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郑州槽钢:碳素钢的介绍

含碳量小于2.11%、含有少量常存元素的铁碳合金称为碳素钢,简称碳钢。碳钢容易冶炼,价格低廉,易于加工,具有良好的力学性能,因而在机械制造中应用最为广泛。

一、常存元素对碳钢性能的影响

实际使用的碳钢并不是单纯的铁碳合金,其中还含有少量的锰、硅、硫、磷等杂质元素,这些元素是在冶炼过程中由炼钢原料带入的,通常称为常存元素,它们的存在会对钢的性能带来一定的影响。

1.锰的影响

锰在钢中是有益元素。锰主要是炼钢时用锰铁脱氧而残留在钢中的。在碳钢中大部分锰溶入铁素体,形成置换固溶体,起到固溶强化的作用,提高了钢的强度和硬度;此外,锰能与硫形成MnS,从而减轻硫的有害作用。

锰在碳钢中含量一般为0.25%~0.8%,对碳钢性能的影响不显著,在较高含锰量钢中,将锰的含量适当提高到0.90%~1.20%时,可起到一定的强化作用。

2.硅的影响

钢中的硅也是来自于生铁和脱氧剂,在钢中也是一种有益的元素。其含量一般在0.4%以下,硅和锰一样能溶入铁素体中,产生固溶强化,使钢的强度、硬度提高,塑性和韧性降低。当硅含量不多、在碳钢中仅作为少量杂质存在时,对钢的性能影响不显著。

3.硫的影响

硫是由生铁和炼钢燃料带入的杂质元素,在钢中是一种有害的元素。硫在钢中不溶于铁,而与铁化合形成化合物FeS,FeS与Fe能形成低熔点共晶体,熔点仅为985℃,且分布在奥氏体的晶界上。当钢材在1000℃~1200℃进行压力加工时,由于共晶体熔化会使钢沿着奥氏体晶界开裂而变脆,这种现象称为“热脆”,为此,钢中硫的含量必须严格控制。在钢中增加锰的含量,使之与硫形成熔点为1620℃的MnS,可消除硫的有害作用,避免热脆现象。

4.磷的影响

磷是由生铁带入钢中的有害杂质元素,磷在钢中能全部溶入铁素体,使钢的强度、硬度有所提高,但却使常温下钢的塑性、韧性急剧降低,使钢变脆,这种情况在低温时更为严重,称为冷脆。一般希望冷脆转变温度低于工件的工作温度,以免发生冷脆。而磷在结晶过程中,由于容易产生晶内偏析,使局部区域含磷量偏高,导致冷脆转变温度升高,从而发生冷脆。冷脆对在高寒地带和其他低温条件下工作的结构件具有严重的危害性,此外,磷的偏析还会使钢材在热轧后形成带状组织。

在钢中要严格控制磷的含量,一般钢中含磷量应小于0.045%。但含磷量较多时,由于脆性较大,在制造炮弹钢以及改善钢的切削加工性方面则是有利的,例如,有利于在切削时形成断裂切屑,从而提高切削效率和减少对刀具的磨损,这种易切削钢主要用于自动机床上生产批量大、受力不大的零件。

二、碳钢的分类

常用的碳钢分类方法主要有以下三种。

1.按钢的含碳量分类

1)低碳钢:含碳量≤0.25%;

2)中碳钢:含碳量0.25%~0.60%;

3)高碳钢:含碳量≥0.60%。

2.按钢的质量分类

根据钢中所含有害元素硫、磷的多少来分,碳钢可分为:

1)普通钢:含硫量≤0.05%,含磷量≤0.045%。

2)优质钢:含硫量≤0.035%,含磷量≤0.035%。

3)高级优质钢:含硫量≤0.025%,含磷量≤0.025%。

3.按钢的用途分类

1)结构钢,用于制造各种工程构件(如桥梁、船舶、建筑用钢)和机器零件(如齿轮、轴、螺栓、连杆等)。这类钢的含碳量一般小于0.7%。

2)工具钢,主要用于制造各种刀具、量具、模具。含碳量较高,一般大于0.7%。

三、碳素钢的牌号表示方法

我国钢的牌号是用化学元素符号、汉语拼音字母和阿拉伯数字相结合的方法来表示。

1.碳素结构钢

碳素结构钢分为普通碳素结构钢和优质碳素结构钢两类。

(1)普通碳素结构钢

碳素结构钢的牌号由屈服强度的第一个汉语拼音字母“Q”、屈服强度数值、质量等级和脱氧方法四部分组成。

质量等级用符号A、B、C、D表示,按字母顺序,钢的质量由低到高,其中A、B、C级为普通质量钢,A级质量最低。D级的碳素结构钢为优质钢。

脱氧方法用符号F、b、Z、TZ表示,沸腾钢(钢在冶炼后期脱氧程度不完全的钢)用符号F表示;镇静钢(脱氧程度完全的钢)用符号Z表示;半镇静钢(脱氧程度介于沸腾钢和镇静钢之间)用符号Z表示;TZ是特殊镇静钢。Z与TZ符号在钢牌号中可予以省略,例如Q195-AF、Q235。常用的碳素结构钢的牌号、化学成分、力学性能及应用举例见表3-5。

表3-5 碳素结构钢的牌号、化学成分、力学性能及应用举例

(2)优质碳素结构钢

优质碳素结构钢的牌号用两位数字表示,这两位数字表示该钢平均含碳量的万分数。例如:08,60,分别表示平均含碳量为0.08%、0.6%的优质碳素结构钢。

优质碳素结构钢根据钢中含锰(Mn)量的不同,分为普通含锰量钢(Mn =0.35%~0.80%)和较高含锰量钢(Mn =0.7%~1.2%)两组。较高含锰量钢在牌号后面标出元素符号“Mn”或汉字“锰”,例如50Mn(或50锰)就表示平均含碳量为0.5%、较高含锰量的优质碳素结构钢;若为沸腾钢或为了适应各种专门用途的某些专用钢,则在表示含碳量的数字后面标出规定的符号。例如“10F”表示属于沸腾钢;“20g”表示锅炉用钢。优质碳素结构钢的牌号、化学成分、力学性能及应用举例见表3-6。

表3-6 优质碳素结构钢的牌号、成分、力学性能和用途

2.碳素工具钢

碳素工具钢的牌号以汉字“碳”的汉语拼音字母字头“T”再加数字表示。其中的“T”表示钢属于碳素工具钢,数字表示钢平均含碳量的千分数。若为高级优质碳素工具钢,则在牌号后面标以字母“A”,例如T12A就表示平均含碳量为1.2%的高级优质碳素工具钢。碳素工具钢的牌号、含碳量、性能和用途见表3-7。

表3-7 碳素工具钢的牌号、含碳量、性能和用途

在碳素工具钢中,T12、T13钢的含碳量高,经热处理后具有高的硬度和很好的耐磨性,但韧性较差。而对锉刀性能的要求主要是耐磨性好,韧性要求不太高,因此锉刀应选用含碳量高的T12、T13钢来制造。

3.铸造碳钢

(1)牌号

铸造碳钢是用“铸钢”两个汉字的汉语拼音字母字头“ZG”加两组数字组成,第一组数字代表屈服强度值,第二组数字代表抗拉强度值。如:ZG270-500表示屈服强度不小于270 MPa、抗拉强度不小于500 MPa的铸造碳钢。

(2)性能和用途

有些大型零件或形状复杂的零件,很难用锻造或机械加工的方法制造,而且力学性能要求较高,不能用铸铁来铸造。如图3-16所示的大型齿轮、连杆臂、摇臂等,这些零件一般采用铸造碳钢来制造。铸造用碳钢一般用于制造形状复杂、力学性能要求较高或尺寸较大的机械零件。不同牌号的铸造碳钢,力学性能不同,用于制造受力不同的零件。

图3-16 用铸钢制造的零件

(a)大型齿轮;(b)连杆臂;(c)摇臂

铸造碳钢的牌号、化学成分、力学性能及用途见表3-8。

表3-8 铸造碳钢的牌号、化学成分、力学性能及用途


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