各种金属元素对模具钢的影响和作用

　　

　　各种金属添加剂和化学夹杂物对模具钢强度的影响与粒度和含量密切相关。室温下，当氧化铝颗粒超过1μm时，屈服强度和抗拉强度下降；当夹杂物含量很低时，它对屈服强度的降低特别敏感。当金属断裂时，裂纹不仅在基体中形成，而且经常在夹杂物中形成，这导致钢的断裂。一般来说，夹杂物对钢的纵向延性影响不大，但对横向延性有显著影响。硫化物含量的增加降低了钢的各项韧性指标，钢的断裂韧性随着夹杂物数量或长度的增加而降低。为了使钢具有良好的韧性并尽可能降低韧性各向异性，对夹杂物有以下要求:

　　

　　杂物的体积分数尽可能低；

　　

　　夹杂物的均匀分布；

　　

　　夹杂物应具有紧凑的形状；

　　

　　夹杂物的硬度更好是钢基体的两倍，以便在热加工过程中使夹杂物的变形更小化。

　　

　　碳是对钢的性能影响更大的基本元素。根据钢中杂质元素的含量和轧制后的冷却条件，不同的碳含量对钢的性能有不同的影响。随着钢中碳含量的增加，热轧态碳钢的硬度线性增加，塑性和韧性下降。以下德松模具钢详细列举了各种金属元素和化学元素在特殊钢产品精炼中的作用和影响。

　　

　　碳(c):

　　

　　随着钢中碳含量的增加，屈服点和抗拉强度增加，但塑性和抗冲击性下降。当碳含量超过0.23%时，钢的可焊性变差。因此，焊接用低合金结构钢的碳含量一般不超过0.20%。高碳含量也会降低钢材的耐大气腐蚀能力，高碳钢在露天堆场容易生锈；此外，碳会增加钢的冷脆性和时效敏感性。

　　

　　硅(硅):

　　

　　在炼钢过程中，加入硅作为还原剂和脱氧剂，因此镇静钢含硅0.15-0.30%。如果钢中硅的含量超过0.50-0.60%，硅被认为是合金元素。硅能显著提高钢的弹性极限、屈服点和抗拉强度，因此被广泛用作弹簧钢。在调质结构钢中加入1.0-1.2%的硅可提高强度15-20%。硅与钼、钨和铬结合可提高耐腐蚀性和抗氧化性，并可用于制造耐热钢。含硅1-4%的低碳钢具有极高的磁导率，用于制造电工硅钢片。随着硅含量的增加，钢的焊接性会降低。

　　

　　锰(锰):

　　

　　在炼钢过程中，锰是一种很好的脱氧剂和脱硫剂。通常，钢含有0.30-0.50%的锰。当加入0.70%以上的碳钢时，被认为是“锰钢”，不仅具有足够的韧性，而且具有较高的强度和硬度，提高了钢的淬透性和热加工性。例如，16Mn钢的屈服点比A3钢高40%。含锰11-14%的钢具有极高的耐磨性，用于挖掘机铲斗、球磨机衬板等。随着锰含量的增加，钢的耐蚀性减弱，焊接性降低。

　　

　　铬(铬):

　　

　　在结构钢和工具钢中，铬可以显著提高强度、硬度和耐磨性，但同时降低塑性和韧性。铬能提高钢的抗氧化性和耐腐蚀性，是不锈钢和耐热钢的重要合金元素。

　　

　　镍(镍):

　　

　　镍可以提高钢的强度，同时保持良好的塑性和韧性。镍具有很高的耐酸碱性、防锈性和高温耐热性。然而，由于镍是一种稀缺资源，应尽可能使用其他合金元素来代替镍铬钢。

　　

　　莫(莫):

　　

　　钼可以细化钢的晶粒，提高淬透性和热强度，并在高温下保持足够的强度和抗蠕变性(高温下的长期应力和变形称为蠕变)。在结构钢中添加钼可以提高机械性能。它还能抑制合金钢因火灾而产生的脆性。它可以改善工具钢的发红。

　　

　　钛(钛):

　　

　　钛是钢中的强脱氧剂。它能使钢的内部组织致密，细化晶粒力；降低老化敏感性和冷脆性。提高焊接性能。在铬-18-镍-9奥氏体不锈钢中加入适量的钛可以避免晶间腐蚀。

　　

　　钒(v):

　　

