非合金钢(碳素钢)

非合金钢（碳素钢）第一节钢铁生产钢和铁都是主要由铁和碳两种元素组成的合金，其区别只在于碳质量分数的多少，理论上将WC2.11%的合金称为钢，WC2.11%的称为铸铁。生铁由铁矿石经高炉冶炼而得，它是炼钢和铸造的原材料。现代的炼钢方法是以生铁为主要原料，装入高温的炼钢炉中，通过氧化作用降低生铁中的含碳量而炼成钢水，铸成钢锭后，再经轧制成钢材供应,少数钢锭经锻造成锻件后供应。一、炼铁现代钢铁工业生产生铁的主要方法是高炉炼铁。高炉炼铁的炉料主要是铁矿石、燃料和熔剂（CaCO3）。高炉熔铁过程示如图5—1所示。生铁中还含有Si、Mn、P、S等元素。Si来源于炉料中带入的SiO2；铁矿石中含有少量的MnO2，MnO2被还原成金属锰进入生铁；铁矿石和生石灰石中都含有少量磷酸盐，几乎全部被还原进入生铁。炉料中还含有少量的硫和硫化物，尤其焦炭中含硫最多，是生铁中硫的主要来源。二、炼钢现代炼钢方法是以生铁为主要原料，首先把生铁熔化成液体，将它倾入高温的炼钢炉中，利用氧化作用将碳及其它元素去除到规定范围之内，就得到了钢。1、炼钢过程现代工业炼钢方法是在1500—1700℃的高温下，把炉料熔化成液体，然后吹入空气、氧气或加入其他物质（如铁矿石）为氧化剂，氧化炉料中的杂质。进入铁液中的氧首先与铁生成氧化亚铁（FeO），然后FeO再与其他元素反应，使它们氧化，从而使炉料变为成分合格的钢水。其主要反应如下：（1）碳、硅、锰的氧化FeO+C=Fe+CO↑2FeO+Si=2Fe+SiO2（渣）FeO+Mn=Fe+MnO（渣）（2）去磷、去硫2P+5FeO=5Fe+P2O5P2O5+4CaO=4CaO·P2O5（渣）硫在铁中以FeS的形式存在FeS+CaO=FeO+CaS（渣）（3）钢的脱氧向铁液中供入的氧，使碳、硅、锰等杂质氧化的同时，铁也被氧化。钢液中溶入了过多的氧，必须经过脱氧，才能获得合格的钢。常用的脱氧剂有硅铁（Fe—Si合金）、锰铁（Fe—Mn合金）和铝。2FeO+Si=2Fe+SiO2FeO+Mn=Fe+MnO3FeO+2Al=3Fe+Al2O3脱氧形成的SiO2、MnO、Al2O3都浮到渣中除去。当钢液的成分与温度均达到规定要求时，便可出钢。2、炼钢方法现代炼钢方法主要有转炉、平炉及电炉炼钢法三种。根据炉衬耐火材料的性质，各种炼钢炉又可分为酸性炉（炉衬的主要成分为二氧化硅）和碱性炉（炉衬的主要成分为氧化镁、氧化钙）两种。三种炼钢炉的示意图如图5—2所示，三种炼钢方法的原料、特点及产品见表5—1。表5—1三种炼钢方法的原料、特点及产品炼钢方法热源主要原料主要特点产品氧气转炉氧化反应的化学热液态炼钢生铁、废钢冶炼速度快，生产率高，钢的品种、质量和平炉大致相当非合金钢和低合金钢平炉煤气、天然气、重油炼钢生铁、废钢容量大，炉料中废钢比例大，冶炼时间长，工艺过程容易控制电弧炉电能废钢炉料通用性大，炉内气氛可以控制，脱氧良好，能冶炼难熔的合金钢，钢的质量优良，品种多合金钢样化3、钢的烧注钢水炼成后，除少数用来浇铸成铸钢件外，其余都浇铸成钢锭（或连铸坯）。钢锭用于轧钢或锻造大型锻件的毛坯。根据钢水的脱氧程度不同，可将钢锭分为镇静钢、半镇静钢和沸腾钢三类。