硫元素对不锈钢性能的影响及合金元素的特定作用

我们知道，硫的添加可以改善机械加工性能。

比如一个很小的螺丝M0.6x0.15x1，用304或316不锈钢很难加工，但添加硫元素就会有助于加工。正是因为添加了硫元素，才比304不锈钢更容易加工。

但是硫在高真空下容易脱气，所以303不锈钢不需要高真空，但是304可以，其他高蒸气压元素还有锌、镉、硫、磷，它们在常温下是固态，但是在高真空下就变成气态。

合金元素、热处理和杂质的综合作用决定了特定钢的性能。

那么，不同合金元素对不锈钢性能具体有哪些影响呢？

今天我们就来聊聊这个话题。

铁（Fe）

铁是钢中最重要的元素，约占钢的95%。含铁量低于95%的钢不属于“结构”钢。

碳（C）

尽管碳通常不被认为是合金元素，但它是钢中最重要的成分。

铁本身的机械性能较差，但当与不同数量的碳合金化时，会产生各种硬度和强度。如果碳含量增加，钢的延展性、可锻性和可加工性以及可焊性都会降低。添加碳会使钢更硬、更坚固，但更脆。

金属在热处理时，碳和铁形成硬度。碳还与铁、铬、钒、钼和钨结合形成非常坚硬的碳化物颗粒，有助于提高耐磨性。但是，加入的碳量是有限的。对于奥氏体不锈钢，加入过多的碳会促进敏化，敏化是铬碳化物在晶界处析出，消耗相邻区域的铬。这使不锈钢易受腐蚀，严重降低韧性和耐腐蚀性。在马氏体钢中，硬度和强度的增加通常伴随着韧性的降低。在马氏体和马氏体-奥氏体钢中，碳会增加硬度和强度。

铬（Cr）

铬是不锈钢中最重要的合金元素。正是这种元素赋予了不锈钢基本性能，因为表面的铬会与氧气发生反应，形成一层保护金属免受腐蚀的保护层。

所有不锈钢都至少含有 10.5% 的铬，耐腐蚀性随铬含量的增加而提高。不锈钢可能含有超过 12% 的铬。众所周知的不锈钢含有 8% 的镍和 18% 的铬。

铬还能提高高温下的抗氧化性能，铬对钢具有铁素体稳定作用。铬与碳结合形成铬碳化物，可提高耐磨性。它可提高抗拉强度和耐热性，但会降低钢的

铬经常与镍和铬钢组合使用。铬钢用于制造滚珠、滚子和滚道。含镍3.25%、铬1.5%、碳0.25%的镍铬钢广泛用于装甲板。铬镍钢还广泛用于要求强度和硬度较高的汽车曲轴、车轴和齿轮。

镍（Ni）

不锈钢中添加镍是为了在室温和低温下形成或保持微观结构。稳定奥氏体微观结构所需的最低镍含量约为 8% 至 9%。

镍通常可提高延展性和韧性。它还可降低活性状态下的腐蚀速度，因此在酸性环境中具有优势。在钢中添加镍还可提高淬硬性。

此外，镍还用于形成金属间化合物，从而提高强度和硬度，而不会牺牲延展性和韧性。当适量添加到高铬（不锈钢）钢中时，它还可以提高高温下的耐腐蚀性和抗氧化能力。此外，镍的添加与碳的减少相结合可以改善焊接性。

镍通过提高断裂韧性来增强材料的低温性能。该元素的存在不会降低钢的可焊性，而且大大提高了钢的缺口韧性。

钢中含有2%至5%的镍和0.1%至0.5%的碳，以提高钢的强度和韧性。含镍25%的合金具有最大的韧性，并且具有最大的抗锈蚀、腐蚀和抗燃烧性能。事实证明，它对制造锅炉管、过热蒸汽阀和IC阀有益。镍含量为36%的钢合金称为因瓦合金。其膨胀系数几乎为零，常用于光学测量仪器支架。

钼（Mo）

这种元素是一种强碳化物形成元素，通常存在于合金钢中，含量低于 1%。极少量的钼（0.15 至 0.30%）通常与铬和锰（0.5 至 0.8%）一起使用，以制造钼钢。

当不锈钢在 400-550°C 左右的温度下使用时，其韧性会显著下降，这种现象称为温度脆化。添加钼是为了保持不锈钢的高温韧性，当钢被加热到高温时，钼可作为晶粒生长抑制剂。钼钢具有硬度、耐磨性、耐热性和超强抗拉强度，用于飞机机身和汽车零部件。

