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更新時間: 2013-12-13

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主要指碳的質量分數小於2.11%而不含有特意加入的合金元素的鋼。有時也稱為普碳鋼或碳素鋼。   碳鋼也叫碳素鋼,指含炭量Wc小於2.11%的鐵碳合金。 碳鋼除含碳外一般還含有少量的硅、錳、硫、磷。

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1 碳鋼 -定義 

碳鋼
碳鋼

 主要指碳的質量分數小於2.11%而不含有特意加入的合金元素的鋼。有時也稱為普碳鋼或碳素鋼。碳鋼也叫碳素鋼,指含炭量Wc小於2.11%的鐵碳合金。 碳鋼除含碳外一般還含有少量的硅、錳、硫、磷。 工業上應用的碳素鋼碳含量一般不超過1.4%。這是因為含碳量超過此量后,鋼表 現出很大的硬脆性,並且加工困難,失去生產和使用價值。碳素鋼按其質量不同可分為普通碳素結構鋼和優質碳素結構鋼二類。優質碳素結構鋼規定硫、磷的允許含量比普通碳素鋼低 ,所以綜合機械性能比普通碳素鋼好。  

2 碳鋼 -分類

1、碳素鋼按化學成分(即以含碳量)可分為低碳鋼、中碳鋼和高碳鋼。 
(1) 低碳鋼
又稱軟鋼, 含碳量從0.10%至0.30%低碳鋼易於接受各種加工如鍛造, 焊接和切削, 常用於製造鏈條, 鉚釘, 螺栓, 軸等。 
(2) 中碳鋼
碳量0.25%~0.60%的碳素鋼。有鎮靜鋼、半鎮靜鋼、沸騰鋼等多種產品。除碳外還可含有少量錳(0.70%~1.20%)。按產品質量分為普通碳素結構鋼和優質碳素結構鋼。熱加工及切削性能良好,焊接性能較差。強度、硬度比低碳鋼高,而塑性和韌性低於低碳鋼。可不經熱處理,直接使用熱軋材、冷拉材,亦可經熱處理后使用。淬火、回火后的中碳鋼具有良好的綜合力學性能。能夠達到的最高硬度約為 HRC55(HB538),σb為600~1100MPa。所以在中等強度水平的各種用途中,中碳鋼得到最廣泛的應用,除作為建築材料外,還大量用於製造各種機械零件。 
(3)高碳鋼 
常稱工具鋼 , 含碳量從0.60%至1.70%, 可以淬硬和回火。錘, 撬棍等由含碳量0.75%的鋼製造; 切削工具如鑽頭, 絲攻, 鉸刀等由含碳量0.90% 至1.00% 的鋼製造。 
2、按鋼的品質可分為普通碳素鋼和優質碳素鋼。 
(1)普通碳素結構鋼 又稱普通碳素鋼,對含碳量、性能範圍以及磷、硫和其他殘餘元素含量的限制較寬。在中國和某些國家根據交貨的保證條件又分為三類:甲類鋼(A類鋼)是保證力學性能的鋼。乙類鋼(B類鋼)是保證化學成分的鋼。特類鋼 (C類鋼)是既保證力學性能又保證化學成分的鋼,常用於製造較重要的結構件。中國目前生產和使用最多的是含碳量在0.20%左右的A3鋼(甲類3號鋼),主要用於工程結構。 
有的碳素結構鋼還添加微量的鋁或鈮(或其他碳化物形成元素)形成氮化物或碳化物微粒,以限制晶粒長大,使鋼強化,節約鋼材。在中國和某些國家,為適應專業用鋼的特殊要求,對普通碳素結構鋼的化學成分和性能進行調整,從而發展了一系列普通碳素結構鋼的專業用鋼(如橋樑、建築、鋼筋、壓力容器用鋼等)。 
(2)優質碳素結構鋼 和普通碳素結構鋼相比,硫、磷及其他非金屬夾雜物的含量較低。根據含碳量和用途的不同,這類鋼大致又分為三類:①小於0.25%C為低碳鋼,其中尤以含碳低於0.10%的08F,08Al等,由於具有很好的深沖性和焊接性而被廣泛地用作深沖件如汽車、制罐……等。20G則是製造普通鍋爐的主要材料。此外,低碳鋼也廣泛地作為滲碳鋼,用於機械製造業。②0.25~0.60%C為中碳鋼,多在調質狀態下使用,製作機械製造工業的零件。③大於0.6%C為高碳鋼,多用於製造彈簧、齒輪、軋輥等。根據含錳量的不同,又可分為普通含錳量(0.25~0.8%)和較高含錳量(0.7~1.0%和0.9~1.2%)兩鋼組。錳能改善鋼的淬透性,強化鐵素體,提高鋼的屈服強度、抗拉強度和耐磨性。通常在含錳高的鋼的牌號后附加標記「Mn」,如15Mn、20Mn以區別於正常含錳量的碳素鋼。 
3、按用途則又可分為碳素結構鋼、碳素工具鋼。 
碳素工具鋼 含碳量在0.65~1.35%之間,經熱處理后可得到高硬度和高耐磨性,主要用於製造各種工具、刃具、模具和量具(見工具鋼)。 
碳素結構鋼按照鋼材屈服強度分為5個牌號: 
  Q195、Q215、Q235、Q255、Q275 
每個牌號由於質量不同分為A、B、C、D等級,最多的有四種,有的只有一;另外還有鋼材冶鍊的脫氧方法區別。 
脫氧方法符號: 
  F——沸騰鋼 
  b——半鎮靜鋼 
  Z——鎮靜鋼 
  TZ——特殊鎮靜鋼 

