鐵基合金

嚴格來說，鋼鐵材料也屬於鐵基合金，但工程上通常將兩者區別開來。鐵基合金是指那些刻意加入金屬合金元素，形成置換固溶體的合金，非金屬碳引起的所有強化效應是次要的。

最典型的時效硬化型鐵基合金是馬氏體時效鋼（18Ni型）。其碳的質量分數極低，不超過0.03%，加入大量的Ni，空冷至室溫就能獲得板條馬氏體，因碳的質量分數低，馬氏體強度硬度並不高，但韌性良好。在450～500℃時效處理，合金元素首先在位錯處偏聚形成“氣團”，再以“氣團”為核心析出NiM、NiM（M代表其他金屬合金元素）型金屬間化合物，沉澱強化使鋼的屈服強度提高到1400～3500MPa。馬氏體時效鋼有3種強化機制：沉澱強化、固溶強化和相變強化（馬氏體），其中沉澱強化的貢獻最大。沉澱強化效果來自：（1）溶質原子向位錯偏聚；（2）大量細小、彌散分佈、高硬度的金屬間化合物。

鐵基合金按不同金相組織可分以下幾類。

（1）馬氏體合金鋼

主要硬化元素是Cr，還有Si、Mo、Mn、V、W等強化元素，合金元素總量不超過10%。塗層組織為低碳馬氏體，有良好的機加工性能，塗層硬度HRc30?54，衝擊韌性極好，還具有良好的耐應力疲勞和冷熱疲勞性能。其材料製成金屬絲和管狀絲埋弧堆焊，焊接性能較好，不易開裂。典型用途是金屬間無潤滑滾動或滑動的零件。如熱軋工作輥、支撐輥、連鑄機輥、導衛輥、校直輥及挖土機輥等。

（2）高鉻鑄鐵

該類合金硬度高，HRc48?60，有極好的抗磨粒磨損性能。在<200℃時耐磨性僅次於碳化鎢硬面材料，但價格僅為碳化鎢材料的1/3。

高鉻鑄鐵含碳量2%～6%，含鉻量20%～35%，焊層中主要耐磨硬質相CrC，基體組織有馬氏體和奧氏體。

高鉻鑄鐵採用電焊條或管狀焊絲明弧或埋弧堆焊，堆焊過程中因有大量碳化物析出，焊層產生龜裂釋放焊層中的內應力，並不影響其使用性能。主要用於農機、礦山、煤粉研磨機輥等中等或嚴重磨粒磨損件。

高鉻鑄鐵型自熔合金粉末，氧乙炔火焰（或等離子）噴焊，塗層硬度（HRc50以上），用於不受強烈衝擊的磨粒磨損件。

（3）奧氏體錳鋼

高錳鋼硬面材料能經受高衝擊及輕微到中等的磨粒磨損，堆焊層無磁性，具有高韌性，焊后硬度HRc16～20，冷作硬化后可提高到HRc4448，隨含碳量不同而變。

高錳鋼含有Mn12%～15%及Cr、Ni、Mo，奧氏體組織是用錳穩定的。施焊時不用氣焊只用電焊以縮小熱影響區求得焊層快速冷卻。施焊不當會出現馬氏體相而導致焊層胞裂。

高錳鋼電焊條和明弧焊絲，用於嚴重的金屬間衝擊和礦石對金屬的沖磨件的堆焊。

（4）馬氏體不鏽鋼

此類合金屬低碳高鉻馬氏體鋼。主要成分含碳C 0.2%和含鉻>12%。具有良好的綜合機械性能，硬度HRc50左右，強度、韌性都很好，能耐大氣和蒸汽的腐蝕，還有耐冷熱疲勞的能力。產品有金屬絲材和管狀絲。主要用在中等衝擊，中等金屬間磨損和中等磨粒磨損的場合。

馬氏體不鏽鋼型噴塗粉，氧乙炔火焰噴塗，塗層硬度（HB320～450），用於軸類、活塞、柱塞等耐磨件。

（5）光體鋼

此類合金含低碳（0~25%）量其他合金元素，組織結構為珠光體、耐衝擊性，硬度低（HRc25~35），具有極好的可焊性，適用於堆焊，主要用於恢復機械設備零件尺寸。如受滾壓、滑動或衝擊負荷的重型機械設備的旋轉軸、軋輥等零件。另一重要用途是作為堆焊過渡層。