半镇静钢介于镇静钢和沸腾钢两者之间。表5—2镇静钢和沸腾钢的特点和性能项目镇静钢沸腾钢脱氧程度脱氧完全，基本上无CO气泡产生，钢液保持平静脱氧不完全，产生大量的CO气泡，钢液有明显的沸腾现象特点表面质量一般，偏析较轻表面质量良好，偏析较严重机械性能冲击韧性良好冲击韧性较差在条件相同的情况下，强度与伸长率大致相同三、钢材生产经浇注后的钢锭，小则几吨，大则几十吨，如果直接用来制造中小型机械零件，不仅造成材料浪费，而且增加制造费用，致使零件成本提高。所以在实际生产中有90%左右的钢锭是加工成各种规格的钢材供用户使用的。1、板材2、型材3、管材另外，还可以通过冷拔或挤压等加工方法，生产不能用轧制方法获得的直径小于6mm的线材、异型钢、薄壁管和各种断面形状的型材。第二节常存杂质元素对非合金钢性能的影响钢铁中常存杂质有硅、锰、硫、磷，它们的存在对钢铁的性能有较大影响。一、锰和硅在炼铁、炼钢的生产过程中，由于原料中含有锰、硅以及使用锰、硅作脱氧剂，使得钢中常含有少量的锰、硅元素。当WMN1.2%、W0.4%时，能溶入铁素体使之强化，提高钢的强度、硬度，并且不降低钢的塑性、韧性。另外，锰还可与硫形成MnS，消除硫的有害作用，并能起断屑作用，可改善钢的切削加工性。因此，锰和硅在钢中是有益元素。二、硫和磷硫和磷也是从原料及燃料中带入钢中的。硫在固态下不溶于铁，以FeS（熔点1190℃）的形式存在。FeS常与Fe形成低熔点（985℃）共晶体分布在晶界上，当钢加热到1000—1200℃进行压力加工时，由于分布在晶界上的低熔点共晶体熔化，使钢沿晶界处开裂。这种现象称为热脆。磷在常温固态下能全部溶入铁素体中，使钢的塑性、韧性显著降低，在低温时表现尤为突出。这种在低温时由磷导致钢严重脆化的现象称为冷脆。因此，钢中的硫、磷含量必须严格控制。磷的冷脆作用有时可以利用，如在炮弹钢中加入较多的磷，使钢的脆性增加，炮弹爆炸时，碎片增多可增加杀伤力。第三节非合金钢的分类非合金钢的分类方法很多，下面只介绍几种常用的分类方法。一、按碳的质量分数分1、低碳钢：WC≤0.25%2、中碳钢：WC=0.25%～0.60%3、高碳钢：WC＞0.60%二、按钢的用途分类1、非合金结构钢：这类钢主要用于制造各类工程构件及各种机器零件。它多属于低碳钢和中碳钢。2、非合金工具钢：这类钢主要用于制造各种刃具、量具和模具。这类钢碳质量分数较高，一般属于高碳钢。三、按质量分类按钢中有害杂质硫、磷含量分为：1、普通钢:WS=0.035%～0.050%WP=0.035%～0.045%2、优质钢:WS、WP均≤0.035%3、高级优质钢:WS=0.020%～0.030%WP=0.025%～0.030%4、特级优质钢:WS≤0.015%WP≤0.025%从1991年起，我国颁布实施了新的钢分类方法（GB/T13304—1991），它是参照国际标准制订的，主要分为“按化学成分分类”、“按主要质量等级和主要性能及使用特性分类两部分”。为了便于对照使用，我们将其中常用部分总结如下：非合金钢（碳钢）1、普通质量非合金钢：非合金结构钢、非合金钢筋钢、铁道用一般非合金钢、一般钢板桩型钢等。