1-3 什么是钢?

钢材的主要成分是铁(Fe),还经常含有其他元素。这些被称为钢中的五种元素,如图1所示,它们分别对应于碳(C)、硅(Si)、锰(Mn)、磷(P)和硫(S)。

图1 钢的基本构成元素

五种元素中,碳是一种特别重要的元素,对钢材的硬度和韧性有很大的影响。因此,碳含量是对钢材进行分类时的概念基础。换言之,0.02%以下的碳一般称为纯铁(α-Fe),0.02%以上的碳一般称为钢(hagane)。但钢中含碳量最高为2%左右,高于此值则用作铸铁。

这五种元素在钢中的含量除特殊情况外几乎是固定的,其范围为C为0.04~1.5%,Si为0.1~0.4%,Mn为0.4,如图~1.0%,P为0.04%以下,S为0.04%以下。

Si和Mn是在炼钢时为了除去钢中的有害物质而添加的,也可以在上述范围以外作为有益元素添加。

P具有诱发钢材的延迟断裂,在低温下使用时变脆的性质(低温脆性),是对钢材有害的元素。

S具有使钢材在高温下使用时变脆的特性(微红脆性),与P一样,是对钢材有害的元素。但是,由于S具有提高钢材的切削性(切削性)的作用,因此精密零件使用添加约0.3%的易切削钢。如图 2 所示,易切削钢中的 S 作为与 Mn (MnS) 的化合物存在,有效地作用于刀具润滑和切削过程中的切屑破裂。

图2 易切削钢的显微组织(SUM23)

钢材根据炼钢时的脱氧方法分为沸腾钢和镇静钢。半镇静钢也在两者之间。

沸腾钢是在模具中添加少量的Mn,浇注而成,用于强度要求不高的轧材、钢板、低碳钢线材、配管用碳钢管等。换言之,在JIS中没有规定量的Si作为化学成分的,是沸腾钢。

当钢水倒入模具时,钢水中的碳和氧发生强烈反应,产生一氧化碳(CO)气体,产生一种沸腾状态(称为沸腾作用),由于其作用,杂质被集中在锭的顶部和内部。因此,在铸锭的外侧形成了杂质少的健康部分(称为边缘层)。

这种轧制钢锭表面附近几乎没有杂质。但由于内部杂质偏析较多,加工时表面会出现线状划痕,故尽量不要用于需要机加工的零件。

镇静钢是用Si或铝(Al)充分脱氧制成的,用于机械结构钢、工具钢、特殊用途钢等要求高强度和高质量的钢。.. 镇静钢的特点是容易获得高碳钢,通过添加合金元素容易获得目标成分,因此,镇静钢一直用于高碳钢和合金钢。此外,由于偏析极小,因此在质量稳定性方面绝对有利。

取决于应用,可能需要考虑选择 Si 或 Al 作为脱氧剂。用于普通镇静钢的脱氧剂是 Si,它以硅铁 (FeSi) 或硅锰 (SiMn) 的形式添加到钢水中。由于Al的晶粒细化效果大,因此有利于深冲等高强度加工用途,因此最近使用铝镇静钢的情况越来越多。

冷镦用碳素钢丝 JIS 规定了 6 种沸腾钢、10 种铝镇静钢和 21 种镇静钢。一个例子如表 1 所示。沸腾钢为低碳低锰钢,对Si的含量没有规定。 可见,铝镇静钢是一种低碳低硅钢,Al的添加量在0.2%以上。另外,由于一般的Si基镇静钢的化学成分容易调整,因此规定了C、Mn范围较广的21种。

表1 冷镦用碳素钢丝种类

种类化学成分(%)
C小号
磨边钢
(6种)
SWRCH10R0.08 ~ 0.13-0.30-0.600.040 或更小0.040 或更小-
SWRCH17R0.15 至 0.20
铝镇静钢
(11种)
SWRCH10A0.08 ~ 0.130.10或更小0.30-0.600.030 或更小0.035 或更小0.02 以上
SWRCH20A0.18-0.23
镇静钢
(21种)
SWRCH10K0.08 ~ 0.130.10-0.350.30-0.60-
SWRCH20K0.18-0.23
SWRCH41K0.36 ~ 0.441.35 至 1.65
SWRCH50K0.47-0.530.60-0.90


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