　　钒是一种很好的钢铁脱氧剂。在钢中加入0.5%的钒可以细化晶粒组织，提高强度和韧性。钒和碳形成的碳化物可以提高高温高压下的抗氢腐蚀能力。

　　

　　钨(w):

　　

　　钨是一种高熔点、高比重的贵重合金元素。由钨和碳形成的碳化钨具有高硬度和耐磨性。在工具钢中添加钨可显著提高红硬性和热强度，可用于切削工具和锻模。

　　

　　铌(Nb):

　　

　　铌可以细化晶粒，降低钢的过热敏感性和回火脆性，提高强度，但塑性和韧性下降。在普通低合金钢中加入铌可以提高抗大气腐蚀和抗高温氢、氮、氨腐蚀的能力。铌可以改善焊接性能。在奥氏体不锈钢中加入铌可以防止晶间腐蚀。

　　

　　钴(钴):

　　

　　钴是一种稀有贵金属，主要用于特殊的钢和合金，如耐热钢和磁性材料。

　　

　　铜(铜):

　　

　　从WISCO大冶矿石提炼的钢通常含有铜。铜可以提高强度和韧性，尤其是大气腐蚀性能。缺点是在热加工过程中容易产生热脆化，当铜含量超过0.5%时，塑性明显降低。当铜含量低于0.50%时，对焊接性没有影响。

　　

　　铝(铝):

　　

　　铝是钢中常用的脱氧剂。在钢中加入少量铝可以细化晶粒，提高冲击韧性，如深冲钢板用08Al钢。铝还具有抗氧化性和耐腐蚀性。铝与铬和硅的结合可以显著提高钢的抗高温剥离和抗高温腐蚀性能。铝的缺点是它影响钢的热加工性、焊接性和切削加工性。

　　

　　硼(b):

　　

　　加入少量硼可以提高钢的致密性、热轧性能和强度。

　　

　　氮(n):

　　

　　氮可以提高钢的强度、低温韧性和焊接性，增加时效敏感性。

　　

　　磷(磷):

　　

　　在正常情况下，磷是钢中的一种有害元素，它增加了钢的冷脆性，恶化了可焊性，降低了塑性，并恶化了冷弯性能。因此，通常要求钢中的磷含量低于0.045%，对优质钢的要求较低。

　　

　　硫:

　　

　　在正常情况下，硫也是一种有害元素。它使钢变得热脆，降低延展性和韧性，并在锻造和轧制过程中产生裂纹。硫对焊接性也是有害的，会降低耐腐蚀性。因此，硫含量通常小于0.055%，优质钢小于0.040%。在钢中加入0.08-0.20%的硫可以改善可加工性，这通常被称为易切削钢。

　　

　　氢(h):

　　

　　钢中的氢被生锈的含水炉料或含有水蒸气的炉气吸收。氢气对钢铁非常有害。首先，它会引起氢脆，即在低于钢的极限应力的作用下，经过一段时间后，它会毫无征兆地突然断裂，这往往会造成灾难性的后果。第二，它导致钢中出现大量细小裂纹和白点，在钢的纵向端面上出现光滑的银色斑点，酸洗后在端面上出现更多的细微裂纹。白点使钢的伸长率明显下降，特别是端面收缩和冲击韧性下降更多，有时接近于零。因此，带白点的钢不能使用，这种缺陷主要出现在合金钢中。

　　

　　氧气(o):

　　

　　氧在钢中溶解度低，几乎所有的氧都以氧化物夹杂物的形式存在于钢中，如FeO、AL2O3、MnO、CaO、MgO等。此外，钢中还有FeS、MnS、硅酸盐、氮化物和磷化物。这些夹杂物破坏了钢基体的连续性，往往成为静载荷和动载荷下裂纹的起点。这些非金属夹杂物不同程度地影响钢的各种性能，尤其是钢的塑性、韧性、疲劳强度和耐腐蚀性。因此，应严格控制非金属夹杂物。

　　

　　稀土(Xt):

　　

　　稀土元素是指元素周期表中原子序数为57-71的15种镧系元素。这些元素都是金属，但它们的氧化物与“地球”非常相似，所以它们通常被称为稀土。在钢中加入稀土可以改变钢中夹杂物的组成、形态、分布和性能，从而改善钢的韧性、焊接性和冷加工性能等多种性能。在犁铧钢中加入稀土可以提高耐磨性。