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鑄造金屬材料各種化學成分剖析

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鑄造金屬材料各種化學成分剖析

1. 生鐵：

生鐵中除鐵外，還含有碳、硅、錳、磷和硫等元素。這些元素對生鐵的性能均有一定的影響。

碳（C）：在生鐵中以兩種形態(tài)存在，一種是游離碳（石墨），主要存在于鑄造生鐵中，另一種是化合碳（碳化鐵），主要存在于煉鋼生鐵中，碳化鐵硬而脆，塑性低，含量適當可提高生鐵的強度和硬度，含量過多，則使生鐵難于削切加工，這就是煉鋼生鐵切削性能差的原因。石墨很軟，強度低，它的存在能增加生鐵的鑄造性能。

硅（Si）：能促使生鐵中所含的碳分離為石墨狀，能去氧，還能減少鑄件的氣眼，能提高熔化生鐵的流動性，降低鑄件的收縮量，但含硅過多，也會使生鐵變硬變脆。

錳（Mn）：能溶于鐵素體和滲碳體。在高爐煉制生鐵時，含錳量適當，可提高生鐵的鑄造性能和削切性能，在高爐里錳還可以和有害雜質(zhì)硫形成硫化錳，進入爐渣。

磷（P）：屬于有害元素，但磷可使鐵水的流動性增加，這是因為硫減低了生鐵熔點，所以在有的制品內(nèi)往往含磷量較高。然而磷的存在又使鐵增加硬脆性，優(yōu)良的生鐵含磷量應少，有時為了要增加流動性，含磷量可達1.2%。

硫（S）：在生鐵中是有害元素，它促使鐵與碳的結(jié)合，使鐵硬脆，并與鐵化合成低熔點的硫化鐵，使生鐵產(chǎn)生熱脆性。減低鐵液的流動性，顧含硫高的生鐵不適于鑄造細件。鑄造生鐵中硫的含量規(guī)定不得超過0.06%（車輪生鐵除外）。

2．鋼：

鋼除含碳以外，還含有少量錳(Mn)、硅(Si)、硫(S)、磷(P)、氧（O）、氮（N）和氫（H）等元素。這些元素并非為改善鋼材質(zhì)量有意加入的，而是由礦石及冶煉過程中帶入的，故稱為雜質(zhì)元素。這些雜質(zhì)對鋼性能是有一定影響，為了保證鋼材的質(zhì)量，在國家標準中對各類鋼的化學成分都作了嚴格的規(guī)定。

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1）硫

硫來源于煉鋼的礦石與燃料焦炭。它是鋼中的一種有害元素。硫以硫化鐵(FeS)的形態(tài)存在于鋼中，F(xiàn)eS和Fe形成低熔點(985℃)化合物。而鋼材的熱加工溫度一般在1150～1200℃以上，所以當鋼材熱加工時，由于 FeS化合物的過早熔化而導致工件開裂，這種現(xiàn)象稱為“熱脆”。含硫量愈高，熱脆現(xiàn)象愈嚴重，故必須對鋼中含硫量進行控制。高級優(yōu)質(zhì)鋼：S＜0.02%～0.03%；優(yōu)質(zhì)鋼：S＜0.03%～0.045%；普通鋼：S＜0.055%～0.7%以下。

2）磷

磷是由礦石帶入鋼中的，一般說磷也是有害元素。磷雖能使鋼材的強度、硬度增高，但引起塑性、沖擊韌性顯著降低。特別是在低溫時，它使鋼材顯著變脆，這種現(xiàn)象稱"冷脆"。冷脆使鋼材的冷加工及焊接性變壞，含磷愈高，冷脆性愈大，故鋼中對含磷量控制較嚴。高級優(yōu)質(zhì)鋼：P＜0.025%；優(yōu)質(zhì)鋼：P＜0.04%；普通鋼：P＜0.085%。

