各元素在高速鋼中的作用

各元素在高速鋼中的作用高速工具鋼主要用于制造高效率的切削刀具。由于其具有紅硬性高、耐磨性好、強(qiáng)度高等特性，也用于制造性能要求高的模具、軋輥、高溫軸承和高溫彈簧等。高速工具鋼經(jīng)熱處理后的使用硬度可達(dá)HRC63以上，在6001左右的工作溫度下仍能保持高的硬度，而且其韌性、耐磨性和耐熱性均較好。退火狀態(tài)的高速工具鋼的主要合金元素有多、鉬、鉻、釩，還有一些高速工具鋼中加入了鉆、鋁等元素。這類鋼屬于高碳高合金萊氏體鋼，其主要的組織特征之一是含有大量的碳化物。鑄態(tài)高速工具鋼中的碳化物是共晶碳化物，經(jīng)熱壓力加工后破碎成顆粒狀分布在鋼中，稱為一次碳化物；從奧氏體和馬氏體基體中析出的碳化物稱為二次碳化物。這些碳化物對(duì)高速工具鋼的性能影響很大，特別是二次碳化物，其對(duì)鋼的奧氏本晶粒度和二次硬化等性能有很大影響。碳化物的數(shù)量、類型與鋼的化學(xué)成分有關(guān)，而碳化物的顆粒度和分布則與鋼的變形量有關(guān)。鎢、鉬是高速工具鋼的主要合金元素，對(duì)鋼的二次硬化和其他性能起重要作用。鉻對(duì)鋼的淬透性、抗氧化性和耐磨性起重要作用，對(duì)二次硬化也有一定的作用。釩對(duì)鋼的二次硬化和耐磨性起重要作用，但降低可磨削性能。高速工個(gè)鋼的淬火溫度很高，接近熔點(diǎn)，其目的是使合金碳化物更多的溶入基體中，使鋼具有更好的二次硬化能力。高速工具鋼淬火后硬度升高，此為第一次硬化，但淬火溫度越高，則回火后的強(qiáng)度和韌性越低。淬火后在3501以下低溫回火硬度下降在3501以上溫度回火硬度逐漸提高，至520-580^范圍內(nèi)回火（化學(xué)成分不同，回火溫度不同）出現(xiàn)第二次硬度高峰，并超過淬火硬度，此為二次硬化。這是高速工具鋼的重要特性。高速工個(gè)鋼除了具有高的硬度、耐磨性、紅硬性等使用性能外，還具有一定的熱塑性、可磨削性等工藝性能。多系高速工具鋼主要合金元素是鎢，不含鉬或含少量鉬。其主要特性是過熱敏感性小，脫碳敏感性小、熱處理和熱加工溫度范圍較寬，但碳化物顆粒粗大，分布均勻性差，影響鋼的韌性和塑性。鎢鉬系高速工具鋼的主要合金元素是鎢和鉬。其主要特性是碳化物的顆粒度和分布均優(yōu)于鎢系高速工具鋼，脫碳敏感性和過熱敏感性彳氐于鉬系高速工具鋼，使用性能和工藝性能均較好。鉬系高速工具鋼的主要合金元素是鉬，不含鎢或含少量鎢。其主要特性是碳化物顆粒細(xì)，分布均勻、韌性好，但脫碳敏感性和過熱敏感性大、熱加工和熱處理范圍窄。含鉆高速工具鋼是在通用高速工具鋼的基礎(chǔ)上加入一定量的鉆，可顯著提高鋼的硬度、耐磨性和韌性。粉末高速工具鋼是用粉末冶金方法產(chǎn)生的。首先用霧化法制取低氧高速工具鋼預(yù)合金粉末，然后用冷、熱靜壓機(jī)將粉末壓實(shí)成全致密的鋼坯，再經(jīng)鍛、軋成材。粉末高速工具鋼的碳化物細(xì)小、分布均勻，韌性、可磨削性和尺寸穩(wěn)定性等均很好，可生產(chǎn)用鑄錠法個(gè)可能產(chǎn)生更高合金元素含量的超硬高速工具鋼。粉末高速工具鋼可分為3類，第一類是含鉆高速工具鋼，其特點(diǎn)是具有接近硬質(zhì)合金的硬度，而且還具有良好的可鍛性、可加工性、可磨性和強(qiáng)韌性。第二類是無(wú)鉆高鎢、鉬、釩超硬高速工具鋼。第三類是超級(jí)耐磨高速工具鋼。其硬度不太高，但耐磨性極好，主要用于要求高耐磨并承受沖擊負(fù)荷的工作條件。