November 3, 2022
のいくつかの特性を改善および強化するために鋼そして、合金元素と呼ばれる製錬プロセスで意図的に添加された元素をいくつかの特別な特性を得るようにします。一般的な合金元素は、クロム、ニッケル、モリブデン、タングステン、バナジウム、チタン、ニオブ、ジルコニウム、コバルト、シリコン、マンガン、アルミニウム、銅、ホウ素、希土類などです。リン、硫黄、窒素も合金として作用する場合があります。
(1) クロム(Cr)
クロムは鋼の焼入れ性を高め、二次硬化効果があり、鋼を脆くすることなく炭素鋼の硬度と耐摩耗性を向上させることができます。含有量が12％を超えると、鋼は高温での耐酸化性と耐食性に優れ、鋼の熱強度も増加します。クロムは、ステンレス鋼、耐酸鋼、耐熱鋼の主な合金元素です。
クロムは、圧延状態の炭素鋼の強度と硬度を向上させ、断面の伸びと収縮を減らすことができます。クロム含有量が15％を超えると、強度と硬度が低下し、それに応じて伸びと断面収縮が増加します。クロム鋼を含む部品は、研磨により高い表面加工品質を得やすいです。
焼戻し構造におけるクロムの主な役割は、焼入れ性を向上させることであり、焼入れ焼戻し後の鋼はより優れた包括的な機械的特性を持ち、浸炭鋼では炭化クロムを形成して、材料表面の耐摩耗性を向上させることもできます.
クロムを含むばね鋼は、熱処理中に脱炭しにくい。クロムは、工具鋼の耐摩耗性、硬度、硬度を向上させ、焼戻し安定性に優れています。クロムは、電熱合金の耐酸化性、耐性、および強度を向上させることができます。
(2) ニッケル
ニッケルはフェライトを強化し、鋼のパーライトを精製します。全体的な効果は強度を高めることですが、可塑性には大きな影響を与えません.一般的に言えば、一定量のニッケルは鋼の強度を向上させることができますが、焼戻し処理なしで圧延、正規化、または焼鈍した場合、低炭素鋼の靭性を大幅に低下させることはありません。統計によると、ニッケルが 1% 増加するごとに 29.4Pa の強度が向上します。ニッケル含有量の増加に伴い、鋼の降伏は引張強度よりも速く増加するため、ニッケル含有鋼の比率は通常の炭素鋼の比率よりも高くなります。ニッケルは鋼の強度を向上させることができますが、鋼の靭性、可塑性、およびその他のプロセス特性への損傷は、他の合金元素よりも少なくなります。中炭素鋼の場合、ニッケルがパーライト転移温度を下げるため、パーライトが薄くなります。ニッケルは共析点で炭素含有量を減らすため、同じ炭素含有量の炭素鋼よりもパーライトが多く、ニッケルを含むパーライト フェライト鋼は同じ炭素含有量の炭素鋼よりも高い強度を持ちます。逆に、鋼の強度が同じであれば、ニッケル含有鋼の炭素含有量を適切に減らすことができるので、鋼の靭性および可塑性を向上させることができる。ニッケルは鋼の耐疲労性を向上させ、ノッチに対する鋼の感受性を低下させることができます。ニッケルは、低温鋼にとって非常に重要な、低温鋼の脆性遷移温度を低下させます。ニッケル3.5%鋼は-100℃、ニッケル9%鋼は-196℃で使用可能です。ニッケルは鋼の耐クリープ性を向上させないため、一般に高温強度鋼の強化要素としては使用されません。
ニッケル含有量の多いFe-Ni合金の線膨張係数は、ニッケル含有量の増減により大きく変化します。この特性を利用して、非常に低い線膨張係数または一定の線膨張係数を持つ精密合金およびバイメタル材料を設計および製造できます。
また、鋼に添加されるニッケルは、耐酸性だけでなく、耐アルカリ性、耐雰囲気、塩分に対する耐食性も備えており、ニッケルはステンレス耐酸鋼の重要な元素の1つです。
(3)モリブデン(Mo)
鋼中のモリブデンは、焼入れ性と熱強度を改善し、焼戻し脆性を防ぎ、残留磁気と保磁力を高め、媒体によっては耐食性を高めることができます。
焼き戻し鋼では、モリブデンは、より大きな断面を持つ部品を深く焼き入れ、焼き入れ、鋼の耐火性または焼き戻し安定性を向上させることができるため、残留応力をより効果的に除去（または低減）するために、部品を高温で焼き戻すことができます。 、可塑性を向上させます。
