鋼鐵種類概述及其化學(xué)成分分析的元素選擇討論

●　山西省產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)研究院　廖雅倩

鋼鐵種類概述及其化學(xué)成分分析的元素選擇討論

●山西省產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)研究院廖雅倩

鋼鐵的化學(xué)成分是影響其各種性質(zhì)的直接因素，它的改變會直接改變鋼鐵的組織結(jié)構(gòu)，從而影響其性能。所以，鋼鐵的化學(xué)成分是基礎(chǔ)，在冶煉過程中應(yīng)嚴(yán)格控制，使其達(dá)到所煉鋼種的要求，為后期成型的產(chǎn)品達(dá)到該具備的使用性能做好基礎(chǔ)。本文對鋼鐵種類進(jìn)行概述，并按碳鋼、合金鋼、鑄鐵3大鋼鐵種類各選取一種日常生活生產(chǎn)中常見的產(chǎn)品進(jìn)行化學(xué)成分分析的元素選擇討論。闡述了對于不同的鋼種，在實(shí)驗(yàn)室分析中，化學(xué)成分分析的元素選擇是有針對性的。

鋼鐵化學(xué)成分分析元素選擇

化學(xué)成分作為鋼鐵研究的4要素（化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)、合成加工、性能）之一，有著非常重要的作用。鋼鐵的化學(xué)成分是影響其各種性質(zhì)的直接因素，它的改變會直接改變鋼鐵的組織結(jié)構(gòu)，從而影響其性能。所以，鋼鐵的化學(xué)成分是基礎(chǔ)，在冶煉過程中就應(yīng)嚴(yán)格控制，使其達(dá)到所煉鋼種的要求，為后期成型的產(chǎn)品達(dá)到其該具備的使用性能做好基礎(chǔ)。在實(shí)驗(yàn)室分析中，我們將嚴(yán)格分析和判定鋼鐵的化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)。對于不同的鋼種，在實(shí)驗(yàn)室分析中，化學(xué)成分分析的元素選擇是有針對性的。

那么，下面先對鋼鐵種類進(jìn)行概述，以便讀者對鋼鐵有整體的認(rèn)識，再討論在實(shí)驗(yàn)室化學(xué)成分分析中的元素選擇。

鋼鐵種類概述

鋼鐵按碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大體可以分為3類：ω（C）＜0.021％為工業(yè)純鐵，0.021％＜ω（C）＜2.11％為碳鋼、合金鋼，ω（C）＞2.11％為鑄鐵。

1.純鐵

純鐵具有鐵磁性，實(shí)際應(yīng)用的純鐵含有少量雜質(zhì)，稱為工業(yè)純鐵。工業(yè)純鐵強(qiáng)度低、硬度低、塑性好，一般不作為結(jié)構(gòu)材料使用，主要利用其鐵磁性作為磁性材料使用。

2.碳鋼

碳鋼是以鐵和碳元素為主，含有少量錳、硅、硫、磷、氧、氮等非特意加入元素的鋼，其中碳是最主要的合金元素。

由于碳鋼價(jià)格低廉、容易加工，而且在一般情況下能滿足使用性能的要求，被廣泛使用在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中。通常將碳鋼分為：普通碳素結(jié)構(gòu)鋼、優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼、鑄鋼、碳素工具鋼。

（1）普通碳素結(jié)構(gòu)鋼簡稱普碳鋼

國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 700-2006《碳素結(jié)構(gòu)鋼》中規(guī)定了普碳鋼的牌號有Q195、Q215、Q235、Q275。其中Q195、Q215、Q235普碳鋼的塑性好，有一定的強(qiáng)度，通常軋制成鋼板、鋼筋、鋼管等，可用于制造橋梁、建筑物等構(gòu)件，也可用于制造螺釘、螺帽、鉚釘?shù)取275普碳鋼強(qiáng)度較高，常軋制成型鋼、鋼板作構(gòu)件用。

