电炉炼钢工艺概论-5

1.2 钢产品分类

1.2.1 钢种分类和牌号

钢是以铁为基体、碳为主要元素的多元合金。钢的品种繁多，其成分、性能和用途各不相同。为了便于生产、管理和使用，必须对钢进行分类、命名和编号。通常把钢分成碳素钢和合金钢两大类。

1.2.1.1碳素钢的分类、牌号

⑴ 碳素钢的分类

钢中碳的质量分数（又称为碳含量）[C%]<2.11％，而且不含有特意加入合金元素的钢称为碳素钢，简称碳钢。碳素钢冶炼较容易，价格低廉，可以满足一般零件和工具的使用要求，所以在机械制造、建筑、交通运输等各种行业中得到了广泛的应用。

碳素钢的分类方法很多，常用的分类方法有以下几种：

①按钢的含碳量分类

低碳钢：含碳量[C%]<0.25％；

中碳钢：含碳量[C%]=0.25％～0.60％；

高碳钢：含碳量[C%]>0.60％。

实际使用的碳素钢，含碳量[C%]一般不大于1.35％，而含碳量[C%]<0.04％的钢称为工业纯铁。

必须指出，这是一种习惯上的分类法，其实在低碳钢和中碳钢或中碳钢和高碳钢之间，碳含量并没有严格的界限。

②按钢的质量分类

碳素钢质量高低的区分，一般是指钢中有害元素硫和磷的含量高低。

普通质量钢：[S%]≤0.050％， [P%]≤0.040％；

优质钢：       [S%]≤0.035％，  [P%]≤0.035％；

高级优质钢：[S%]≤0.025％， [P%]≤0.025％；

特级质量钢： [S%]≤0.015％， [P%]≤0.025％。

③按钢的用途分类

碳素结构钢：主要用于制造各种机械零件和工程结构件，其含碳量一般都低于0.70％。

碳素工具钢：主要用于制造各种刀具、模具和量具，其含碳量一般都高于0.70％。

⑵ 碳素钢的牌号

我国钢种牌号是用化学元素符号、汉语拼音字母和阿拉伯数字相结合的方法表示的。

①普通碳素结构钢（简称普碳钢）

按供应的条件可分为：

甲类钢：按力学性能(钢的强度、塑性、韧性等)供应的钢。

乙类钢：按化学成分供应的钢。

特类钢：按力学性能和化学成分供应的钢。

普通碳素结构钢的牌号由代表屈服点的拼音字母“Q”、屈服点的数值、质量等级符号和脱氧方法符号四部分按顺序组成。例如，Q235-A．F表示屈服点为235N／mm2的A级沸腾钢。普通碳素结构钢因价格便宜，产量较大，主要用于金属结构件和一般机械零件。

②优质碳素结构钢

根据钢中含锰量可分为普通含锰量钢和较高含锰量钢两组，较高含锰量钢在牌号后面标出元素符号“Mn”（或“锰”），例如60Mn（60锰）。

优质碳素结构钢的牌号用两位数字表示，这个两位数即该钢的平均含碳量的万分之几。例如：20钢表示平均含碳量[C%]=0.20％的优质碳素结构钢；08钢表示平均含碳量[C%]=0.08％的优质碳素结构钢。优质碳素结构钢和普通碳素结构钢及高级优质钢的主要区别是化学成分中的磷、硫含量不同，高级优质钢应在钢号后添加“A”，例如20A表示优质碳素结构钢。

③碳素工具钢

碳素工具钢的牌号是以汉字“碳”或拼音字母“T”后面标以阿拉伯数字来表示的，其数字表示钢中平均含碳量的千分之几。例如碳8（T8）表示平均含碳量为0.8％的碳素工具钢，碳12（T12）表示平均含碳量为1.20％的碳素工具钢。

碳素工具钢主要用于制造刀具、模具和量具，所以钢硬度要高、耐磨性要好。工具钢是含碳量在0.70％以上的高碳钢，而且都是优质钢和高级优质钢。

④铸造碳钢

铸造碳钢的含碳量一般在0.20％～0.60％之间，若含碳量过高则钢的塑性差，在铸造时就容易产生裂纹。铸造碳钢的牌号是用铸钢两字的汉语拼音字母头“ZG”后面加两组数字组成，第一组数字代表屈服强度值，第二组数字代表抗拉强度值。例如：ZG270-500表示屈服强度为270MPa、抗拉强度为500MPa的铸造碳钢。

