黑色金属材料的特点与应用

黑色金属是指钢铁材料。由于铁矿在地壳中储藏量很大，冶炼也比较方便，特别是钢铁具有很多良好的性能，因此在工业上应用得非常广泛。

钢和铁都是以铁和碳为主要元素组成的合金。碳元素的质量分数小于2.11%的铁碳合金称为钢，碳元素的质量分数大于2.11%的铁碳合金称为铁（通常铁中碳元素的质量分数<4%）。钢、铁中除含碳外，还含有少量的Si、Mn、S、P等元素，为了改善钢的性能，冶炼过程中会有意向钢中加入一些其他的特殊元素，如Si、Mn、Mo、W、V、Ti、Cr、Al、Ni等，所得到的钢称为合金钢。

1.钢的分类

钢的分类方法很多，为了便于了解和选用，现介绍下列两种方法：

2）按用途分类，是在工业中最常用的一种分类方法。按这种方法，钢可以分为以下几种：

①结构钢。主要用来制造工程结构体或机器零件等。结构钢应具备良好的可加工性和较高的力学性能。优质碳素钢或优质及高级优质合金钢都叫做结构钢，大多数结构钢在应用时都需经过热处理。

②工具钢。用来制造切削工具、模具、冲压工具和量具。这类钢是C元素的质量分数>0.65%～0.75%的优质和高级优质碳素钢或合金钢。这类钢在应用时一定要经过热处理。

③特殊用途钢。这类钢具有与它的用途相适应的某些特殊性能，如不锈钢、耐酸钢、耐热钢、抗氧化钢、耐磨钢等。这类钢全是优质合金钢。

钢的分类方法除上述两种外，还可以按炼钢的方法来分类，例如：用转炉炼出的钢叫转炉钢，用平炉炼出的钢叫平炉钢，前者成本较低，且易于冶炼。由于炼钢炉中的炉衬所用的耐火材料有酸性的和碱性的，钢又可分为酸性炼钢炉炼出的钢和碱性炼钢炉炼出的钢两类。在炼钢过程中需要进行脱氧，由于脱氧过程不同，钢还可分为沸腾钢（F）和镇静钢（Z），沸腾钢脱氧不彻底，因而质量比镇静钢差些。

钢材还有其他的分类方法，本书不一一详细介绍。

2.碳素钢

碳素钢在阀门制造上应用较多，这是因为碳素钢容易生产，价格低廉，并能满足低压、中压和高压阀门一般工况的要求，故当阀门的工作温度在425℃以下、工作介质为非腐蚀性介质时，一般都选用碳素钢作为制造阀门的材料。我国的碳素钢又分为碳素结构钢和碳素工具钢两种。

（1）碳素结构钢

碳素结构钢又分为普通碳素结构钢和优质碳素结构钢。

1）普通碳素结构钢。普通碳素结构钢按照标准GB/T 700—2006，钢的牌号由代表屈服强度的字母Q、屈服强度的数值、质量等级符号、脱氧方法符号4个部分按顺序组成；质量分A、B、C、D 4个等级；沸腾钢用F表示，镇静钢用Z表示。例如Q235AF即表示屈服强度（Q）为235MPa的A类沸腾（F）钢。普通碳素结构钢的化学成分（熔炼分析）符合表1-1的规定，钢材的拉伸和冲击试验结果应符合表1-2的规定。

表1-1 普通碳素结构钢的化学成分（GB/T 700—2006）

①表中为镇静钢、特殊镇静钢牌号的统一数字，沸腾钢牌号的统一数字代号如下：

Q195F——U11950；

Q215AF——U12150，Q215BF——U12153；

Q235AF——U12350，Q235BF——U12353；

Q275AF——U12750。

②经需方同意，Q235B的碳含量（质量分数）可不大于0.22%。

表1-2 普通碳素结构钢的拉伸和冲击强度（GB/T 700—2006）

①Q195的屈服强度值仅供参考，不作交货条件。

②厚度大于100mm的钢材，抗拉强度下限允许降低20N/mm²。宽带钢（包括剪切钢板）抗拉强度上限不作交货条件。

③厚度小于25mm的Q235B级钢材，如供方能保证冲击吸收能量合格，经需方同意，可不做检验。

2）优质碳素结构钢。优质碳素结构钢是含碳量小于0.8%（质量分数）的碳素钢。这种钢的硫、磷含量比普通碳素结构钢少，既要保证化学成分，同时又要保证力学性能。常用的优质碳素结构钢的牌号、化学成分和力学性能见表1-3、表1-4和表1-5的规定。

表1-3 优质碳素结构钢的化学成分（GB/T 699—1999）

（续）

注：表中所列牌号为优质钢。如果是高级优质钢，在牌号后面加“A”（统一数字代号最后一位数字改为“3”）；如果是特级优质钢，在牌号后面加“E”（统一数字代号最后一位改为“6”）；对于沸腾钢，牌号后面为“F”（统一数字代号最后一位数字为“0”）；对于半镇静钢，牌号后面为“b”（统一数字代号最后一位数字为“1”）。