由于钼的性能与钨十分相似，出于经济原因，钼经常被大量用来替代某些高速工具钢中的钨，提供良好的淬硬性，并增加其碳化物以增加耐磨性。对于铬镍奥氏体钢，它可以防止氯化物和硫化物引起的腐蚀。

钼显著提高抗腐蚀能力。它在一定程度上提高机械强度，并强烈促进铁素体微观结构。然而，钼也会增加铁素体钢、双相钢和奥氏体钢中第一相的形成。双相的风险。在马氏体钢中，由于其对碳化物沉淀的影响，它会在较高温度下增加硬度。

铜（Cu）

铜是另一种主要的耐腐蚀元素。铜可增强在某些酸中的耐腐蚀性，并促进奥氏体微观结构。铜还能还原，从而改善可加工性。它对淬硬性的影响很小。在沉淀硬化钢中，铜用于形成金属间化合物，从而提高强度。

锰（Mn）

锰可能是钢中仅次于碳的第二重要元素。钢中通常至少含有 0.30% 的锰，但有些碳钢中锰含量高达 1.5%。锰的作用与碳相似，钢铁生产商将这两种元素结合起来使用以获得所需的材料性能。

锰含量大于1.5%、碳含量为0.40%～0.55%的锰合金钢，广泛用于制造要求强度高、延展性好的齿轮、车轴、轴类等零件，锰钢主要用于受严重磨损的机械零件，这些钢都是铸造和磨削而成。

同时锰是脱氧剂和脱气剂，与硫发生反应，提高可锻性。锰与氧和硫结合，成为钢的热轧过程中必不可少的元素。它的存在主要有以下作用：它是一种温和的脱氧剂，并充当清洁剂，将熔体中的硫和氧带入炉渣。它增加了淬硬力和抗拉强度，但降低了延展性。它与硫结合形成球状硫化物。锰，对于易切削钢的可加工性是必不可少的。

锰还能增加渗碳时的碳渗透性，但碳含量过高，锰含量过高，都会产生脆化现象，同时它能抵抗硫的脆性，对碳钢是有利的。

出于焊接目的，锰与硫的比例应至少为 10:1。锰含量低于 0.30% 可能会导致焊缝内部产生孔隙和开裂，而含量高于 0.80% 也可能导致开裂。硫化锰含量低的钢中可能含有硫化铁 (FeS) 形式的硫，这会导致焊缝开裂。锰与硫反应形成硫化锰，从而阻止形成更不稳定的化合物硫化亚铁。

锰通常用于不锈钢以提高热延展性。锰对铁素体和奥氏体平衡的影响随温度而变化：在低温下，锰是奥氏体稳定剂，但在高温下，它使铁素体稳定。锰增加了铁素体的溶解度。

锰与氮一起添加，以减少维持奥氏体微观结构所需的镍量。用锰和氮代替镍可减少镍价波动的影响并降低其成本。与镍一样，锰也是奥氏体形成元素，可用作 AISI 200 系列奥氏体不锈钢中的镍替代品。

硅（Si）

硅可提高强氧化溶液中的抗氧化性，无论是在高温还是低温下。它促进铁素体微观结构并提高强度。硅是钢中的脱氧剂，有助于去除氧气泡，并以少量残留物的形式存在于合金中。

少量硅的存在可提高不锈钢的强度。如果硅的含量较高，则在高温下容易形成金属间化合物，导致不锈钢脆化。

由于硅在钢铁生产过程中用作脱氧剂，因此它几乎存在于所有等级的钢中。硅是半镇静钢和全镇静钢生产中最常用的元素，通常含量低于 0.40。当用作脱氧剂时，轧制钢中通常仅存在少量（0.20%）。然而，在钢铸件中，通常存在 0.35 至 1.00%。

就目的而言，钢中含硅量超过0.04%将极大地影响锌涂层的厚度和外观。

硅可改善和降低钢的可焊性和可锻性。硅通过形成SiO2来保护钢中的氧气。

硅钢性能与镍钢相似，与普通碳钢相比，硅钢具有较高的弹性极限，含硅量为1%-2%，碳含量为0.1%-0.4%，并含有其他合金元素，可用于制造集成电路、发动机中的阀门、弹簧、耐腐蚀材料等。