1.2.1.2合金钢的分类、牌号

⑴ 合金钢的分类

所谓合金钢就是在碳素钢中有意识地加入一种或多种适量的合金元素，使之改善性能或具有某种特殊性能的钢。合金钢有多种分类方法，最常见的分类方法有两种：

①按用途分类

合金结构钢。用于制造机械零件和工程结构的钢。

合金工具钢。用于制造重要的刃具、模具和量具的钢。

特殊性能钢。具有某种特殊物理性能和化学性能的钢。例如耐酸不锈钢、耐热钢和耐磨钢等。

②按合金元素的含量分类

低合金钢。合金元素总含量小于5％。

中合金钢。合金元素总含量为5％~10％。

高合金钢。合金元素总含量大于10％。

此外，还可按钢中所含合金元素的种类，可以分为锰钢、铬钢、铬镍钢、硅铬钢、铬钼钨钢以及铬钨锰钢等。

⑵ 合金钢的牌号

我国合金钢的牌号采用碳含量、合金元素的名称及含量以及质量级别来编号。这种编号方法简明易懂，现将合金结构钢、合金工具钢和特殊性能钢的编号方法及用途介绍如下。

①合金结构钢

合金结构钢的牌号采用“两位数字”加元素符号（或汉字）再加“数字”表示。前面两位数字表示钢的平均含碳量的万分之几；元素符号（或汉字）表明钢中所含的合金元素，元素符号后面的数字表示该元素平均含量的百分数，凡元素平均含量小于1.5％时不标数字，平均含量在1.5％~2.5％、2.5％~3.5％之间时，则相应地标数字2、3，依此类推；高级优质钢在钢号尾部加标注符号“A”或“高”。例如：60Si2Mn钢表示平均含碳量[C%]=0.60％，合金元素硅的含量在1.5％～2.5％之间，锰的含量[Mn%]<1.5％；又如12CrNi3A表示平均含碳量[C%]=0.12％，铬含量[Cr%]<1.5％，镍含量[Ni%]在2.5％~3.5％之间，这是高级优质合金钢。

合金结构钢是合金钢中用途最广、用量最大的一类钢，按用途可分为低合金高强度结构钢和机械制造用钢两类。

低合金高强度结构钢是一种低碳（碳含量[C%]<0.20％）、低合金（合金元素总量小于3％）的钢，它与相同含碳量的碳素结构钢相比，由于合金元素的强化作用，强度(特别是屈服点)要高得多，并且有良好的塑性、韧性、耐腐蚀性和焊接性。因此广泛用于制造桥梁、船舶、车辆、锅炉、压力容器和大型钢结构件等。例如用16Mn钢代替Q235-A钢，其强度和耐大气腐蚀性均可提高20％以上，而重量却减轻了20％左右。

机械制造用钢主要用于制造各种机械零部件。按照用途和热处理的特点又可分为调质钢、渗碳钢、弹簧钢等。

②合金工具钢

合金工具钢的牌号和合金结构钢的区别仅在于含碳量的表示方法不同，它是用一位数字表示平均含碳量的千分之几，例如：9CrSi工具钢平均含碳量[C%]=0.90％，主要合金元素铬、硅的含量都是低于1.50％；当含碳量为1％左右时，则不标数字。如Crl2工具钢含碳量[C%]=0.95％~1.05％，合金元素铬的含量[Cr%]=11.5％~13.5％。    ．

合金工具钢主要用于制造尺寸大、精度高和形状复杂的模具、量具以及切削速度较快的刀具。合金工具钢按用途可分为刃具钢、模具钢和量具钢。

③特殊性能钢

这是具有特殊物理和化学性能的钢的总称，包括不锈耐酸钢、热强钢和耐热不起皮钢、高速工具钢和滚动轴承钢等。

热强钢和耐热不起皮钢。这类钢主要用于锅炉、内燃机的阀门和化工石油工业的设备构件等。热强钢在高温下能抗氧化和耐介质腐蚀，并具有抗蠕变及抗破断能力。如1Crl4Nil4W2Mo2Ti，4Crl4Nil4W2Mo等钢号。耐热不起皮钢要求在高温下具有抗氧化能力，但对抗蠕变及抗破断能力无严格要求或要求较低，典型钢号有4Cr9Si2等。

