合金鋼

合金鋼（alloy steel）是除了含碳外，另有一種以上其他元素（如：鉻、鉬、鎳、銅、錳、鎢等），而具有特殊性能的鋼；性質較碳鋼耐磨、耐腐蝕。合金鋼為複合材料在煉鋼的運用。

合金結構鋼按其性能和用途分為普通低合金鋼、易切削鋼、調質鋼、滲碳鋼、彈簧鋼、滾動軸承鋼等幾類。

## 歷史

### 早期

羅伯特·坦普爾和李約瑟皆推測合成鋼工藝在更早前就存在了，然而第一個融合熟鐵與鑄鐵以生產鋼鐵的明確文字記載是來自6世紀道家匠人綦毋懷文，他自543年至550年追隨北魏將領高歡（496年至597年，後來被尊為北齊高祖神武帝）。唐朝（618年至907年）於659年刊行的《新修本草》亦介紹了將熟鐵與鑄鐵一起攪拌加熱的過程，並指出鋼鐵製品是用來鍛造鐮刀和刀。至於後面《新修本草》的記載，蘇頌（1020年至1101年）也提出了類似的說明，並指出鋼鐵在造劍上的利用。在明朝（1368年至1644年），宋應星（1587年至1666年）1637年的著作《天工開物》是第一種文獻詳細描述鋼鐵製程者，該書指出熟鐵先被鍛打成細小的薄板，包成鐵片束，最後鑄鐵堆於其上後下壓。在熔爐中鑄鐵將先融化，「滲淋入」熟鐵中；一旦融合，這半成品將進行重複多次被取出熔爐鍛造、加熱、並捶打等一系列過程。坦普爾和李約瑟兩位學者皆表示這些製程比後來卡爾·威廉·西門子（Carl Wilhelm Siemens，1823年至1883年）平爐年代更早。

1740年，英國人亨茨曼（B.Hunsman）發明了坩堝煉鋼法，為歐洲歷史上第一次煉得了液態鋼水。此項發明的關鍵是製造出一種可耐1600℃高曙的耐火材料，以製作坩堝。從此，各種優質鋼，例如工具鋼均採用坩堝法冶煉。

### 近代

受到戰爭需要推動，1870年代前後，西方各國的冶金技術有了很大的發展。先是德國人克虜伯鋼廠發明了以坩鍋鑄造大鋼塊，能夠製造大口徑之鋼炮；克虜伯鋼炮在普法戰爭中大顯神威，聲名大噪。戰爭後，各國紛紛採用了克虜伯鋼材製造火炮，使到炮身品質明顯提高。與此同時，法國於1865年發明平爐煉鋼法後，也開始使用高品質的鋼材製造炮身。英國於1878年由托馬斯改進了貝色馬創造的轉爐煉鋼法，降低了鋼的含磷量，製成的炮身不易碎裂。

1856年，英國人貝塞麥（H.Bessemer）發明了底吹酸性轉爐煉鋼法，以後被稱為貝塞麥轉爐煉鋼法。從此開創了大規模煉鋼的新時代。1879年，英國湯馬士（S.G.Thomas）創造了鹼性轉爐煉鋼法。造鹼性渣除磷適用於西歐豐富的高磷鐵礦的冶煉，一般稱湯馬士轉爐煉鋼法。1891年，法國人特羅佩納（Tropenas）創造了側面吹風的酸性側吹轉爐煉鋼法，曾經在鑄鋼廠得到應用。

1856年，英國人西門子（K.W.Siemens）使用了蓄熱室為平爐的構造奠定了基礎。1864年，法國人馬丁（Pierre-Émile Martin）利用西門子發明的帶蓄熱室的火焰爐，用廢鋼和生鐵成功地煉出了鋼液，從此發展了平爐煉鋼法──在歐洲一些國家稱為西門子－馬丁爐或馬丁爐。此法同當時的轉爐煉鋼法比較，一‧可以大量使用廢鋼，而且生鐵和廢鋼配比較靈活，二‧對鐵水成分的要求不像轉爐那樣嚴格，可以使用轉爐不能夠使用的普通生鐵，三‧能夠煉的鋼種比較轉爐多，而且品質比較好。因此，鹼性平爐煉鋼法問世後就為各國廣泛採用，成為世界上主要的煉鋼方法。於1930年至1960年年間，世界每年鋼的總產量近80％是平爐鋼。直到1950年代初期，氧氣頂吹轉爐投入生產，從1960年代起平爐逐漸才失去其主力地位。平爐煉鋼法的最大缺點是冶煉時間長（一般需要6至8小時），燃料耗損大（熱能的利用僅20%至25％），基礎設施投資和生產費用高。一個年產1,200萬噸鋼的鋼廠，只要建成6個250至300噸的純氧頂吹轉爐就足夠，如果修建平爐卻需要500噸的大型平爐30至40座。目前世界上仍然在生產的平爐普遍採用氧氣煉鋼，生產率有了比較大的提高，惟除塵系統複雜，投資高昂，因此平爐煉鋼不再發展，甚至有拆除改建為頂吹或者底吹轉爐的趨勢。許多國家原有的煉鋼主力──平爐已經或者正在陸續被氧氣轉爐和電爐所代替。

