常用合金元素有哪些？铬在钢中的作用你知道吗？

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在冶炼过程中为了改善和提高钢的某些性能并获得某些特殊性能而有意添加的元素称为合金元素。常用的合金元素有铬、镍、钼、钨、钒、钛、铌、锆、钴、硅、锰、铝、铜、硼、稀土等。磷、硫、氮等也发挥作用。在某些情况下是合金。

(1) 铬（Cr）

铬能增加钢的淬透性并具有二次硬化作用，可提高碳钢的硬度和耐磨性而不使钢变脆。当含量超过12%时，钢具有良好的高温抗氧化性和抗氧化腐蚀性能，同时还增加钢的热强度。铬是不锈钢、耐酸钢、耐热钢的主要合金元素。

铬能提高碳钢在轧制状态下的强度和硬度，并降低伸长率和断面收缩率。当铬含量超过15%时，强度和硬度下降，伸长率和断面收缩率相应增大。含铬钢零件磨削后很容易获得较高的表面加工质量。

铬在调质组织中的主要作用是提高淬透性，使钢在调质后具有较好的综合力学性能。渗碳钢中还可形成含铬碳化物，从而提高材料的表面电阻。磨料。

含铬弹簧钢在热处理时不易脱碳。铬能提高工具钢的耐磨性、硬度和红硬性，并具有良好的回火稳定性。在电热合金中，铬可以提高合金的抗氧化性、电阻和强度。

(2) 镍(Ni)

镍可强化钢中的铁素体并细化珠光体。总体作用是增加强度，对塑性没有明显影响。一般来说，对于不需要调质、在轧制、正火或退火状态下使用的低碳钢，一定的镍含量可以提高钢的强度而不显着降低其韧性。据统计，镍含量每增加1%，强度可提高约29.4Pa。随着镍含量的增加，钢的屈服度的增加速度快于抗拉强度的增加速度，因此含镍钢的比例可以高于普通碳钢的比例。镍在提高钢的强度的同时，对钢的韧性、塑性等工艺性能的损害比其他合金元素要小。对于中碳钢，由于镍降低了珠光体转变温度，使珠光体变薄；并且由于镍降低了共析点的碳含量，因此与相同碳含量的碳钢相比，珠光体数量较多。含镍珠光体铁素体钢的强度高于同碳含量的碳钢。相反，在保持钢的强度不变的情况下，可以适当降低含镍钢的碳含量，从而提高钢的韧性和塑性。镍能提高钢的抗疲劳能力，降低钢对缺口的敏感性。镍降低钢的低温脆性转变温度，对于低温钢具有重要意义。含3.5%镍的钢可在-100℃下使用，而含9%镍的钢可在-196℃下工作。镍不会增加钢的抗蠕变性，因此通常不用作热强化钢的强化元素。

高镍含量的铁镍合金的线膨胀系数随镍含量的增减而变化显着。利用这一特性，可以设计和生产具有极低或一定线膨胀系数的精密合金和双金属材料。

另外，钢中添加镍不仅能耐酸，还能耐碱，并且对大气和盐具有耐腐蚀性。镍是不锈耐酸钢的重要元素之一。

(3)钼(Mo)

钢中钼可提高淬透性和热强度，防止回火脆性，增加剩磁和矫顽力，提高在某些介质中的耐蚀性。

在调质钢中，钼能使截面较大的零件进行深度、彻底的淬火，提高钢的回火抗力或回火稳定性，使零件能在较高温度下回火，从而更有效地消除（或减少）残余应力并提高塑性。

在渗碳钢中，钼除具有上述作用外，还可以降低碳化物在渗碳层晶界上形成连续网状的倾向，减少渗碳层中的残余奥氏体，相对增加表面层。耐磨性。

在锻模刚性方面，钼还可以保持钢材相对稳定的硬度，增加抗变形能力。抗开裂和耐磨。

在不锈耐酸钢中，钼可进一步提高对有机酸（如甲酸、醋酸、草酸等）以及过氧化氢、硫酸、亚硫酸、硫酸盐、酸性染料、漂白剂的耐蚀性特别是钼的添加可以防止因氯离子的存在而引起的点蚀倾向。

