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Mo,Al,Cu,W对钢铁性能的影响
时间:2017-03-02 16:14 点击:
MO元素
Al元素
Cu元素
W元素
1、可明显的提高钢的淬透性和热强性，防止回火脆性，提高剩磁和娇顽力；
2、钼能使钢的晶粒细化，提高淬透性和热强性能，在高温时保持足够的强度和抗蠕变能力(长期在高温下受到应力，发生变形，称蠕变)。结构钢中加入钼，能提高机械性能。 还可以抑制合金钢由于火而引起的脆性。在工具钢中可提高红性。
3、钼可增加钢之最大强度及硬度，因此在合金钢中也颇为重要。
a．能改善钢在高温之抗拉及潜变强度。
b．在工作红热情况下，能使钢之硬度保持不变。
c．高速工具钢含钼，可予以较佳之切割性能。
d．合金钢中加入钼可去除回火脆性。
4、提高钢的淬透性，含量0.5％时，能降低回火脆性，有二次硬化作用。提高热强性和蠕变强度，含量2％～3％
时，提高抗有机酸及还原性介质腐蚀能力；
5、钼的良好作用是：
1）细化晶粒的作用比W更强，所以可降低钢的过热倾向性，提高强度、硬度、热稳定性。
2）Mo在钢中会使锻件σb、σs、HB↑，而使δ、ψ、αk↓。提高M体回火稳定性，与Cr、Ni结合可大大提高淬透性，
可细化晶粒，提高韧性，使锻造加工容易。
3）降低回火脆性，对某些结构钢可消灭回火脆性（如24CrMoV5），所以可提高强度而塑性并不降低，钼可提高
钢的冲击韧性。①又一说是合金元素（包括Mo在内）均只有抑制回火脆性的作用而不能达到消除回火脆性。
Mo的影响是：含量达0.2%即有良好作用。所以普通合金结构钢含Mo0.25～0.4%对放置回火脆性温度范围550～600℃长期
工作的钢才规定含Mo为0.5～0.6%，当含Mo量超过一定值时（对低碳钢此限为1.0%），则反而会使高温回火水冷钢变脆。Mo钢长时间回火易变脆。②当含P和Mo较高时，即使有Mo或W等也仍不能避免回火脆性产生。③附带说说
降低回火脆性的方法（见上段）。
4）提高钢的的矫顽力，改善磁性。
5）其碳化物也很稳定，它并阻止其它碳化物析出。高温也很难向固溶体转移。
6）钼可代钨（因为原子量成半关系，所以可用1%Mo代替2%W）。
7）同样Mo亦可提高奥氏体稳定性而用于阀门钢。
8）可提高Cr、Ni不锈钢的抗晶间腐蚀能力。
9）在某些还原性介质中易使耐酸不锈钢钝化，从而提高耐腐蚀能力。（如亚硫酸、沸磷酸及醋酸、草酸、蚁酸等）。
10）可提高珠光体耐热钢的热强性，并可单一加进耐热钢，其量约0.5～1%（并独作合金元素时会使钢有石墨化
倾向）。
6、钼的不良影响：
1）有挥发性，在加热时，会生成褐色烟气（氧化钼）发生蒸发。
2）促进脱碳，所以为防止脱碳其淬火温度应较一般降低10～20℃，阻碍石墨化。
3）Mo是铁素体形成元素，所以为了得到奥氏体，应相应多加Ni、Mn等奥氏体形成元素。否则当Mo含量较多时就易出现铁素体δ相或其它脆性相而使韧性降低。
4）Mo降低钢导热率的作用同W，但Mo可防止过热。
5）Mo钢比碳钢变形抗力高。
7、一般合金钢中的钼含量：
合金结构钢和工具钢：Mo=0.15～0.30% （例5CrNiMo、35CrMo、40CrMnMo、
38CrMoAlA等）
不锈耐酸钢：Mo =1～2.6% （如Cr17Mo2Ti、Cr25MoTi、Cr18Ni18Mo2Cu2Ti等）
