钢铁种类概述及其化学成分分析的元素选择讨论

●　山西省产品质量监督检验研究院　廖雅倩

钢铁种类概述及其化学成分分析的元素选择讨论

●山西省产品质量监督检验研究院廖雅倩

钢铁的化学成分是影响其各种性质的直接因素，它的改变会直接改变钢铁的组织结构，从而影响其性能。所以，钢铁的化学成分是基础，在冶炼过程中应严格控制，使其达到所炼钢种的要求，为后期成型的产品达到该具备的使用性能做好基础。本文对钢铁种类进行概述，并按碳钢、合金钢、铸铁3大钢铁种类各选取一种日常生活生产中常见的产品进行化学成分分析的元素选择讨论。阐述了对于不同的钢种，在实验室分析中，化学成分分析的元素选择是有针对性的。

钢铁化学成分分析元素选择

化学成分作为钢铁研究的4要素（化学成分、组织结构、合成加工、性能）之一，有着非常重要的作用。钢铁的化学成分是影响其各种性质的直接因素，它的改变会直接改变钢铁的组织结构，从而影响其性能。所以，钢铁的化学成分是基础，在冶炼过程中就应严格控制，使其达到所炼钢种的要求，为后期成型的产品达到其该具备的使用性能做好基础。在实验室分析中，我们将严格分析和判定钢铁的化学成分质量分数。对于不同的钢种，在实验室分析中，化学成分分析的元素选择是有针对性的。

那么，下面先对钢铁种类进行概述，以便读者对钢铁有整体的认识，再讨论在实验室化学成分分析中的元素选择。

钢铁种类概述

钢铁按碳的质量分数大体可以分为3类：ω（C）＜0.021％为工业纯铁，0.021％＜ω（C）＜2.11％为碳钢、合金钢，ω（C）＞2.11％为铸铁。

1.纯铁

纯铁具有铁磁性，实际应用的纯铁含有少量杂质，称为工业纯铁。工业纯铁强度低、硬度低、塑性好，一般不作为结构材料使用，主要利用其铁磁性作为磁性材料使用。

2.碳钢

碳钢是以铁和碳元素为主，含有少量锰、硅、硫、磷、氧、氮等非特意加入元素的钢，其中碳是最主要的合金元素。

由于碳钢价格低廉、容易加工，而且在一般情况下能满足使用性能的要求，被广泛使用在工农业生产中。通常将碳钢分为：普通碳素结构钢、优质碳素结构钢、铸钢、碳素工具钢。

（1）普通碳素结构钢简称普碳钢

国家标准GB/T 700-2006《碳素结构钢》中规定了普碳钢的牌号有Q195、Q215、Q235、Q275。其中Q195、Q215、Q235普碳钢的塑性好，有一定的强度，通常轧制成钢板、钢筋、钢管等，可用于制造桥梁、建筑物等构件，也可用于制造螺钉、螺帽、铆钉等。Q275普碳钢强度较高，常轧制成型钢、钢板作构件用。

（2）优质碳素结构钢

国家标准GB/T 699-1999《优质碳素结构钢》中列出了钢的牌号，用碳的平均质量分数的万分数表示，如“20”，表示ω（C）在0.20％左右。对于沸腾钢，则在牌号后加“F”，如“08F”；若钢中锰的质量分数较高，则在牌号后加“Mn”，如“20Mn”。优质碳素结构钢主要用来制造各种机器零件。

（3）铸钢

牌号用“ZG”加数字表示，数字代表钢中碳的平均质量分数的万分数。如ZG25，表示ω（C）在0.25％左右的铸钢。铸钢可用来制造形状复杂的需要一定强度、塑性和韧性的零件，如齿轮、联轴器等重要机件。

（4）碳素工具钢

牌号用“T”加数字表示，数字代表钢中碳的平均质量分数的千分数。如T12，表示ω（C）在1.2％左右的碳素工具钢。碳素工具钢用来制造各种刃具、量具、模具等。

3.合金钢

在碳钢中特意加入一种或多种合金元素形成了合金钢。合金钢钢种繁多，按用途可分为结构钢、工具钢和特殊性能钢等三大类。

（2）合金工具钢是专用于制造各种加工工具的钢种，包括刃具钢、模具钢和量具钢等。

（3）特殊性能钢是指具有特殊物理、化学或力学性能的钢种，包括不锈钢、耐热钢、热磨钢等。

4.铸铁

普通铸铁是碳的质量分数大于2.11％的铁碳合金，通常含有较多的Si、Mn、S、P等元素。铸铁大体分为两大类：白口铸铁和非白口铸铁。一般根据石墨的形态对非白口铸铁进行分类为：灰口铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁、蠕墨铸铁。

（1）灰口铸铁

灰口铸铁分为普通灰口铸铁和孕育灰口铸铁，均用“HT★★★”表示，“HT”表示灰铁，后面加3位数字表示最低抗拉强度。如HT150，表示最低抗拉强度为150MPa的灰口铸铁。

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（2）可锻铸铁

可锻铸铁由白口铸铁通过退火处理得到，其强度、韧性和冲击韧度都较高，可以部分代替碳钢。一般有铁素体和珠光体两种基体，铁素体可锻铸铁的代号为“KT”，珠光体可锻铸铁的代号为“KTZ”，其后的两组数字表示最低抗拉强度和伸长率。如“KT300-6”，表示最低抗拉强度为300MPa，最低伸长率为6％的铁素体可锻铸铁。