高速工具钢。这类钢主要用于制造在高温下（600℃左右）能保持高速切削的刀具。钢中含有高的碳量，主要合金元素是钨、钼、钒、铬等，钢号前表示碳含量的数字一般都省略。典型钢号如W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2等。

滚动轴承钢。主要用来制造各种机械上的滚珠、滚柱和轴承套圈，也可用来制造冲模、轧辊等。典型的钢号是高碳铬钢，其含碳量在1％左右，含铬量在0.5％~1.65％之间。其编号方法为：在钢牌号前不标碳含量的数字而冠以“滚”或“G”，表示是滚动轴承钢，牌号中铬元素后的数字表示含铬千分之几，而其他元素含量仍按百分之几表示。例如：GCrl5含铬量是1.5％左右，而不是15％；GCrl5SiMn中铬含量为1.5％左右，而硅、锰的含量均小于1.5％。

不锈耐酸钢是不锈钢和耐酸钢的统称。在空气中能抵抗腐蚀的钢叫不锈钢，在某些化学介质中(酸、碱、盐等)能抵抗腐蚀的钢叫耐酸钢。因此不锈钢不一定耐酸，而耐酸钢通常具有良好的不锈性能。不锈钢具有不锈和耐蚀特性，其主要原因是由于钢表面形成富铬氧化膜而钝化。研究表明，钢中铬含量大于12%以后引起耐蚀性突变，因此，不锈钢中含铬量一般应大于12%。国内外都曾试图开发节铬和无铬的不锈钢，除特殊情况外，迄今尚未获得有效的进展。

不锈钢的发明是世界冶金史上的一项重大进展。研究开发始于1904年，1908～1911年蒙纳尔兹（P.Monnartz）于德国提出了不锈性和钝化理论，开辟了工业用不锈钢的先河，到50年代各种不锈钢系列已具雏形，60年代不锈钢的冶炼技术得到了突破性进展，1950年全世界不锈钢总产量不足100万吨，到1990年增至1100万吨，40年间增长了10倍以上。

1.2.1.3不锈钢分类

不锈钢钢种很多，性能各异，常见分类方法有：

⑴ 按钢的组织结构分类：如马氏体不锈钢，铁素体不锈钢；奥氏体不锈钢，双相不锈钢等。

⑵ 按钢中主要化学元素或特征元素分类：如铬不锈钢，铬镍不锈钢、铬镍钼不锈钢、超低碳不锈钢；高钼不锈钢，等。

⑶ 按钢的性能特点和用途分类：如高强度不锈钢、耐应力腐蚀不锈钢；耐硝酸不锈钢，耐硫酸不锈钢，耐点蚀不锈钢，等。

⑷按钢的功能特点分类：如低温不锈钢、无磷不锈钢，易切削不锈钢，等。

在实际应用中，常按组织结构和化学元素两者结合的分类方法，如：马氏体不锈钢，铁素体不锈钢，奥氏体不锈钢，双相不锈钢和沉淀硬化不锈钢或铬不锈钢和铬镍不锈钢。

最常用的不锈钢钢种有：

⑴ 马氏体不锈钢

①Cr13型：1Cr13， 2Cr13， 3Cr13，其中 1Cr13含有铁素体是半马氏体钢

②9Cr18型：不锈工具类

③1Cr17Ni2 型：强韧性优

⑵ 铁素体不锈钢

①低Cr    11 ～15%Cr,  0Cr13等

②中Cr    16 ～20%Cr,  1Cr17等

③高Cr    21 ～30%Cr

⑶ 奥氏体不锈钢（占总产量之70%以上）

0Cr18Ni9   1Cr18Ni9  1Cr18Ni9Ti　0Cr18Ni9Ti    00Cr18Ni9Ti

1.2.1.4不锈钢的表示方法和编号

不锈钢表示方法：

⑴ 用国际化学元素符号和本国的符号来表示化学成份，用阿拉伯字母来表示成份含量：如：中国、俄国 12CrNi3A ；

⑵ 用固定位数数字来表示钢类系列或数字；如：美国、日本、300系、400系、200系；

⑶ 用拉丁字母和顺序组成序号，只表示用途。

不锈钢编号：

⑴ 我国的编号规则

不锈钢、合金工具钢（用千分之几表示C含量），如：1Cr18Ni9 千分之一（即0.1%C），不锈 C≤0.08% 如0Cr18Ni9，超低碳C≤0.03% 如00Cr17Ni13Mo