含钼1%左右的W12Cr4V4Mo高速钢具有耐磨性、回火硬度和红硬性。

(4) 钨 (W)

钨除了在钢中形成碳化物外，还部分溶解到铁中形成固溶体。其作用与钼相似。按质量分数计算，一般效果不如钼显着。钨在钢中的主要用途是提高回火稳定性、红硬性、热强度以及由于形成碳化物而提高耐磨性。因此主要用于工具钢，如高速钢、热锻模具钢等。

钨在优质弹簧钢中形成难熔碳化物。当在较高温度回火时，可以缓解碳化物的聚集过程，保持较高的高温强度。钨还可以降低钢的过热敏感性，提高淬透性并增加硬度。 65SiMnWA弹簧钢热轧后空冷后具有很高的硬度。截面为50mm2的弹簧钢可油淬，可用作承受大载荷、耐热（不超过350℃）、耐冲击的重要弹簧。 30W4Cr2VA是一种高强度耐热优质弹簧钢，具有较大的淬透性。经1050~1100℃淬火、550~650℃回火后，抗拉强度达到1470~1666Pa。主要用于制造在高温（不超过500℃）条件下使用的弹簧。

由于添加钨可以显着提高钢的耐磨性和切削加工性，因此钨是合金工具钢的主要元素。

(5) 钒(V)

钒与碳、氨、氧有很强的亲和力，并与它们形成相应的稳定化合物。钒在钢中主要以碳化物的形式存在。其主要作用是细化钢的组织和晶粒，降低钢的强度和韧性。高温下固溶时，淬透性增加；反之，当以碳化物形式存在时，淬透性降低。钒增加淬火钢的回火稳定性并产生二次硬化效果。钢中钒含量除高速工具钢外一般不大于0.5%。

钒可以细化普通低碳合金钢中的晶粒，提高正火后的强度、屈强比和低温特性，并改善钢的焊接性能。

在合金结构钢中，钒常与结构钢中的锰、铬、钼、钨等元素结合使用，因为它会降低一般热处理条件下的淬透性。调质钢中的钒主要提高钢的强度和屈强比，细化晶粒，降低过热敏感性。由于它能细化渗碳钢中的晶粒，因此钢渗碳后可直接淬火，无需二次淬火。

弹簧钢和轴承钢中的钒可以提高强度和屈强比，特别是提高比例极限和弹性极限，降低热处理时的脱碳敏感性，从而提高表面质量。五铬含钒轴承钢碳化分散度高，性能良好。

钒可细化工具钢的晶粒，降低过热敏感性，提高回火稳定性和耐磨性，从而延长工具寿命。

(6)钛(Ti)

钛与氮、氧、碳的亲和力较强，与硫的亲和力比铁强。因此，它是一种良好的脱氧脱气剂，也是固氮固碳的有效元素。尽管钛是一种强碳化物形成元素，但它不会与其他元素结合形成复合化合物。碳化钛结合力强、稳定性好、不易分解。在钢中，只有加热到1000℃以上才能缓慢溶解成固溶体。在溶解之前，碳化钛颗粒可以阻止晶粒长大。由于钛与碳的亲和力远大于铬与碳的亲和力，因此不锈钢中常用钛来固定其中的碳，以消除晶界处铬的贫化，从而消除或减轻钢的晶间腐蚀。

钛也是强铁素体形成元素之一，它会强烈提高钢的 A1 和 A3 温度。钛能提高普通低合金钢的塑性和韧性。由于钛固定氮和硫并形成碳化钛，因此提高了钢的强度。正火后晶粒细化，碳化物析出形成，可显着提高钢的塑性和冲击韧性。含钛合金结构钢具有良好的机械性能和工艺性能，但其主要缺点是淬透性稍差。

高铬不锈钢中通常添加碳含量5倍左右的钛，不仅可以提高钢的耐腐蚀性（主要是耐晶间腐蚀）和韧性；还可防止和改善钢在高温下的晶粒长大倾向。钢的焊接性能。

(7)铌/铌(Nb/Cb)