氮（N）

氮是一种非常强的奥氏体形成元素，比镍、锰甚至碳都更有效。

氮合金产生与碳类似的效果，但还有一个额外的好处，那就是氮不太可能与铬发生反应，因此可以增加其含量，以提高不锈钢的强度，同时降低对敏化的敏感性，从而提高其

氮的存在提高了耐腐蚀性能，因为氮不易形成铬氮化物，而碳不易形成铬碳化物。由于氮在形成氮化物时反应性较低，因此可以在不增加碳化物尺寸和体积的情况下增加硬度，例如山特维克14C28N钢。

当氮与钼形成合金时，会提高不锈钢的抗点蚀能力。在铁素体不锈钢中，氮会严重降低韧性和耐腐蚀性。在马氏体钢中，氮会增加硬度和强度，但会降低韧性。

钛（Ti）

它是一种强烈的铁素体形成剂和碳化物形成剂，因此它可以从两个方面降低有效碳含量并促进铁素体组织。

在碳含量增加的奥氏体钢中添加钛可提高抗晶间腐蚀性能，同时还可改善高温下的机械性能。在铁素体不锈钢中添加钛可提高韧性、成形性和耐腐蚀性。在马氏体钢中，钛与碳结合可降低马氏体的硬度，并提高抗回火性能。

钛是一种稳定剂，添加到标准或纯316不锈钢中以形成316Ti变体。钛是比铬更强的碳化物形成元素。在高温下，铬倾向于与碳发生反应并在晶界处析出，当钛含量为0.25-0.60％时，碳与钛结合，使铬保持在晶界并抵抗氧化。在不锈钢316Ti中，钛与碳而不是铬发生反应。这保持了奥氏体中的铬含量，从而确保了316Ti的高温稳定性得到改善。通过减少沉淀物的形成，可以提高晶间腐蚀抗力。钛用于控制晶粒尺寸的增长，从而提高韧性。钛还可以将硫化物夹杂从细长形状转变为球形。，从而提高强度和耐腐蚀性以及韧性和延展性。

铌（Nb）

铌是钢铁生产中的关键晶粒细化元素和强度增强元素。它的优点是通过形成硬质碳化物来稳定碳，通常存在于高温钢中。少量的铌可以显著提高钢的屈服强度，在较小程度上提高钢的抗拉强度，并具有中等的沉淀强化作用。

铌既是强铁素体，又是碳化物形成元素。与钛一样，它促进铁素体结构的形成。在奥氏体钢中添加铌可改善高温下的机械性能。在不锈钢中，有时会添加铌和/或钛来提高韧性并提高抗敏化性，从而最大限度地降低晶间腐蚀的风险。在马氏体钢中，铌可降低硬度并提高抗回火性。在美国，铌也被称为铌 (Cb)。钛具有更好的稳定性，而铌可确保出色的焊接强度和抗蠕变性。

铝（AI）

铝是一种脱氧剂和脱气剂。它能延缓晶粒生长，并用于控制奥氏体晶粒大小。在氮化钢中，当使用量为 1.00%-1.25% 时，它有助于产生均匀、坚硬且坚固的氮化层。

如果大量添加铝，可以提高抗氧化性。某些耐热钢种使用铝就是为了达到这个目的。铝用于形成金属间化合物，从而提高一定条件下的强度。

钴（Co）

钴用作马氏体钢中的合金元素，以提高硬度和抗回火性，尤其是在较高温度下。钴不是碳化物形成剂，但将其添加到合金中可实现更高的硬度和更高的红热硬度。

当钴加入钢中时，它会细化石墨和珠光体，并充当晶粒细化剂。钴和钨一样，只添加到高速工具钢中。然而，大量添加钴会提高临界淬火温度，并可能增加表面脱碳并降低韧性。

钒（V）

钒与钛和铌一样，能产生稳定的碳化物，提高高温下的强度。通过促进细晶粒结构，可保持延展性。

钒有助于细化碳化物组织，从而提高工具钢的可锻性。此外，钒表现出强烈的形成硬质碳化物（如VC和V2C）的倾向，这增加了工具钢的硬度和耐磨性。但是，过多的钒碳化物会使工具钢的磨削变得极其困难，导致可磨削性低。

