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钢中残余元素及其对钢性能的影响

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某厂铸阀 0.018 0.0450 0.0054 0.0054
某厂铸阀 0.013 0.0290 0.0420 0.0110
某厂铸阀 0.019 0.0250 0.0030 0.0058
0.0022 0.0188 0.0107 0.1580 0.1358 0.0692 0.0558 0.0820 0.0338
钢铁991018
往友钻杆
0.0004 0.0002 0.0016
成都套管
0.0027 0.0087 0.0074
鞍山油管
0.0020 0.0066 0.0021
某厂铸阀 0.030 0.1300 0.0210 0.0070
某厂铸阀 0.016 0.0530 0.0750 0.0078
某厂钻杆接头 0.023 0.0190 0.0430 0.0072
锆
锑
镁
钙
铌
表1中第一类元素的氧化势低于铁，即在炼钢时的氧化反应将不涉及这些元素，结果这些残余元 素将全部积存在最终的钢铁产品中。第二类残余元素的氧化势与铁接近，在炼钢的吹炼过程中，其中 一部分将被氧化除去，在钢水中残存的部分将取决于它们在钢水和炉渣的成分，两者确定了残余元素 在钢水和炉渣中的分配因数。第三类元素的氧化势要高于铁，在钢水吹炼过程中，它们首先被氧化进 入渣相中除去，一般不能进入钢水。因此，钢中的残余元素问题，实际上只有第一类和第二类所含的 15种金属或非金属元素，其中8种元素为全保留元素，7种元素为部分保留元素。 在世界范围内，钢中残余元素增加最快的是铜，除一部分耐大气腐蚀废钢含有少量的铜(铜含量 可达1.5 %)外，铜主要是由汽车废钢进入炼钢炉的，据估计目前炼钢厂混合废钢中世界平均含铜量大 约在0.3 %左右，镍、钼、钨、钴、铬主要来自废钢中的合金钢，其含量多少取决合金钢的来源及所 占比例。锡是钢中极为有害的残余元素之一。对国内外部分钢铁产品中的锡、锑、砷等含量水平进行 实物解剖分析(表2)发现，与国外产品相比，国内部分钢铁产品中，这些残量元素的含量相当高，这 与国内部分钢厂对钢中残余锡、锑、砷未加控制有关。由表2比较国内这些钢材的Sn+Sb+As元素的总 量比日本钢材平均高1.5～72倍。其中砷含量大体相当。波动主要来源于锡含量。钢中的残余锑和砷主 要来源于原生铁矿，当含有这些杂质的废钢进入循环使用时，它们可以被稀释，但残量将在钢中逐渐 积累。钢中的氢和氮主要来源于炼钢时的车间气氛，其含量主要取决于不同的钢种成分和炼钢工艺。
3 残余元素对钢材高温塑性的影响
在生产实践中，人们早已发现钢材的热加工性能与钢中的残余元素硫及铜含量有重要关系，钢中 这些残余元素含量一旦升高，钢的锻造性能或热轧性能将严重恶化，即所谓热脆现象。 由热力学数据可知，所有全保留残余元素在合适的氧化性气氛下加热，由于选择性氧化的结果， 均会富集于钢的表面。这由于伴随铁的氧化及氧的扩散过程，未发生氧化的残余元素将逐渐沉积于金 属基体与氧化皮的界面，钢材加热时间越长，氧化皮亦越厚，相应在表面富集的残余元素也将越多。 除了铜以外，大部分富集的残余元素会逐渐溶入钢材的表面形成富集层而不是形成低熔点液相。 然而，由于铜在钢中的溶解度低，生产中经常可以发现钢表面有时可以形成一层沉积铜。如果钢的热 加工(锻造或热轧)温度在铜的熔点(1083 ℃)以上则表面沉积的这层铜将形成液膜，将润湿钢的表面并 沿晶界向钢内部浸润，最后导致严重的铜裂，这是目前已发现的最严重的加工热脆性机制之一。铜在 钢表面富集的程度，取决于钢中的残铜量和钢坯加热时的氧化程度，对传统的铸锭工艺，钢材从开坯 到最后成型一般至少要经二次高温加热时程，而当代连铸工艺中，连铸坯在步进式连续加热炉中长时 间的高温氧化条件都有助于产生铜脆现象。由于钢材的正常轧制和锻造温度区间一般在1000～1150 ℃，恰好落在铜的熔点范围。减轻铜脆的一个有效途径是提高铜合金的熔点，其中镍和钼最为有效， 如果钢中残余元素仅有铜，则只要残量大于0.35 %，在正常轧制条件下，轧坯表面即会出现严重的铜 裂；作为对比，如果钢中含少量镍或钼，其含量为铜含量的一半，则含铜0.75 %的钢也可以顺利地进 行热轧。反之，钢中残余元素锡、砷、锑均会降低铜的熔点从而加强铜脆敏感性。然而如果钢中没有 铜，这些残余元素在微量情况下，对钢材热塑性并未表现有显著影响。由Fe-Cu-C三元相图可见，钢 中碳含量越高，奥氏体中铜的溶解度越低，表现为铜脆敏感性也越高，此外，钢中碳含量较高，有助 于氧化下富集的铜层不发生氧化。 钢中硫含量过高时在热加工中亦会引起严重的热裂，但它不是从表面，而是从内部分生开裂，其 原因是生成液相的FeS，其熔点仅为816 ℃，这种低熔点相对钢奥氏体晶界有很好的润湿性，所以这种 热裂是一种沿晶裂纹，钢材热加工温度如低于816 ℃，FeS为固相则不存在热裂，反之如果热加工温度 高于1038 ℃，FeS将在铁中重溶，只有在816～1038 ℃区间，含硫钢才进入热脆区。钢中添加足够的 Mn元素，将与硫形成高熔点MnS，可有效降低或消除由硫引起的热脆。对普碳钢，钢中碳含量为0.2 %时，热脆最为严重，碳含量低于0.2 %或高于0.2 %均可使钢的热塑性提高。
