铬(Cr)元素对钢材的影响
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铬(Cr):在结构钢和工具钢中,铬能显著提高强度、硬度和耐磨性,但同时降低塑性和韧性。铬又能提高钢的抗氧化性和耐腐蚀性,因而是不锈钢,耐热钢的重要合金元素。


(1)铬的有益作用:具有许多有价值的性能:高硬度、高强度、屈服点、高的耐磨性而对塑性、韧性影响又不大,高的抗氧化性,耐蚀性,还能提高电阻和导磁率等等。

1)Cr是中等碳化物形成元素,在所有各种碳化物中,铬碳化物是最细小的一种,它可均匀地分布在钢体积中,所以具有高的强度、硬度、屈服点和高的耐磨性。由于它能使组织细化而又均分布,所以塑性、韧性也好,这对工具钢尤有价值。

2)Cr的碳化物也较难溶解,在短时间加热下有阻碍晶粒长大作用,长时间渗碳还会粗晶。所以可减小过热敏感效应。

3)Cr可使A 体分解速度减缓,降低淬火时的临界冷却速度,因而有助于M体形成和提高M体的稳定性,所以Cr钢均有优良的淬透性,且淬火变形较小。注意:Cr是铁素体形成元素,缩小γ区,所以在没A体化元素存在时,高Cr钢将呈铁素体组织。

4)Cr与W或Mo结合,能使淬火钢中残余奥氏体增加,而有助于获得需要粉碎程度的碳化物相。

5)Cr能大大提高结构钢的强度和塑性,这种影响在Cr与Ni结合的钢中尤其显著。如12CrNi3N等。

6)Cr≥12%时,有好的耐蚀性,再加8~9%的Ni,耐蚀性更会大大提高。Cr提高耐蚀能力的作用随含碳量增加而会有所降低,因为Cr与C结合后不起作用。

7) Cr≥25~30%时,有好抗氧化性。如Cr=27~28%即可作1300℃的热电偶温度计的防护罩,当Cr与Si、Al结合时,甚至Cr相当少而抗氧化性也很高。如Cr 6~10%+Si 2~3%就有高的耐热性和抗氧性。

8)Cr、Al结合(1Cr17AL5、Cr13AL4等)及Cr、Ni结合(如Cr15Ni60、Cr20Ni80等)均有很高的电阻。

9)Cr能提高钢的矫顽力和阻止钢的组织时效,所以Cr钢用于制造永久磁铁。

10)Cr价较低。

11)因为Cr可形成稳定的碳化物,减缓碳的扩散和生成紧固的氧化皮膜,所以可降低脱碳作用。

12)含Cr>2.5%的多元素合金钢。(18Cr3MoWVA、20Cr3MoWVA等)是良好的抗氢蚀钢。

含Cr<0.08% 这是石墨钢的要求,所以Cr是阻止石墨化的一种元素。

含Cr≯1.2%

低合金高强度钢(一般Mn钢和SiMn钢)

含Cr=0.5~1.65% 作轴承钢(C≈1%)——其合金含量低,价廉,而又具有高强度、高耐磨性、良好的耐疲劳性和淬透性,且热处理也简便。

含Cr=3~10%的钢——Cr对钢强度和韧性的影响是Cr<2%时逐渐增强到2%时,强化作用最为显著。但超过此限则会损害其热强性。3~10%时最为明显,当含Cr>12%时,则强度又复升高。但是当含Cr量增至3%时,由于其马氏体回火稳定性显著增高。所以有较高的硬度和耐磨性而用于模具。当含Cr量增至3%时,其与含C1%的磁性配合也最好。所以又用作磁钢。含Cr4%而与18%W及1%V结合可得到很好的红硬性(620℃ HRC=60),所以广泛用于高速工具钢中,含Cr5%的钢(含C1%)即可空气中淬火。含Cr5~6%及含Cr6~10%且含Si2~3%的矽铬钢,尽管强度不是很高,但亦具有足够的耐热性和抗氧化性而用于气阀中及石油、化学工业(氨合成设备等)。

含Cr=12~14%的钢是最典型的不锈钢(1Cr13~4Cr13)它们都有较高的抗蚀力,强度也不错,面Cr12、Cr12Mo等则是典型的具有高淬透性和高耐磨性的模具钢。(此类多属马氏体钢)

含Cr=16~18%的钢有的只具单相(铁素体),有的双相(M体—铁素体),此类具单相的Cr钢耐蚀力比含Cr=12~14%的钢还高。如Cr17、9Cr18等,如再加8~9%的Ni其耐蚀力又将大大增高。如1Cr18Ni9、1Cr18Ni9Ti等都是典型的不锈钢、耐酸性较好,CrNi钢的缺点是有晶间腐蚀,加Ti、Nb可改善。

含Cr=23~32%的钢具有很好的抗蚀稳定性,极高的抗氧化性,甚至在普通温度下能抵抗浓硝酸、浓磷酸、浓硫酸的浸蚀。含Cr 27~28%的钢可作1300℃的热电偶温度计的防护罩。这类钢是纯铁素体钢,所以不能通过热处理改变其组织及性能。且再结晶温度较低,粗晶作用较强,有高的脆性,所以不能作受振及打击零件。加入Mo、W、V可适当改变性能。减少Cr含量,加Si量可提高其热强度如Cr9Si2、Cr10Si2Mo等。加Ni也成,如Cr20Ni14Si、Cr25Ni20、Cr18Ni25Si、Cr14Mn14W、Cr18Ni6Mn5等等。

Cr不同于Mn、Ni,它是缩小γ区的合金元素。(它同α-Fe都具有体心立方晶格,且自熔点1849℃至绝对0oK,纯铬均为这一晶格不变),所以随含Cr量增加Ac3虽也从910℃开始降低,但其速很慢,而Ac4却从1400℃迅速降低,至含铬达8%时Ac3为850℃已为最低。含Cr再增加,Ac3即迅速上升。当含Cr量达13%时,Ac3与Ac4会合为一点,γ区被封闭,所以含Cr>13%时变为纯铁素体相,不再发生转变,用热处理也不能再改变其晶粒尺寸。——即为铁素体钢。当Cr量继续增加,约在25~60%特别是45~48%区域,当温度低于950℃时(多在820℃)慢冷,将会析出一种无磁性脆性组分——σ相。这些在进行二次加热后将会游离析出,致使得在固溶体中产生巨大体积改变造成颇大应力,故极脆。但在950℃以下急冷时,σ相可由于固溶体内不析出,影响则较小。δ相问题:有人指出,当Cr和C含量搭配时,特别在含左右时,将极易生成游离态的铁素体即δ相,它将使钢的工艺性能和耐热性降低,所以要很好注意在含Cr=0.11%时,含Cr=10.9%可使δ相量减至最少。

Cr对抗腐性的改善上很有利的,但对抗蠕变的影响则较复杂。因为作耐热钢应注意,当含Cr=1%抗蠕变强度最高。含Cr↑则出现,Cr>C3三方晶格,至Cr=7%抗蠕强降至最低点,当含Cr增至12%时,Cr23C6将取代Cr7C3,抗蠕强(耐热性)可有少许提高,添加V、Nb、Ti可得极细弥散相,对抗蠕强(耐热性)改善极为有利。


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