3）錳

錳是煉鋼時作為脫氧劑加入鋼中的。由于錳可以與硫形成高熔點(1600℃)的 MnS，一定程度上消除了硫的有害作用。錳具有很好的脫氧能力，能夠與鋼中的FeO成為MnO進入爐渣，從而改善鋼的品質(zhì)，特別是降低鋼的脆性，提高鋼的強度和硬度。因此，錳在鋼中是一種有益元素。一般認為，鋼中含錳量在0.5%～0.8%以下時，把錳看成是常存雜質(zhì)。技術(shù)條件中規(guī)定，優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼中，正常含錳量是0.5%～0.8%；而較高含錳量的結(jié)構(gòu)鋼中，其量可達0.7%～1.2%。

4）硅

硅也是煉鋼時作為脫氧劑而加入鋼中的元素。硅與鋼水中的FeO能結(jié)成密度較小的硅酸鹽爐渣而被除去，因此硅是一種有益的元素。硅在鋼中溶于鐵素體內(nèi)使鋼的強度、硬度增加，塑性、韌性降低。鎮(zhèn)靜鋼中的含硅量通常在0.1%～0.37%，沸騰鋼中只含有0.03%～0.07%。由于鋼中硅含量一般不超過0.5%，對鋼性能影響不大。

5）氧

氧在鋼中是有害元素。它是在煉鋼過程中自然進入鋼中的，盡管在煉鋼末期要加入錳、硅、鐵和鋁進行脫氧，但不可能除盡。氧在鋼中以FeO、MnO、SiO2、Al2O3等夾雜形式，使鋼的強度、塑性降低。尤其是對疲勞強度、沖擊韌性等有嚴重影響。

6）氮鐵素體溶解氮的能力很低。當鋼中溶有過飽和的氮，在放置較長一段時間后或隨后在200～300℃加熱就會發(fā)生氮以氮化物形式的析出，并使鋼的硬度、強度提高，塑性下降，發(fā)生時效。鋼液中加入Al、Ti或V進行固氮處理，使氮固定在AlN、TiN或VN中，可消除時效傾向。

7）氫

鋼中溶有氫會引起鋼的氫脆、白點等缺陷。白點常在軋制的厚板、大鍛件中發(fā)現(xiàn)，在縱斷面中可看到圓形或橢圓形的白色斑點；在橫斷面上則是細長的發(fā)絲狀裂紋。鍛件中有了白點，使用時會發(fā)生突然斷裂，造成不測事故。因此，化工容器用鋼，不允許有白點存在。氫產(chǎn)生白點冷裂的主要原因是因為高溫奧氏體冷至較低溫時，氫在鋼中的溶解度急劇降低。當冷卻較快時，氫原子來不及擴散到鋼的表面而逸出，就在鋼中的一些缺陷處由原子狀態(tài)的氫變成分子狀態(tài)的氫。氫分子在不能擴散的條件下在局部地區(qū)產(chǎn)生很大壓力，這壓力超過了鋼的強度而在該處形成裂紋，即白點。

3. 合金鋼

合金鋼中元素的作用

為了合金化而加入的合金元素，常用的有硅、錳、鉻、鎳、鉬、鎢、釩，鈦，鈮、硼、鋁等?，F(xiàn)分別說明它們在鋼中的作用。

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1）硅

①提高鋼中固溶體的強度和冷加工硬化程度使鋼的韌性和塑性降低；

②硅能顯著地提高鋼的彈性、屈服和屈強比；

③耐腐蝕性。硅的質(zhì)量分數(shù)為15％一20％的高硅鑄鐵，是很好的耐酸材料。含有硅的鋼在氧化氣氛中加熱時，表面也將形成一層SiO2薄膜，從而提高鋼在高溫時的抗氧化性。