2、优质非合金钢：机械结构用优质非合金钢、工程结构用非合金钢、冲压薄板用低碳结构钢、镀层板带用非合金钢、锅炉和压力容器用非合金钢、造船用非合金钢、铁道用非合金钢、焊条用非合金钢、标准件用钢、冷锻铆螺用钢、非合金易切削钢、电工用非合金钢、优质铸造非合金钢等。3、特殊质量非合金钢：保证淬透性非合金钢、保证厚度方向性能非合金钢、铁道用特殊非合金钢、航空兵器等用非合金结构钢、核能用非合金钢、特殊焊条用非合金钢、非合金弹簧钢、特殊盘条钢丝、特殊易切削钢、非合金工具钢、电工纯铁、原料纯铁等。第四节非合金钢的牌号、性能及用途一、非合金结构钢非合金结构钢分为通用结构钢和专用结构钢两类。通用结构钢牌号由代表屈服点的拼音字母“Q”、屈服点数值（单位为MPa）和规定的质量等级符号、脱氧方法等符号组成。屈服点数值以钢材厚度（或直径）不大于16mm的钢的屈服点数值表示；质量等级分A、B、C、D、E，表示硫、磷含量不同，其中A级质量最低，E级质量最高；脱氧方法用F（沸腾钢）、B（半镇静钢）、Z（镇静钢）、TZ（特殊镇静钢）表示，牌号中的“Z”和“TZ”可以省略。例如Q235AF，表示屈服点σS=235Mpa，质量为A级的沸腾非合金结构钢。专用结构钢牌号一般由代表钢屈服点的符号“Q”、屈服点数值及规定的代表产品用途的符号等组成。二、优质非合金结构钢优质非合金结构钢牌号由二位阿拉伯数字或阿拉伯数字与特征符号组成。以二位阿拉伯数字表示平均碳的质量分数（以万分之几计）。沸腾钢和半镇静钢在牌号尾部分别加符号“F”和“B”，镇静钢一般不标符号。较高含锰量的优质非合金结构钢，在表示平均碳的质量分数的阿拉伯数字后面加锰元素符号。表5—5优质非合金结构钢的用途牌号用途举例1010F用来制造锅炉管、油桶顶盖、钢带、钢丝、钢板和型材，用于制造机械零件2020F用于不经受很大应力而要求韧性的各种机械零件，如拉杆、轴套、螺钉、起重钩等；也用于制造在≈5.9kPa（60大气压）、450℃以下非腐蚀介质中使用的管子等；还可以用于心部强度不大的渗碳与碳氮共渗零件，如轴套、链条的滚子、轴以及不重要的齿轮、链轮等。35用作热锻的机械零件，冷拉和冷顶锻钢材，无缝钢管，机械制造中的零件，如转轴、曲轴、轴销、拉杆、连杆、横梁、星轮、套筒、轮圈、钩环、垫圈、螺钉、螺母等；还可用来铸造汽轮机机身、轧钢机机身、飞轮等。40用来制造机器的运动零件，如辊子、轴、曲柄销、传动轴、活塞杆、连杆、圆盘等。45用来制造蒸汽涡轮机、压缩机、泵的运动零件；还可以用来代替渗碳钢制造齿轮、轴、活塞销等零件，但零件需经高频或火焰表面淬火，并可用作铸件55用于制造齿轮、连杆、轮圈、轮缘、扁弹簧及轧辊等，也可用作铸件65用于制造气门弹簧、弹簧圈、轴、轧辊、各种垫圈、凸轮及钢丝绳等70用于制造弹簧三、非合金工具钢非合金工具钢牌号一般由代表碳的符号“T”与阿拉伯数字组成，其中阿拉伯数字表示平均碳的质量分数（以千分之几计）。对于较高含锰量或高级优质非合金工具钢，牌号尾部表示同优质非合金结构钢。非合金工具钢生产成本较低，加工性能良好，可用于制造低速、手动刀具及常温下使用的工具、模具、量具等。在使用前要进行热处理。四、铸造非合金钢小结了解炼铁、炼钢的实质及其生产过程及钢铁材料常存杂质的来源和影响。掌握常用非合金钢的牌号、成份、热处理、性能、用途。