简析化学元素对不锈钢的影响

2013-08-15刘跃娣

中国新技术新产品 2013年7期

关键词：淬透性合金钢脆性

刘跃娣

（哈尔滨空调股份有限公司，黑龙江哈尔滨 150078）

不锈钢是合金钢的典型代表，其在大气、酸碱等腐蚀性介质中呈现出钝态、耐腐蚀性强，不易生锈的特征，受到生产行业的认可。下面就来分析化学元素对不锈钢的影响。

1 不锈钢生产中常用元素及其影响

铬(Cr)，锰(Mn)，镍(Ni)，硅(Si)，硼(B)，钨(W)，钼(Mo)，钒(V)，钛(Ti)和稀土元素(Re)等都是不锈钢的主要生产元素，在不锈钢的生产中具有不同的作用。

铬可以提高金属的抗腐蚀性能，改善抗氧化性，同时可以增加钢的热强性，提高钢的淬透性，使钢的强度、硬度与耐磨性得到改善。锰可以增加钢的强度，也是良好的脱氧剂与脱硫剂，但是其含量过高的话会降低钢的抗腐蚀性。镍能提高淬透性，保证了钢的塑形及韧性。除了这几种主要的材料之外，还包括许多其他的元素，例如碳，是钢的主要元素，其可以增加屈服点及抗拉强度，但是会使塑形与冲击性降低，如果碳的含量超过0.23%的话，钢的焊接性能会被破坏，所以合金钢中的碳含量一般不会超过0.2%。硅是炼钢中主要的还原剂和脱氧剂，硅可以提高钢的弹性，因此其是弹簧钢的主要材料。磷是钢中的有害因素，其会降低焊接性与塑形，但是同时也是合成钢必不可少的元素，但是含量要控制在0.045%之内，优质钢要更低。与磷相同，硫也属于有害元素，使钢产生脆性，降低其韧性与延展性，在生产中可能会产生裂纹，因此在生产中要在0.055%之内，优质钢要更小，硫可以改善切削加工型。钼可以细化钢的晶粒，提高淬透性与热强性，在高温环境中保证足够的强度与抗蠕变能力，提高结构钢的机械性，抑制合金钢由于火引起的脆性。钛是钢的强脱氧剂，使钢的内部组织致密，细化晶粒力，降低冷脆性，改善焊接性。钒是钢的优质脱氧剂，改善其强度与韧性，钒与碳形成碳化物，提高在高温高压环境中的抗氢腐蚀能力。钨的熔点较高，属于价格昂贵的合金元素，与碳形成的碳化钨具有较高的硬度与耐磨性，在工具钢中加入钨，可以很高的改善红硬性与热强度，作切削工具及锻模具用。铌可以降低钢的过热敏感性及火脆性，改善强度，但是塑形与韧性会降低，在普通的合金钢中加入铌，可以提高抗腐蚀性能，改善焊接性。铜可以提高强度与韧性，尤其是可以很好的抵抗大气腐蚀，但是其在热加工中非常容易出现热脆，但铜含量小于0.50%对焊接性无影响。铝的应用频率也较高，属于常用脱氧剂，提高钢的冲击韧性，同时铝还具有抗氧化性与抗腐蚀性，与铬、硅同用，可以改善高温下的耐腐蚀能力，但是会对钢的热加工性能产生银锭影响，因此要控制好加入量。氮能提高钢的强度，低温韧性和焊接性，增加时效敏感性。除了这些常见元素，在合金钢中还会加入钴、硼等稀有金属，主要被应用于特殊钢的合成中。还有一些合成钢种会加入稀土元素，改善钢的形态、分布等进而达到改善钢的性能目的，提高耐磨性。

2 合金元素对钢力学性能的影响

2.1 可溶铁，起到固溶强化作用。在当前的技术手段下，所有的合金元素在一定程度上几乎都可以溶于铁素体、奥氏体中形成固溶体，使钢的强度与硬度增加，但是塑形与韧性降低，使钢具有强韧性的良好配合。

