合金元素在锻件机械制造中的作用

假定将具有各不相同的显微组织的钢种进行比较，它们的强度和硬度随含碳量的增加而提高，而韧性和塑性却随含碳量的增加而降低（其加工性、焊接性和切削性也应含碳量的增加而变差）。含碳量对力学性能的影响。随着钢的含碳量增加并达到w(C)最大值约为0.6%,其铁-碳马氏体的硬度也因含碳量的增加而提高。含碳量的增加还会提高其淬硬性。

成品锻件所要求的含碳量决定了炼制得到的钢的型号。沸腾钢含碳量的增加会使其表面质量下降。w（C）约为0.15%-0.30%的镇静钢的表面质量比较差，它要求特殊的工艺才能获得与比上 述含碳最更髙或更低的钢相似的表面质量。碳具有中等的偏析趋势，碳的偏析往往比其他元素的偏析更为显著。

锰。通常所有市场供应的钢材里都含有锰。在钢的冶炼中，锰是很重要的，因为它用于对钢液进行脱碳，并且适合钢的热形变加工以降低其对热脆性的敏感度。锰还能与硫生成硫化锰的细脉，以此可改善钢的切削性能。它有利于强度和硬度的提高，但其程度不如碳，而且提高的量取决于含碳量。锰对提高钢的淬硬性有很大的效果。

锰对于产生宏观偏析的作用小于任何一种常用元素。w（Mn）超过0.60%的钢很难进行沸腾。锰还有益于提高所有各种含碳量的钢的表面质童（除了特别低碳的沸腾钢以外）。

硅。它是炼钢用的主要脱氧剂之一。它在钢中的含量不一定在化学成分的规范中注明，而是取决于产品所规定的脱氧工艺。沸腾钢和压盖钢含有最低限度的硅含量，Si)通常低于0.05%。全镇静 钢为脱氧，一般u;(Si)为0.15%~0.30%,如果还含有其他脱氧剂，则钢中的硅含量可以减少。硅仅有很少的偏析可能。低碳钢里的硅一般不利于表面质量，而且这种情况对于低碳加硫牌号的钢来说，更为明显。

硅能够稍微提高一些铁素体的强度，但不会引起塑性的大幅度下降。较高的含硅量可以增加钢在空气 （温度可高达260℃或500℉）中的抗氧化能力，并且能减少磁滞损失。这类高硅钢锻件一般处理起来较为困难。

铜。它有中等的偏析趋向，达到相当含量则有害于钢的热形变加工工艺。铜对于锻焊有着负面的影响，但还不至于严重影响电弧焊和氧炔焊。作为对表面质量的不利因素，铜会增加加硫钢所原有的表面缺陷。然而当w(Cu)超过0.20%时，会有助于提高其在大气中的耐腐蚀性，超过该含铜量的钢也称之为耐候钢。

铬。将铬加入钢中，通常用于增强耐腐蚀性和耐氧化性、提高淬硬性、改善其高温强度或增强高碳成分钢的耐磨料磨损性。铬是很强的碳化物形成物。复杂的铬-铁碳化物会缓慢地溶入奥氏体里，在锻件淬火之前必须有足够的加热时间。

铬可以作为硬化元素使用，并常与提高韧性的元素，如镍一起使用，以此产生超力学性能。铬能在较高的温度下提髙强度，它一般也能与钼一起使用，而达到同样的目的。

镍。当在结构钢里作为合金元素使用时，它是铁素体的强化剂。由于镍并不在钢里形成任何碳化物类的化合物，而是在铁素体里保持溶解状态，以此增加铁素体相的强度和韧性。镍钢比较容易进行热处理，因为它能降低其临界冷却速率。镍和铬的联合使用可生成比碳素钢所能达到的更高的淬硬性、冲击强度及耐疲劳性。镍合金还具有超级的低温强度和韧性。