（3）球墨铸铁

球墨铸铁是一种高强度铸铁，其综合力学性能与钢相近，铸造性能较好，成本低廉，生产方便，在工业中已得到广泛应用。球墨铸铁的牌号用“QT”标明，其后两组数字表示最低抗拉强度和伸长率。如“QT400-17”，表示最低抗拉强度为400MPa，最低伸长率为17％的球磨铸铁。

（4）蠕墨铸铁

蠕墨铸铁是近20年发展起来的一种新型高强铸铁。它的强度接近于球磨铸铁，并具有一定的韧度、较高的耐磨性，同时又有良好的铸造性能和导热性。蠕墨铸铁已开始在生产中应用，较成功的是用于汽缸套、汽缸盖、钢锭模、液压阀等铸件。

化学成分分析的元素选择讨论

在实验室分析中，我们将严格分析和判定钢铁的化学成分质量分数。对于不同的钢种，化学成分分析的元素选择是有针对性的。下面将按照钢种的不同，分别选取碳钢、合金钢、铸铁中的一个钢种进行举例，讨论在实验室化学成分分析中元素选择的针对性。

1.碳钢

低碳钢热轧圆盘条是目前用量最大，使用最广的线材，一般可用来拉丝。下面对材质为低碳钢的牌号Q195圆盘条进行化学成分元素选择分析。当Q195圆盘条用来拉丝时，会出现断丝或不能拔太细的现象，从这一现象可以看出盘条的脆性高、塑性太低。

首先考虑检测盘条的化学成分P质量分数。P是一种有害杂质元素，具有很强的固溶强化作用，能提高钢铁的强度和硬度，但会剧烈降低钢铁的韧性，尤其是低温韧性。P质量分数高，会使得盘条出现韧性低、脆性高，容易断丝现象。

其次，考虑检测盘条的化学成分C质量分数，C是碳钢中的主要合金元素，所有碳钢的常温平衡组织都是铁素体、渗碳体组成。由于铁素体溶碳量很低，大部分的碳主要以渗碳体的形式存在，C质量分数越高，室温平衡组织中的渗碳体质量分数越大，能提高硬度和强度，但塑性却随之下降。所以Q195圆盘条的C质量分数要控制在一定范围，C质量分数太高会导致塑性降低，容易断丝或不能拔太细。

2.合金钢

不锈钢是特殊性能合金钢的一种，是指在大气和一般腐蚀介质中具有很高耐蚀性的钢种。不锈钢在石油、化工、宇航、海洋开发、国防工业和一些尖端科学技术以及日常生活中都广泛应用。对不锈钢最主要的要求是耐蚀性。下面对低压流体输送用不锈钢钢管的生锈腐蚀进行化学成分元素选择分析。

首先考虑检测不锈钢管的化学成分Cr、Ni质量分数。Cr、Ni是不锈钢中加入的主要合金元素。Cr能提高基体的电极电位，是铁素体形成元素，当Cr质量分数超过12.7％时，可使钢呈单一的铁素体组织。Cr在氧化性介质（如水蒸汽、大气、海水、氧化性酸等）中极易钝化，生成致密的氧化膜，使钢的耐蚀性大大提高。Ni可获得单相的奥氏体组织，显著提高耐蚀性并改善钢的塑性，或形成奥氏体-铁素体组织，通过热处理，提高钢的强度。Cr、Ni都是提高不锈钢耐蚀性的主要合金元素，其质量分数低则降低不锈钢管的耐蚀性，易造成生锈腐蚀。

其次考虑检测不锈钢管的化学成分C质量分数。耐蚀性要求越高，碳的质量分数应越低。C与Cr能形成碳化物在晶界析出，使晶界周围基体严重贫Cr，当Cr贫化到耐蚀所必需的最低质量分数（约12％）以下时，贫Cr区迅速被腐蚀，造成沿晶界发展的晶间腐蚀。所以要控制C质量分数，C质量分数太高易造成晶间腐蚀。

3.铸铁

铸铁采暖散热器由于经久耐用在北方地区运用很广泛。铸铁采暖散热器的材质为灰口铸铁，在生产中部分散热器片试压后出现渗透现象。下面对灰口铸铁采暖散热器的试压渗透现象进行化学成分元素选择分析。

首先考虑检测灰口铸铁采暖散热器的化学成分C、Si质量分数。在灰口铸铁的生产中主要是控制C、Si质量分数。C、Si强烈地促进石墨化，其质量分数过低时，易出现白口组织，力学性能和铸造性能都较差；其质量分数过高时，石墨片过多且粗大，甚至在铁水的表面出现石墨漂浮，降低铸件的性能和质量。C、Si质量分数偏低或偏高，都会影响最终产品灰口铸铁采暖散热器的性能，易造成产品的偏析、渗透等缺陷。

其次考虑检测灰口铸铁采暖散热器的化学成分S质量分数。S是有害元素，它强烈促进白口化，并使铸造性能和力学性能恶化。S与Fe形成低熔点的组织，沿晶界分布。S质量分数偏高，会影响灰口铸铁采暖散热器的质量，易造成产品的夹杂、渗透等缺陷。

总结

综上所述，对于不同的钢种，在实验室分析中，化学成分分析的元素选择是有针对性的。应根据不同钢种中化学成分在其中的形成组织和作用的不同进行有针对性的选择分析，从而在生产中进行化学成分质量分数的调整，使其达到所炼钢种的要求，改善成型钢产品的性能。