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铸造低合金钢中合金元素的作用

铸造低合金钢常用的合金元素有Mn、Si、Cr、Ni、Mo和Cu,除Mo以外,加入量通常大于1%。

一、锰    

锰在钢中一部分溶于铁素体,如经热处理后钢中有残留奥氏体,则奥氏体中也溶有锰;另一部分形成碳化物Mn3C,Mn3C又与渗碳体复合成为含锰渗碳体(Fe,Mn)3C。锰在钢中扩大奥氏体区,使钢的上临界温度和共析温度降低。同时,锰还能使过冷奥氏体的分解速率显著降低。因此,锰在钢中除有固溶强化作用外,还可以提高钢的淬透性,而且在这方面,锰可以说是作用最强的合金元素。    

锰使共析点向碳含量低的方向偏移,在碳含量和冷却速率相同的情况下,提高钢中的锰含量可使组织中的珠光体量增多、分散度增大,从而提高钢的强度和硬度。此外,由于奥氏体区扩大,上临界温度降低,二次结晶过程中,先共析铁素体因在较低的温度析出而得以细化。锰还可使马氏体转变的开始温度降低,淬火后组织中残留奥氏体增多,钢的塑性较好,淬火时产生的应力和变形都较少。    

用锰作为合金元素的钢也有缺点:一是对过热敏感,易导致晶粒粗大;二是对回火脆性敏感。    

二、硅    

硅在钢中不形成碳化物,也不溶于碳化物,只固溶于金属基体。铁素体中固溶的硅有较强的固溶强化作用,能使钢的强度和硬度提高,塑性和韧性则有所下降。共析转变过程中,过冷奥氏体中析出片状渗碳体时,硅不进入渗碳体,全部聚集于渗碳体周围,阻碍片状渗碳体生长。所以,硅有细化珠光体的作用。在低碳钢中,硅有促进硬化的作用,因为硅阻碍珠光体转变,使钢中较易于形成马氏体。但是,在提高钢的淬透性方面,硅的作用较弱。如果和其他合金元素配合使用,则可有很好的互补效果。    

硅在钢中是缩小奥氏体区的元素,使钢的固态相变温度升高,因而热处理温度应随硅含量的增加而提高。在硅含量较高的钢中,由于珠光体转变在较高的温度下进行,原子扩散速率提高的作用可能超过硅阻碍珠光体转变的作用,从而使珠光体粗大。   

三、铬    

铬在钢中既能固溶于铁素体,又能与碳形成多种质硬而且稳定的碳化物。Cr与C结合的能力强于Fe和Mn,逊于W和Mo。在低合金钢中,铬原子可以置换渗碳体中的部分铁原子而形成含铬的复合碳化物(Fe,Cr)3C,但成为碳化物的铬不多,一般不到10%,主要是以固溶体的形式存在。铬也是缩小奥氏体区的元素,在奥氏体和碳化物中的浓度差异较大,分布不匀。因此,奥氏体分解过程中铬需要重新分布。同时,Cr在奥氏体中扩散很慢,而且由于Cr与C结合能力强,又影响C的扩散。因此,铬使过冷奥氏体分解、转变的速率减缓,从而提高钢的淬透性。    

由于铬既能提高钢的淬透性,又有固溶强化作用,含铬的低合金钢,能借助于热处理而显著改善力学性能。而且,铬的价格也较为低廉。因此,在铸造低合金钢方面,铬是应用最广的合金元素。值得注意的是,铬提高钢的淬透性是有条件的,那就是,热处理时应注意使铬固溶于奥氏体中。如果加热和保温过程中碳化物未能完全溶解,则反而会促进奥氏体向珠光体转变,降低钢的淬透性。铬在钢中的负面作用是增强对回火脆性的敏感性。    

四、镍    

镍在钢中是扩大奥氏体区的元素,这方面的作用与锰相同。与锰不同的是,镍只固溶于铁素体和奥氏体中,不形成碳化物。镍固溶于钢中,扩大奥氏体区,使上临界温度和共析温度降低,热处理时过冷奥氏体在较低的温度分解、转变。从而提高钢的淬透性,并使珠光体细化。但是,镍提高淬透性的作用不如锰强。镍使共析点向碳含量低的方向偏移,在碳含量相同的情况下,可使组织中有更多的珠光体,从而有利于钢的强化。镍完全固溶于铁素体或奥氏体中,有固溶强化作用。镍的固溶强化作用不太强,但在强化的同时,钢的塑性和韧性不仅不降低,反而略有改善,这是其他合金元素所不及的。镍还可使钢的韧性-脆性转变温度降低,不但能改善钢常温下的塑性和韧性,而且能改善钢在低温下的韧性,因而是低温用钢中的主要合金元素。    

五、钼

钼在钢中既能固溶于铁素体或者奥氏体中,也能与碳形成碳化物。钼的碳化物主要是Mo2C,低合金钢中的钼含量很低,不可能有有力的Mo2C,只有复合的(Fe、Mo)3C型碳化物。钼含量少于1%的钢中,固溶于铁素体的钼约占90%,进入碳化物的只有10%左右。因此,钼既能使铁素体固溶强化,又能改善渗碳体的性能,好像兼有W和Ni的作用。钼能显著地降低钢的临界冷却速率,在提高淬透性方面,是作用最强的元素之一。如钢中同时还有Mn、Cr、Ni或其他合金元素,则Mo的作用就更为明显。共析成分的碳钢中加入0.8%的钼,50mm的试样经820℃油淬,可完全淬透。    

固溶于钢中的钼,加热时阻止奥氏体晶粒长大的能力很强,能显著提高钢的再结晶温度。因此,加入钼可大幅度提高钢的高温强度,钼是热强钢中的主要合金元素。    对回火脆性不敏感也是含钼钢的重要特点。对回火脆性敏感的钢,如含铬钢、含锰钢等,如加入0.3%~0.4%的钼即可减轻,甚至完全抑制回火脆性。因为钼能阻碍马氏体分解,经淬火的含钼钢回火时,可保持硬度到较高的温度。钼还能促使马氏体分解产物成为细小的分散相,使钢的性能更好。    

六、铜    

铜在钢中是扩大奥氏体区的元素,许多方面的作用都与镍相似。其对钢的力学性能的影响大致有三点:①有固溶强化作用,而且作用略强于硅;②含量超过0.8%时,经固溶处理和时效后,有沉淀强化作用;③调质状态下,能降低钢的韧性-脆性转变温度,提高钢的韧性。

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