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3 碳鋼 -製造方法

碳素鋼的冶鍊通常在轉爐、平爐中進行。轉爐一般冶鍊普通碳素鋼,而 平爐可以冶鍊各種優質鋼。近年來氧氣頂吹轉爐鍊鋼技術發展很快,有趨勢可代替平爐鍊鋼。將煉好的鋼液注入鋼錠模,就得到各種鋼錠。鋼錠經過鍛壓或軋制后便加工成各種形狀的鋼材和鍛件。鋼錠經過壓力加工后,能夠改善鋼的內部組織和夾雜物分佈,所以同樣成分的鋼材要比鋼錠的性能優越一些。 

4 碳鋼 -化學成分

碳鋼
碳鋼
 碳素鋼的性能主要取決於鋼的含碳量和顯微組織。在退火或熱軋狀態下,隨含碳量的增加,鋼的強度和硬度升高,而塑性和衝擊韌性下降。焊接性和冷彎性變差。所以工程結構用鋼,常限制含碳量。 碳素鋼中的殘餘元素和雜質元素如錳、硅、鎳、磷、硫、氧、氮等,對碳素鋼的性能也有影響。這和影響有時互相加強,有時互相抵銷。例如:①硫、氧、氮都能增加鋼的熱脆性,而適量的錳可減少或部分抵銷其熱脆性。②殘餘元素除錳、鎳外都降低鋼的衝擊韌性,增加冷脆性。③除硫和氧降低強度外,其他雜質元素均在不同程度上提高鋼的強度。④幾乎所有的雜質元素都能降低鋼的塑性和焊接性。 
氫在鋼中能造成很多嚴重缺陷,如產生白點、點狀偏析、氫脆、表面鼓泡和焊縫熱影響區內的裂縫等。為保證鋼的質量,必須儘可能降低鋼中氫的含量(見應力腐蝕斷裂和氫脆)。脫氧帶入的殘餘元素如鋁,可減小低碳鋼的時效傾向,還可以細化晶粒,提高鋼在低溫下的韌性,但余量不宜過多。由爐料中帶入的殘餘元素如鎳、鉻、鉬、銅等,含量高時可提高鋼的淬透性,但對要求具有高塑性的專用鋼,如深沖用鋼板,則是不利的。 

5 碳鋼 -加工性能

碳素鋼目前大都採用氧氣轉爐和平爐冶鍊,優質碳素鋼也採用電弧爐生產。根據鍊鋼過程脫氧程度的不同,碳素鋼可分為鎮靜鋼、沸騰鋼和介於兩者之間的半鎮靜鋼。冶鍊方法對鋼的性能影響,主要是通過鋼的純凈度而起作用的。近年來人們通過真空處理、爐外精鍊和噴吹技術等,都可獲得更高純凈度的鋼,從而顯著改善了碳素鋼的品質。 
碳素鋼的塑性加工工藝通常分熱加工和冷加工。經過熱加工,鋼錠中的小氣泡、疏鬆等缺陷被焊合起來,使鋼的組織緻密。同時,熱加工可破壞鑄態組織、細化晶粒。使鍛軋的鋼材比鑄態具有更好的力學性能。經冷加工的鋼,隨著冷塑性變形程度增大,強度和硬度增加,塑性和韌性降低。為提高成材率,廣泛應用連續鑄鋼工藝。 