⑵ 国际不锈钢标示方法

美国钢铁学会是用三位数字来标示各种标准级的可锻不锈钢的。其中：

①奥氏体型不锈钢用200和300系列的数字标示。

②铁素体和马氏体型不锈钢用400系列的数字表示。例如，某些较普通的奥氏体不锈钢是以201、 304、 316以及310为标记。

③铁素体不锈钢是以430和446为标记。马氏体不锈钢 是以410、420以及440C为标记，双相（奥氏体－铁素体）。

④不锈钢、沉淀硬化不锈钢以及含铁量低于50%的高合金通常是采用专利名称或商标命名。

例如常见的主要钢号：

0Cr13          41000         1Cr17Ni7        301

1Cr13          410           1Cr18Ni9        302

2Cr13          420           0Cr18Ni9        304

3Cr13                        00Cr19Ni10      304L

1Cr17Ni2       431           0Cr17Ni12Mo2    316

9Cr18          440C          00Cr17Ni14Mo2   316L

0Cr17          430           0Cr19Ni13Mo3    317

00Cr17         430LX（日）    00Cr19Ni13Mo3   317L

1Cr17Mn6Ni5N   201

1Cr18Mn8Ni5N   202

5）不锈钢标准的分类和分级

不锈钢的国际常用标准有美国的ASTM标准（UNS）和AISI，日本JIS，德国DIN，法国NF，英国BS，欧洲EN，国际标准化组织ISO等。由于美国的标准纳入的钢种最全、最多，因此大部分国家都用以当作参照。

6）不锈钢特性及用途

⑴ 奥氏体不锈钢

奥氏体不锈钢具有面心立方晶体结构，无磁性，不能通过热处理强化，只能用冷加工强化手段提高强度，奥氏体不锈钢是不锈钢中最重要得一类，由于耐蚀、良好的常温和低温塑性，易成型性和良好的可焊性被广泛应用于各工业领域和日常消费领域，奥氏体不锈钢约占不锈钢产量的70％。

奥氏体不锈钢常用钢种：0Cr18Ni9   00Cr18Ni10  0Cr17Ni12Mo2    00Cr17Ni14Mo2。

⑵ 铁素体不锈钢

铁素体不锈钢是以Cr为主要合金元素，含Cr 10.5％~30％范围，C通常含量≤0.20％，大多数含碳量在0.12％以下。此类钢具有体心立方晶格（即铁素体）组织，有磁性。纯铁素体不锈钢在加热和冷却过程在中没有相变，因此，无法通过热处理方法使它强化。铁素体应变硬化速度低并在冷却后降低塑性，因此，铁素体不锈钢也不靠冷却强化。在各类不锈钢中，此类钢导热系数最高，膨胀系数较小，此类钢的耐蚀性随钢中Cr量增加而提高，随钢中加入Mo、Si、Al、Ti、Nb、S、Se等赋予钢不同的特性。铁素体不锈钢有中等至优异的耐蚀性。

铁素体不锈钢大致可分成三类：1）低铬铁素体不锈钢，Cr含量约为11％~14％；2）中铬铁素体不锈钢,Cr含量为14%~22%；3）高铬铁素体不锈钢，Cr含量约23％~32％。

⑶ 马氏体不锈钢

马氏体不锈钢是一类可通过热处理（淬火回火）对其性能进行调整的不锈钢，通俗地讲是一类可硬化的不锈钢，此类钢具有高的硬度、良好的力学性能和不锈性，这些特性决定了此类钢必须具备两个基本条件：其一，在平衡相图中必须有奥氏体相区存在；其二，为使钢形成耐腐蚀的钝化膜，铬含量必须在10.5％以上。根据钢中合金元素的差别，可将马氏体不锈钢区分为马氏体铬不锈钢和马氏体铬镍不锈钢。在马氏体不锈钢中又可划分成低碳、中碳和高碳三种类型。马氏体不锈钢在淬火状态下具有体心四方晶体结构，具有铁磁性，在较弱腐蚀环境中具有耐蚀性。钢中的铬含量可达18％，碳可以超过1.2％。为了提高钢的耐蚀性和刃具的锋利度，组织中允许存在过剩碳化物，为了改善淬火后的回火效应，可适当加入铌、硅、钨和钒。含镍马氏体不锈钢改善了铬马氏体不锈钢在某些介质中的耐蚀性，提高了钢的韧性。

