Роль легирующих элементов в стали(1)

Для улучшения и усиления некоторых свойствсталиа придать ему некоторые особые свойства намеренно добавляют элементы в процессе плавки, называемые легирующими элементами.Обычными легирующими элементами являются хром, никель, молибден, вольфрам, ванадий, титан, ниобий, цирконий, кобальт, кремний, марганец, алюминий, медь, бор, редкоземельные элементы и так далее.Фосфор, сера и азот в некоторых случаях также действуют как сплавы.

(1) Хром (Cr)

Хром может повысить прокаливаемость стали и обладает эффектом вторичной закалки, может улучшить твердость и износостойкость углеродистой стали, не делая сталь хрупкой.Когда содержание превышает 12%, сталь имеет хорошую стойкость к окислению и коррозионную стойкость при высокой температуре, а также повышает термическую прочность стали.Хром является основным легирующим элементом нержавеющей стали, кислотоупорной и жаропрочной стали.

Хром может улучшить прочность и твердость углеродистой стали в состоянии прокатки и уменьшить удлинение и усадку поперечного сечения.Когда содержание хрома превышает 15%, прочность и твердость уменьшаются, а относительное удлинение и усадка сечения соответственно увеличиваются.У деталей, содержащих хромистую сталь, легко получить более высокое качество обработки поверхности путем шлифования.

Основная роль хрома в закаленной структуре заключается в улучшении прокаливаемости, чтобы сталь после закалки и отпуска имела лучшие комплексные механические свойства, в науглероженной стали также может образовываться карбид хрома, чтобы улучшить износостойкость поверхности материала. .

Пружинная сталь, содержащая хром, плохо поддается обезуглероживанию при термической обработке.Хром может улучшить износостойкость, твердость и твердость инструментальной стали, а также обладает хорошей стабильностью при отпуске.Хром может улучшить стойкость к окислению, сопротивление и прочность электротермических сплавов.

(2) никель

Никель упрочняет феррит и очищает перлит в стали, общий эффект заключается в повышении прочности, но не оказывает существенного влияния на пластичность.Вообще говоря, определенное количество никеля может улучшить прочность стали, но существенно не снизить ударную вязкость низкоуглеродистой стали, когда ее прокатывают, нормализуют или отжигают без закалки.Согласно статистике, каждый 1% увеличения содержания никеля может повысить прочность до 29,4 Па.С увеличением содержания никеля выход стали увеличивается быстрее, чем предел прочности, поэтому соотношение никельсодержащей стали выше, чем у обычной углеродистой стали.Никель может повысить прочность стали, но вред для ударной вязкости, пластичности и других технологических свойств стали меньше, чем для других легирующих элементов.Для среднеуглеродистой стали перлит становится тоньше, потому что никель снижает температуру перлитного перехода.Поскольку никель снижает содержание углерода в эвтектоидной точке, перлита больше, чем в углеродистой стали с тем же содержанием углерода, что делает перлитную ферритную сталь с никелем более прочной, чем углеродистая сталь с тем же содержанием углерода.Наоборот, если прочность стали одинакова, содержание углерода в никельсодержащей стали может быть соответствующим образом уменьшено, так что могут быть улучшены ударная вязкость и пластичность стали.Никель может улучшить сопротивление стали усталости и снизить чувствительность стали к надрезам.Никель снижает температуру хрупкого перехода низкотемпературной стали, что очень важно для низкотемпературной стали.Сталь с 3,5% никеля можно использовать при температуре -100℃, а сталь с 9% никеля можно использовать при -196℃.Никель не увеличивает сопротивление стали ползучести, поэтому его обычно не используют в качестве упрочняющего элемента жаропрочной стали.

Коэффициент линейного расширения сплавов Fe-Ni с высоким содержанием никеля существенно изменяется при увеличении или уменьшении содержания никеля.Используя это свойство, можно проектировать и производить прецизионные сплавы и биметаллические материалы с очень низким или определенным коэффициентом линейного расширения.

Кроме того, добавленный в сталь никель является не только кислотостойким, но и щелочестойким, устойчивым к коррозии в атмосфере и соли, никель является одним из важных элементов в нержавеющей кислотоупорной стали.

(3) Молибден (Mo)

Молибден в стали может улучшить прокаливаемость и термическую прочность, предотвратить отпускную хрупкость, увеличить остаточную и коэрцитивную энергию, а также коррозионную стойкость в некоторых средах.

В закаленной стали молибден может обеспечить глубокую закалку деталей с большими сечениями, закалку насквозь, улучшить огнестойкость или стабильность стали при отпуске, так что детали можно отпускать при более высоких температурах, чтобы более эффективно устранить (или уменьшить) остаточное напряжение. , улучшить пластичность.

