金属中元素的作用

金属中的元素的作用1,碳（C）：钢中含碳量增加，屈服点和抗拉强度升高，但塑性和冲击性降低，当碳量0.23%超过时，钢的焊接性能变坏，因此用于焊接的低合金结构钢，含碳量一般不超过0.20%。碳量高还会降低钢的耐大气腐蚀能力，在露天料场的高碳钢就易锈蚀；此外，碳能增加钢的冷脆性和时效敏感性。碳在不锈钢中的两重性碳是工业用钢的主要元素之一，钢的性能与组织在很大程度上决定于碳在钢中的含量及其分布的形式，在不锈钢中碳的影响尤为显著。碳在不锈钢中对组织的影响主要表现在两方面，一方面碳是稳定奥氏体的元素，并且作用的程度很大（约为镍的30倍），另一方面由于碳和铬的亲和力很大，与铬形成—系列复杂的碳化物。所以，从强度与耐腐烛性能两方面来看，碳在不锈钢中的作用是互相矛盾的。认识了这一影响的规律，我们就可以从不同的使用要求出发，选择不同含碳量的不锈钢。例如工业中应用最广泛的，也是最起码的不锈钢——0Crl3～4Cr13这五个钢号的标准含铬量规定为12～14％，就是把碳要与铬形成碳化铬的因素考虑进去以后才决定的，目的即在于使碳与铬结合成碳化铬以后，固溶体中的含铬量不致低于11.7％这一最低限度的含铬量。就这五个钢号来说由于含碳量不同，强度与耐腐蚀性能也是有区别的，0Cr13～2Crl3钢的耐腐蚀性较好但强度低于3Crl3和4Cr13钢，多用于制造结构零件，后两个钢号由于含碳较高而可获得高的强度多用于制造弹簧、刀具等要求高强度及耐磨的零件。又如为了克服18－8铬镍不锈钢的晶间腐蚀，可以将钢的含碳量降至0.03％以下，或者加入比铬和碳亲和力更大的元素（钛或铌），使之不形成碳化铬，再如当高硬度与耐磨性成为主要要求时，我们可以在增加钢的含碳量的同时适当地提高含铬量，做到既满足硬度与耐磨性的要求，又兼顾—定的耐腐蚀功能，工业上用作轴承、量具与刃具有不锈钢9Cr18和9Cr17MoVCo钢，含碳量虽高达0.85～0.95％，由于它们的含铬量也相应地提高了，所以仍保证了耐腐蚀的要求。总的来讲，目前工业中获得应用的不锈钢的含碳量都是比较低的，大多数不锈钢的含碳量在0.1～0.4％之间，耐酸钢则以含碳0.1～0.2％的居多。含碳量大于0.4％的不锈钢仅占钢号总数的一小部分，这是因为在大多数使用条件下，不锈钢总是以耐腐蚀为主要目的。此外，较低的含碳量也是出于某些工艺上的要求，如易于焊接及冷变形等。2,硅（Si）：在炼钢过程中加硅作为还原剂和脱氧剂，所以镇静钢含有0.15－0.30%的硅。如果钢中含硅量超过0.50-0.60%,硅就算合金元素。硅能显著提高钢的弹性极限，屈服点和抗拉强度，故广泛用于作弹簧钢。在调质结构钢中加入1.0－1.2%的硅，强度可提高15－20%。硅和钼、钨、铬等结合，有提高抗腐蚀性和抗氧化的作用，可制造耐热钢。含硅1－4%的低碳钢，具有极高的导磁率，用于电器工业做矽钢片。硅量增加，会降低钢的焊接性能。3,锰（Mn）：在炼钢过程中，锰是良好的脱氧剂和脱硫剂，一般钢中含锰0.30－0.50%。在碳素钢中加入0.70%以上时就算“锰钢”，较一般钢量的钢不但有足够的韧性，且有较高的强度和硬度，提高钢的淬性，改善钢的热加工性能，如16Mn钢比A3屈服点高40%。含锰11－14%的钢有极高的耐磨性，用于挖土机铲斗，球磨机衬板等。锰量增高，减弱钢的抗腐蚀能力，降低焊接性能。锰是形成奥氏体的元素，对碳化物的形成也起作用，过高的锰将使组织中出现奥氏体。奥氏体组织不适宜作磨球，因为奥氏体磨球不论在干磨和湿磨中，都会造成大量破碎和剥落，但由于脱氧和去硫都用锰，因此锰的含量在耐磨球中不可以过高。