马氏体不锈钢由于具有良好的力学性能和中等程度的耐蚀性以及在低于650℃的良好耐热性，已广泛应用于各个工业领域，低碳和中碳马氏体不锈钢，稍高碳的2Cr13等马氏体不锈钢主要用刀具，马氏体不锈钢回火脆性温度范围出现在425－565℃，在此温度回火钢的冲击韧性急剧下降，对于要求耐冲击的部件应不采用此温度回火，并避免在此温度范围内应用。

⑷ 双相不锈钢

所谓双相不锈钢是在它的固溶组织中铁素体相及奥氏体相约各占一半，一般最少相的含量也需要达到30%，因此它兼有铁素体不锈钢和奥氏体不锈钢的性能特点。双相不锈钢的回火组织主要包含等量的奥氏体和铁素体，这类钢含Cr 18～29％，Ni 3～8％及其它不同元素，主要是氮和钼。

①屈服强度比普通奥氏体不锈钢高一倍多，且具有成型所需的足够的塑韧性。采用双相不锈钢制造储罐或压力容器的壁厚要比常用奥氏体不锈钢减少30％~50％，有利于降低成本。

②具有优异的耐应力腐蚀破裂的能力，尤其在含氯离子的环境中，即使是含合金量最低的双相不锈钢也有比奥氏体不锈钢更高的耐应力腐蚀破裂的能力，应力腐蚀是普通奥氏体不锈钢难以解决的突出问题。

③在许多介质中应用最普遍的2205双相不锈钢的耐腐蚀性优于普通的316L奥氏体不锈钢，而超级双相不锈钢具有极高的耐腐蚀性，在一些介质中，如醋酸、甲酸等甚至可以取代高合金奥氏体不锈钢，乃至耐蚀合金。

④具有良好的耐局部腐蚀性能，与合金含量想当的奥氏体不锈钢相比，鉴于双相不锈钢的高强度和良好耐腐蚀性能，它的耐磨损腐蚀和腐蚀疲劳性能都优于奥氏体不锈钢。

⑤比奥氏体不锈钢的线膨胀系数低，与碳钢接近，适合与碳钢连接，具有重要的工程意义，如生产复合板或衬里等。

⑥不论在动载或静载条件下，比奥氏体不锈钢具有更高的能量吸收能力，这对于结构件应付突发事故如冲撞、爆炸等，双相不锈钢优势明显，有实际应用价值。

与奥氏体不锈钢相比，双相不锈钢的弱势如下：

①应用的普遍性和多面性不如奥氏体不锈钢，例如长期应用其使用温度必须控制在250℃以下。

②其塑韧性较奥氏体不锈钢低，冷、热加工工艺和成型性能不如奥氏体不锈钢。

③存在中温脆性区，需要严格控制热处理和焊接的工艺制度，以避免有害相的出现，损害性能。

双相不锈钢与奥氏体不锈钢相比存在弱势是由于双相不锈钢中有大量铁素体组织。与铁素体不锈钢相比，双相不锈钢的优势如下：

①综合力学性能比铁素体不锈钢高，尤其是塑韧性。对脆性不如铁素体不锈钢那样敏感。

②除耐应力腐蚀性能外，其他的耐局部腐蚀性能都优于铁素体不锈钢。

③冷加工工艺性能和冷成型性能远优于铁素体不锈钢。

④焊接性能也远优于铁素体不锈钢，一般焊前不需预热，焊后不需热处理。

⑤应用范围较铁素体不锈钢宽。

综上所述，可以概括地看出双相不锈钢的使用性能和工艺性能全貌，它以其优越的力学与耐腐蚀的综合性能赢得了使用者的青睐，已成为即节省重量又节约投资的优良的耐蚀工程材料。

⑸ 沉淀硬化不锈钢

沉淀硬化不锈钢是一类含沉淀硬化元素（Cu、Al、Ti、Nb）的铁铬镍合金，可以通过热处理强化，此类钢具有高强度、足够的韧性和适宜的耐蚀性。

沉淀硬化不锈钢可区分为马氏体、半奥氏体和奥氏体沉淀硬化不锈钢三种主要类型。

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