铌、钶常与钽共存，它们在钢中的作用相似。铌和钽部分溶解到固溶体中，起到固溶强化作用。当溶解到奥氏体中时，显着提高钢的淬透性。然而，当以碳化物和氧化物颗粒的形式存在时，它会细化晶粒并降低钢的淬透性。可增加钢的回火稳定性，并具有二次硬化作用。微量的铌可以提高钢的强度而不影响其塑性或韧性。由于细化晶粒的作用，可以提高钢的冲击韧性，降低其脆性转变温度。当含量大于碳的8倍时，钢中的碳几乎全部被固定，赋予钢良好的抗氢性能。在奥氏体钢中，可以防止氧化介质对钢的晶间腐蚀。由于固定碳和沉淀硬化的作用，可以提高热强钢的高温性能，如蠕变强度。

铌能提高建筑用普通低合金钢的屈服强度和冲击韧性，降低脆性转变温度，有利于焊接性能。在渗碳和调质合金结构钢中，可提高淬透性。提高钢的韧性和低温性能。可减少低碳马氏体耐热不锈钢的空气硬化，避免淬火、回火脆性，提高蠕变强度。

(8) 锆(Zr)

锆是强碳化物形成元素，其在钢中的作用与铌、钽和钒相似。添加少量锆可以脱气、净化和细化晶粒，有利于钢的低温性能，提高冲压性能。它常用于制造用于燃气发动机和弹道导弹结构的超高强度钢和镍基高温合金。

(9) 钴 (Co)

钴主要用于特种钢和合金。含钴高速钢具有较高的高温硬度。马氏体时效钢中添加钼，可以获得超高的硬度和良好的综合力学性能。此外，钴还是热强钢和磁性材料中的重要合金元素。

钴降低钢的淬透性。因此，在碳钢中单独添加它会降低调质后的综合力学性能。钴能强化铁素体，添加到碳钢中可提高钢在退火或正火状态下的硬度、屈服点和抗拉强度。对伸长率和断面收缩率有不利影响，冲击韧性也增加。随着钴含量的增加而降低。由于钴具有抗氧化性能，因此用于耐热钢和耐热合金。钴基合金燃气轮机显示出其独特的作用。

(10) 氮气 (N)

氮在铁中可以部分使用，起到固溶强化和提高淬透性的作用，但并不显着。由于氮化物在晶界析出，因此可以提高晶界的高温强度，提高钢的蠕变强度。与钢中其他元素结合，具有沉淀硬化作用。钢材的耐腐蚀性能并不显着，但钢材表面氮化后，不仅增加了其硬度和耐磨性，而且耐腐蚀性能也显着提高。低碳钢中的残留氮会导致时效脆性。

与渗碳相比，渗氮处理后的零件具有：高硬度和耐磨性、高疲劳强度、高抗咬合性、高耐腐蚀性。氮化过程是在钢的相变温度以下进行的。 （450-600℃），因此变形小，体积膨胀小。缺点是周期长（一般气体渗氮土艺的渗氮时间为数十至100小时）、成本高、渗氮层薄（一般为0.5mm左右）且脆，不能承受太大的接触应力和冲击载荷。

氮化后的零件虽然具有高硬度、高耐磨性和高疲劳强度，但只是表面很薄的一层（铬钼铝钢在500-540℃下35-65小时后的氮化层深度）仅0.3 --0.65mm）。必须有坚固而坚韧的心组织作为氮化层的坚实基础，才能发挥氮化的最大效果。一般来说，大多数氮化零件在摩擦和复杂的动载荷条件下工作，无论是表面还是心部的性能都要求很高。

渗氮零件的注意事项

1）渗氮前的初步热处理和调质——渗氮工件在渗氮前应进行淬火和回火，以获得回火索氏体组织。调质处理的回火温度一般高于氮化温度。

2）氮化前的初步热处理和消除应力处理——氮化前，应尽可能消除机械加工过程中产生的内应力，以稳定零件的尺寸。消除应力温度应低于回火温度，保温时间应长于回火时间，然后缓慢冷却至室温。横截面较大的零件不应进行正火处理。工模具钢必须经过调质处理，不允许退火。

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(11)硅(Si)