缺點：使鋼的焊接性能惡化。

2）錳

①錳能提高鋼的淬透性。

②錳對提高低碳和中碳珠光體鋼的強度有顯著的作用。

③錳對鋼的高溫瞬時強度有所提高。

缺點：

①含錳較高時，有較明顯的回火脆性現(xiàn)象；

②錳有促進晶粒長大的作用，因此錳鋼對過熱較敏感t在熱處理工藝上必須注意。這種缺點可用加入細化晶粒元素如鉬、釩、鈦等來克服：

③當錳的質(zhì)量分數(shù)超過1％時，會使鋼的焊接性能變壞

3）鉻在鋼中的作用

①鉻可提高鋼的強度和硬度。

②鉻可提高鋼的高溫機械性能。

③使鋼具有良好的抗腐蝕性和抗氧化性

④阻止石墨化

⑤提高淬透性。

缺點：

①是顯著提高鋼的脆性轉(zhuǎn)變溫度

②鉻能促進鋼的回火脆性。

4）鎳在鋼中的作用

①可提高鋼的強度而不顯著降低其韌性；

②鎳可降低鋼的脆性轉(zhuǎn)變溫度，即可提高鋼的低溫韌性；

③改善鋼的加工性和可焊性；

④鎳可以提高鋼的抗腐蝕能力，不僅能耐酸，而且能抗堿和大氣的腐蝕。

5）鉬在鋼中的作用

①鉬對鐵素體有固溶強化作用。

②提高鋼熱強性

③抗氫侵蝕的作用。

④提高鋼的淬透性。

缺點：

鉬的主要不良作用是它能使低合金鉬鋼發(fā)生石墨化的傾向。

6）鎢在鋼中的作用

①提高強度

②提高鋼的高溫強度。

③提高鋼的抗氫性能。

④是使鋼具有熱硬性。因此鎢是高速工具鋼中的主要合金元素。

7）釩在鋼中的作用

①熱強性。

②釩能顯著地改善普通低碳低合金鋼的焊接性能。

8）鈦在鋼中的作用

①鈦能改善鋼的熱強性，提高鋼的抗蠕變性能及高溫持久強度；

②并能提高鋼在高溫高壓氫氣中的穩(wěn)定性。使鋼在高壓下對氫的穩(wěn)定性高達600℃以上，在珠光體低合金鋼中，鈦可阻止鉬鋼在高溫下的石墨化現(xiàn)象。因此，鈦是鍋爐高溫元件所用的熱強鋼中的重要合金元素之一。

9）鈮在鋼中的作用

①鈮和碳、氮、氧都有結(jié)合力，并與之形成相應穩(wěn)定的化合物，因而能細化晶粒，降低鋼的過熱敏感性和回火脆性。

②抗氫性能。

③鈮能提高鋼的熱強性

10）硼在鋼中的作用

①提高鋼的淬透性。

②提高鋼的高溫強度。強化晶界的作用。

11）鋁在鋼中的作用

①用作煉鋼時的脫氧定氮劑，細化晶粒，抑制低碳鋼的時效，改善鋼在低溫時的韌性，特別是降低了鋼的脆性轉(zhuǎn)變溫度；

②提高鋼的抗氧化性能。曾對鐵鋁合金的抗氧化性進行了較多的研究；4％AI即可改變氧化皮的結(jié)構(gòu)，加入6％A1可使鋼在980C以下具有抗氧化性。當鋁和鉻配合并用時，其抗氧化性能有更大的提高。例如，含鐵50％一55％、鉻30％一35％、鋁10％一15％的合金，在1 400C高溫時，仍具有相當好的抗氧化性。由于鋁的這一作用，近年來，常把鋁作為合金元素加入耐熱鋼中。

③此外，鋁還能提高對硫化氫和V2O5，的抗腐蝕性。

缺點：

①脫氧時如用鋁量過多，將促進鋼的石墨化傾向。

②當含鋁較高時，其高溫強度和韌性較低。

南京麒麟科學儀器集團有限公司

檢測中心

2019.10.15

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