В дополнение к вышеупомянутым эффектам в науглероженной стали молибден также может уменьшить тенденцию карбидов к образованию непрерывной сети на границе зерен в науглероживающем слое, уменьшить остаточный аустенит в науглероживающем слое и относительно увеличить износостойкость поверхности. слой.

В ковочном штампе молибден также может поддерживать относительно стабильную твердость стали, увеличивая деформацию.Стойкость к растрескиванию и износу.

В нержавеющей кислотостойкой стали молибден может дополнительно улучшить коррозионную стойкость к органическим кислотам (таким как муравьиная кислота, уксусная кислота, щавелевая кислота и т. д.), перекиси водорода, серной кислоте, сульфиту, сульфату, кислотным красителям, отбеливающим порошкам и т. д. В частности, добавление молибдена предотвращает склонность к точечной коррозии, вызванную присутствием ионов хлора.

Быстрорежущая сталь W12Cr4V4Mo, содержащая около 1% молибдена, обладает износостойкостью, твердостью после отпуска и твердостью до красного цвета.

(4) Вольфрам (клавиша W)

Помимо образования карбидов в стали, вольфрам частично растворяется в железе с образованием твердого раствора.Его действие аналогично молибдену, по расчету массовой доли общий эффект не столь значителен, как у молибдена.Основной пробой вольфрама в стали является повышение отпускостойкости, красной твердости, термической прочности и износостойкости за счет образования карбидов.Поэтому он в основном используется в инструментальной стали, такой как быстрорежущая сталь, штамп для горячей штамповки.сталии так далее.

Вольфрам образует тугоплавкие карбиды в высококачественной пружинной стали.При отпуске при более высокой температуре можно облегчить процесс накопления карбидов и сохранить жаропрочность.Вольфрам также снижает чувствительность стали к перегреву, повышает прокаливаемость и повышает твердость.Пружинная сталь 65SiMnWA после горячей прокатки имеет высокую твердость после охлаждения на воздухе.Пружинная сталь сечением 50 мм2 может быть закалена в масле и может использоваться в качестве важной пружины, выдерживающей большие нагрузки, термостойкость (не более 350 ℃) и удары.Высокопрочная жаропрочная пружинная сталь 30W4Cr2VA, с большой прокаливаемостью, закалка 1050 ~ 1100 ℃, предел прочности при отпуске 550 ~ 650 ℃ 1470 ~ 1666 Па.В основном используется при изготовлении пружин, работающих в условиях высоких температур (не более 500 ℃).

Вольфрам является основным элементом легированной инструментальной стали, поскольку его добавление может значительно улучшить износостойкость и обрабатываемость стали.

(5) Ванадий (V)

Ванадий имеет сильное сродство с углеродом, аммиаком и кислородом и образует с ними устойчивые соединения.Ванадий существует в основном в виде карбида в стали.Его основная функция заключается в уточнении структуры и зерна стали, повышении прочности и ударной вязкости стали.При растворении в твердый раствор при высокой температуре увеличивается прокаливаемость;Наоборот, если в виде карбида, снижается прокаливаемость.Ванадий повышает отпускостойкость закаленной стали и вызывает эффект вторичной закалки.Содержание ванадия в стали, кроме быстрорежущей инструментальной стали, как правило, не более 0,5%.

В обычном низкоуглеродистом сплавестали, ванадий может измельчать зерно, повышать прочность и коэффициент текучести после нормализации и улучшать характеристики сварки стали при низкой температуре.

Ванадий в легированной конструкционной стали из-за общих условий термообработки снижает прокаливаемость, поэтому его часто используют в конструкционной стали и марганце, хроме, молибдене, вольфраме и других элементах.Ванадий в закаленной стали в основном предназначен для улучшения прочности и коэффициента текучести стали, измельчения зерна, повышения чувствительности к перегреву.В науглероженной стали можно уменьшить зерно, сталь можно сразу закалить после науглероживания, без вторичной закалки.

В пружинной стали и подшипниковой стали ванадий может улучшить прочность и коэффициент текучести, особенно предел пропорциональности и предел упругости, а также снизить чувствительность к обезуглероживанию во время термообработки, тем самым улучшая качество поверхности.5 хромовая подшипниковая сталь, содержащая ванадий, высокая дисперсия карбонизации, хорошие характеристики.

Ванадий в инструментальной стали измельчает зерна, снижает чувствительность к перегреву, повышает стабильность при отпуске и износостойкость и, таким образом, продлевает срок службы инструмента.

