簡析化學元素對不銹鋼的影響

劉躍娣

（哈爾濱空調股份有限公司，黑龍江 哈爾濱 150078）

不銹鋼是合金鋼的典型代表，其在大氣、酸堿等腐蝕性介質中呈現出鈍態、耐腐蝕性強，不易生銹的特征，受到生產行業的認可。下面就來分析化學元素對不銹鋼的影響。

1 不銹鋼生產中常用元素及其影響

鉻(Cr)，錳(Mn)，鎳(Ni)，硅(Si)，硼(B)，鎢(W)，鉬(Mo)，釩(V)，鈦(Ti)和稀土元素(Re)等都是不銹鋼的主要生產元素，在不銹鋼的生產中具有不同的作用。

鉻可以提高金屬的抗腐蝕性能，改善抗氧化性，同時可以增加鋼的熱強性，提高鋼的淬透性，使鋼的強度、硬度與耐磨性得到改善。錳可以增加鋼的強度，也是良好的脫氧劑與脫硫劑，但是其含量過高的話會降低鋼的抗腐蝕性。鎳能提高淬透性，保證了鋼的塑形及韌性。除了這幾種主要的材料之外，還包括許多其他的元素，例如碳，是鋼的主要元素，其可以增加屈服點及抗拉強度，但是會使塑形與沖擊性降低，如果碳的含量超過0.23%的話，鋼的焊接性能會被破壞，所以合金鋼中的碳含量一般不會超過0.2%。硅是煉鋼中主要的還原劑和脫氧劑，硅可以提高鋼的彈性，因此其是彈簧鋼的主要材料。磷是鋼中的有害因素，其會降低焊接性與塑形，但是同時也是合成鋼必不可少的元素，但是含量要控制在0.045%之內，優質鋼要更低。與磷相同，硫也屬于有害元素，使鋼產生脆性，降低其韌性與延展性，在生產中可能會產生裂紋，因此在生產中要在0.055%之內，優質鋼要更小，硫可以改善切削加工型。鉬可以細化鋼的晶粒，提高淬透性與熱強性，在高溫環境中保證足夠的強度與抗蠕變能力，提高結構鋼的機械性，抑制合金鋼由于火引起的脆性。鈦是鋼的強脫氧劑，使鋼的內部組織致密，細化晶粒力，降低冷脆性，改善焊接性。釩是鋼的優質脫氧劑，改善其強度與韌性，釩與碳形成碳化物，提高在高溫高壓環境中的抗氫腐蝕能力。鎢的熔點較高，屬于價格昂貴的合金元素，與碳形成的碳化鎢具有較高的硬度與耐磨性，在工具鋼中加入鎢，可以很高的改善紅硬性與熱強度，作切削工具及鍛模具用。鈮可以降低鋼的過熱敏感性及火脆性，改善強度，但是塑形與韌性會降低，在普通的合金鋼中加入鈮，可以提高抗腐蝕性能，改善焊接性。銅可以提高強度與韌性，尤其是可以很好的抵抗大氣腐蝕，但是其在熱加工中非常容易出現熱脆，但銅含量小于0.50%對焊接性無影響。鋁的應用頻率也較高，屬于常用脫氧劑，提高鋼的沖擊韌性，同時鋁還具有抗氧化性與抗腐蝕性，與鉻、硅同用，可以改善高溫下的耐腐蝕能力，但是會對鋼的熱加工性能產生銀錠影響，因此要控制好加入量。氮能提高鋼的強度，低溫韌性和焊接性，增加時效敏感性。除了這些常見元素，在合金鋼中還會加入鈷、硼等稀有金屬，主要被應用于特殊鋼的合成中。還有一些合成鋼種會加入稀土元素，改善鋼的形態、分布等進而達到改善鋼的性能目的，提高耐磨性。

2 合金元素對鋼力學性能的影響

2.1 可溶鐵，起到固溶強化作用。在當前的技術手段下，所有的合金元素在一定程度上幾乎都可以溶于鐵素體、奧氏體中形成固溶體，使鋼的強度與硬度增加，但是塑形與韌性降低，使鋼具有強韌性的良好配合。

2.2 形成碳化物，具有強化與硬化的作用。不同的元素與碳的作用不同，目前常用的合金元素分為非碳化物與碳化物形成元素兩類。碳化物形成元素包括Ti、Nb、V、W、Mo、Cr、Mn等，在鋼中可以與碳結合形成碳化物，如：TiC、VC、WC 等，這些碳化物的硬度、熔點高，更加穩定，如果它們顆粒細小并在鋼中均勻分布時，則顯著提高鋼的強度、硬度和耐磨性。