耐热不起皮钢：Mo =0.4～1%（16Mo、20CrMo、Cr5Mo、25Cr2Mo1VA、15Cr11MoV等）
航空用高温合金：Mo =0.35～7% （如901合金=Cr12Ni43Mo6Ti3BMo2Ti）
Al元素
1、能细化钢的晶粒组织，阻抑低碳钢的时效．提高钢在低温下的韧性，还能提高钢的抗氧化性，提高钢的耐磨性和疲劳强度等．
2、铝是钢中常用的脱氧剂。钢中加入少量的铝，可细化晶粒，提高冲击韧性，如作深冲薄板的08Al钢。铝还具有抗氧化性和抗腐蚀性能，铝与铬、硅合用，可显著提高钢的高温不起皮性
能和耐高温腐蚀的能力。铝的缺点是影响钢的热加工性能、焊接性能和切削加工性能。
（1）用作炼钢时的脱氧定氮剂，细化晶粒，抑制低碳钢的时效，改善钢在低温时的韧性，特别是降低了钢的脆性转变温度；
（2）提高钢的抗氧化性能。曾对铁铝合金的抗氧化性进行了较多的研究；4％AI即可改变氧化
皮的结构，加入6％A1可使钢在980C以下具有抗氧化性。当铝和铬配合并用时，其抗氧化性能
有更大的提高。例如，含铁50％一55％、铬30％一35％、铝10％一15％的合金，在1400C高温
时，仍具有相当好的抗氧化性。由于铝的这一作用，近年来，常把铝作为合金元素加入耐热钢
中。
（3）此外，铝还能提高对硫化氢和V2O5，的抗腐蚀性。
缺点：①脱氧时如用铝量过多，将促进钢的石墨化倾向。②当含铝较高时．其高温强度和韧性
较低。
3、a．极易与氧结合形成氧化铝，是一种强脱氧剂。
b．能抑制晶粒成长。
c．是氮化用钢的重要元素。
4、主要作用为细化晶粒和脱氧，在渗氮钢中能促成渗氮层，含量高时，能提高高温抗氧化性，
耐H2s气体的腐蚀作用，固溶强化作用大，提高耐热合金的热强性，有促使石墨化倾向；
、Al当钢中其含量小于3～5%时，是一是：高的抗氧化性和电阻。
①作为强烈脱氧剂加进的Al，可生成高度细碎的、超显微有益的元素。其作用的氧化物，分散于钢体
积中。因而可阻止钢加热时的晶粒长大（含Al＜10%，在加热＜1200℃才有细化作用，否则其作用甚
小）和改善钢的淬透性。所以这些氧化物成为结晶的中心，而在钢冷却时又对A体分解起促进作用。
作为合金元素，有助于钢的氮化，因而可提高钢的热稳定性。所以AlN本身在加热时具有高稳定性，
①与②都有利于减弱钢的过热倾向。
③可改善钢的抗氧化性，考虑②和③，
④能提高钢的电阻，与Cr共同用于制造高电阻铬铝合金：如Cr13Al4、1Cr17Al5、1Cr25Al5。Al使电阻
增高的程度比CCr还高的多。在CCr钢中加Al，会粗晶易脆，所以其量一般不超过5%，个别才有8～9%。
⑤对硅钢而言，Al可减少α铁心损失，降低磁感强度，与氧结合可减弱磁时效现象，但Al的氧化物会
使磁性变坏。Al（＞0.5%）也会使硅钢变脆。
6、Al的不良影响
①促进钢的石墨化，减少合金相中的碳溶浓度，所以硬度、强度降低。
②加速脱碳
当Al含量增加至3～5%时，8～9%将会大大地促进钢锭的柱状结晶过程。因此而大大增加钢的机械
热加工的困难，也使钢极易脱碳。（其热加工之所以困难是因为该合金钢锭具有粗晶结构，且其晶体
的解理极弱，所以导热性低，加热时容易出现大的温度差而锻裂，甚至钢锭的去皮加工都会使其晶界
氧化而破坏。此外，它在800℃以上的高温长时间停置也极易变脆。
一般合金钢中含Al量：