浸炭鋼における上記の効果に加えて、モリブデンはまた、炭化物が浸炭層の粒界に連続的なネットワークを形成する傾向を減らし、浸炭層の残留オーステナイトを減らし、表面の耐摩耗性を相対的に高めることができます。層。
鍛造金型では、モリブデンは鋼の硬度を比較的安定させ、変形を増加させることもできます。割れや摩耗に対する耐性。
耐酸性ステンレス鋼では、モリブデンは有機酸（ギ酸、酢酸、シュウ酸など）、過酸化水素、硫酸、亜硫酸塩、硫酸塩、酸性染料、さらし粉などの耐食性をさらに向上させることができます。特に、モリブデンの添加により、塩化物イオンの存在によって引き起こされる点腐食傾向が防止されます。
モリブデンを約1%含有するW12Cr4V4Moハイス鋼は、耐摩耗性、焼戻し硬度、赤硬度を兼ね備えています。
(4)タングステン(W)
鋼中で炭化物を形成することに加えて、タングステンは部分的に鉄に溶解して固溶体を形成します。その作用はモリブデンに似ていますが、質量分率の計算によると、一般的な効果はモリブデンほど重要ではありません。鋼中のタングステンの主なサンプルは、炭化物の形成による焼戻し安定性、赤色硬度、熱強度、および耐摩耗性を高めることです。したがって、主に高速度鋼、熱間鍛造金型などの工具鋼に使用されます。鋼等々。
タングステンは、高品質のばね鋼に耐火炭化物を形成します。高温で焼戻しすると、炭化物の蓄積過程が緩和され、高温強度が維持されます。タングステンはまた、鋼の過熱に対する感受性を低下させ、硬化性を高め、硬度を高めます。熱間圧延後、65SiMnWA ばね鋼は空冷後に硬度が高くなります。断面50mm2のばね鋼は油焼入れが可能で、大きな荷重、耐熱性（350℃以下）、衝撃に耐える重要なばねとして使用できます。30W4Cr2VA高強度耐熱ばね鋼、焼入性大、1050～1100℃焼入れ、550～650℃焼戻し引張強さ1470～1666Pa。主に高温（500℃以下）条件下でのばねの製造に使用されます。
タングステンは合金工具鋼の主な元素であり、その添加により鋼の耐摩耗性と機械加工性が大幅に向上します。
(5)バナジウム(V)
バナジウムは、炭素、アンモニア、酸素と強い親和性を持ち、それらと安定な化合物を形成します。バナジウムは主に鋼中に炭化物の形で存在します。その主な機能は、鋼の構造と粒子を微細化し、鋼の強度と靭性を向上させることです。高温で固溶すると硬化性が高まります。逆に炭化物の場合は焼入れ性を低下させます。バナジウムは焼入れ鋼の焼戻し安定性を高め、二次硬化効果を発揮します。高速度工具鋼を除く鋼中のバナジウム含有量は、一般に 0.5% 以下です。
一般的な低炭素合金では鋼、バナジウムは結晶粒を微細化し、焼きならし後の強度と降伏比を高め、低温での鋼の溶接性能を向上させることができます。
一般的な熱処理条件による合金構造用鋼のバナジウムは焼入れ性を低下させるため、構造用鋼やマンガン、クロム、モリブデン、タングステンなどの元素によく使用されます。焼戻し鋼中のバナジウムは、主に鋼の強度と降伏比を改善し、結晶粒を微細化し、過熱の感度を高めます。浸炭鋼は結晶粒を微細化できるため、二次焼入れを行わずに浸炭後に直接焼入れすることができます。
ばね鋼と軸受鋼では、バナジウムは強度と降伏比、特に比例限界と弾性限界を改善し、熱処理中の脱炭感受性を低下させ、表面品質を改善します。バナジウムを含む5クロム軸受鋼、高炭酸化分散、優れた性能。
工具鋼中のバナジウムは結晶粒を微細化し、過熱感受性を低下させ、焼戻し安定性と耐摩耗性を高め、工具寿命を延ばします。
(6)チタン(Ti)
チタンは窒素、酸素、炭素との親和性が強く、鉄よりも硫黄との親和性が強いです。そのため、優れた脱酸剤であり、窒素や炭素を固定するのに有効な元素です。チタンは強力な炭化物形成元素ですが、他の元素と結合して複雑な化合物を形成することはありません。炭化チタンの結合力は強く、安定しており、分解しにくく、1000℃以上に加熱するだけでゆっくりと固溶体に溶けます。炭化チタン粒子は溶解前の粒成長を抑える効果があります。チタンと炭素の間の親和性はクロムと炭素の間の親和性よりもはるかに大きいため、鋼の粒界腐食を排除または低減するために、粒界でのクロム希釈を排除するために炭素を固定するためにチタンがステンレス鋼で一般的に使用されます。 .