锰和氮可以代替铬镍不锈钢中镍铬镍奥氏体钢的优点虽然很多，但近几十年来由于镍基耐热合金与含镍20％以下的热强钢的大量发展与应用，以及化学工业日益发展对不锈钢的需要量越来越大，而镍的矿藏量较少且又集中分布在少数地区，因此在世界范围内出现了镍在供和需方面的矛盾。所以在不锈钢与许多其他合金领域（如大型铸锻件用钢、工具钢、热强钢等）中，特别是镍的资源比较缺乏的国家，广泛地开展了节镍和以其他元素代镍的科学研究与生产实践，在这方面研究和应用比较多的是以锰和氮来代替不锈钢与耐热钢中的镍。在提高钢的耐腐蚀性能方面，锰的作用不大，如钢中的含锰量从0到10．4%变化，也不使钢在空气与酸中的耐腐蚀性能发生明显的改变。这是因为锰对提高铁基固溶体的电极电位的作用不大，形成的氧化膜的防护作用也很低，所以工业上虽有以锰合金化的奥氏体钢（如40Mn18Cr4,50Mn18Cr4WN、ZGMn13钢等），但它们不能作为不锈钢使用。锰在钢中稳定奥氏体的作用约为镍的二分之一，即2％的氮在钢中的作用也是稳定奥氏体，并且作用的程度比镍还要大。例如，欲使含18％铬的钢在常温下获得奥氏体组织，以锰和氮代镍的低镍不锈钢与元镍的铬锰氮不诱钢，目前已在工业中获得应用，有的已成功地代替了经典的18-8铬镍不锈钢。4,磷（P）：在一般情况下，磷是钢中有害元素，增加钢的冷脆性，使焊接性能变坏，降低塑性，使冷弯性能变坏。因此通常要求钢中含磷量小于0.045%，优质钢要求更低些。5,硫（S）：硫在通常情况下也是有害元素。使钢产生热脆性，降低钢的延展性和韧性，在锻造和轧制时造成裂纹。硫对焊接性能也不利，降低耐腐蚀性。所以通常要求硫含量小于0.055%，优质钢要求小于0.040%。在钢中加入0.08-0.20%的硫，可以改善切削加工性，通常称易切削钢。6,铬（Cr）：在结构钢和工具钢中，铬能显著提高强度、硬度和耐磨性，但同时降低塑性和韧性。铬又能提高钢的抗氧化性和耐腐蚀性，因而是不锈钢，耐热钢的重要合金元素。铬是碳化物形成元素，铬除与碳结合成碳化物外，其余部分溶于基体内，从而提高基体的电极电位，对抗腐蚀是有利的，若其含量较小时，可能会出现M3C型碳化物，使硬度和韧性都降低。若其含量较大时，结晶时碳化物数量显著增多，使韧性明显下降，同时由于基体中含碳量降低，导致基体的硬度降低，从而耐磨性下降，但现在已经有部分厂家采用特殊的生产和处理工艺解决了这个问题，使铬的含量最大可达到30％。铬在不锈钢中的决定作用：决定不锈钢性属的元素只有一种，这就是铬，每种不锈钢都含有一定数量的铬。迄今为止，还没有不含铬的不锈钢。铬之所以成为决定不锈钢性能的主要元素，根本的原因是向钢中添加铬作为合金元素以后，促使其内部的矛盾运动向有利于抵抗腐蚀破坏的方面发展。这种变化可以从以下方面得到说明：①铬使铁基固溶体的电极电位提高；②铬吸收铁的电子使铁钝化，钝化是由于阳极反应被阻止而引起金属与合金耐腐蚀性能被提高的现象。构成金属与合金纯化的理论很多，主要有薄膜论、吸附论及电子排列论。7,镍(Ni)：镍能提高钢的强度，而又保持良好的塑性和韧性。镍对酸碱有较高的耐腐蚀能力，在高温下有防锈和耐热能力。但由于镍是较稀缺的资源，故应尽量采用其他合金元素代用镍铬钢。镍（铜）是奥氏体形成元素，多加了组织中出现奥氏体。在屈氏体磨球中加镍主要作用是提高基体电极电位，提高耐蚀性，但多加不经济，微量即起作用。镍在不锈钢中的作用是在与铬配合后才发挥出来的镍是优良的耐腐蚀材料，也是合金钢的重要合金化元素。