鐵基合金（Iron base alloys ）是硬面材料中使用量大而廣的一類，這類材料最大的特點是綜合性能良好，使用性能範圍很寬，而且材料價格是最低廉的。
基本介紹
- 中文名：鐵基合金
- 外文名：ferrous alloy
- 合金元素：非碳化物和碳化物形成元素
- 特點：綜合性能良好，使用性能範圍廣
- 分類：馬氏體合金鋼、光體鋼等
- 套用：冶金、建築等各大行業
簡介,分類,合金元素的類型及存在形式,合金元素的主要作用,
簡介
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Ni2M、Ni3M（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、彌散分布、高硬度的金屬間化合物。
分類
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Cr7C3，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。
（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，焊後硬度HRc16～20，冷作硬化後可提高到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。
合金元素的類型及存在形式
1．非碳化物形成元素
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）3C、（Fe·Cr）3C、（Fe·Mo）3C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Cr7C3、Cr23C6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。
合金元素的主要作用
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。
合金元素對鐵素體性能的影響（2 ）彌散強化 合金元素與碳形成碳化物，且以細小質點分布在固溶體基體上，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-Fe3C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-Fe3C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A1、A3溫度，縮小γ區的元素，將增高A3、A1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。
