钢材基础知识

1员工培训讲义---------钢材知识一、钢材基础知识二、轧钢的分类三、板带钢的生产过程四、产品标准和技术要求概述附：宝钢企标简介2一、钢材基础知识1.1黑色金属、钢和有色金属在介绍钢的分类之前先简单介绍一下黑色金属、钢与有色金属的基本概念。1）黑色金属是指铁和铁的合金。如钢、生铁合金、铸铁等。钢和生铁都是以铁为基础，以碳为主要添加元素的合金，统称为铁碳合金。生铁是指把铁矿石放到高炉中冶炼而成的产品，主要用来炼钢和制造铸件。把铸造生铁放在熔铁炉中熔炼，即得到铸铁（液状），把液状铸铁浇铸成铸件，这种铸铁叫铸铁件。铁合金是由铁与硅、锰、铬、钛等元素组成的合金，铁合金是炼钢的原料之一，在炼钢时做钢的脱氧剂和合金元素添加剂用。2）把炼钢用生铁放到炼钢炉内按一定工艺熔炼，即得到钢。钢的产品有钢锭、连铸坯和直接铸成各种钢铸件等。通常所讲的钢，一般是指轧制成各种钢材的钢。钢属于黑色金属但钢不完全等于黑色金属。3）有色金属又称非铁金属，指除黑色金属外的金属和合金，如铜、锡、铅、锌、铝以及黄铜、青铜、铝合金和轴承合金等。另外在工业上还采用铬、镍、锰、钼、钴、钒、钨、钛等，这些金属主要用作合金附加物，以改善金属的性能，其中钨、钛、钼等多用以生产刀具用的硬质合金。以上这些有色金属都称为工业用金属，此外还有贵重金属：铂、金、银等和稀有金属，包括放射性的铀、镭等。1.2碳素钢的定义及钢中五元素含碳2%以下的铁碳合金称为钢。按钢的化学成分可分为碳素钢和合金钢。碳素钢分为低碳钢：含碳量≤0.25%，中碳钢：含碳量0.25~0.60%，高碳钢：含碳量＞0.60%。汽车板一般为低碳钢。碳素钢中的五元素是指化学成份中的主要组成物，即C、Si、Mn、S、P（碳、硅、锰、硫、磷）。其次是在炼钢过程中不可避免地会混入气体，含O、H、N（氧、氢、氮）。此外，用铝—硅脱氧镇静工艺中，必然在钢水中含有Al，当Als（酸溶铝）≥0.020%时，还有细化晶粒的作用。3二、轧钢的分类轧制钢材的断面形状和尺寸总称为钢材的品种规格。分为型钢、线材、特殊钢材、钢板、钢带和钢管等。2.1型钢和线材型钢和线材有钢筋、螺纹钢、方钢、圆钢、扁钢、角钢、槽钢、工字钢、H型钢、钢轨、钢窗等2.2钢管按用途分为输送管道用钢管、锅炉管、地质钻探管、轴承钢管、注射针管等。按制造方法分为无缝钢管、焊接钢管及冷轧与冷拔钢管等。规格有外径0.1~4000mm，壁厚0.01~100mm2.3板带钢按制造方法分为热轧和冷轧板带。热轧是在钢材的再结晶温度以上进行的轧制。冷轧是在再结晶温度以下进行的轧制。按用途，热轧板带钢分为造船板、锅炉板、桥梁板、压力容器板、焊管坯、航空结构钢板、复合板及不锈、耐酸耐热等特殊用途钢板等。冷轧板带钢分为金属镀层薄板（镀锡板和镀锌板）、深冲钢板（以汽车板为其典型）、电工用硅钢板和不锈钢板等。按产品厚度分为中厚板（厚度4~500mm及以上）、薄板（厚度0.2~4mm）、极薄带钢或箔材（厚度0.2~0.001mm及以下）。4三、板带钢的生产过程板带钢的生产过程简述炼铁、炼钢、轧钢铁矿石→采矿、选矿→烧结球团矿→高炉炼铁→电炉或转炉炼钢→煤焦碳、石灰石等辅料板坯水平连铸→板带钢热连轧→板带钢冷轧→精整3.1钢铁是怎样炼成的？炼铁是将铁矿石（主要为铁的硫化物或氧化物，如Fe2S，Fe2O3，Fe3O4等）中的铁还原出来，炼出铁水。炼钢的主要任务是按所炼钢种的质量要求，调整钢中碳和合金元素含量到规定范围之内，并使P、S、H、O、N等杂质的含量降至允许限量之下。炼钢过程实质上是一个氧化过程，炉料中过剩的碳被氧化，燃烧成CO气体逸出，其它Si、P、Mn等氧化后进入炉渣中。S部份进入炼渣中，部份则生成SO2排出。当钢水成份和温度达到工艺要求后，即可出钢。为了除去钢中过剩的氧及调整化学成份，可以添加脱氧剂和铁合金或合金元素。3.2转炉炼钢简介从鱼雷车运来的铁水经过脱硫、挡渣等处理后即可倒入转炉中作为主要炉料，另加10%以下的废钢。