表 1 钢水中残余元素按氧化势大小的分类
Table 1 Classification of the impurities in steel
by oxidation potential
完全保留
部分保留
完全除去
(氧化势小于铁) (氧化势与铁接近) (氧化势大于铁)
铜
硫
铅
镍
磷
锌
钴
锰
钒
砷
铬
钛
钨
碳
硅
钼
氢
铝
锡
氮
钢铁991018
氢
0.68
锡
0.50
铜
0.44
镍、钼
0.20
锰
0.16
钨
0.10
钴
0.10
铬
0.05
— 250～750 100～200
— — — — —
钢中第三组元对残余元素在晶界偏析的影响很大，根据Guttmann［4］的工作，镍、锰、铬、钒、 钨、钼、钛、锆对磷偏析的影响依序增强。而镍、铬对锑在钢中的偏析程度亦有相当加强。由于硅、 锰对残余元素在晶界偏析的影响很大，在现代超纯净钢概念中，已将硅、锰列入应控的杂质元素 ［5］，含量可控制在0.05 %以下。
元素名称 凝固偏析因数 晶界富集因数
硫
0.98
25000
磷
0.87
200～750
碳
0.87
10000
锑
0.80
1000
氮
0.72
—
Hale Waihona Puke 砷0.70250
file:///F|/qikan_htm抽取_2000before/kjqk(200810)/gt/gt99/gt9910/991018.htm（第 3／6 页）2009-12-31 18:41:18
NKK套管
0.0004 0.0004 0.0018 0.0026
川崎套管
0.0008 0.0003 0.0014 0.0025
川崎油管 0.0002 0.0006 0.0021 0.0029
川崎钻挺
＜0.0002 0.0018 0.0052 0.0072
file:///F|/qikan_htm抽取_2000before/kjqk(200810)/gt/gt99/gt9910/991018.htm（第 2／6 页）2009-12-31 18:41:18
IMPURITIES IN STEEL AND THEIR INFLUENCE ON STEEL PROPERTIES
XIAN Aiping ZHANG Dun WANG Yikang
(The Chinese Academy of Science)
ABSTRACT This paper discusses briefly the behavior of residual elements in steel and their effect on property of steel.The contents include:the source of residual elements in steel;solidification segregation or grain boundary segregation of residual elements during casting or heat treatment;the effect of residual elements on the surface hotshortness,the second temper brittleness,the corrosion resistance,strain aging and inhibition on grain growth.At last,it is pointed out that the production clean steel should be one of important projects for China Steel Industry in the future. KEY WORDS steel,impurities,metallurgy,heat treatment
表 2 国内外钢材残余元素水平 Table 2 Comparison of impurities lever in steel %
钢材 P Sn Sb As Sn+Sb+As
新日铁套管
0.0006 0.0002 0.0016 0.0024
NKK钻杆
0.0004 0.0002 0.0022 0.0028
钢铁991018
钢铁
IRON & STEEL 1999年 第34卷 第10期 Vol.34 No.10 1999
钢中残余元素及其对钢性能的影响