钒在较低温度下形成碳化物和氮化物，促进组织中铁素体形成，提高韧性。当含量大于0.05%时，钢在热应力消除处理时可能容易变脆。

钒与其他合金元素一起用于氮化钢、耐热钢、工具和弹簧钢、轴、齿轮、销钉和许多零件。

钨（W）

钨在大多数不锈钢中都作为杂质存在，但一些特殊等级的不锈钢中含有添加剂来提高抗点蚀性能，例如超级双相不锈钢 4501。

钨与铬、钒、钼或锰等配合使用，制成切削刀具用的高速钢，形成坚硬耐磨的碳化钨（如WC、W2C），提高了工具钢的耐磨性。

钨以碳化钨的形式存在，即使在炽热状态下也能赋予钢高硬度。据说钨钢在炽热状态下硬度足以切割。钨钢的主要用途是用于切削工具、模具、阀门、水龙头和永磁体。

硫（S）

硫天然存在于原矿和炉渣中。与硅和磷一样，硫作为生产残留物存在于不锈钢中。高浓度硫会导致硫脆化，对焊接性和高温性能产生不利影响。此外，它还会降低耐腐蚀性，尤其是耐点蚀性。在受控条件下添加硫可以改善不锈钢的可加工性。在这种情况下，锰可用于抵消硫的负面影响。

正如本文开头已经提到的，硫可改善切削加工性，但会降低横向延展性和缺口性，对纵向机械性能影响不大。其在钢中的含量限制在0.05%，但在易切削钢中，硫与锰结合形成硫化锰，后者起断屑作用。硫可改善易切削钢的切削加工性，但如果没有足够的锰，则会导致在红热时发生脆性。

铈（Ce）

铈是稀土元素（REM）之一，某些耐热等级的材料中添加少量铈，以提高抗氧化和高温腐蚀能力。

磷（P）

磷也是碳钢制造过程中的残留物。大量的磷会增加回火脆化的可能性，其危害比硅更大。磷通常与硫一起添加，以改善低合金钢的可加工性。

虽然磷可以提高钢的抗拉强度和机械加工性能，但由于其脆化作用，通常被认为是一种不受欢迎的杂质。磷对钢的影响因浓度不同而不同。

较高等级钢中磷含量上限为0.03%~0.05%。在低合金高强度钢中添加最高0.10%的磷，将提高强度，改善钢的耐腐蚀性能。在淬硬钢中，磷含量过高时，脆化的可能性增大。虽然强度和硬度提高，但延展性和韧性下降。易切削钢的机械加工性得到改善，但磷含量若超过0.04%，焊接时会出现焊缝脆性和/或焊接裂纹。

硼（B）

硼（0.001-0.003%）在钢中最重要的作用和目的是显著提高淬硬性，从而提高变形能力和可加工性。在全镇静钢中，只需要极少量的硼就能产生硬化效果。硼的添加在低碳钢中最有效。

硼含量也可能过高，从而降低淬硬性和韧性，并导致脆化。钢中碳的百分比也会影响硼的淬硬性。随着硼对淬硬性的影响增加，碳含量应相应增加。在钢中添加硼时，必须采取预防措施，确保它不会与氧或氮发生反应，因为硼与其中任何一种结合都会使硼失去作用。

铅（Pb）

铅虽然严格来说不是一种合金元素，但加入它是为了改善机械加工特性，虽然铅实际上不溶于液态或固态钢，但有时在铸造过程中以机械分散的方式加入碳钢中，以提高机械加工性。

锆（Zr）

锆被添加到钢中以改变夹杂物的形状。它通常被添加到低合金、低碳钢中。结果是，当形状从细长形状变为球形时，它提高了韧性和延展性。

钽（Ta）

钽的化学性质与铌 (Nb) 非常相似，因此对合金具有类似的作用：形成非常坚硬、非常小的简单碳化物。提高延展性、硬度、耐磨性和耐腐蚀性。

硒：硒是一种能够改善钢的加工性的营养素。

全面的：

稳定奥氏体：镍、锰、钴和铜等元素增加了奥氏体可以存在的温度范围。

稳定铁素体：铬、钨、钼、钒、铝和硅有助于降低碳在奥氏体中的溶解度，从而导致钢中碳化物数量增加。

碳化物形成：许多稀有金属，包括铬、钨、钼、钛、铌、钽和锆，都会形成坚固的碳化物，从而增加钢的硬度和强度。此类钢通常用于制造高速钢和热作工具钢。

石墨化：硅、镍、钴和铝降低钢中碳化物的稳定性，促进其分解和游离石墨的形成。