合金结构钢： Al=0.4～1.1% (38CrAlA、38CrMoAlA、38CrWVAlA等)
耐热不起皮钢：Al=1.1～4.5% (Cr13SiAl、Cr24Al2Si、Cr17Al4Si等)
电热合金： Al=3.5～6.5% (Cr13Al4、1Cr17Al5、Cr8Al5、0Cr17Al5等)
甚至Al=8% Cr7Al7：考虑电热合金受荷不大，虽有脆性，仍可使用。
Cu元素
1、它的突出作用是改善普通低合金钢的抗大气腐蚀性能，特别是和磷配合使用时更为明显；
2、铜能提高强度和韧性，特别是大气腐蚀性能。缺点是在热加工时容易产生热脆，铜含量超过0.5%塑性显著降低。当铜含量小于0.50%对焊接性无影响；
3、合金钢中铜之含量不可以超过1.5%，否则会使钢变脆，此外
a．铜在钢中有抵抗大气腐蚀之性能。低碳钢内含铜1%，其抵抗大气腐蚀性约较不含铜者高出四倍。在不锈钢中加铜 3‐4%，亦有助不锈钢之防蚀作用。
b．可以增加钢的强度，但不宜超过0.2%。
4、 含量低时，作用和镍相似，含量较高时，对热变形加工不利，如超过O．30％时，在热变形加工时导致高温铜脆现象，含量高于O．75％时，经固溶处理和时效后可产生时效强化作用。在低碳合金钢中，特别是与磷同时存在，
可提高钢的抗大气腐蚀性，2％一3％的铜在不锈钢中可提高对硫酸、磷酸及盐酸等的抗腐蚀性及对应力腐蚀的稳定性
5、铜的有益作用：
1）能提高钢中奥氏体的稳定性，所以可提高可淬性和淬透性，在A体钢中加2～4%Cu，可提高抗酸力。
2）有强化铁素体的作用，在铁素体中加Cu，可提高它在某些还原性介质中的耐蚀性和改善钢的韧性。
3）在低合金钢中加入0.20%左右的Cu，特别当和P联合使用时，可提高钢对大气的抗蚀力，当含Cu量超过0.75%时，
可以经过沉淀硬化处理提高钢强度。
4）Cu是一种强烈的石墨化元素，用于炼制石墨钢。（Cu钢的时效硬化是因为Cu在α铁中的溶解度变化很大，在
830℃时达3.5%，到20℃则降至0.35%，所以含Cu>0.35%者可促进时效硬化。）
6、铜的不良影响是：
1）含Cu量较高时将导致钢具热脆性，而使热锻轧加工困难。
2）含Cu过多会使矫顽力和磁滞损失增加，于磁钢不利。
3）“铜脆”——在钢的缺陷一文中指出当Cu>0.2%时，加热过程由于表面发生选择性氧化，使Fe先Cu而发生氧化，而
表层Cu含量即相对增加形成一层薄膜，然后向扩散形成含Cu网络，在1030℃即容易锻裂。适量加Ni可生成熔点较高
的Cu‐Ni固溶体，可降低“铜脆”。
综合来说，含Cu＜0.7%会溶于α‐Fe中，促使碳不氧化，对磁性无大影响。含Cu=0.5%时，防锈能力可提高15倍；含
Cu＞0.7%时将出现不均匀混合物，而使矫顽力和磁滞损失增加，并使铜变脆。
（3）一般合金钢中含铜量：1）硅钢：含Cu=0.2～0.3%
2）轴承钢：含Cu≤0.25%,且Cu+Ni≤0.50%，因为Cu会引起时效硬化而影响轴承精度，Ni会降低淬火层硬度。
3）低合金钢：Cu≤0.2%（对低合金高强度钢，合金元素含量一般地都限制在≯0.2%范畴）。
4）不锈钢：含Cu=2～4%（Cr18Ni9Cu3Ti等）。5）石墨钢：含Cu=0.6%
W元素
1、能提高钢的红硬性和热强性，并能提高钢的耐磨性；
2、钨熔点高，比重大，是贵生的合金元素。钨与碳形成碳化钨有很高的硬度和耐磨性。在工具钢加