Mn1、 在低含量范圍內(nèi)，對(duì)鋼具有很大的強(qiáng)化作用，提高強(qiáng)度、硬度和耐磨性2、 降低鋼的臨界冷卻速度，提高鋼的淬透性3、 稍稍改善鋼的低溫韌性4、 在高含量范圍內(nèi)，作為主要的奧氏體化元素Si1、 強(qiáng)化鐵素體，提高鋼的強(qiáng)度和硬度2、 降低鋼的臨界冷卻速度，提高鋼的淬透性3、 提高鋼的氧化性腐蝕介質(zhì)中的耐蝕性，提高鋼的耐熱性4、 磁鋼中的主要合金元素（含量在0.40%范圍內(nèi)時(shí)，改善熱裂傾向，含量高時(shí)，易形成柱狀晶，增加熱裂傾向。）Cr1、 在低合金范圍內(nèi)，對(duì)鋼具有很大的強(qiáng)化作用，提高強(qiáng)度、硬度和耐磨性2、 降低鋼的臨界冷卻速度，提高鋼的淬透性3、 提高鋼的耐熱性4、 在高合金范圍內(nèi)，使鋼具有對(duì)強(qiáng)氧化性酸類等腐蝕介質(zhì)的耐腐蝕能力Mo1、 強(qiáng)化鐵素體，提高鋼的強(qiáng)度和硬度2、 降低鋼的臨界冷卻速度，提高鋼的淬透性3、 提高鋼的耐熱性和高溫強(qiáng)度Ni1、 提高鋼的強(qiáng)度，而不降低其塑性，改善鋼的低溫韌性2、 降低鋼的臨界冷卻速度，提高鋼的淬透性3、 擴(kuò)大奧氏體區(qū)，是奧氏體化的有效元素4、 本身具有一定耐蝕性，對(duì)一些還原性酸類有良好的耐蝕能力Al1、 煉鋼中起良好的脫氧作用2、 細(xì)化鋼的晶粒，提高鋼的強(qiáng)度3、 提高鋼的抗氧化性能，提高不銹鋼對(duì)強(qiáng)氧化性酸類的耐蝕能力RE1、 煉鋼中起脫硫、去氣、凈化鋼液作用2、 細(xì)化鋼的晶粒，改善鑄態(tài)組織S:1、 硫在鋼中以FeS-Fe共晶體存在于鋼的晶粒周界，降低鋼的力學(xué)性能，優(yōu)制鋼含硫量一般應(yīng)限制在0.04%以下。2、 在機(jī)械制造中，有時(shí)為了改善某些鋼的切削加工性能，人為將含硫量提高，以形成硫化物，起中斷基體連續(xù)性的作用。3、 硫含量的提高，增加鑄件熱裂傾向。H:煉鋼過程中鋼液從爐氣中吸收氫鋼液中氫的溶解度隨溫度升高而提高，在緩慢凝固條件下，氫以針孔形態(tài)析出?？焖倌虝r(shí)，析出氫在鐵的晶格內(nèi)造成高應(yīng)力狀態(tài)，導(dǎo)致脆性。N:煉鋼過程中鋼液從爐氣中吸收氮1、 鋼液中溶解的氮在凝固過程中因溶解度降低而析出，并與鋼中的Si、Al、Zr等元素化合，生成SiN、AlN、ZrN等氮化物。少量氮化物能細(xì)化鋼的晶粒。氮休物多時(shí)，會(huì)使鋼的塑性和韌性降低。2、 氮屬于擴(kuò)大奧氏體區(qū)元素，在鋼中可部分代替鐐的作用，是鉻錳氮不銹鋼中的合金元素，，在超低碳不銹鋼中，可代替碳的作用，提高鋼的強(qiáng)度。O:1、 鋼液中溶解的FeO在凝固前溫度降低過程中與鋼液中的碳起反應(yīng)，生成一氧化碳?xì)馀?，在鑄件中造成氣孔。2、 鋼液凝固過程中，F(xiàn)eO因溶解度下降而析出在鋼的晶粒周界處，降低鋼的性能。1、 碳（C）:鋼中含碳量增加，屈服點(diǎn)和抗拉強(qiáng)度升高，但塑性和沖擊性降低，當(dāng)碳量0.23%超過時(shí)，鋼的焊接性能變壞，因此用于焊接的低合金結(jié)構(gòu)鋼，含碳量一般不超過0.20%。碳量高還會(huì)降低鋼的耐大氣腐蝕能力，在露天料場(chǎng)的高碳鋼就易銹蝕；此外，碳能增加鋼的冷脆性和時(shí)效敏感性。2、 硅（Si）:在煉鋼過程中加硅作為還原劑和脫氧劑，所以鎮(zhèn)靜鋼含有0.15-0.30%的硅。如果鋼中含硅量超過0.50-0.60%,硅就算合金元素。硅能顯著提高鋼的彈性極限，屈服點(diǎn)和抗拉強(qiáng)度，故廣泛用于作彈簧鋼。在調(diào)質(zhì)結(jié)構(gòu)鋼中加入1.0-1.2%的硅，強(qiáng)度可提高15-20%。硅和鉬、鎢、鉻等結(jié)合，有提高抗腐蝕性和抗氧化的作用，可制造耐熱鋼。