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常存杂质元素对碳素钢性能的影响

文章出处:冠亚体育娱乐热处理责任编辑:热处理设备小许查看手机网址
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人气:-发表时间:2017-05-05 15:00【

工业使用的钢铁材料中非合金钢占有重要地位。碳质量分数在0.0218%~2.11%范围内的铁碳合金为碳素钢。碳素钢除以铁、碳为主要元素外,还含有少量的锰、硅、硫、磷等常存杂质。由于碳素钢容易冶炼,价格低廉,工艺性好,具有较好的使用性能,能满足许多场合的需要,因而在机械工程领域得到广泛应用。

钢是通过铁矿石、生铁或废铁冶炼而来的,由于原料和冶炼工艺的原因,碳素钢中除铁与碳两种元素外,不可避免地还存有杂质元素。对钢的性能影响较大的杂质元素有锰、硅、硫、磷等四种,称为常存杂质。它们对钢的性能有一定影响,尤其是后两种,是生产中需要严格控制、经常检查的杂质。

1.锰的影响

碳素钢中的锰主要是炼钢时用锰铁给钢液脱氧而残余在钢中的。锰有较强的脱氧能力,可以清除FeO,降低钢的脆性。锰还可以与钢中有害杂质硫形成MnS,从而降低S对钢的危害,提高热加工的工艺性。大部分锰溶入铁素体,形成置换固溶体,也能部分溶入Fe3C中,形成合金渗碳体,它们都能起强化作用。但是含锰量过高易使钢的晶粒粗大。总的说来锰对钢是有益的。在一般碳素钢中锰的质量分数控制在0.25%~0.8%范围内。对于某些碳素钢为提高其性能将杂质锰的质量分数提高到0.7%~1.2%,称为锰质量分数较高的碳素钢。

2.硅的影响

硅主要来自原料生铁及硅铁脱氧剂。硅比锰的脱氧能力强,可使钢液中的FeO变成炉渣脱离出来,从而提高钢的品质。硅能溶入铁素体,提高钢的强度、硬度,但会降低钢的塑性和韧性。

另一方面,硅使Fe3C稳定性下降,促进Fe3C分解生成石墨。若钢中出现石墨会使钢的韧性严重下降,产生所谓的“黑脆”。所以,作为有益杂质,硅在非合金钢中一般控制在0. 4%以内,特殊需要可降至0.03%。

3.硫的影响

杂质硫主要来源于矿石和燃料。硫不能溶入铁中,它主要与铁形成熔点为1190℃的FeS,FeS又与γ-Fe形成共晶体(Fe+FeS),其熔点仅是985℃,这一温度低于钢的热变形加工温度(1000~1200℃),在进行热变形加工时,分布在晶界处的共晶体处于熔融状态,易使钢在热变形加工中沿晶界开裂,表现出所谓“热脆性”。如果钢液脱氧不良,含有较多的FeO,还会形成( Fe+FeO+FeS)三相共晶体,熔点更低(940℃),危害性更大。因此,钢中的硫含量越少,钢的品质越好。硫的含量常被用作衡量钢材质量等级的重要指标之一。一般情况下,钢中的硫质量分数低于0. 045%,如果要求更好的质量,则含量限制更严格。

4.磷的影响

磷也是由矿石带到钢中的。磷可以固溶到铁素体(固溶度<0.1%)中起强化作用,提高钢在室温时的强度。但是,磷也易与铁形成极脆的化合物Fe3P使钢的塑性和韧性显著下降,且温度越低脆性越大,这种现象通常称为钢的“冷脆性”。此外,磷还使钢的焊接性降低。因此,磷也是衡量钢材品质的指标之一。若无特殊需要,钢中的磷质量分数最多不超过0. 055%。有时候硫和磷含量也被适当增加,用于提高某些合金钢的可加工性。此外,炮弹钢中加入一定量的磷,可使炮弹爆炸时产生更多弹片,使之有更大的杀伤力。磷与铜共存还可以提高钢的耐大气腐蚀性能。

除了这些常存杂质元素之外,在炼钢过程中,还有少量非金属杂质(O、H、N等)进入钢液中,都会降低钢的力学性能。因此,也要加以严格控制。

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