钨，可显著提高红硬性和热强性，作切削工具及锻模具用；
3、钨能耐高温，而且溶於钢中会与碳形成碳化物称为碳化钨，能提高钢的强度。此外，
a．钨可以提高钢之淬火温度。
b．加强钢之断面组织细微化，抵抗回火软化。
c．可以降低淬火时钢之晶粒生长之趋势。
d．钨钢刀具有红热硬度。
e．可增加钢之保磁性，故可配入钢中而制造永久磁钢。
4、有二次硬化作用，使钢具有红硬性，提高耐磨性，对钢的淬透性、回火稳定性、力学性能及热强
性的影响均与钼相似，稍微降低钢的抗氧化性；
5、W的良好作用是：
1）细化晶粒，（其作用比Cr还强，所以可降低钢的过热倾向性，提高强度、韧性和热稳定性。
2）提高M体稳定性，大大提高淬透性，18CrNiWN任何冷却速度都能完全淬透，得M体，用W18%与
Cr4%配合，M体稳定性可达600℃，保持红硬性。
3）阻止回火脆性发展，所以可提高强度同时不降低塑性，提高韧性。
4）提高淬火钢的矫顽磁力，阻止钢的组织时效。
5）其碳化物极其稳定，高温也难溶进固溶体，所以可作高速工具钢。
6）W钢一般硬度、耐磨性较好，热处理变形小，不易淬裂，回火稳定性也较好。
7）W因能提高A体的稳定性，而用于阀门钢中，缩小γ区，同Cr。
8）可提高珠光体耐热钢的热强性，提高再结晶温度。
9）在高合金Cr、Ni钢中加入2～4%W便可提高钢的屈服点，疲劳强度和热稳定性，并因为形成碳化物
而减小晶向腐蚀倾向（Fe3W2和Fe2W都是极稳定的化合物，高度弥散，所以可提高强度、热稳定性。
W元素
6、W的不良影响：
1）增加脱碳（碳化物稳定）阻止石墨化。
2）W是强碳化物元素，应防止碳化物不均影响性能而成废品（可增加镦拔数及正火处理纠正）。
3）含W＞9%时硬度显著提高，而δ、ψ显著降低。
4）W使钢导热率降低，含W＞10%其导热率只有纯铁的0.7倍。
5）含W增加，可锻温度范围降低。
7、一般合金钢中的W的含量：
合金结构钢：W=0.3～1.0% （例20Cr3MoWVA、18Cr3MoWVA等）
耐热不起皮钢：W=0.3～3.2% （上二种为抗氢钢亦属此类，又如Cr15Ni36W3Ti等）
合金工具钢：W=1～18%（CrWMn、W、W2、3Cr2W8V、P9、P18等）
向钢中加入多于20～22%的W，是不合适的。所以超过此值W对钢的性能的改善并没更好的作用，所
以多加是不经济的。
一般提到的降低回火脆性的方法有如下几种：
1）在钢中加入0.3～1.0%的Mo或1～1.5%的W。
2）回火时采用快速冷却，用水冷或油冷。
3）提高回火温度，此法因为使性能（强度）下降，得不到充分发挥，所以少用。
4）延长回火时间，或增加重复高温回火的次数。
5）降低淬火温度，或采用二次淬火①AC3以上正常淬火②AC1～AC3之间不完全淬火以消除回火脆性。
6）在钢中加入V（约是钼含量%+0.1%可等效），以提高钢的回火稳定性，抑制回火脆性，不过此作
用甚微。
7）采用形变热处理，即加热至AC3以上进行形变（变形度15～20%最佳）后立即淬火回火，韧性提高
3倍。
8）高速度（1000℃/秒）加热和冷却，最后二种方法因为生产上很难实现而未被采用。
注：常说的回火脆性是第二类回火脆性（即450～570℃可650～700℃出现的），而第一类回火脆性
（250～400℃），所有钢都不可避免的存在，而可用重复回火即能消除，故多不再讨论。