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化学成分对不锈钢的组织和性能的影响

化学成分对不锈钢的组织和性能的影响

化学成分对不锈钢的组织和性能的影响1、铬（Cr）：铬是决定不锈钢耐腐蚀性能的主要元素。

2、碳（C）：碳具有双重作用。

碳是不锈钢中仅次于铬的第二号常用元素，不锈钢的组织和性能在很大程度上取决于碳含量及其分布状态。

3、镍（Ni）：镍是稳定奥氏体元素。

镍是不锈钢中第三号常用元素，它在钢中起扩大奥氏体区、稳定奥氏体组织的作用。

铬不锈钢加入一定量的镍后，组织的性能都发生明显变化。

镍能有效地降低素体钢的脆性，改善其焊接性能，但对抗应力腐蚀性能有不利的影响，对于奥氏体钢，镍能降低钢的冷加工硬化趋势，改善冷加工性能，使钢在常温和低温下均具有很高的塑性和韧性。

4、锰和氮（Mn、N）：锰和氮可以代替镍。

锰是奥氏体形成的元素，它能抑制奥氏体的分解，使高温形成的奥氏体组织保持到室温。

锰稳定奥氏体的作用为镍的1/2，2%的锰可以代替1%的镍。

含锰钢具有冷加工硬化效应显著、耐磨性高的优点。

缺点是对晶间腐蚀很敏感，并且不能通过加钛和铌来消除晶间腐蚀。

氮也是稳定奥氏体元素，氮和锰结合能取代比较贵的镍。

氮稳定奥氏体的作用比镍大。

与碳相当。

氮代镍的比例约为0.025：1，一般认为氮可取代2.5% ~6.5%的镍。

在奥氏体中氮也使最有效的固溶强化元素之一。

氮和铬的亲和力要比碳与铬的亲和力小，奥氏体钢很少见到Cr2N的析出。

因此，氮能在不降低腐蚀性能的基础上，提高不锈钢的强度，研制含氮不锈钢是近几年来不锈钢工业的趋势。

5、钛和铌（Ti、Nb）：钛和铌可以防止晶间腐蚀。

铬-镍奥氏体不锈钢在450~800 ℃温度区加热，常发生沿晶界的腐蚀破坏，成为晶间腐蚀。

一般认为，晶间腐蚀是碳从饱和的奥氏体以Cr23C6形态析出，造成晶界处奥氏体贫铬所致。

防止晶界贫铬是防止晶间腐蚀的有效方法。

如将各种元素按与碳的亲和力大小排列，顺序为：钛、锆、钒、铌、钨、钼、铬、锰。

钛和铌与碳的亲和力都比铬大，把它们加入钢中后，碳优先与它们结合生成碳化钛（TiC）和碳化铌（NbC），这样就避免了析出碳化铬而造成晶界贫铬。

概析钢的主要杂质元素的特性及影响

概析钢的主要杂质元素的特性及影响

概析钢的主要杂质元素的特性及影响引言随着我国社会各领域建设事业的如火如荼的进行，我国对各类自然资源的需求也在急剧的提升，尤其随着我国建筑工程、水利电力工程等基础设施领域的快速发展，我国对钢铁资源的需求总量，在近年来出现了巨大的增加。