1．非碳化物形成元素

鎳、硅、鋁、銅、鑽等在鋼中不能與碳化合的元素，稱為非碳化物形成元素。這類元素主要以固溶形式存在於鐵素體中。這種鐵索體稱為合金鐵素體。

2．碳化物形成元素

錳、鉻、鉬、鎢、鈦、鈮、鉭等在鋼中能與碳形成化合物的元素，稱為碳化物形成元素。這類元素中，與碳親和力很強的元素，如Ti、Nb、Zr等在鋼中形成結構簡單、熔點高、硬度高、穩定性高的碳化物，如TiC、NbC、ZrC等，稱為強碳化物形成元素，與碳親和力弱的元素，如Mn、Cr、Mo等，稱為弱碳化物形成元素。這些元素可溶於鐵素體，形成合金鐵素體，同時還可溶於滲碳體，形成合金滲碳體，如（Fe·Mn）C、（Fe·Cr）C、（Fe·Mo）C等。弱碳化物形成元素，在含量高時，可形成結構複雜的碳化物，如CrC、CrC等。從滲碳體、合金滲碳體、複雜結構碳化物、到簡單結構碳化物穩定性依次增加。

1．對鋼力學性能的影響

（1）固溶強化 合金元素溶於鐵素體時，有固溶強化作用。合金元素的晶格類型、原子直徑與α-Fe不同或相差較大時，對鐵素體的強化作用較為明顯，反之則強化作用較弱。所以不同元素隨含量增加對鐵素體的硬度增加的貢獻不同，如圖所示。合金元素使鐵素體固溶強化的同時，特別是合金元素含量增高的情況下，往往因鐵素體晶格畸變嚴重，又使韌性塑性下降，如圖所示。所以，要使鋼具有高的綜合性能，鋼中加入的合金元素，應是多元少量，而不是某一元素加得越多越好。

（2 ）彌散強化 合金元素與碳形成碳化物，且以細小質點分佈在固溶體基體上，可起彌散強化作用，使鋼的硬度強度進一步提高。

除以上強化作用外，當鋼中碳化物數量較多時，將顯著提高鋼的硬度和耐磨性。有些碳化物溶點高，穩定性高，放可提高鋼的熱強度。

2．對Fe-FeC相圖的影響

有些合金元素，如面心立方晶格的鎳、錳、銅及非金屬元素氮，可使Fe-FeC相圖中的γ區擴大(圖8—2(o))，而另一些元素，如體心立方晶格的鉻、鉬、鈦等，可使y區縮小圖s-2Cb))

由於合金元素對P區的影響，導致下列變化：

（1）臨界點改變

擴大γ區的元素，將降低A、A溫度，縮小γ區的元素，將增高A、A溫度。因此，合金鋼的熱處理加熱溫度，將相應降低或增高，與碳鋼的加熱溫度不同。擴大γ區的元素，在一定條件下，可使γ區擴大到室溫，因而可得到單相奧氏體鋼。這是本章將述及到的奧氏體不鏽鋼的基礎。縮小γ區的元素，在一定條件下，可使奧氏體相區消失而只存在鐵素體相區，因而可得到單相鐵素體鋼。這也是工業上使用的鐵素體不鏽鋼和耐熱鋼的基礎。

（2）S點左移

合金元素使S點左移，因而合金鋼共析體含碳量小於碳鋼共析體0.77%的碳含量。例如鋼中含13%Cr時，共析體的含碳雖僅為0.3%。

（3）F點左移

鐵碳合金E點相應碳含量為2.11%，當鋼中含有合金元索時，E點相應的碳含量小於2.11%，使合金鋼在較低的碳含量下出現共晶萊氏體。

3．細化奧氏體晶粒

當合金元素形成難溶化合物（TiC、NbC、AlO、AlN等）時，這些化合物存在於奧氏體晶界上，機械地阻止奧氏體晶粒長大，使奧氏體冷卻轉變后的組織細小，因而起著細晶強化的作用。

4．提高鋼的淬透性

奧氏體溶有合金元素時，其中合金元素的原子擴散能力小，而且還降低奧氏體中鐵、碳原子的擴散能力，因而使奧氏體穩定性增高，不容易向珠光體轉變。反映在C曲線上，使C曲線右移（Co元素例外）而使淬火臨界冷卻速度減小，提高淬透性。因此，合金鋼不僅可提高整體截面力學性能，而且可以減小淬火變形和開裂的危險性。但是，合金元素使C曲線右移的同時，降低了Ms點。Ms點降低，會使合金鋼淬火后的殘餘奧氏體量增加，對提高硬度和耐磨性不利。