合金元素在钢中的作用2
(1) Ni 镍在不锈钢中的主要作用在于它改变了钢的晶体结构。在不锈钢中增加镍的一个主要原因就是形成奥氏体晶体结构，从而改善诸如可塑性、可焊接性和韧性等不锈钢的属性，所以镍被称为奥氏体形成元素。普通碳钢的晶体结构称为铁氧体，呈体心立方(BCC)结构，加入镍，促使晶体结构从体心立方(BCC)结构转变为面心立方(FCC)结构，这种结构被称为奥氏体。然而，镍并不是唯一具有此种性质的元素。常见的奥氏体形成元素有：镍、碳、氮、锰、铜。这些元素在形成奥氏体方面的相对重要性对于预测不锈钢的晶体结构具有重要意义。目前，人们已经研究出很多公式来表述奥氏体形成元素的相对重要性，最著名的是下面的公式：奥氏体形成能力=Ni%+30C%+30N%+0.5Mn%+0.25Cu%(2) Mo 钼作为钢的合金化元素，可以提高钢的强度，特别是高温强度和韧性；提高钢在酸碱溶液和液态金属中的抗蚀性；提高钢的耐磨性和改善淬透性、焊接性和耐热性。钼是一种良好的形成碳化物的元素，在炼钢的过程中不氧化，可单独使用也可与其他合金元素共同使用。钼作为铁的合金添加剂，有助于形成完全珠光体的基体，能改善铸铁的强度和韧性，提高大型铸件组织的均匀性，还可以提高热处理铸件的可淬性。含钼灰口铸铁具有很好的耐磨性，可作重型车辆的闸轮和刹车片等。钥为难熔金属，熔点高(2625)。钥固溶到基体金属中能提高固溶体的再结晶温度。钼是缩小 -Fe 相区、扩大 -Fe 相区的合金元素，又是强碳化物形成元素。对提高耐热钢的热强性有较好的作用。钼在铁中可显著地抑制铁的自扩散，提高固溶体的再结晶温度。在含钼的低合金耐热钢中，钼的作用是强化固溶件及形成性质优异的细小的碳化物相。(3) V 钒为难容金属，熔点高（1910） 。钒是缩小 y-Fe 相区，扩大 a-Fe相区的合金元素，是强碳化物形成元素。对提高耐热钢的热强性有较好的作用。钒在耐热钢种的作用与钼钨类似，但与弹门不同的是钒不能强化固溶体，也不能提高固溶体的再结晶温度。钒在铁素体和奥氏体耐热钢中之所以能提高其热强性都是通过形成细小均匀分布的碳化物而起作用的，因为钒的碳化物是一种十分稳定的碳化物。钒是提高铁素体型耐热钢的热强性的有效元素，钒也在奥氏体型耐热钢中获得应用，但含量一般在百分之 0.3-0.5 之间。(4) Si 硅是耐热钢中抗高温腐蚀的有益元素，同时，在钢中加入硅也能改善它在室温条件下的工作的性能。高温下，在含硅的耐热钢表面上形成一层保护性好，致密的 sio2 膜。钢中含硅量达百分之 1-2 是，就有较明显的抗氧化效果。当钢中含硅量过多（超百分之 2）时，会导致钢的力学性能变坏。因此耐热钢中的含硅量一般不超百分之 2。硅与其他合金元素同时使用是，常有更有意的抗氧化效果。如在 cr5mo 钢中的硅含量从百分之 0.2 增加到百分之 1 时，显著地提高了该钢的抗高温氧化效果。当钢中含硅量超过百分之 1 时，可使它的使用温度提高到 800°左右。硅与钼共同合金化对提高钢的抗高温氧化性有明显的效果。(5) Al 铝是耐热钢中的抗氧化的重要合金元素。含铝的耐热钢在其表面上能形成良好的 al2o3 膜，它的氧化性能优于 cr2o3 膜。当耐热钢中含铝量达到百分之 6 时。可使钢在 980°下具有良好的抗氧化性能。但当钢中的铝的含量达到或超过百分之 8 时，却显著地降低钢的塑性和焊接性能，使钢难于塑性加工与焊接。所以，耐热钢中的铝的含量一般不超过百分之 6(6) Ti 钛是 a-Fe 形成元素，在 Fe-Ti 二元合金中，钛在 y-Fe 中的溶解度只有 0.65%，但钛与 Fe 能形成一系列的金属间化合物，同时钛有是强碳化物形成元素之一。因此，含钛的耐热钢主要是靠其形成极小而又弥散分布的碳化物和金属间化合物来起作用。所以，耐热钢中海钛量均不太多。到目前为止，钛在低合金耐热钢中的应用并不多。