同时由于各工程建设领域，对工程质量及安全性方面，提出了更高的要求，这也使得社会对工程建设材料，在性能及质量方面，提出了更高的要求，对钢铁材料的高要求就是其中典型的代表。

然而虽然近年来我国在钢铁冶炼技术工艺领域，取得了重大的突破，钢铁性能得到了极大的提升，然而在钢铁冶炼过程中，其存在的杂质难以有效去除的问题依旧存在。

由于其所用原材料，如铁合金，及废钢等中含有大量的金属和非金属杂质，而这些杂质虽然在冶炼过程中，能够去除一部分，但是其中仍然有部分杂质难以去除，并保留在钢铁成品中，如磷（P）元素、硫（S）元素，以及砷（As）元素、锑（Sb）元素等微量元素，而这些元素中有部分残余元素，其具有偏析特点（偏析是合金中各组成元素在结晶时分布不均匀的现象，致使钢材的材质不均匀，进而产生缺陷，影响其力学性能，如承载力，塑性性能等），其含量虽少，但其对钢铁产品性能的影响却非常大，因而其极大的影响着钢铁性能的稳定，阻碍着钢铁质量的提高。

加大对钢中主要杂质元素的特性及影响的相关研究，有着积极意义。

下文将就钢中主要杂质元素的特性进行分析，在此基础上，对钢中主要杂质元素对其的影响进行详细的探讨。

1.钢中主要杂质元素的特性1.1钢铁中杂质元素的主要来源在钢铁冶炼过程中，由于其冶炼原材料中包含多种金属及非金属杂质，而由于缺乏相应的分离提纯技术，加之冶炼过程不可避免会残存部分杂质，使得当前我国钢铁产品中，或多或少的都会具有一定的杂质含量，诸如磷（P）元素、硫（S）元素等。

具体来说，钢中杂质元素的主要来源，可以从钢铁冶炼所需要的原材料方面着手进行分析。

在钢铁冶炼中，其主要原材料有生铁、铁矿石、废钢等。

特别说明下废钢，废钢是电炉炼钢的主要原料。

影响钢材力学性能的因素2

影响钢材力学性能的因素2

2.3影响钢材力学性能的因素影响钢材力学性能的因素有：化学成分冶金和轧制过程时效冷作硬化温度应力集中和残余应力复杂应力状态1.化学成分钢的基本元素为铁（Fe），普通碳素钢中占99%，此外还有碳（C）、硅（Si）、锰（Mn）等杂质元素，及硫（S）、磷（P）、氧（O）、氮（N）等有害元素，这些总含量约1%，但对钢材力学性能却有很大影响。