（2）優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼

國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 699-1999《優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼》中列出了鋼的牌號，用碳的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)的萬分?jǐn)?shù)表示，如“20”，表示ω（C）在0.20％左右。對于沸騰鋼，則在牌號后加“F”，如“08F”；若鋼中錳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，則在牌號后加“Mn”，如“20Mn”。優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼主要用來制造各種機(jī)器零件。

（3）鑄鋼

牌號用“ZG”加數(shù)字表示，數(shù)字代表鋼中碳的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)的萬分?jǐn)?shù)。如ZG25，表示ω（C）在0.25％左右的鑄鋼。鑄鋼可用來制造形狀復(fù)雜的需要一定強(qiáng)度、塑性和韌性的零件，如齒輪、聯(lián)軸器等重要機(jī)件。

（4）碳素工具鋼

牌號用“T”加數(shù)字表示，數(shù)字代表鋼中碳的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)的千分?jǐn)?shù)。如T12，表示ω（C）在1.2％左右的碳素工具鋼。碳素工具鋼用來制造各種刃具、量具、模具等。

3.合金鋼

在碳鋼中特意加入一種或多種合金元素形成了合金鋼。合金鋼鋼種繁多，按用途可分為結(jié)構(gòu)鋼、工具鋼和特殊性能鋼等三大類。

（2）合金工具鋼是專用于制造各種加工工具的鋼種，包括刃具鋼、模具鋼和量具鋼等。

（3）特殊性能鋼是指具有特殊物理、化學(xué)或力學(xué)性能的鋼種，包括不銹鋼、耐熱鋼、熱磨鋼等。

4.鑄鐵

普通鑄鐵是碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于2.11％的鐵碳合金，通常含有較多的Si、Mn、S、P等元素。鑄鐵大體分為兩大類：白口鑄鐵和非白口鑄鐵。一般根據(jù)石墨的形態(tài)對非白口鑄鐵進(jìn)行分類為：灰口鑄鐵、可鍛鑄鐵、球墨鑄鐵、蠕墨鑄鐵。

（1）灰口鑄鐵

灰口鑄鐵分為普通灰口鑄鐵和孕育灰口鑄鐵，均用“HT★★★”表示，“HT”表示灰鐵，后面加3位數(shù)字表示最低抗拉強(qiáng)度。如HT150，表示最低抗拉強(qiáng)度為150MPa的灰口鑄鐵。

以電子信息類專業(yè)為例，該專業(yè)需要培養(yǎng)一部分具有從事通信網(wǎng)絡(luò)方面專業(yè)技能的學(xué)生。通信的核心是連接與交換，那么對應(yīng)的兩個(gè)方向就是傳輸和網(wǎng)絡(luò)。在專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系建設(shè)中就需要集中向這兩個(gè)方向，在實(shí)驗(yàn)課安排中，對新技術(shù)仍可以從通信核心的角度來重新定義，增加新的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容[4]。對該專業(yè)實(shí)驗(yàn)課程就可以按照以下思路進(jìn)行構(gòu)建教學(xué)體系：（1）實(shí)驗(yàn)課程體系覆蓋通信的全程全網(wǎng)；（2）知識體系按照“原理—技術(shù)—系統(tǒng)—網(wǎng)絡(luò)”的邏輯進(jìn)行設(shè)計(jì)；（3）利用軟件可定義技術(shù)來體現(xiàn)實(shí)驗(yàn)平臺的可設(shè)計(jì)性和可重構(gòu)性；（4）利用“實(shí)物+遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)”的形式解決學(xué)生實(shí)驗(yàn)問題；（5）用創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的模式解決新技術(shù)問題。

（2）可鍛鑄鐵

可鍛鑄鐵由白口鑄鐵通過退火處理得到，其強(qiáng)度、韌性和沖擊韌度都較高，可以部分代替碳鋼。一般有鐵素體和珠光體兩種基體，鐵素體可鍛鑄鐵的代號為“KT”，珠光體可鍛鑄鐵的代號為“KTZ”，其后的兩組數(shù)字表示最低抗拉強(qiáng)度和伸長率。如“KT300-6”，表示最低抗拉強(qiáng)度為300MPa，最低伸長率為6％的鐵素體可鍛鑄鐵。