钛是 18-8 型镍铬奥氏体耐热钢中的主要稳定化元素，其目的是防止晶间腐蚀。在某些沉淀硬化型奥氏体耐热钢中，钛与镍能形成金属间化合物，以达到提高热强性的目的。(7) W 钨为难熔金属，熔点高(3380)。钨固溶到基体金属中提高固溶体的再结晶温度。钨是缩小 -Fe 相区、扩大 -Fe 相区的合金元素，是强碳化物形成元素。对提高耐热钢的热强性有较好的作用。在珠光体型耐热钢中，加钨可提高固溶体的热强性。在铁素体型耐热钢中加钨有两个目的：在 12Cr 钢中加钨一是强化 相固溶体，提高固溶体的再结晶温度，阻碍扩散；另方面是产生弥散强化，或者以复杂的碳化物形式出现，或者以富钨的金属间化合物形式出现。钨的作用在高合金奥氏体耐热钢中的作用尤为明显。(8) Cr 铬是耐热钢中抗高温氧化和抗高温腐蚀的主要元素，并能提高耐热钢的热强性。钢中含铬量足够高时，能在其表面上形成一层致密的 Cr2O3 膜，这种氧化膜在定程度上能阻止氧、硫、氮等腐蚀性气体向钢中扩散，也能阻碍金属离子向外扩散，在一定的温度范围内还能形成层保护性良好的尖晶石型的复合氧化膜，如含镍、铬的耐热钢在其表面上形成一层 NiOCr2O3 复合氧化膜，增强了钢的抗高温氧化能力。耐热钢的抗高温腐蚀性能与其含铬量有一定的关系。当钢含铬约达 12时，钢的抗高温氧化能力有明显提高，当铬含量达 22时，在 1000下其抗高温氧化的性能是极为良好的，此时在其表面上形成一层连续而又致密的氧化膜。因此常用的耐热钢的铬含量应不低于 12(Cr13 型)。一般铬含量均在 1822之间(18-8 型和 Cr25Ni20 型)。由于铬的熔点高(1903)，本身具有优异的抗蠕变性能。在低合金耐热钢中加入 1左右铬就能明显地提高钢的抗蠕变性能，特别是含 1Cr 和 0.5Mo 的低合金耐热钢能明显提高其热强性。在高合金奥氏体钢中加入铬能提高钢的热强性，这是由于加铬使强化相在高温下得到强化，例如，铬的碳化物得到了强化。(9) Nb 铌是缩小 -Fe 相区的合金元素，在 -Fe 中有一定的溶解度。在铁基合金中含 0.5Nb 就足以取得弥散强化的效果。铌也是强碳化物形成元素，铌的碳化物在高温下十分稳定，只比钛的碳化物略为逊色。由于铌具有良好的热强性，因此，铌在低合金耐热钢和高合金耐热钢中都获得了广泛的应用。含铌的多元合金化的珠光体低合金耐热钢在蒸汽发电机中的使用温度可达550。铌在含铬为 12的耐热钢中获得应用，提高了钢的热强性。在高合金耐热钢中铌的碳化物析出对提高其热强性占有重要的地位，因此钢中的含碳量与含铌量存在着一定的比例关系。含铌的低碳(0.040.07)奥氏体耐热钢中的铌含量应为 10xC。因此，高合金耐热钢中的铌含量般为 12。(10) B 硼与氮和氧都有较强的亲和力。钢中微量硼(0.001)就可以成倍地提高其淬透件。硼吸附在奥氏体晶界上，降低了晶间的能量，阻抑铁素体晶核的形成，因而延长了先共析铁素体和上贝氏体转变的孕育期，硼只有以固溶形式存在于钢中才能起到有教作用。当硼与钢中残留的氮、氧化合形成稳定的夹杂物时，反而对钢的性能有不利的作用。在珠光体耐热钢中，微量硼可以提高钢的高温强度；在奥氏体耐热钢中加入 0.025B 可以提高其抗蠕变性能，但硼含量较高时，其作用相反。加入硼强化晶界对增强耐热钢的持久强度十分重要。硼原子主要分布在晶界上，因此硼对强化晶界起着重要的作用。(11) N 在钒微合金钢中，氮增强了钒碳氮化物的析出，并由此增强了析出强化。热力学计算结果显示，含钒钢中增氮提高了碳氮化钒的析出温度，并增加了其析出的驱动力。随氮含量的增加，析出相中碳氮组分明显变化。低氮的情况下，析出相以碳化钒为主，近 60%的钒固溶于基体，有约 35%的钒以V(C，N)形式析出；随氮含量的增加，逐渐转变成以氮化钒为主的析出相。而高氮钢中则完全相反，70%的钒以 V(C，N)形式析出，仅剩 20%钒固溶于基体中，当钢中氮含量增加到 200×10-6 时，在整个温度析出范围，均是析出 VN 或富氮的 V(C，N)。