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知识大讲堂.第一期——何为“碳钢”?

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在我们的生产过程中,碳钢是较为常见的防爆电器制造原材料。熟悉制造流程的人都有所了解,碳钢是碳素结构钢的简称,具备优秀的焊接性和稳定的冷成形性。今天就来为大家讲一讲,碳素结构钢的一些基本知识,以此加深生产制造人员在生产制造过程中对材质和工艺的理解。

碳钢的定义:
把含碳量小于
2.11%而不含有特意加入合金元素的钢称为碳素钢,简称碳钢。

常存元素对钢性能的影响

碳钢中除铁和碳两个主要元素外,炼钢原料总是存在一定的杂质,而且在冶炼过程还会带入一些杂质,如SiMnPS、非金属夹杂物及氧、氮、氢等气体。它们对钢的性能和质量有一定的影响。

1)锰(Mn)。锰主要来自炼钢脱氧剂。脱氧后残留在钢中的锰可溶于铁素体和渗碳体中,使钢的强度和硬度提高。此外,锰还与硫形成MnS,从而减轻硫对钢的有害作用。所以锰是钢中的有益元素,其含量一般为0.25%0.80%

2)硅(Si)。硅是炼钢后期,以硅铁脱氧剂进行脱氧反应后残留在钢中的元素。硅能溶于铁素体,对钢有一定的强化作用,所以硅是钢中的有益元素。但由于含量少,故其强化作用不大,一般应控制在0.17%0.37%之内。

3)硫(S)。硫是由生铁及燃料带入钢中的有害元素。它在钢中与铁生成化合物FeSFeS与铁形成共晶体(Fe+FeS),熔点低(985)。当钢材加热到10001200进行轧制或锻造时,沿晶界分布的共晶体已经熔化,各晶粒间连接被破坏,导致钢材开裂,这种现象称为热脆性。因此,硫是钢中的有害元素,其含量不得超过0.05%

4)磷(P)。磷是由生铁带入钢中的有害元素。磷部分溶解在铁素体中形成固溶体,部分在结晶时形成脆性很大的化合物Fe3P,使钢在低温下(一般为100以下)的塑性和韧性急剧下降,这种现象称为冷脆性。钢中含磷量达到0.10%时,冷脆性就很严重了。因此,磷是钢中的有害元素,一般钢中含磷量限制在0.04%以下。

5)非金属夹杂物。钢中的非金属夹杂物有氧化物、硫化物和硅酸盐等。这些夹杂物是炼钢反应产生而未能完全排除,或是从炉渣、炉体、铸锭设备等耐火材料中带入的。非金属夹杂物降低钢的强度、塑性,因而夹杂物越少,钢的质量越好。

碳钢的分类

1)按冶炼方法及设备分:a.平炉钢 b.转炉钢 c.电炉钢

2)按冶炼浇注时脱氧剂与脱氧程度分

a.沸腾钢:在冶炼末期和浇注前用锰铁和少量铝作脱氧剂进行轻微脱氧,使大量的氧留在钢液中;在浇入锭模后,钢中的氧与碳反应,产生大量CO气泡而引起钢液表面剧烈沸腾,故称为沸腾钢。