（3）球墨鑄鐵

球墨鑄鐵是一種高強(qiáng)度鑄鐵，其綜合力學(xué)性能與鋼相近，鑄造性能較好，成本低廉，生產(chǎn)方便，在工業(yè)中已得到廣泛應(yīng)用。球墨鑄鐵的牌號用“QT”標(biāo)明，其后兩組數(shù)字表示最低抗拉強(qiáng)度和伸長率。如“QT400-17”，表示最低抗拉強(qiáng)度為400MPa，最低伸長率為17％的球磨鑄鐵。

（4）蠕墨鑄鐵

蠕墨鑄鐵是近20年發(fā)展起來的一種新型高強(qiáng)鑄鐵。它的強(qiáng)度接近于球磨鑄鐵，并具有一定的韌度、較高的耐磨性，同時(shí)又有良好的鑄造性能和導(dǎo)熱性。蠕墨鑄鐵已開始在生產(chǎn)中應(yīng)用，較成功的是用于汽缸套、汽缸蓋、鋼錠模、液壓閥等鑄件。

化學(xué)成分分析的元素選擇討論

在實(shí)驗(yàn)室分析中，我們將嚴(yán)格分析和判定鋼鐵的化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)。對于不同的鋼種，化學(xué)成分分析的元素選擇是有針對性的。下面將按照鋼種的不同，分別選取碳鋼、合金鋼、鑄鐵中的一個(gè)鋼種進(jìn)行舉例，討論在實(shí)驗(yàn)室化學(xué)成分分析中元素選擇的針對性。

1.碳鋼

低碳鋼熱軋圓盤條是目前用量最大，使用最廣的線材，一般可用來拉絲。下面對材質(zhì)為低碳鋼的牌號Q195圓盤條進(jìn)行化學(xué)成分元素選擇分析。當(dāng)Q195圓盤條用來拉絲時(shí)，會出現(xiàn)斷絲或不能拔太細(xì)的現(xiàn)象，從這一現(xiàn)象可以看出盤條的脆性高、塑性太低。

首先考慮檢測盤條的化學(xué)成分P質(zhì)量分?jǐn)?shù)。P是一種有害雜質(zhì)元素，具有很強(qiáng)的固溶強(qiáng)化作用，能提高鋼鐵的強(qiáng)度和硬度，但會劇烈降低鋼鐵的韌性，尤其是低溫韌性。P質(zhì)量分?jǐn)?shù)高，會使得盤條出現(xiàn)韌性低、脆性高，容易斷絲現(xiàn)象。

其次，考慮檢測盤條的化學(xué)成分C質(zhì)量分?jǐn)?shù)，C是碳鋼中的主要合金元素，所有碳鋼的常溫平衡組織都是鐵素體、滲碳體組成。由于鐵素體溶碳量很低，大部分的碳主要以滲碳體的形式存在，C質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高，室溫平衡組織中的滲碳體質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大，能提高硬度和強(qiáng)度，但塑性卻隨之下降。所以Q195圓盤條的C質(zhì)量分?jǐn)?shù)要控制在一定范圍，C質(zhì)量分?jǐn)?shù)太高會導(dǎo)致塑性降低，容易斷絲或不能拔太細(xì)。

2.合金鋼

不銹鋼是特殊性能合金鋼的一種，是指在大氣和一般腐蝕介質(zhì)中具有很高耐蝕性的鋼種。不銹鋼在石油、化工、宇航、海洋開發(fā)、國防工業(yè)和一些尖端科學(xué)技術(shù)以及日常生活中都廣泛應(yīng)用。對不銹鋼最主要的要求是耐蝕性。下面對低壓流體輸送用不銹鋼鋼管的生銹腐蝕進(jìn)行化學(xué)成分元素選擇分析。