硅能溶解于铁素体和奥氏体中，提高钢的硬度和强度。其作用仅次于磷，强于锰、镍、铬、钨、钼、钒等元素。但当硅含量超过3%时，钢的塑性和韧性会显着降低。硅能提高钢的弹性极限、屈服强度和屈强比（σs/σb），以及疲劳强度和疲劳比（σ-1/σb）等，这就是硅或硅锰钢能够用作弹簧钢。

硅能降低钢的密度、导热性和导电性。能促进铁素体晶粒粗化，降低矫顽力。它有降低晶体各向异性的倾向，使磁化更容易，降低磁阻。可用于生产电工钢，因此硅钢片的磁滞损耗较低。硅能增加铁素体的磁导率，使钢板在较弱的磁场下具有较高的磁感应强度。但硅会降低钢在强磁场下的磁感应强度。硅具有很强的脱氧能力，从而减少铁的磁时效作用。

当含硅钢在氧化气氛中加热时，表面会形成一层SiO2膜，从而提高钢在高温下的抗氧化能力。

硅能促进铸钢中柱状晶的长大，降低塑性。如果硅钢受热时冷却快，由于导热系数低，钢的内外温差就会很大，导致其破裂。

硅能降低钢的焊接性。由于硅与氧的结合能力比铁强，因此在焊接时容易生成低熔点的硅酸盐，使熔渣和熔融金属的流动性增加，引起飞溅，影响焊接质量。硅是一种良好的脱氧剂。用铝进行脱氧时，酌情添加一定量的硅，可显着提高脱氧率。钢中残留有一定量的硅，是炼铁时作为原料带入的。在沸腾钢中，硅仅限于

(12) 锰（Mn）

锰是良好的脱氧剂和脱硫剂。钢中一般含有一定量的锰，能消除或减弱由硫引起的钢的热脆性，从而提高钢的热加工性。

锰和铁形成的固溶体提高了钢中铁素体和奥氏体的硬度和强度；它也是一种形成碳化物并进入渗碳体以取代一些铁原子的元素。钢中的锰可降低临界转变温度。起到细化珠光体的作用，间接提高珠光体钢的强度。锰稳定奥氏体结构的能力仅次于镍，并且还强烈提高钢的淬透性。已制成含锰不超过2%及其他元素的多种合金钢。

锰具有资源丰富、功效多样的特点，得到了广泛的应用，如含锰量较高的碳素结构钢、弹簧钢等。

在高碳高锰耐磨钢中，锰含量可达10%～14%。固溶处理后具有良好的韧性。当受到冲击变形时，表层会因变形而强化，具有高耐久性。磨料。

锰和硫形成熔点较高的MnS，可以防止FeS引起的热脆。锰具有增加钢晶粒粗化和回火脆性敏感性的倾向。如果冶炼、浇注、锻造后冷却不当，很容易造成钢材出现白点。

(13) 铜 (Cu)

铜在钢中的突出作用是提高普通低合金钢的耐大气腐蚀性能。特别是与磷结合使用时，添加铜还可以提高钢的强度和屈强比，而不会对焊接性能产生不利影响。含铜0.20%～0.50%的钢轨（U-Cu），除耐磨性外，其耐腐蚀寿命是普通碳轨的2-5倍。

当铜含量超过0.75%时，固溶处理和时效后会出现时效强化。在低含量时，其作用与镍相似，但较弱。当含量较高时，不利于热变形加工，并在热变形加工时引起铜脆性。奥氏体不锈钢中含有2%～3%的铜，可提供对硫酸、磷酸和盐酸的耐腐蚀性以及对应力腐蚀的稳定性。

(14) 硼 (B)

硼在钢中的主要作用是提高钢的淬透性，从而节省其他较稀有、较贵重的金属，如镍、铬、钼等。为此目的，其含量一般规定在0.001%～ 0.005%。可替代1.6%镍、0.3%铬或0.2%钼。用硼代替钼时应注意，因为钼能防止或减轻回火脆性，而硼有轻微促进回火脆性的倾向，故不能使用。硼完全替代钼。