然后，向转炉内吹氧燃烧，铁水中的过量碳被氧化并放出大量热量，当探头测得达到预定的低碳含量时，即停止吹氧并出钢。一般在钢包中需进行脱氧及调整成份操作；然后在钢液表面抛上碳化稻壳防止钢水被氧化，即可送往连铸或模铸工区。对要求高的钢种可增加底吹氩、RH真空处理、喷粉处理，可以有效降低钢中的气体与夹杂，并有进一步降碳及降硫的作用。在这些炉外精炼措施后还可以最终微调成份，满足优质钢材的需求。3.3连铸将钢包中的钢水送入水平连铸机进行板坯连铸，然后在线切成定尺。3.4热连轧5用连铸板坯作原料，经热装或冷装入步进式加热炉加热，高压水除鳞后进入粗轧机，粗轧料经切头、尾、再进入精轧机，实施计算机控制轧制，终轧后即经过层流冷却（计算机控制冷却速率）和卷取机卷取，成为热轧卷。热轧卷的头、尾往往呈舌状及鱼尾状，厚度、宽度精度较差，边部常存在浪形、折边、塔形等缺陷。其卷重较重、钢卷内径一般为760mm。将热轧卷经切头、切尾、切边及多道次的矫直、平整等精整线处理后，再切板或重卷，即成为：热轧钢板、平整热轧钢卷、纵切带等产品。热轧精整卷若经酸洗去除氧化皮并涂油后即成热轧酸洗板卷。该产品有局部替代冷轧板的趋向，价格适中，深受广大用户喜爱。3.5冷轧用热轧钢卷为原料，经酸洗去除氧化皮后进行冷连轧或可逆冷轧，其成品为轧硬卷，由于连续冷变形引起的冷作硬化使轧硬卷的强度、硬度上升、韧性塑性指标下降，因此冲压性能将恶化，只能用于简单变形的零件。轧硬卷可作为热镀锌厂的原料，因为还原法热镀锌机组均设置有退火线。轧硬卷的内径一般为508或610mm。一般冷轧板、卷均应经过连续退火（CAPL机组）或罩式炉退火消除冷作硬化及轧制应力，达到相应标准规定的力学性能指标。冷轧钢板的表面质量、外观、尺寸精度均优于热轧板，且其产品厚度可轧薄至0.001mm左右，因此深受广大用户青睐。以冷轧钢卷为基板进行产品的深加工，成为高附加值产品。如电镀锌、热镀锌、电镀锡、电子网板用荫罩钢带、电池钢、彩涂钢板卷及减振复合钢板、PVC复膜钢板等，使这些产品具有美观、高抗腐蚀等优良品质，得到了广泛应用。冷轧钢卷经退火后必须进行精整，包括切头、切尾、切边、矫平、平整、重卷、或纵剪、横剪切板等。冷轧产品广泛应用于汽车制造、家电产品、仪表开关、建筑、办公家具等行业。钢板捆包后的每包重量为3~5吨。平整分卷重一般为3~10吨/卷。钢卷内径508或610mm。6四、产品标准和技术要求概述轧材的技术要求就是为了满足使用上的需要而对轧材提出的在规格和技术性能方面的要求，即形状、尺寸、表面状态、机械性能、物理化学性能、金属内部组织和化学成分等方面。它体现为产品的标准。轧材的产品标准一般包括有品种（规格）标准、技术条件、试验标准及交货标准等方面的内容。（1）品种标准主要规定轧材形状和尺寸精度方面的要求。形状要正确，不能有断面歪扭、长度上弯曲不直和表面不平等缺陷。尺寸精度是指可能达到的尺寸偏差的大小，它不仅会影响到使用性能，而且与金属的节约也有很大关系。负偏差轧制，是在负偏差范围内轧制，实质上就是对轧制精确度的要求提高了一倍，这样自然要节约大量金属，并且还能使金属结构的重量减轻。用户都欢迎负偏差产品。但现在有的汽车板也采用正偏差。（2）产品技术要求除规定品种规格要求以外，还规定化学成分、钢材性能、组织结构及表面质量等，有时还包括某些试验方法和试验条件等。轧材性能的要求主要是对轧材的机械性能（强度性能、塑性和韧性、硬度等）、工艺性能（弯曲、冲压、焊接性能等）及特殊物理化学性能（磁性、抗腐蚀性能等）的要求。这些性能可以由拉伸试验、冲击试验及硬度试验测定出来。产品表面质量直接影响轧材的使用性能和寿命。产品要求表面缺陷少、表面光整平坦而洁净。最常见的表面缺陷有表面裂纹、结疤、重皮、氧化铁皮、擦划伤等。4.1对钢材性能产生影响的化学元素钢材的质量及性能是根据需要而确定的，不同的需要，要有不同的元素含量。（1）碳：含碳量越高，钢的硬度就越高，但是它的可塑性和韧性就越差。（2）硫：是钢中的有害杂物，含硫较高的钢在高温进行压力加工时，容易脆裂，通常叫作热脆性。