合金元素在金属中的作用

1 合金元素在钢种的作用
随着现代工业和科技的发展,在机械制造中,对零件的强度、硬度、耐磨、耐腐蚀性以及其他物理化学性能的要求越来越高,碳钢已不能完全满足这些要求。

为使钢合金化而增强其综合性能,必须要添加其他合金元素。

本节主要介绍几种常见的元素对钢性能的影响。

1.1 硅在钢种的作用
1..对钢性能的影响
1)提高铁素体和奥氏体的强度和硬度;显著提高钢的弹性极限、屈服强度和屈服比,对疲劳强度也有所提高。

2)改善钢的耐磨性
3)在硅的质量分数超过3%时,钢的塑性和韧性显著下降。

4)使钢种形成带状组织,造成横向性能低于纵向性能。

5)使钢的密度、电导率、热导率和电阻温度系数降低。

6)提高钢在高温情况下的抗氧化能力。

7)使钢的焊接性变差
8)当钢的质量分数超过2.5%时,钢的塑性加工较为困难。

2.在钢中的应用
1)在普通低合金钢中提高强度,改善局部腐蚀能力,在调质钢中提高淬透性和耐回火性。

2)硅的质量分数为0.5%~2.8%的SiMn或SiMnB钢广泛用于高载负荷弹簧材料。

3)通常所说的硅钢片是硅的质量分数为1.0%~4.5%的低碳钢和超低碳钢,常用于电动机和变压器。

4)在不锈钢中与Mo、W、Cr、Ti、N等配用可提高钢的耐腐蚀性以及抗高温氧化性。

5)硅含量较高的石墨钢用于冷作模具材料。

1.2 锰在钢种的作用
1 对钢性能的影响
1) 在增加强度的同时,对延展性无影响。

2)由于珠光体被细化,显著提高了低碳和中碳珠光体钢种的强度,使延展性有所降低。

3)通过提高淬透性可提高钢的力学性能。

4)在严格控制热处理工艺的前提下,锰不会降低钢的韧性。

5)使钢的电导率急剧下降,电阻率相应增大。

6)随着锰含量的增加,钢的热导率急剧下降,线膨胀系数上升,使快速加热或冷却成型时形成较大内应力,零件开裂倾向加大。

7)对永磁合金有利,对软磁合金有害。

8)当锰的含量很高时,钢的抗氧化性能下降。

9)可消除钢的热脆性,改善热加工性能。

10)由于提高了淬透性和降低了马氏体转变温度,对焊接性有不利影响。

2在钢种的应用
1)易切削钢中常有适量的Mn和P,MnS使切削易于碎断。

2)在普通低合金钢中利用锰提高钢的强度,锰的质量分数一般为1%~2%
3)渗碳和调制合金结构钢的许多系列中含有质量分数不超过2%的锰。

4)在弹簧钢、轴承钢和工具钢产品中,锰可提高淬透性。

1.3 镍在钢中的作用
1.对钢性能的影响
.1)强化铁素体并细化和增多珠光体,提高钢的强度,对钢的塑性影响较小。

常用来生产各种工具
2)含镍钢的碳含量可适当降低,因而可使韧性和塑性有所改善。

3)由于对提高钢的淬透性和耐回火性的作用并不十分明显,所以镍对调制钢的意义不大。

4)提高钢的疲劳性能,减小钢对缺口的敏感性。

5)强烈降低钢的热导率和电导率。

6)当镍的质量分数超过15%~20%的钢对硫酸和盐酸有很高的耐蚀性,但不能耐硝酸腐蚀。

7)含镍较高的钢在焊接时应采用奥氏体焊条,以防止裂纹的产生。

2在钢中的应用
1)单纯的镍钢只有在要求特别高的冲击韧度或很低的工作温度才能使用。

2)机械制造中使用镍铬或者镍铬钼钢,在热处理后获得强度和韧性配合良好的综合力学性能。

含镍钢特别适用于需要便面渗碳的零件。

3)在高合金奥氏体不休耐热钢中镍是奥氏体化元素,能提供良好的综合性能,主要为NiCr 系钢。

1.4钴在钢中的作用
1.对钢性能的影响
1)强化钢的基体,在退火或正火状态的碳素钢中提高硬度和强度,但会引起塑性和冲击韧度的下降。

2)显著提高特殊用途钢的热强性和高温硬度。

3)提高马氏体时效钢的综合力学性能,使其具有超强韧性。

4)提高耐热钢的抗氧化性能。

5)增加磁饱和性能
2在钢中的应用
1)主要用于高速钢、马氏体时效钢、耐热钢以及精密合金等。

1.5铬在钢中的作用
1对钢性能的影响
1)提高钢的强度和硬度,同时加入其它合金元素时,效果显著。

2)显著提高钢的韧脆转变温度。

3)含铬量较高时冲击韧度急剧下降。

4)提高钢的耐磨性,易获得较低的表面粗糙值。

5)降低钢的电导率和电阻温度系数。

6)铬使钢的表面形成钝化膜,显著提高钢的耐蚀性。

若有铬的碳化物析出时,使钢的耐蚀性能下降。