在中碳碳钢中添加硼，由于淬透性提高，可大大改善厚度大于20mm的钢淬火回火后的性能。因此，可用40B、40MnB钢代替40Cr，用20Mn2TiB钢代替20CrMnTi渗碳钢。但由于硼的作用随着钢中含碳量的增加而减弱甚至消失，因此在选择含硼渗碳钢时，必须考虑到零件渗碳后，渗碳层的淬透性会低于的核心。这种特性具有渗透性。

弹簧钢一般要求完全硬化，通常弹簧面积不大，因此使用含硼钢是有利的。硼对高硅弹簧钢的作用波动较大，使用不方便。

硼与氮和氧有很强的亲和力。在沸腾钢中添加0.007%的硼，可消除钢的时效现象。

(15) 稀土（Re）

一般来说，稀土元素是指元素周期表中原子序数为57至71的15种镧系元素，加上钪21和钇39，共17种元素。它们的性质很接近，很难分开。未分离的称为混合稀土，价格相对便宜。稀土元素可以提高锻钢、轧钢特别是铸钢的塑性和冲击韧性。可提高耐热钢电热合金和高温合金的抗蠕变性能。

稀土元素还可以提高钢的抗氧化和抗腐蚀能力。抗氧化效果超过硅、铝、钛等元素。它可以改善钢的流动性，减少非金属夹杂物，使钢的组织致密、纯净。

在普通低合金钢中添加适当的稀土元素，具有良好的脱氧、脱硫效果，提高冲击韧性（特别是低温韧性），改善各向异性性能。

铁铬铝合金中的稀土元素增加了合金的抗氧化能力，在高温下保持钢的细化晶粒，提高高温强度，从而显着提高电热合金的使用寿命。

(16) 磷 (P)

磷在钢中具有很强的固溶强化和冷作硬化作用。将其作为合金元素添加到低合金结构钢中，可提高钢的强度和耐大气腐蚀性能，但降低其冷冲压性能。磷、硫、锰配合使用，可提高钢的切削性能，提高工件的表面质量。它用于易切削钢，因此易切削钢也含有相对较高的磷。磷用于铁氧体。虽然它可以提高钢的强度和硬度，但最大的缺点是引起严重的偏析，增加回火脆性，显着增加钢的塑性和韧性，使钢在冷加工时容易产生脆性，因此称为“冷加工”。 “脆”现象。磷对焊接性也有不利影响。磷是有害元素，应严格控制，一般含量不超过0.03%～0.04%。

(17) 硫磺 (S)

增加硫和锰的含量可以改善钢的切削性能。在易切削钢中，添加硫作为有益元素。硫在钢中偏析严重。它是一种有害元素，使钢的质量恶化，降低钢在高温下的塑性。它以熔点较低的FeS形式存在。单独的FeS的熔点只有1190℃，而钢中与铁形成共晶的共晶温度更低，只有988℃。当钢凝固时，硫化铁在初生晶界处析出。当钢在1100～1200℃之间轧制时，晶界上的FeS会熔化，大大削弱晶粒间的结合力，引起钢的热脆性。因此，应严格控制硫含量。一般控制在0.020%～0.050%。为了防止硫引起的脆性，应添加足够的锰以形成熔点较高的MnS。如果钢中的流速较高，焊接时会因产生SO2而在焊缝金属中形成气孔和疏松。

(18) 铝 (Al)

铝主要用于脱氧和细化晶粒。促进氮化钢中坚硬且耐腐蚀的氮化层的形成。铝能抑制低碳钢的时效，提高钢的低温韧性。含量高时，能提高钢的抗氧化性和在氧化性酸和H2S气体中的耐蚀性，并能改善钢的电性能和磁性能。铝在钢中具有很大的固溶强化作用，提高渗碳钢的耐磨性、疲劳强度和心部力学性能。

在耐火合金中，铝和镍形成化合物以提高熔炼强度。含铝的铁铬铝合金具有接近恒定电阻的特性和高温下优良的抗氧化性能，适用于电熔合金材料和铬铝合金。电阻丝。

有些钢在脱氧时，如果用铝过多，会使钢产生异常组织，往往会促进钢的石墨化。在铁素体和珠光体钢中，当铝含量较高时，会降低其高温强度和韧性，给冶炼和浇注带来一定困难。

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