2.3 結構鋼種珠光體增加，具有強化功能。在鋼中加入合金元素，使Fe-Fe3C相圖中的共析點左移，所以與碳含量相同的碳鋼相比，亞共析成分的結構鋼含碳量更接近于共析成分，組織中珠光體的數量，增加了合金鋼的強度。

3 合金元素對鋼工藝性能的影響

3.1 合金元素對熱處理的影響

首先，對奧氏體化的影響。在加熱過程中，在進行合金鋼的處理過程中，合金元素可以適當的增加溫度與延長保溫時間。合金鋼種的合金滲碳體，合金碳化物穩定性高，于奧氏體不易融合。即使融入，擴散也相當的緩慢，所以合金鋼的奧氏體花速度要慢于碳鋼，為加速奧氏體化，要求將合金鋼（錳鋼除外）加熱到較高的溫度和保溫較長的時間。除了Mn外，所有的合金元素都具有阻礙奧氏體晶粒長大的效果，尤其是Ti、V等強碳化物形成的合金碳化物穩定性高，殘存在奧氏體晶界上，顯著地阻礙奧氏體晶粒長大。因此奧氏體化的晶粒一般比碳鋼細。

其次，影響奧氏體轉變。合金鋼的淬透性更佳，降低淬火冷速，減小淬火變形，但是殘余奧氏體增多。除Co外，所有溶于奧氏體中的合金元素，都會增加過冷奧氏體的穩定性，使C曲線右移，馬氏體臨界冷卻速度減小，淬透性提高。這使合金鋼運用較小的冷卻速度就可以淬成馬氏體組織，減小淬火變形。所以在制作大尺寸、形狀復雜或者精度較高的零件多采用合金鋼來制作。除Co、Al外，大多數合金元素都使M點降低，使合金鋼淬火后的殘余奧氏體量比碳鋼多，這將對零件的淬火質量會產生不利影響。

最后，影響回火轉變合金鋼具有較好的耐火性，回火后強韌性配合較好，一些鋼可以產生“二次硬化”。在進行回火的時候馬氏體不容易被分解，抗軟化能力較好，增加了鋼的耐回火性，回火后有較好的強韌性配合。合金嚴肅可以提高馬氏體分解溫度，對于含有較多Cr、Mo、W、V等強碳化物形成元素的鋼，當加熱到500～600℃回火時，直接由馬氏體中析出合金碳化物，這些碳化物顆粒細小，分布彌散，使鋼的硬度不僅不降低，反而升高這種現象稱為“二次硬化”。但是有部分合金鋼要避免“回火脆性”的出現。

3.2 影響焊接的性能。在焊接淬透性較好的合金鋼過程中，在接頭的位置常常會出現淬硬組織，使該處的脆性加大，導致焊接裂紋的出現；焊接時合金元素容易被形成的氧化物夾雜，使焊接的質量下降。例如在不銹鋼焊接的過程中，非常容易夾雜Cr2O3，會影響焊縫的質量，同時鉻的損失，不銹鋼的耐腐蝕性也會降低，因此高合金鋼最好采用保護作用好的氬弧焊。

3.3 影響鍛造性能。在合金元素溶入奧氏體后，變形抗力增加，塑形變形的難度增加，合金鋼鍛造需要施加更大壓力的噸位。同時，合金元素使鋼的導熱性降低，脆性增加，加大了合金鋼鍛造時遇鍛后冷卻中出現的變形、開裂傾向，所以在合金鋼鍛后要控制鍛溫度與冷卻速度。

結語

從上文的分析中我們看到，作為現代生產的主要原料，不銹鋼是不可替代的，在合成不銹鋼的過程中，化學元素重要性無可取代，作為生產部門，要善于利用不同的化學元素作用，提高合金鋼的質量，促進我國不銹鋼產業的發展。

[1]呂麗平，劉偉，韓軍雷，王潤嬌，趙會美.化學成分對亞穩態奧氏體不銹鋼車體板材均勻變形及加工硬化行為的影響[J].鐵道學報.2009(06).

[2]歐陽維真.1Cr18Ni9Ti不銹鋼中形變誘發α′馬氏體相的組織特征[J].桂林航天工業高等專科學校學報.2002(01).

[3]劉偉，何俊，周立濤，李國平，陸培德.冷軋奧氏體不銹鋼的應變硬化行為及其焊接性能[J].鐵道學報.2007(05).