是Ti，再其次是V，再次是Nb。钢中与N结合的Al为酸溶Al，根据AlN中两种元素的理想化学配比，并考虑其他元素对Al的消耗反应，如果钢中酸溶Al含量与N含量的比值满足≥3:1，可以保证生成AlN，阻止VN的生成，可使更多的V元素固溶于奥氏体中，那么V元素对于钢淬透性的提高作用将会被发挥出来，这对于弹簧钢如50CrVA、

52CrMoV4等含V要求淬透性的钢非常重要，虽然加Ti也可以固氮，提高含V钢淬透性，但高温形成的粗大TiN会对钢的疲劳性能及低温冲击性能产生不利影响，如果有对疲劳性能和低温冲击性能要求的钢，固氮尽量不要使用Ti固氮，而使用Al来固氮，如上述弹簧钢

50CrVA、52CrMoV4等。