表1-4 优质碳素结构钢的P、S含量（GB/T 699—1999）

表1-5 优质碳素结构钢的力学性能（GB/T 699—1999）

（续）

注：1.对于直径或厚度小于25mm的钢材，热处理是在与成品断面尺寸相同的试样毛坯上进行。

2.表中所列正火推荐保温时间不少于30min，空冷；淬火推荐保温时间不少于30min，70、80钢油冷，其余钢水冷；回火推荐保温时间不少于1h。

（2）碳素工具钢

碳素工具钢是制造切削工具、冲压工具和度量工具的材料。根据这些工具的工作条件，碳素工具钢应具有高的硬度和耐磨性以及一定的韧性。为了满足这些要求，这种工具钢在使用时必须要经过热处理。而为了能使钢在淬火后得到高的硬度，钢中必须要有较高的含碳量，而且在不同的温度回火后能得到应有的韧性。

碳素工具钢多是含碳量（质量分数）大于0.7%的碳素钢。其牌号和化学成分见表1-6。

表1-6 碳素工具钢的牌号和化学成分（GB/T 1298—2008）

注：高级优质钢在牌号后加“A”，其w（S）≤0.020%。

（3）合金钢(www.xing528.com)

钢中除了含有Fe、C、Si、Mn、S、P等元素外，为得到或改进钢的某些性能，钢中还会加入其他合金元素，如Ni、Cr、Mo、V、Ti、Al、Cu、Nb等。加入合金元素的钢以及w（Si）>0.5%或w（Mn）>0.8%的钢都叫做合金钢。在钢中加入合金元素的目的是为了改善钢的物理、化学和力学性能，或者使其具有耐热性、耐蚀性及良好的焊接性等特殊性能。

1）合金结构钢。为了制造各种阀门零件，应该根据阀门的不同工况及不同的性能要求，来选用不同的合金结构钢。

合金结构钢从其正火组织来看，多属于珠光体类。根据含C量的不同，合金结构钢大致可分为三大类：

①低碳合金结构钢（C的质量分数=0.10%～0.25%）。

②中碳合金结构钢（C的质量分数=0.30%～0.45%）。

③高碳合金结构钢（C的质量分数=0.50%～1.15%）。

2）合金工具钢（GB/T 1299—2000）。由于碳素工具钢的淬透性差，热处理时易于过热和变形，且制作的工具只能在200℃以下使用，所以对于切削速度较高的刀具，宜用合金工具钢来制造。根据自然资源情况，我国的合金工具钢主要是以Mn、Si、W、V等元素为基础的工具钢。由于工具钢的用途不同，因此所加入的合金元素也不同。常用的合金工具钢有以下几种：

①量具、刀具用钢，如9SiCr、8MnSi、9Cr2等。

②耐冲击工具用钢，如4CrW2Si、6CrMnSi2Mo1等。

③冷作模具钢，如Cr5Mo1V、9CrWMn、Cr4W2MoV等。

④热作模具钢，如5CrMnMo、5CrNiMo、5Cr4Mo3SiMnVAl。

⑤无磁模具钢，如7Mn15Cr2Al3V2WMo。

⑥塑料模具钢，如3Cr2Mo、3Cr2MnNiMo。

3）高速工具钢（GB/T 9943—2008）。为了提高机床的切削效率，以提高生产率，就必须提高切削速度，加大进刀量或走刀量，这样在切削过程中就会产生大量的热，从而使刃具刃口的温度升高。一般的工具钢（包括合金工具钢）当温度高到300℃以上时，它的硬度就会显著降低，甚至使切削过程不能继续进行。这个问题在过去一直没有办法解决，直到1900年，人们发现在含碳量较高的钢中加入大量的钨、铬和钒等合金元素，可使钢具有热硬性。用这种钢制成的刃具经过热处理后，即使温度接近600℃，仍能保持足够的硬度和耐磨性，并且能以较高的切削速度进行切削。这种钢叫做高速工具钢。常用的高速工具钢的牌号有：W18Cr4V、W4Mo3Cr4VSi、W2Mo8Cr4V、W12Cr4V5Co5、W6Mo5Cr4V4等。

4）不锈钢和耐热钢。钢中加入大量的铬和镍等合金元素后，能够和空气中的氧作用形成一层非常致密的氧化薄膜。这种薄膜可以保护金属，即防止钢材被空气或其他腐蚀性介质腐蚀。这种钢就是不锈钢（有的还可作为耐热钢）。不锈钢按其显微组织可分为三类：

①铁素体型不锈钢和耐热钢。这是一种含碳量很低的高铬钢。由于含碳量低，所以它的组织是铁素体。这类钢的塑性很好，可以用来制作高、中压阀门的零件、螺栓、螺母等。常用的铁素体型不锈钢和耐热钢的化学成分见表1-7。经退火处理的铁素体型不锈钢和耐热钢的力学性能见表1-8。