2.2 形成碳化物，具有强化与硬化的作用。不同的元素与碳的作用不同，目前常用的合金元素分为非碳化物与碳化物形成元素两类。碳化物形成元素包括Ti、Nb、V、W、Mo、Cr、Mn等，在钢中可以与碳结合形成碳化物，如：TiC、VC、WC 等，这些碳化物的硬度、熔点高，更加稳定，如果它们颗粒细小并在钢中均匀分布时，则显著提高钢的强度、硬度和耐磨性。

2.3 结构钢种珠光体增加，具有强化功能。在钢中加入合金元素，使Fe-Fe3C相图中的共析点左移，所以与碳含量相同的碳钢相比，亚共析成分的结构钢含碳量更接近于共析成分，组织中珠光体的数量，增加了合金钢的强度。

3 合金元素对钢工艺性能的影响

3.1 合金元素对热处理的影响

首先，对奥氏体化的影响。在加热过程中，在进行合金钢的处理过程中，合金元素可以适当的增加温度与延长保温时间。合金钢种的合金渗碳体，合金碳化物稳定性高，于奥氏体不易融合。即使融入，扩散也相当的缓慢，所以合金钢的奥氏体花速度要慢于碳钢，为加速奥氏体化，要求将合金钢（锰钢除外）加热到较高的温度和保温较长的时间。除了Mn外，所有的合金元素都具有阻碍奥氏体晶粒长大的效果，尤其是Ti、V等强碳化物形成的合金碳化物稳定性高，残存在奥氏体晶界上，显著地阻碍奥氏体晶粒长大。因此奥氏体化的晶粒一般比碳钢细。

其次，影响奥氏体转变。合金钢的淬透性更佳，降低淬火冷速，减小淬火变形，但是残余奥氏体增多。除Co外，所有溶于奥氏体中的合金元素，都会增加过冷奥氏体的稳定性，使C曲线右移，马氏体临界冷却速度减小，淬透性提高。这使合金钢运用较小的冷却速度就可以淬成马氏体组织，减小淬火变形。所以在制作大尺寸、形状复杂或者精度较高的零件多采用合金钢来制作。除Co、Al外，大多数合金元素都使M点降低，使合金钢淬火后的残余奥氏体量比碳钢多，这将对零件的淬火质量会产生不利影响。

最后，影响回火转变合金钢具有较好的耐火性，回火后强韧性配合较好，一些钢可以产生“二次硬化”。在进行回火的时候马氏体不容易被分解，抗软化能力较好，增加了钢的耐回火性，回火后有较好的强韧性配合。合金严肃可以提高马氏体分解温度，对于含有较多Cr、Mo、W、V等强碳化物形成元素的钢，当加热到500～600℃回火时，直接由马氏体中析出合金碳化物，这些碳化物颗粒细小，分布弥散，使钢的硬度不仅不降低，反而升高这种现象称为“二次硬化”。但是有部分合金钢要避免“回火脆性”的出现。

3.2 影响焊接的性能。在焊接淬透性较好的合金钢过程中，在接头的位置常常会出现淬硬组织，使该处的脆性加大，导致焊接裂纹的出现；焊接时合金元素容易被形成的氧化物夹杂，使焊接的质量下降。例如在不锈钢焊接的过程中，非常容易夹杂Cr2O3，会影响焊缝的质量，同时铬的损失，不锈钢的耐腐蚀性也会降低，因此高合金钢最好采用保护作用好的氩弧焊。

3.3 影响锻造性能。在合金元素溶入奥氏体后，变形抗力增加，塑形变形的难度增加，合金钢锻造需要施加更大压力的吨位。同时，合金元素使钢的导热性降低，脆性增加，加大了合金钢锻造时遇锻后冷却中出现的变形、开裂倾向，所以在合金钢锻后要控制锻温度与冷却速度。