首先考慮檢測不銹鋼管的化學(xué)成分Cr、Ni質(zhì)量分?jǐn)?shù)。Cr、Ni是不銹鋼中加入的主要合金元素。Cr能提高基體的電極電位，是鐵素體形成元素，當(dāng)Cr質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過12.7％時(shí)，可使鋼呈單一的鐵素體組織。Cr在氧化性介質(zhì)（如水蒸汽、大氣、海水、氧化性酸等）中極易鈍化，生成致密的氧化膜，使鋼的耐蝕性大大提高。Ni可獲得單相的奧氏體組織，顯著提高耐蝕性并改善鋼的塑性，或形成奧氏體-鐵素體組織，通過熱處理，提高鋼的強(qiáng)度。Cr、Ni都是提高不銹鋼耐蝕性的主要合金元素，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)低則降低不銹鋼管的耐蝕性，易造成生銹腐蝕。

其次考慮檢測不銹鋼管的化學(xué)成分C質(zhì)量分?jǐn)?shù)。耐蝕性要求越高，碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)應(yīng)越低。C與Cr能形成碳化物在晶界析出，使晶界周圍基體嚴(yán)重貧Cr，當(dāng)Cr貧化到耐蝕所必需的最低質(zhì)量分?jǐn)?shù)（約12％）以下時(shí)，貧Cr區(qū)迅速被腐蝕，造成沿晶界發(fā)展的晶間腐蝕。所以要控制C質(zhì)量分?jǐn)?shù)，C質(zhì)量分?jǐn)?shù)太高易造成晶間腐蝕。

3.鑄鐵

鑄鐵采暖散熱器由于經(jīng)久耐用在北方地區(qū)運(yùn)用很廣泛。鑄鐵采暖散熱器的材質(zhì)為灰口鑄鐵，在生產(chǎn)中部分散熱器片試壓后出現(xiàn)滲透現(xiàn)象。下面對灰口鑄鐵采暖散熱器的試壓滲透現(xiàn)象進(jìn)行化學(xué)成分元素選擇分析。

首先考慮檢測灰口鑄鐵采暖散熱器的化學(xué)成分C、Si質(zhì)量分?jǐn)?shù)。在灰口鑄鐵的生產(chǎn)中主要是控制C、Si質(zhì)量分?jǐn)?shù)。C、Si強(qiáng)烈地促進(jìn)石墨化，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)過低時(shí)，易出現(xiàn)白口組織，力學(xué)性能和鑄造性能都較差；其質(zhì)量分?jǐn)?shù)過高時(shí)，石墨片過多且粗大，甚至在鐵水的表面出現(xiàn)石墨漂浮，降低鑄件的性能和質(zhì)量。C、Si質(zhì)量分?jǐn)?shù)偏低或偏高，都會影響最終產(chǎn)品灰口鑄鐵采暖散熱器的性能，易造成產(chǎn)品的偏析、滲透等缺陷。

其次考慮檢測灰口鑄鐵采暖散熱器的化學(xué)成分S質(zhì)量分?jǐn)?shù)。S是有害元素，它強(qiáng)烈促進(jìn)白口化，并使鑄造性能和力學(xué)性能惡化。S與Fe形成低熔點(diǎn)的組織，沿晶界分布。S質(zhì)量分?jǐn)?shù)偏高，會影響灰口鑄鐵采暖散熱器的質(zhì)量，易造成產(chǎn)品的夾雜、滲透等缺陷。

總結(jié)

綜上所述，對于不同的鋼種，在實(shí)驗(yàn)室分析中，化學(xué)成分分析的元素選擇是有針對性的。應(yīng)根據(jù)不同鋼種中化學(xué)成分在其中的形成組織和作用的不同進(jìn)行有針對性的選擇分析，從而在生產(chǎn)中進(jìn)行化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)的調(diào)整，使其達(dá)到所煉鋼種的要求，改善成型鋼產(chǎn)品的性能。