含硅1-4%的低碳鋼，具有極高的導(dǎo)磁率，用于電器工業(yè)做矽鋼片。硅量增加，會(huì)降低鋼的焊接性能。3、 錳（Mn）:在煉鋼過程中，錳是良好的脫氧劑和脫硫劑，一般鋼中含錳0.30-0.50%。在碳素鋼中加入0.70%以上時(shí)就算〃錳鋼”，較一般鋼量的鋼不但有足夠的韌性，且有較高的強(qiáng)度和硬度，提高鋼的淬性，改善鋼的熱加工性能，如16Mn鋼比A3屈服點(diǎn)高40%。含錳11-14%的鋼有極高的耐磨性，用于挖土機(jī)鏟斗，球磨機(jī)襯板等。錳量增高，減弱鋼的抗腐蝕能力，降彳氐焊接性能。4、 磷(P):在一般情況下，磷是鋼中有害元素，增加鋼的冷脆性，使焊接性能變壞，降低塑性，使冷彎性能變壞。因此通常要求鋼中含磷量小于0.045%，優(yōu)質(zhì)鋼要求更低些。5、 硫(S):硫在通常情況下也是有害元素。使鋼產(chǎn)生熱脆性，降低鋼的延展性和韌性，在鍛造和軋制時(shí)造成裂紋。硫?qū)附有阅芤膊焕?，降低耐腐蝕性。所以通常要求硫含量小于0.055%，優(yōu)質(zhì)鋼要求小于0.040%。在鋼中加入0.08-0.20%的硫，可以改善切削加工性，通常稱易切削鋼。6、 鉻(Cr):在結(jié)構(gòu)鋼和工具鋼中，鉻能顯著提高強(qiáng)度、硬度和耐磨性，但同時(shí)降彳氐塑性和韌性。鉻又能提高鋼的抗氧化性和耐腐蝕性，因而是不銹鋼，耐熱鋼的重要合金元素。7、 鐐(Ni):鐐能提高鋼的強(qiáng)度，而又保持良好的塑性和韌性。鐐對(duì)酸堿有較高的耐腐蝕能力，在高溫下有防銹和耐熱能力。但由于鐐是較稀缺的資源，古攵應(yīng)盡量采用其他合金元素代用鐐鉻鋼。8、 鉬(Mo):鉬能使鋼的晶粒細(xì)化，提高淬透性和熱強(qiáng)性能，在高溫時(shí)保持足夠的強(qiáng)度和抗蠕變能力(長(zhǎng)期在高溫下受到應(yīng)力，發(fā)生變形，稱蠕變)。結(jié)構(gòu)鋼中加入鉬，能提高機(jī)械性能。還可以抑制合金鋼由于火而弓I起的脆性。在工具鋼中可提高紅性。9、 鈦(Ti):鈦是鋼中強(qiáng)脫氧劑。它能使鋼的內(nèi)部組織致密，細(xì)化晶粒力；降低時(shí)效敏感性和冷脆性。改善焊接性能。在鉻18鐐9奧氏體不銹鋼中加入適當(dāng)?shù)拟?，可避免晶間腐蝕。10、 釩(V):釩是鋼的優(yōu)良脫氧劑。鋼中加0.5%的釩可細(xì)化組織晶粒，提高強(qiáng)度和韌性。釩與碳形成的碳化物，在高溫高壓下可提高抗氫腐蝕能力。11、 鎢(W):鎢熔點(diǎn)高，比重大，是貴生的合金元素。鎢與碳形成碳化鎢有很高的硬度和耐磨性。在工具鋼加鎢，可顯著提高紅硬性和熱強(qiáng)性，作切削工具及鍛模具用。12、 鈮(Nb):鈮能細(xì)化晶粒和降低鋼的過熱敏感性及回火脆性，提高強(qiáng)度，但塑性和韌性有所下降。在普通低合金鋼中加鈮，可提高抗大氣腐蝕及高溫下抗氫、氮、氨腐蝕能力。鈮可改善焊接性能。在奧氏體不銹鋼中加鈮，可防止晶間腐蝕現(xiàn)象。13、 鉆(Co):鉆是稀有的貴重金屬，多用于特殊鋼和合金中，如熱強(qiáng)鋼和磁性材料。14、 銅(Cu):武鋼用大冶礦石所煉的鋼，往往含有銅。銅能提高強(qiáng)度和韌性，特別是大氣腐蝕性能。缺點(diǎn)是在熱加工時(shí)容易產(chǎn)生熱脆，銅含量超過0.5%塑性顯著降低。當(dāng)銅含量小于0.50%對(duì)焊接性無(wú)影響。15、 鋁(Al):鋁是鋼中常用的脫氧劑。鋼中加入少量的鋁，可細(xì)化晶粒，提高沖擊韌性，如作深沖薄板的08AI鋼。鋁還具有抗氧化性和抗腐蝕性能，鋁與鉻、硅合用，可顯著提高鋼的高溫不起皮性能和耐高溫腐蝕的能力。鋁的缺點(diǎn)是影響鋼的熱加工性能、焊接性能和切削加工性能。16、 硼(B)