チタンは強力なフェライト形成元素の 1 つであり、鋼の A1 温度と A3 温度を大幅に上昇させます。チタンは、一般的な低合金鋼の可塑性と靭性を向上させることができます。チタンは窒素と硫黄を固定し、炭化チタンを形成するため、鋼の強度が増します。結晶粒微細化を正規化した後、炭化物を析出させると、鋼の可塑性と衝撃靭性が大幅に向上します。チタンを含む合金構造用鋼は、優れた機械的特性とプロセス特性を備えていますが、主な欠点は、焼入れ性がわずかに悪いことです。
高クロムステンレス鋼では、通常、チタンの約5倍の炭素含有量を追加する必要があり、鋼の耐食性（主に粒界腐食抵抗）と靭性を向上させるだけではありません。また、高温での鋼の結晶粒成長傾向を防ぎ、鋼の溶接性能を向上させることができます。
(7) ニオブ/コルタン (Nb/Cb)
ニオブはコルタンやタンタルと共存することが多く、鋼におけるそれらの役割は似ています。ニオブとタンタルは一部固溶して固溶体を強化する。鋼をオーステナイトに溶解すると、鋼の焼入れ能力を大幅に向上させることができます。ただし、炭化物および酸化物粒子の形で、結晶粒を微細化し、鋼の焼入れ性を低下させます。鋼の焼戻し安定性を高め、二次硬化の効果があります。微量ニオブは、可塑性や靭性に影響を与えることなく鋼の強度を向上させることができます。結晶粒を微細化する効果により、鋼の衝撃靭性を向上させ、脆性遷移温度を下げることができます。含有量が炭素の8倍以上の場合、鋼中のほとんどすべての炭素を固定することができ、鋼は良好な耐水素性を有する.酸化媒体によるオーステナイト鋼の粒界腐食を防止することができます。炭素固定と析出硬化により、高温強度鋼の高温特性 (クリープ強度など) を向上させることができます。
ニオブは、降伏強度と衝撃靭性を改善し、建設に使用される一般的な低合金鋼の脆性遷移温度を下げることができます。浸炭焼戻し合金構造用鋼の焼入れ性を高めます。鋼の靭性と低温性能を向上させます。低炭素マルテンサイト系耐熱ステンレス鋼の空気硬化を低減し、焼入れ焼戻し脆性を回避し、クリープ強度を向上させることができます。
(8)ジルコニウム(Zr)
ジルコニウムは強力な炭化物形成元素であり、鋼における役割はニオブ、タンタル、バナジウムに似ています。少量のジルコニウムを添加すると、脱ガス、精製、結晶粒の微細化の効果があり、鋼の低温性能に有益であり、プレス性能を向上させます。ガスエンジンや弾道ミサイル構造用の超高強度鋼やニッケル基超合金の製造によく使用されます。
(9) コバルト
コバルトは主に特殊鋼や合金に使用されます。コバルトを含む高速度鋼は高温硬度が高く、モリブデンをマルテンサイト時効鋼に同時に添加して、超高硬度と優れた総合的な機械的特性を得ることができます。さらに、コバルトは高温強度鋼および磁性材料の重要な合金元素です。
コバルトは鋼の焼入れ性を低下させるため、炭素鋼を単独で追加すると、焼戻し鋼の全体的な機械的特性が低下します。コバルトはフェライトを強化することができ、炭素鋼に添加すると、焼鈍または焼きならし状態の鋼の硬度、降伏点、および引張強度を向上させることができ、伸びと断面収縮に悪影響を及ぼします。衝撃靭性は、コバルト含有量の増加とともに低下します。コバルトは耐酸化性があるため、耐熱鋼や合金に使用されます。コバルト基合金ガスタービンは、独自の役割を果たします。