6 碳鋼 -時效處理

低碳鋼的時效通常有淬火時效和應變時效兩種,都是由間隙元素作用引起的,主要是由於碳、氮、氧的重新分佈所造成。 
淬火時效 即鋼由高溫快速冷卻后性能隨時間而變化的現象。鋼中含碳量、脫氧程度和含氮量對淬火時效都有很大影響。低碳鋼、脫氧不充分的沸騰鋼和含氮量較高的鋼發生淬火時效最顯著。含碳約0.3%的中碳鋼,由淬火時效所引起的性能變化已大為減弱。含碳約0.6%的高碳鋼,實際上不起時效硬化作用(見金屬熱處理)。 
應變時效 經冷加工變形后的性能隨時間而變化的現象。碳和氮對應變時效的影響,與對淬火時效的影響相似,磷也促進應變時效。低碳鋼因冷變形而消失的屈服點,隨時間的延長而逐漸恢復。應變時效比淬火時效更為複雜。如鋼材經淬火后再進行冷加工,無論在室溫或稍高溫度下,均將加速其應變時效。 
碳素鋼的時效常給工業生產帶來很大危害,例如沸騰鋼焊接后,由於時效使焊接接頭熱影響區出現細小裂紋,嚴重影響焊接結構的安全性。但由於近代冶金技術的發展,和在工業生產中的應用,尤其是氧氣轉爐鍊鋼能獲得更低的氮、氧含量,因此時效問題有所減輕。 

7 碳鋼 -用途

碳鋼
碳鋼
 Q195 用於製造承載較小的零件、鐵絲、鐵圈、墊鐵、開口銷、拉杆、衝壓件以及焊接件等。 
Q215 A 用於製造拉杆、套圈、墊圈、滲圈、滲碳零件以及焊接件等。 
Q235 A A、B級用於製造金屬結構件、心部強度要求不高的滲碳件或碳氮共滲件、拉杆、連桿、吊鉤、車鉤、螺栓、螺母、套筒、軸以及接件;C、D級用於製造重要的焊接結構件。 
Q255 A 用於製造轉軸、心軸、吊鉤、拉杆、搖桿、楔等強度要求不高的零件。此負焊接性尚可。 
Q275 用於製造軸類、鏈輪、齒輪、吊鉤等強度要求高的零件。 

8 碳鋼 -相關產品的激光焊接

   1、碳鋼及普通合金鋼的激光焊接。
  總的說,碳鋼激光焊接效果良好,其焊接質量取決於雜質含量。就象其它焊接工藝一樣,硫和磷是產生焊接裂紋的敏感因素。
  為了獲得滿意的焊接質量,碳含量超過0。25時需要預熱。當不同含碳量的鋼相互焊接時,焊炬可稍偏向低碳材料一邊,以確保接頭質量。
  低碳沸騰鋼由於硫、磷的含量高,並不適合激光焊接。低碳鎮靜鋼由於低的雜質含量,焊接效果就很好。
  中、高碳鋼和普通合金鋼都可以進行良好的激光焊接,但需要預熱和焊后處理,以消除應力,避免裂紋形成。
  2、不鏽鋼的激光焊接。
  一般的情況下,不鏽鋼激光焊接比常規焊接更易於獲得優質接頭。由於高的焊接速度熱影響區很小,敏化不成為重要問題。與碳鋼相比,不鏽鋼低的熱導係數更易於獲得深熔窄焊縫。
  3、不同金屬之間的激光焊接。
  激光焊接極高的冷卻速度和很小的熱影響區,為許多不同金屬焊接融化後有不同結構的材料相容創造了有利條件。現已證明以下金屬可以順利進行激光深熔焊接:不鏽鋼~低碳鋼,416不鏽鋼~310不鏽鋼,347不鏽鋼~HASTALLY鎳合金,鎳電極~冷鍛鋼,不同鎳含量的雙金屬帶。

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