b.镇静钢:钢液浇注前相继用锰铁、硅铁和铝等脱氧剂进行充分脱氧,使钢液浇入锭模后凝固时没有CO气泡产生,锭模内钢液平静,故称为镇静钢。

c.连铸坯:钢液经过连铸机直接生产的钢坯叫做连铸坯。

d.半镇静钢:钢液脱氧程度不够充分,介于沸腾钢和镇静钢之间,浇注时产生轻微沸腾,钢的组织和性能也介于镇静钢和沸腾钢之间。

3)按含碳量分类

a.低碳钢:钢的碳含量wc<0.25%

b.中碳钢:钢的碳含量介于0.25%0.60%之间(wc=0.25%0.60%)。

c.高碳钢:钢的碳含量wc>0.60%

4)按碳钢的质量分类,这种分类方法主要根据碳钢中所含有害杂质SP的质量分数分类。

a.普通碳素钢:ws0.050%wp0.045%

b.优质碳素钢:ws0.035%wp0.035%

c.高级优质碳素钢:ws0.025%wp0.025%

d.优质碳素钢:ws0.015%wp0.025%

5)按钢的用途分类

a.碳素结构钢:主要用于制造各种机械零件和工程结构件,其含碳量一般都小于0.70%,属于低碳钢和中碳钢系列。

b.碳素工具钢:主要用于制造各种刀具、量具、模具。其含碳量一般大于0.70%,属于高碳钢范畴。

1.3碳素钢的牌号

1)普通碳素结构钢。这类钢冶炼容易、工艺性好、价廉,而且在力学性能上也能满足一般工程结构及普通机器零件的要求,所以应用很广。但钢中的SP和非金属夹杂物含量比优质碳素结构钢多,在相同含碳量及热处理条件下,其塑性、韧性较低,加工成形后一般不进行热处理,大都在热轧状态下直接使用,通常轧制成板材、带材及各种型材。

此类碳素结构钢的牌号是由代表屈服点的拼音字母“Q”和屈服点数值、质量等级符号及脱氧方法符号四个部分按顺序组成,如Q235A·F表示为屈服点为235N/mm2A级沸腾钢。一般简写为Q235

2)优质碳素结构钢。优质碳素结构钢的牌号是用两位数字表示该钢平均含碳量的万分之几,例如45表示平均含碳量为0.45%的优质碳素结构钢;08表示平均含碳量为0.08%的优质碳素结构钢。

优质碳素结构钢根据钢中含锰量的不同,分为普通含锰量钢(Mn<0.80%)和较高含锰量钢(Mn=0.70%1.20%)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65Mn表示平均含碳量为0.65%,平均含锰量为1%左右的较高含锰量的优质碳素结构钢。

如为沸腾钢,则在牌号后面加“F”字母,如08F15F等,分别表示为平均含碳量为0.08%的沸腾钢及平均含碳量为0.15%的沸腾钢,如为锅炉用钢则在数值后面加“g”,如平均含碳量为0.20%的锅炉用钢20g等。

牌号含义举例:

Q195:表示屈服点为195MPa的普通碳素结构钢;

15Mn:表示平均含碳量为0.15%左右,平均含锰量为1%左右的优质碳素结构钢;

3)碳素工具钢。碳素工具钢是用于制造刀具、模具和量具的钢。由于大多数工具钢要求高硬度和高耐磨性,故工具钢含碳量都在0.70%以上,都是优质钢和高级优质钢。

碳素工具钢的牌号以汉字“碳”或汉语拼音字母字头“T”加后面的阿拉伯数字表示,其数值表示平均含碳量的千分之几。若为高级优质钢,则在牌号的数字后面标以字母“A”。例如:

T8:表示平均含碳量为0.80%的碳素工具钢。

T8A:表示平均含碳量为0.80%的高级优质碳素工具钢。

根据制造工具性能的要求,锰在工具钢中含量为0.40%0.60%时,则工具钢的牌号在数字加“Mn”表示如T8Mn等。

4)铸造碳钢。铸造用碳钢一般用于制造形状复杂,力学性能要求较高的机械零件。由于零件形状复杂,很难用锻造或机械加工方法制造,由于力学性能要求较高,不能用铸铁来制造。铸造碳钢广泛用于重型机械的某些零件,如轧钢机架、水压机横梁、锻锤砧座等。

铸造碳钢的含碳量一般在0.20%0.60%之间,若含碳量过高,则钢的塑性差,而且铸造时容易产生裂纹。

铸造碳钢的牌号是用铸钢两字的汉语拼音字母字首“ZG”表示,后面加两组数字组成,第一组数字代表屈服点数值,第二组数字代表抗拉强度值,如ZG270-500表示屈服点为270MPa,抗拉强度为500MPa的铸造碳钢。还有牌号为:ZG200-400ZG310-570ZG340-640等。


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