碳：除铁以外最主要的元素。

碳含量增加，使钢材强度提高，塑性、韧性，特别是低温冲击韧性下降，同时耐腐蚀性、疲劳强度和冷弯性能也显著下降，恶化钢材可焊性，增加低温脆断的危险性。

一般建筑用钢要求含碳量在0.22%以下，焊接结构中应限制在0.20%以下。

硅：作为脱氧剂加入普通碳素钢。

适量硅可提高钢材的强度，而对塑性、冲击韧性、冷弯性能及可焊性无显著的不良影响。

一般镇静钢的含硅量为0.10%～0.30%，含量过高（达1%），会降低钢材塑性、冲击韧性、抗锈性和可焊性。

锰：是一种弱脱氧剂。

适量的锰可有效提高钢材强度，消除硫、氧对钢材的热脆影响，改善钢材热加工性能，并改善钢材的冷脆倾向，同时不显著降低钢材的塑性、冲击韧性。

普通碳素钢中锰的含量约为0.3%～0.8%。

含量过高（达1.0%～1.5%以上）使钢材变脆变硬，并降低钢材的抗锈性和可焊性。

硫：有害元素。

引起钢材热脆，降低钢材的塑性、冲击韧性、疲劳强度和抗锈性等。

一般建筑用钢含硫量要求不超过0.055%，在焊接结构中应不超过0.050%。

磷：有害元素。

虽可提高强度、抗锈性，但严重降低塑性、冲击韧性、冷弯性能和可焊性，尤其低温时发生冷脆，含量需严格控制，一般不超过0.050%，焊接结构中不超过0.045%。

氧：有害元素。

引起热脆。

一般要求含量小于0.05%。

氮：能使钢材强化，但显著降低钢材塑性、韧性、可焊性和冷弯性能，增加时效倾向和冷脆性。

一般要求含量小于0.008%。

为改善钢材力学性能，可适量增加锰、硅含量，还可掺入一定数量的铬、镍、铜、钒、钛、铌等合金元素，炼成合金钢。

残余元素对钢性能的影响

残余元素对钢性能的影响

残余元素对钢性能的影响1碳它在钢中无论是作为间隙式溶解于铁里，还是碳化物析出，都是为了在一定的热处理条件下控制其显微组织的主要元素。

对于钢来说，碳是最为经济的强化元素，并且也是一直这么应用的。

不像软钢里的任何其他元素，它能够提高硬度却不会因此增加多少脆性。

碳会使钢的耐冲击性下降。

然而在进行电弧焊时，为了避免在其热影响区产生脆性，有必要将含碳量保持在某最大值之下。

为了在所要求的淬硬性和焊接性之间进行决定性的折中，常需要对钢的含碳量做出抉择，除了含碳量以外，还有其他途径可以控制这两种性能参数。

2硫它会通过“热脆性”影响钢的轧制质量，即在轧制的过程中产生裂纹并撕裂，会降低其焊接性。

硫的这种负面影响会随着含铜量的增加和浇铸温度的提高而增大，也会随着含锰量的增加而减小。

由于能断屑且不使切屑卷曲，故硫对钢的切削性是有益的。

硫在钢中大多作为长条形硫化物的夹杂物而存在，因此将降低其各向同性。

3磷“冷脆性” 或冷态条件下的脆性是由高含磷量所引起的，这还会在铸造时增加初始偏析的可能性，对于高含碳量这种效应还会更强。

磷在一定程度上能够提高钢的强度，尽管由于其他方面的负面影响而不这么利用。

与硫一样磷也有助于提高钢的易切削性。

为人熟知，磷在薄钢板轧制中能防止发生粘结。

如与铜配合使用，磷可改善钢在空气中的耐腐蚀性。

4硅高含硅量可提高钢的磁导率和增加其电阻。

它还能提高钢锭和其他一些铸件的致密性，因为它能阻止气泡和气孔的形成。

硅被发现能减缓铁素体的侵蚀速度。

硅有助于提高钢在大气中的耐腐蚀性，尤其是在酸性的环境里。

已经知道，硅会影响一些临界热点（相变温度），如Ac1 、Ac2 、Ar1 、Ar2 等（其定义可参见铁碳相图）。

一般来说，随着硅含量的增加，其塑性降低，而硬度、屈服点和抗拉强度得到提高。

硅还可显著降低石墨在铁中的溶解度。

5氮氮具有相当大的强化作用，并使钢变脆。

适量用于薄钢板可增加强度并保持较好的成形性。

氮能促使钢的淬火时效和应变时效，从而提高其硬度、屈服强度和抗拉强度，降低塑性，并提高其缺口冲击的转变温度。