鋼中的殘余元素問題是冶金工業面臨的重要問題之一。在煉鋼過程中,煉鋼原料(包括鐵水、廢鋼及鐵合金等)會將大量雜質元素帶入煉鋼爐中。其中一部分雜質元素可以去除,但仍有一部分雜質元素將留在鋼中,這一部分雜質(非有意添加的合金元素)統稱為殘余元素。這些殘余元素是鋼材質量產生不穩定的主要因素之一。某些殘余元素易于偏析,即使其含量很低,也會對鋼材性能產生很強的負面作用。
如軸承鋼中的殘余鈦就是一個典型的案例。Ti易與N 反應產生高硬度夾雜物,極大影響軸承鋼的使用壽命。
將已知的一部分鋼中殘余元素按其氧化勢分為三類,如下表。它們在煉鋼過程中分別表現為完全保留、部分保留和極少保留。上表中,第一類元素的氧化勢低于鐵,在煉鋼時不參與氧化反應,最終幾乎全部積存在鋼鐵產品中。第二類殘余元素的氧化勢與鐵接近,在煉鋼的吹煉過程中,僅有一部分被氧化除去,其去除程度與元素本身特性有關。第三類元素氧化勢高于鐵,在鋼水吹煉過程中,它們首先被氧化進入爐渣中除去,僅剩余極少一部分進入產品中。因此,鋼中的殘余元素問題,實際上只有第一類和第二類所含的15種元素。其中8種元素為全保留元素,7種元素為部分保留元素。我國是一個共生鐵礦較多的國家,共生鐵礦中包括V、Ti、P、As、Sn、Sb、Re(稀土元素)等,在冶煉時帶入鋼材中。除了原生鐵礦帶入鐵水中的殘余元素以外,鋼水中的殘余元素最大來源是廢鋼,主要分為:(1)廢鋼中的合金鋼。目前煉鋼廠沒有經濟有效的技術,來分選合金鋼與普碳鋼,而在一些中、高合金鋼中含有種類繁多的合金元素。在鋼的再循環中,這些合金元素將作為殘余元素進入鋼中;
(2)廢鋼中的表面涂層或鍍層。其中產生問題最多的是鍍錫板,它是作為罐頭盒進入廢鋼循環的,其他的鍍層包括銅、鎳和鉻等;鍍鋅板也有廣泛應用,但鋅在煉鋼中可基本去除而無需考慮;(3)廢鋼原料中裹雜的有色金屬。最重要的有汽車廢鋼,其中夾雜一些微型電機,主要雜質為銅。市面上,殘余元素含量最多的是銅,銅主要是由汽車廢鋼進入煉鋼爐。據估計目前煉鋼廠混合廢鋼中平均含銅量大約在0.3%左右,具體含量多少取決于合金鋼的來源及所占比例。鋼中的殘余Sb和As主要來源于原生鐵礦,當含有這些雜質的廢鋼進入循環使用時,它們可以被稀釋,但殘量將在鋼中逐漸積累。鋼中的H和N主要來源于煉鋼時的車間氣氛,其含量主要取決于不同的鋼種成分和煉鋼工藝。許多殘余元素在鋼中是以偏析的形式存在并發揮作用的。多數殘余元素在鋼中均有較強的偏析能力;這種元素的偏析過程,既可以發生于鋼液的凝固過程,也可以發生于隨后的固態相變,但需要很長的擴散時間。在鑄錠的冒口部分主要偏析元素是S、P、C,其次是Sb、N、As、H、Sn元素。偏析形成夾雜后,這一部分材料的硬度也高于鑄錠的其它部份。相對于凝固偏析,殘余元素在固態相變、或加熱時,會產生晶界偏析,如鋼的第二類回火脆性主要是P、Sn、As、Sb晶界偏析引起的。① 8種全保留元素
Ni、Co、W、Mo可以提高鋼的淬透性,屬于有益元素;Cu一方面可以引起鋼材高溫熱加工時的銅脆,但另一方面又可以提高鋼材耐大氣腐蝕的能力;殘余元素Sn、As、Sb屬于有害元素,它不但在鋼中加強銅脆,更重要的是它會導致合金鋼的第二類回火脆性;Sn是鋼中極為有害的殘余元素之一,Sn會大大降低鋼及合金的高溫力學性能。② 7個部分保留元素
Cr能改善鋼的抗氧化性能,增加鋼的抗腐蝕能力和淬透性,但也會增加鋼的回火脆性;N有利于控制奧氏體的晶粒大小,但同時也會引起鋼的應變時效;鋼中的H是一種有害無益的元素,會導致白點、低合金高強度鋼內部產生裂紋等。
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