（3）磷：能使钢的可塑性及韧性明显下降，特别是在低温下更为严重，这种现象叫作冷脆性。在优质钢中，硫和磷要严格控制。但从另一方面看，在低碳钢中含有较高的硫和磷，能使其切削易断，对改善钢的可切削性是有利的。（4）锰：能提高钢的强度，能消弱和消除硫的不良影响，并能提高钢的淬透性，含锰量很高的高合金钢（高锰钢）具有良好的耐磨性和其它的物理性能。（5）硅：它可以提高钢的硬度，但是可塑性和韧性下降，电工用的钢中含有一定量的硅，能改善软磁性能。（6）钨：能提高钢的红硬性和热强性，并能提高钢的耐磨性。（7）铬：能提高钢的淬透性和耐磨性，能改善钢的抗腐蚀能力和抗氧化作用。（8）钒：能细化钢的晶粒组织，提高钢的强度，韧性和耐磨性。当它在高温熔入奥氏体时，可增加钢的淬透性；反之，当它以碳化物形态存在时，就会7降低它的淬透性。（9）钼：可明显地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。（10）钛：能细化钢的晶粒组织，从而提高钢的强度和韧性．在不锈钢中，钛能消除或减轻钢的晶间腐蚀现象。（11）镍：能提高钢的强度和韧性，提高淬透性。含量高时，可显著改变钢和合金的一些物理性能，提高钢的抗腐蚀能力。（12）硼：当钢中含有微量的（0.001－0.005％）硼时，钢的淬透性可以成倍的提高。（13）铝：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。（14）铜：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。4.2金属材料性能为更合理地使用金属材料，充分发挥其作用，必须掌握各种金属材料制成的零、构件在正常工作情况下应具备的性能（使用性能）及其在冷热加工过程中材料应具备的性能（工艺性能）。材料的使用性能包括物理性能（如比重、熔点、导电性、导热性、热膨胀性、磁性等）、化学性能（耐腐蚀性、抗氧化性）、力学性能（也叫机械性能）。材料的工艺性能指材料适应冷、热加工方法的能力。（一）、机械性能机械性能是指金属材料在外力作用下所表现出来的特性。1、强度：金属材料在外力（载荷）作用下，抵抗变形和断裂的能力叫强度。强度指标包括：比例极限、弹性极限、屈服强度、抗拉强度等。材料单位面积受载荷称应力。上述性能是通过金属材料拉伸试验得到的。按标准制备的拉伸试样，安装在拉伸试验机的夹头内，对试样缓慢施加单轴向拉伸应力，直至试样被拉断为止的试验称作拉伸试验。弹性极限：金属受外力作用发生了变形，外力去掉后，能完全恢复原来的形状，这种变形称为弹性变形。金属能保持弹性变形的最大应力称为弹性极限，用σe表示。2、屈服点（σs）：称屈服强度，指材料在拉伸过程中，材料所受应力达到某一临界值时，载荷不再增加变形却继续增加或产生0.2%L。时的应力值，单位用8牛顿/毫米2（N/mm2或MPa）表示。3、抗拉强度（σb）：也叫强度极限，指材料在拉断前承受的最大应力值。试样拉伸时，在拉断前所承受的最大负荷除以原横截面积所得的应力，称作抗拉强度，用σb表示。单位用牛顿/毫米2（N/mm2或MPa）表示。当材料所受的外应力大于其抗拉强度时，将会发生断裂。因此σb越高，则表示它能承受愈大的外应力而不致于断裂。国外标准的结构钢常按抗拉强度来分类，如SS400，其中400即表示σb的最小值为400MPa，超高强度钢是指σb≥1373MPa的钢。屈强比：即屈服强度与抗拉强度之比值（σs/σb）。屈强比值越高，则该材料的强度愈高，屈强比值愈低则塑性愈佳，冲压成形性愈好。如深冲钢板的屈强比值为≤0.65。弹簧钢一般均在弹性极限范围内服役，受载荷时不允许产生塑性变形，因此要求弹簧钢经淬火、回火后具有尽可能高的弹性极限和屈强比值（σs/σb≥0.90）。此外疲劳寿命与抗拉强度及表面质量往往有很大关连。塑性：金属材料在受力破坏前可以经受永久变形的性能称为塑性。塑性指标通常用伸长率和断面收缩率表示。伸长率与断面收缩率越高，