钼。钼能增加钢的淬硬性，并且当要把这种淬硬性保持在规定的限度之内时，更显得特别有用。这种元素特别在其含量（质量分数）为0.15%-0.30%时，可以将钢的回火脆性降低到最低限度。含有钼的淬硬钢必须在较高的温度里进行固火，以便获得有相同的软化效果。就把钢的高温抗拉强度和抗蠕变极限所能提高到的程度而言，钼是独一无二的。它延缓麩氏体转变为铁素体的能力远超过它延缓奥氏体转变为贝氏体的能力，于是贝氏体能在含钼钢的连续冷却过程中生成。

钒。它是强的碳化物形成元素之一。它在铁素体里的溶解达到一定裎度就能賦予强度和韧性。钒钢比由相似成分而不含有钒的钢能展现更细的组织。钒在淬火以前溶入奥氏体里还能提高其萍硬性，对回火产生二次淬火的效果，以及提高热硬性。

铌。少量的铌可以提高碳素钢的屈服强度，并以较小的程度提高其抗拉强度。加人w（Nb）为0.20%的铌能够将中碳钢的屈服强度提高70-100MPa(10-15ksi)。在这种强度提高的同时，其缺口冲击靭度会减弱很多，除非在热轧时采取特殊方法以细化其晶粒。热轧过程中的晶粒细化包括特殊的形变热处理技术，如控制轧制工艺、以低温精轧作为最终压制工序，以及轧制完成后的加速冷却。

铝。它被作为脱氧剂广泛应用，用于控制晶粒的大小。当以规定的量加入钢中时，它能控制在重新加热过程中的奥氏体生长。在所有的元素中，铝在淬火之前控制晶粒的大小是最有效的。钛、锆和钒都是有效的晶粒长大抑制剂，但是对于需要进行热处理（淬火和回火）的结构牌号钢，这三种元素会对淬硬性产生负面的影响，因为它们的碳化物十分稳定，故很难在淬火之前溶解到奥氏体里面去。

硼。将其加人完全镇静钢以改善淬硬性。硼处理钢是按w(B)为0.0005%-0.003%的含量范围生产 的。凡要用硼部分代替其他合金元素时都应考虑这样做仅仅是为了淬硬性，因为降低合金含量对一些用途可能是不利的。硼对于含碳讀较低的碳素钢是最有效的。

钛。主要用作脱氧剂，并在完全镇静钢里抑制晶粒的生长。钛可以加人硼钢里，因为它易于稳固地结合钢中的氧和氮，以此在增加钢的淬硬性方面提髙硼的效能。

钨。用于提高硬度并促进晶粒组织的细化，而且具有极佳的耐热性。在髙温下，钨会形成非常硬且稳定的碳化钨。碳化钨有助于防止钢在回火过程中软化。钨广泛应用于高速工具钢里。

锆。它能抑制晶粒的生长并且作为脱氧剂应用于镇静钢里。其主要用途是在高强度低合金钢（HSLA) 中改善其热轧性。溶解了的锆还能稍微提卨其淬硬性。

钙。有时用来对钢进行脱氧。在HSLA中，它有助于控制非金属夹杂物的形状，以此提高韧性。以钙脱氧的钢，一般比用硅或铝脱氧的钢有更好的切削性能。

铅。它有时是在浇铸的过程中通过机械弥散的方式加入碳素钢和合金钢里的，以达到改善钢的切削特性的目的。为此，其加入量（质量分数）一般为0.15%-0.35%。

在浇铸过程中铅并不能溶解入钢里，但能保持非常微小的球状形态，以此提髙韧性和强度。在接近铅熔点的温度下，它会造成液态金属的脆化。

氮。它能增加钢的强度、硬度和切削性，但是会降低塑性和韧性。氮会在铝镇静钢中形成用于控制钢的晶粒大小的氮化铝颗粒，以改善韧性和强度。氮还能减小硼对钢淬硬性的影响。