镍在钢中是形成奥氏体的元素，但低碳镍钢要获得纯奥氏体组织，含镍量要达到24％；而只有含镍27％时才使钢在某些介质中的耐腐蚀性能显著改变。所以镍不能单独构成不锈钢。但是镍与铬同时存在于不锈钢中时，含镍的不锈钢却具有许多可贵的性能。基于上面的情况可知，镍作为合金元素在不锈钢中的作用，在于它使高铬钢的组织发生变化，从而使不锈钢的耐腐蚀性能及工艺性能获得某些改善。8,钼(Mo)：钼能使钢的晶粒细化，提高淬透性和热强性能，在高温时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)。结构钢中加入钼，能提高机械性能。还可以抑制合金钢由于火而引起的脆性。在工具钢中可提高红性。钼的主要作用是细化基体，细化碳化物，提高基体的电极电位，提高耐蚀性，因价格高，多加不经济。在金属型铸造条件下，加入少量即可起明显作用，实用于有特殊要求的耐磨钢球。9,钛(Ti)：钛是钢中强脱氧剂。它能使钢的内部组织致密，细化晶粒力；降低时效敏感性和冷脆性。改善焊接性能。在铬18镍9奥氏体不锈钢中加入适当的钛，可避免晶间腐蚀。10,钒(V)：钒是钢的优良脱氧剂。钢中加0.5%的钒可细化组织晶粒，提高强度和韧性。钒与碳形成的碳化物，在高温高压下可提高抗氢腐蚀能力。钒（钛）：这两种元素是生铁中自然带入的，属于微量合金元素，他们能形成硬度很高的碳氮化物，弥散在基体中，有利于提高基体的显微硬度和磨耐性，同时对晶粒的细化也是有利的。11,钨(W)：钨熔点高，比重大，是贵生的合金元素。钨与碳形成碳化钨有很高的硬度和耐磨性。在工具钢加钨，可显著提高红硬性和热强性，作切削工具及锻模具用。12,铌(Nb)：铌能细化晶粒和降低钢的过热敏感性及回火脆性，提高强度，但塑性和韧性有所下降。在普通低合金钢中加铌，可提高抗大气腐蚀及高温下抗氢、氮、氨腐蚀能力。铌可改善焊接性能。在奥氏体不锈钢中加铌，可防止晶间腐蚀现象。不锈钢中加钛或铌是为了防止晶间腐蚀。13,钴(Co)：钴是稀有的贵重金属，多用于特殊钢和合金中，如热强钢和磁性材料。14,铜(Cu)：武钢用大冶矿石所炼的钢，往往含有铜。铜能提高强度和韧性，特别是大气腐蚀性能。缺点是在热加工时容易产生热脆，铜含量超过0.5%塑性显著降低。当铜含量小于0.50%对焊接性无影响。合金钢中铜之含量不可以超过1.5%，否则会使钢变脆，此外a．铜在钢中有抵抗大气腐蚀之性能。低碳钢内含铜1%，其抵抗大,气腐蚀性约较不含铜者高出四倍。在不锈钢中加铜3-4%，亦有助不锈钢之防蚀作用。b．可以增加钢的强度，但不宜超过0.2%。与之相反，便是坏处。严格按规定做。钼和铜可以提高某些不锈钢的耐腐蚀性能。15,铝(Al)：铝是钢中常用的脱氧剂。钢中加入少量的铝，可细化晶粒，提高冲击韧性，如作深冲薄板的08Al钢。铝还具有抗氧化性和抗腐蚀性能，铝与铬、硅合用，可显著提高钢的高温不起皮性能和耐高温腐蚀的能力。铝的缺点是影响钢的热加工性能、焊接性能和切削加工性能。16,硼(B)：钢中加入微量的硼就可改善钢的致密性和热轧性能，提高强度。17,氮(N):氮能提高钢的强度，低温韧性和焊接性，增加时效敏感性。18,稀土(Xt)：稀土元素是指元素周期表中原子序数为57-71的15个镧系元素。这些元素都是金属，但他们的氧化物很象“土”，所以习惯上称稀土。钢中加入稀土，可以改变钢中夹杂物的组成、形态、分布和性质，从而改善了钢的各种性能，如韧性、焊接性，冷加工性能。在犁铧钢中加入稀土，可提高耐磨性。