7)提高钢的抗氧化性能。

8)可以降低钢的塑性。

2在钢中的应用
1)合金结构钢中主要利用铬提高淬透性,并可在渗碳表面形成铬碳化合物,以调高其耐磨
性。

2)弹簧中利用铬和其他元素一起提高钢的综合性能。

3)轴承钢中利用铬对耐磨性的贡献及耐磨后表面粗糙度值小的有点。

4)工具钢和高速钢中主要利用铬提高耐磨性的作用,及具有一定的耐回火性和韧性等优
点。

5)不锈钢、耐热钢中铬常与锰、氮、镍联合使用。

当需形成奥氏体钢时,稳定铁素体的铬
与稳定奥氏体的锰、镍之间应有一定的比例。

1.6钼在钢中的作用
1.对钢性能的影响
1)钼对铁素体有固溶强化作用,同时也提高碳化物的稳定性,从而提高钢的强度。

2)钼对改善钢的延展性、韧性、以及耐磨性起到有利作用。

3)钼的质量分数大于3%时,钢的抗氧化性减弱。

4)钼的质量分数不超过8%的钢仍可以锻、轧,但含量较高时,钢对热加工变形增高。

5)钼可以调高钢的耐蚀性,防止钢在氯化物溶液中点蚀。

6)在碳质量分数为1.5%的磁钢中,质量分数为2%~3%的钼可调高剩余磁感和娇顽力。

2.在钢中的作用
1)钼钢在许多强狂下可代替铬镍来制造重要零件,常常被用于制造一些耐高温、耐高压的
阀门和压力容器。

2)在调制和渗碳结构钢、弹簧钢、轴承钢、工具钢、不锈耐酸钢、耐热钢、磁钢中都达到
广泛的应用。

1.7钒在钢中的作用
1.对钢性能的影响
1)少量钒可使晶粒细化、提高韧性。

2)钒含量较高时会导致碳化物弥散析出时,钒可调高钢的高温持久强度和蠕变抗力。

3)钒含量较高时会导致聚集的碳化物出现,使强度降低,碳化物在晶内析出会降低室温韧性。

4)钒的碳化物是金属碳化物中嘴硬最耐磨的,弥散分布的碳化物可提高工具钢的硬度和耐磨性。

5)在铁镍合金中加入钒,经适当热处理后可提高磁导率。

在永磁钢中加入钒,能够提高永磁钢的娇顽力。

6)加入足够量的钒,将顽固于钒碳化合物中时,可大大增加钢在高温高压下对氢的稳定性。

不锈钢中,钒可改善抗晶间腐蚀的性能。

7)出现钒的氧化物时,对钢的高温抗氧化性不利。

8)含钒钢在加工温度较低时可显著增加变形能力。

9)钒可改善钢的焊接性。

2.在钢中的应用
1)在普通低合金钢、合金结构钢、弹簧钢、轴承钢、合金工具钢、高速工具钢、耐热钢、抗氢钢、低温用钢等系列中的得到广泛应用。

1.8钛在钢中的作用
1 .对钢性能的影响。

1)当钛以固溶状态存在于铁素体之中时,其强化作用略高于铝、锰、镍、钼等。

2)钛能提高持久强度和蠕变抗力。

3)钛对钢的韧性有改善作用。

4)提高钢在高温、高压、氢气中的稳定性。

5)改善低碳锰钢和高合金钢不锈钢的焊接性。

2.在钢中的应用
1)钛作为合金元素在普通低合金钢、合金结构钢、合金工具钢、高速工具钢、不锈钢、耐热钢、永磁合金及铸钢中得到广泛的应用
1.9钨在钢中的作用
1.对钢性能的影响
1)钨提高了钢的耐回火性,所形成碳化物十分坚硬,因而提高了钢的耐磨性,海使钢具有一定的热硬性。

2)提高钢在高温时的蠕变抗力,其作用不如钼强。

3)强烈降低钢的热导率。

4)显著提高钢的矫顽力和剩余磁感。

5)钨对钢的耐腐蚀性和高温抗氧化性影响很小。

6)变形抗力高,热加工性能较差。

2.在钢中的应用
钨主要用于工具钢,如高速钢和热锻模具钢。

1.10硼在钢中的作用
1.对钢性能的影响
1)微量硼可提高钢在淬火和低温回火后的强度,并使塑性略有提高。

2)经过300~400℃回火的含硼钢,其冲击韧度有所改善,且降低钢的韧脆转变温度。

3)奥氏体铬镍钢中加入硼,经固溶和实效处理后,由于沉淀强化作用,强度会有所提高,但韧性有所下降。

4)硼对改善奥氏体钢的蠕变抗力有利。

在珠光体耐热钢中,硼可提高其高温性能。

5)硼的质量分数超过0.007%时,将导致钢的热崔现象,影响其热加工性能。

6)含硼钢经正火或退火后,硬度比淬透性相同的其他合金要低,有利于切削加工。

2.硼在钢中的作用
1)含硼钢在合金结构钢、普通低合金钢、弹簧钢、耐热钢、高速工具钢及铸钢均可应用,主要用途是增加钢的淬透性,从而节约其他合金元素。

2)利用硼的吸收中字的能力,反应堆中采用含硼质量分数高达0.1%~4.5%的高硼低碳钢,但其塑性加工十分困难。