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在實際使用的鋼中,除了含有Fe、C與合金元素外,在冶煉過程中不可避免地要帶入一些雜質(zhì),如Mn、Si、S、P等元素以及N₂、H₂、O₂等少量氣體。這些雜質(zhì)對鋼的質(zhì)量有很大影響。
1.錳的影響
Mn是煉鋼時由生鐵和錳鐵脫氧劑帶入鋼中的。Mn有很強(qiáng)的脫氧能力,能清除鋼中的FeO,降低鋼的脆性。Mn還能與S化合成MnS,減輕 S的有害作用,改善鋼的熱加工性能。在室溫下,Mn大部分溶于鐵素體中,形成置換固溶體(含錳鐵素體),對鋼有一定的強(qiáng)化作用。因此,一般認(rèn)為適量Mn是一種有益元素。在鋼中作為雜質(zhì)元素時,Mn的質(zhì)量分?jǐn)?shù)應(yīng)小于0.8%。
2.硅的影響
Si也是來源于生鐵和脫氧劑。Si的脫氧能力比Mn強(qiáng),可以有效地消除FeO,改善鋼的品質(zhì)。在室溫下,大部分Si溶于鐵素體中,使鐵素體強(qiáng)化,從而提高鋼的強(qiáng)度。適量Si也是有益元素。Si作為雜質(zhì)元素時,Si的質(zhì)量分?jǐn)?shù)應(yīng)小于0.4%。當(dāng)含Si量不多時,對鋼的性能形響不顯著。
3.硫的影響
S是由生鐵和燃料帶進(jìn)鋼中的。在固態(tài)下,S不溶于Fe,而以FeS的形式存在。FeS與Fe能形成低熔點的共晶體(Fe+FeS),熔點為985℃,且分布在晶界上,當(dāng)鋼材在1000~1200℃進(jìn)行熱加工時,共晶體熔化,使鋼材變脆,這種現(xiàn)象稱為熱脆性。為消除這種熱脆性,在煉鋼時可加人Mn。由于Mn 與S能形成熔點為1620℃的MnS,MnS在高溫時有一定的塑性,從面避免了熱脆性。但MnS作為一種非金屬夾雜物,在軋制時會形成熱加工纖維,使鋼的性能具有方向性。因此,通常情況下S是有害雜質(zhì)元素,應(yīng)根據(jù)鋼的質(zhì)量要求嚴(yán)格控制其含量,在我國S的質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在0.065%以下。
含硫較多的鋼中形成較多的MnS,在切削加工過程中MnS能起斷屑作用,故可改善鋼的切削加工性能,這是S有利的一面。
4.磷的影響
P主要來源于生鐵。一般情況下,P在鋼中能全部溶于鐵素體,提高了鐵素體的強(qiáng)度、硬度。但在室溫下卻使鋼的塑性和韌度急劇降低、變脆,尤其在低溫時更為嚴(yán)重,這種現(xiàn)象稱為冷脆性。通常希望脆性轉(zhuǎn)變溫度低于工件的工作溫度,以免發(fā)生冷脆,而P使脆性轉(zhuǎn)變溫度升高?梢奝是一種有害的雜質(zhì)元素,鋼中含磷量要嚴(yán)格控制。通常,P的質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在0.045%以下,高級優(yōu)質(zhì)鋼則控制在0.035%以下或更低。
5.氮、氫、氧的影響
N₂、H₂、O₂存在于鋼中,將嚴(yán)重影響的性能,降低鋼材質(zhì)量。
N在鐵素體中的溶解度很小,并隨溫度下降而減小。因此,N的逸出會使鋼產(chǎn)生時效而變脆。一般可在煉鋼時采用Al和Ti脫N,使N形成AlN₂和TiN₂,以減少N存在于鐵素體中的數(shù)里,從面減輕鋼的時效傾向,這種方法稱為“固氮”處理。
H在鋼中既不溶于鐵素體,也不生成化合物,它是以原子狀態(tài)或分子狀態(tài)出現(xiàn)。微量的H能使鋼的塑性急劇下降,出現(xiàn)所謂的“氮脆”現(xiàn)象。若以分子狀態(tài)出現(xiàn),則會造成局部的顯微裂紋,斷裂后在顯徽鏡下可觀察到白色圓痕,這就是所謂的“白點”。它有可能使鋼突然斷裂,造成安全事故。在煉鋼時進(jìn)行真空處理是減少含氮量的有效方法。
O通常以FeO、MnO、SiO₂、Al₂O₃等氧化物夾雜的形式存在鋼中而成為微裂紋的根源,降低了疲勞強(qiáng)度,對鋼的性能產(chǎn)生不良影響。
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