(6) Титан (Ti)

Титан имеет сильное сродство с азотом, кислородом и углеродом и имеет более сильное сродство с серой, чем железо.Следовательно, это хороший раскислитель и эффективный элемент для фиксации азота и углерода.Хотя титан является сильным карбидообразующим элементом, он не соединяется с другими элементами с образованием сложных соединений.Сила связывания карбида титана сильная, стабильная, не легко разлагается, в стали только нагревание до температуры более 1000 ℃ может медленно растворяться в твердом растворе.Частицы карбида титана предотвращают рост зерен до их растворения.Поскольку сродство между титаном и углеродом намного больше, чем между хромом и углеродом, титан обычно используется в нержавеющей стали для фиксации углерода, чтобы исключить разбавление хромом на границе зерен, чтобы устранить или уменьшить межкристаллитную коррозию стали. .

Титан также является одним из сильных ферритообразующих элементов, который сильно увеличивает температуры стали A1 и A3.Титан может улучшить пластичность и ударную вязкость обычной низколегированной стали.Поскольку титан фиксирует азот и серу и образует карбид титана, прочность стали увеличивается.После нормализации измельчения зерна осаждение карбида может значительно улучшить пластичность и ударную вязкость стали.Легированная конструкционная сталь, содержащая титан, обладает хорошими механическими и технологическими свойствами, но основным недостатком является низкая прокаливаемость.

В нержавеющую сталь с высоким содержанием хрома обычно необходимо добавить примерно в 5 раз больше углерода, чем титана, что не только может улучшить коррозионную стойкость (в основном стойкость к межкристаллитной коррозии) и ударную вязкость стали;Он также может предотвратить склонность стали к росту зерна при высокой температуре и улучшить характеристики сварки стали.

(7) Ниобий/колтан (Nb/Cb)

Ниобий часто сосуществует с колтаном и танталом, и их роль в стали аналогична.Ниобий и тантал частично растворяются в твердом растворе для упрочнения твердого раствора.Закалочная способность стали может быть значительно улучшена, если она растворяется в аустените.Однако в виде частиц карбида и оксида измельчает зерно и снижает прокаливаемость стали.Это может повысить стабильность стали при отпуске и имеет эффект вторичной закалки.Следы ниобия могут улучшить прочность стали, не влияя на пластичность или ударную вязкость.Из-за эффекта измельчения зерна ударная вязкость стали может быть улучшена, а температура перехода к хрупкости может быть снижена.Когда содержание углерода более чем в 8 раз, почти весь углерод в стали может быть зафиксирован, так что сталь имеет хорошую стойкость к водороду.Межкристаллитную коррозию аустенитной стали окислительной средой можно предотвратить.За счет фиксации углерода и дисперсионного твердения можно улучшить высокотемпературные свойства жаропрочных сталей, такие как сопротивление ползучести.

Ниобий может улучшить предел текучести и ударную вязкость, а также снизить температуру перехода в хрупкость в обычных низколегированных сталях, используемых в строительстве.Повышение прокаливаемости при науглероживании и отпуске легированной конструкционной стали.Улучшить ударную вязкость и низкотемпературные характеристики стали.Это может уменьшить закалку на воздухе низкоуглеродистой мартенситной жаропрочной нержавеющей стали, избежать хрупкости при закалке и отпуске и улучшить сопротивление ползучести.

(8) Цирконий (Zr)

Цирконий является сильным карбидообразующим элементом, его роль в стали аналогична ниобию, танталу, ванадию.Добавление небольшого количества циркония приводит к дегазации, очистке и измельчению зерна, что положительно влияет на низкотемпературные характеристики стали и улучшает характеристики штамповки.Он часто используется в производстве сверхвысокопрочной стали и суперсплава на основе никеля для газовых двигателей и конструкций баллистических ракет.

(9) Кобальт

Кобальт в основном используется в специальных сталях и сплавах.Быстрорежущая сталь, содержащая кобальт, обладает высокой твердостью при высоких температурах, а молибден может быть добавлен в мартенситную стареющую сталь одновременно для получения сверхвысокой твердости и хороших комплексных механических свойств.Кроме того, кобальт является важным легирующим элементом в жаропрочных сталях и магнитных материалах.

Кобальт снижает прокаливаемость стали, поэтому добавление только углеродистой стали снизит общие механические свойства закаленной стали.Кобальт может упрочнять феррит, а при добавлении в углеродистую сталь он может улучшить твердость, предел текучести и прочность на растяжение стали в отожженном или нормализованном состоянии, а также оказывает неблагоприятное влияние на удлинение и усадку сечения.Ударная вязкость снижается с увеличением содержания кобальта.Кобальт используется в жаропрочных сталях и сплавах из-за его стойкости к окислению.Газовые турбины из сплава на основе кобальта показывают свою уникальную роль.