由于氮与钒更强的亲和力，氮的加入增加了 V(C，N)析出的驱动力，促进了 V(C，N)的析出。例如，随钢中氮含量的增加，0.13V%钢中 V(C，N)析出相数量增加，颗粒尺寸和间距明显减小。钢中缺氮的情况下，大部分钒没有充分发挥其析出强化作用，可以说是浪费了。增氮后，使钢中原来处于固溶状态的钒转变成析出状态的钒，充分发挥了钒的沉淀强化作用。由于氮在钢中优化钒的析出，显著提高了沉淀强化效果。不同碳含量钢中，V(C，N)的沉淀强化效果随氮含量的增加呈线性递增，最大的强度增量能够达到 300MPa，含钒钢中每增加 10×10-6 的氮可提高强度 6MPa 以上。氮在钢中还具有明显的细化晶粒的作用。实验结果表明：高氮钒钢的相变比率(D/D)比碳-锰钢和低氮钒钢明显增加。增氮促进了碳氮化钒在奥氏体-铁素体相界面的析出，有效地阻止了铁素体晶粒长大，起到了细化铁素体晶粒尺寸的作用。氮在钢中改变了钒的分布，促进了 V(C，N)的析出，使析出相的颗粒尺寸明显减小，从而充分发挥了钒的沉淀强化作用，大幅度提高钢的强度；通过析出 V(C，N)钉扎奥氏体一铁素体晶界，促进晶体内铁素体的形成，提高了奥氏体一铁素体相变比，细化了铁素体晶粒，改善非调质钢的强韧性能。氮作为合金化元素在奥氏体型耐热钢中的作用与碳有些类似。氮能扩人 相区，对奥氏体的稳定作用比碳还强烈。它能与奥氏体型耐热钢中的其他合金元素(如钛、钒等)形成特殊的氮化物，因此影响到钢的晶粒度和淬透性。在含碳的合金钢中，氮提高了淬透性，降低了过热的敏感性，同时增强了碳化物的稳定性，一般在奥氏体型耐热钢中氮含量控制在 0.10.2之间。在铬镍奥氏体型耐热钢中含氮可提高钢的热强性，几乎对脆性无影响。其原因可能是由于析出弥散的氮化物所致。（12） Mn 锰是良好的脱氧剂和脱硫剂。锰能消除或减弱钢因硫所引起的热脆性，从而改善钢的热加工性能。锰和铁形成固溶体，提高钢中铁素体和奥氏体的硬度和强度；锰同时又是碳化物形成元素，进人渗碳体中取代一部分铁原子。锰在钢中由于降低临界转变温度，起到细化珠光体的作用，也间接地起到提高珠光体钢强度的作用。锰扩大铁碳平衡相图中的 相区，它使钢形成和稳定奥氏体组织的能力仅次于镍，以锰代镍的耐热钢，有广泛的用途。锰对钢的高温瞬时强度虽有所提高，但对持久强度和蠕变强度则没有什么显著的作用。（13） C 碳是钢中不可缺少的元袭。碳在钢中既扩大 相区，卫是高强度的碳化物的组成元素。碳在钢中的强化作用与它所形成的碳化物的成分和结构有着密切的关系，其强化作用也与温度有关。随着温度的升高，由于碳化物的聚集，强化作用有所下降。钢中碳含量增加，会降低钢的塑性和可焊性。因此，除强度要求较高的钢种外，般奥氏体型耐热钢中的碳含量都控制在较低的范围内。 （14） Co 钴在奥氏体型耐热钢中的作用与镍的作用类似，扩大 -Fe 相 区。钴在钢中的另一作用是能起到淬火时减缓应力和晶格畸变的作用。在无析 出相的均匀固溶体中，钴固溶到奥氏体中，增强了固溶体晶格的结合能，从而 提高了钢的热强性。此外，耐热钢中含钴的重要作用是配合钢中所含其他合金 元素起到弥散析出强化作用而提高钢的热强性。此时，钴减慢固溶到 相中的 复杂碳化物的析出过程，并改变了含钴碳化物的特征。含钴耐热钢的另一特性 是钴有助于钢的形变热处理，在形变热处理后含钴钢的强化作用比不含钴的钢 要高 50。在铬镍奥氏体型耐热钢中加钴对提高该钢的耐高温腐蚀性能是有利 的。钴是一种稀有而昂贵的金属，应当节约使用。 （15） Cu ？封闭 r 相区：钒、铬、钨、钼、铝、磷、锡、锑、绅等。缩小 r 相区：硼、锆、铌、钽、硫、铈。（出现金属间化合物，破坏了 r 圈。 ）开启 r 相区：Mn、Ni、Co（与 r 铁无相互溶）扩大：C、N（间隙固溶体）和 Cu（代位固溶体）