表1-7 铁素体型不锈钢和耐热钢的化学成分（GB/T 20878—2007）

表1-8 经退火处理的铁素体型不锈钢和耐热钢的力学性能（GB/T 1220—2007）

②马氏体型不锈钢和耐热钢。为了使不锈钢具有一定的硬度，钢中的含碳量就必须较高。但碳和铬会形成碳化铬，降低铬在钢中分布的均匀性，从而导致钢的耐蚀性下降。为了使铬均匀地分布在钢中，可对钢进行淬火处理。钢在淬火后得到马氏体组织，不仅具有耐蚀性，同时也提高了钢的硬度。这类钢可用来制作高、中压阀门中的阀杆、阀瓣等零件，也可以制作弹簧、滚珠轴承等。常用的马氏体型不锈钢和耐热钢的化学成分见表1-9。马氏体型不锈钢和耐热钢的力学性能见表1-10。

表1-9 马氏体型不锈钢和耐热钢的化学成分（GB/T 20878—2007）

（续）

表1-10 马氏体型不锈钢和耐热钢的力学性能（GB/T 1220—2007）

③奥氏体型不锈钢和耐热钢。奥氏体型不锈钢是指在常温下具有奥氏体组织的不锈钢。为了提高不锈钢的耐蚀性，在钢中除了加入铬以外还会加入镍，目的是使钢在退火后得到的组织为少量碳化物+奥氏体。在淬火后得到的是奥氏体，一般全是在固溶处理后应用。如果钢中出现了碳化物，就会降低奥氏体中合金含量，也就降低了不锈钢的耐蚀性。为了解决这个问题，可降低钢中的含碳量或加入钛，碳减少了，铬无法形成碳化物。加入钛以后，钛首先与碳化合成碳化钛，也就不会形成碳化铬，钢的耐蚀性就不会降低了。奥氏体型不锈钢的耐蚀性很好，不但可以耐空气的腐蚀，还可以耐某些酸性介质的腐蚀，所以又叫做耐酸钢。这种钢可以用来做耐硝酸或醋酸等化工上应用的阀门零件，也可应用于化学工业中的储酸槽、换热器、吸收塔等，以及涂装行业中的高压锅、混合器和煤矿中的地下水泵等，还是制造原子能锅炉的重要材料。常用的奥氏体型不锈钢和耐热钢的化学成分见表1-11。奥氏体型不锈钢和耐热钢的力学性能见表1-12。

表1-11 奥氏体型不锈钢和耐热钢的化学成分（GB/T 20878—2007）

表1-12 奥氏体型不锈钢和耐热钢的力学性能（GB/T 1220—2007）

④奥氏体-铁素体型不锈钢和耐热钢。通常是指由奥氏体和铁素体共同组成的一类不锈钢。在奥氏体基体上含有体积分数≥15%的铁素体或在铁素体基体上含有体积分数≥15%的奥氏体均可称为奥氏体-铁素体型双相不锈钢。目前广泛应用的双相不锈钢中奥氏体和铁素体的体积分数各占5%。根据主体元素的类型，双相不锈钢可分为Cr-Ni和Cr-Mn-N两个系列。目前应用最多的是Cr-Ni系双相不锈钢。双相不锈钢兼有奥氏体型和铁素体型不锈钢的特性。与铁素体型不锈钢相比，双相不锈钢的塑韧性更高，无室温脆性，耐晶间腐蚀性和焊接性均显著提高，同时保持着475℃的韧-脆转变温度；与奥氏体型不锈钢相比，双相不锈钢的强度高（其屈服强度是奥氏体型不锈钢的2倍），耐蚀性也显著提高。常用的奥氏体-铁素体型不锈钢的化学成分见表1-13。奥氏体-铁素体型不锈钢的力学性能见表1-14。

表1-13 奥氏体-铁素体型不锈钢的化学成分（GB/T 20878—2007）

（续）

表1-14 奥氏体-铁素体型不锈钢的力学性能（GB/T 1220—2007）

⑤沉淀硬化型不锈钢和耐热钢。沉淀硬化型不锈钢是钢中含沉淀硬化元素（铜、铝、钛、铌）的铁铬镍合金，可通过热处理进行强化，具有高强度、足够的韧性和良好的耐蚀性。

沉淀硬化型不锈钢可分为马氏体、半奥氏体和奥氏体沉淀硬化型不锈钢三种类型。

沉淀硬化型不锈钢只有通过适当的热处理才能得到良好的综合力学性能。其热处理工艺复杂，只有按规定控制其热处理的温度、时间、冷却速度，才能达到理想的性能。常用的沉淀硬化型不锈钢和耐热钢的化学成分见表1-15，其时效处理状态下的力学性能见表1-16。

表1-15 沉淀硬化型不锈钢和耐热钢的化学成分（GB/T 20878—2007）

（续）

表1-16 沉淀硬化型不锈钢时效处理状态下的力学性能