### 現代

用氧氣代替空氣的優越性早被認識，惟因為未能夠獲得大量廉價的工業純氧，長期未能夠實現。至1940年代，空氣分離制氧以工業規模進行生產後，煉鋼大量用氧有了可能。但是，舊有轉爐改用氧氣吹煉，爐底風眼燒損很快，甚至使吹煉無法進行。1948年，杜雷爾（R.Durrer）在瑞士採用了水冷氧槍垂直插入爐內吹煉鐵水獲得成功，1952年，奧地利人林茨（Linz）和多納維茨（Donawiz）鋼廠建立30噸氧氣頂吹轉爐車間。後來就按照這兩個地名的第一個字母稱氧氣頂吹轉爐煉鋼法為LD煉鋼法。1950年代，LD煉鋼法傳播到世界各國，逐步取代平爐煉鋼法。隨著頂吹氧轉爐的問世，也出現了其他類型吹氧煉鋼方法，例如卡爾多轉爐（Kaldo）煉鋼法、羅托轉爐（Rotor）煉鋼法，惟均未能夠推廣。噴石灰粉的氧氣頂吹轉爐煉鋼法，被稱為LD-AC法，可以吹煉含磷高的生鐵，在氧氣底吹轉爐問世前曾應用於高磷生鐵煉鋼生產。

儘管氧氣頂吹轉爐法得到廣泛發展，有人認為由底部供氣，熔池攪拌力強，冶煉過程較為合理。1965年，加拿大空氣液化公司試驗成功用同心吹氧管同時吹入氣態碳氫化合物來冷卻噴嘴的技術，隨後法國也試成用燃料油冷卻噴嘴的技術，此舉較好地解決了氧氣底吹風口燒損快的問題，使到底吹轉爐煉鋼方法得以復甦。1967年後，德國和法國分別採用了上述兩項技術建造氧氣底吹轉爐投入生產，被稱為」OBM」法（即Oxygen Bottom-blowMaximilian）和「LWS」法（為Loire、Wendel/Sidelor和Sprunck三公司的縮寫）。1971年，美國引進「OBM」法，用於底吹氧氣噴石灰粉吹煉含磷生鐵，取名為「Q-BOP」法（Q表示平靜quiet快quick和優質quality，BOP為鹼性氧氣法））。

氧氣頂吹轉爐採用噴嘴或透氣磚自底部吹入少量惰性氣體或氧氣，可以明顯地改善熔池的攪拌力，兼有底吹和頂吹的優點。1974年，英國首先在1.25噸轉爐上使用此法。1975年，法國和盧森堡合作在65噸轉爐上先後試驗頂底複合吹煉轉爐煉鋼成功，隨後開始在世界範圍內推廣應用。

## 種類

合金鋼依合金元素含量的不同分為低合金鋼（10%）三種。

### 工程結構鋼

工程結構鋼也稱普通低合金鋼是一種低碳結構用鋼，合金元素在3%以下，但強度顯著高於相同碳含量的碳素鋼，所以也被稱為低合金高強度結構鋼。它的含碳量不超過0.2%以保證韌性、焊接性和冷成型性能；加入錳提高了強度（屈服強度>300MPa）和韌性（600-800kJ/m²），加入少量鈮、鈦或釩起到析出硬化作用，加入少量銅（≤0.4%）和磷（0.1%）可提高抗腐蝕性能，加入少量稀土元素可以脫硫、去氣，使鋼材淨化，改善韌性和工藝性能。

低合金高強度結構鋼代替碳素結構鋼可大大減輕結構重量，節省鋼材，保證使用可靠、耐久。

級別｜屈服強度｜常用牌號｜組織｜用途

較低強度｜>300MPa｜Q345(16Mn)｜細晶粒的鐵素體-珠光體｜建築結構

中等強度｜>400MPa｜Q420(15MnVN)｜釩的氮化物可細化晶粒和析出強化｜橋梁、鍋爐、船舶等大型結構

高強度｜>500MPa｜低碳貝氏體｜高壓鍋爐、高壓容器

### 機械結構鋼

機械結構鋼屬特殊質量合金鋼，根據用途分為滲碳鋼、調質鋼、彈簧鋼、超高強度鋼級易切削鋼等。

- 滲碳鋼的含碳量在0.10-0.25%之間，主加元素有鉻（≤2.0%）、鎳（≤4.5%）、錳（≤2.0%）和硼（≤0.005%），附加元素有釩（≤0.20%）、鎢（≤1.20%）、鉬（≤0.60%）、鈦（≤0.10%）等碳化物形成元素，主要是降低鋼的過熱敏感性，細化晶粒，抑制鋼在滲碳過程中發生晶粒長大。
- 調質鋼指通常採用調質處理（淬火後高溫回火）作為預先熱處理或最終熱處理的結構鋼。調質處理後的組織為回火索氏體，具有良好的綜合力學性能。含碳量大多介於0.3-0.5%之間，合金元素鉻、鎳、錳、矽、硼主要是增加鋼的淬透性，釩可以細化晶粒，提高綜合力學性能，鉬可以抑制第二類回火脆性，鋁可以加速氮化過程。
- 彈簧鋼含碳量約0.50-0.75%，常含矽、錳、鉻、釩等合金元素，作用是提高淬透性和回火穩定性，強化鐵素體，細化晶粒，提高彈性極限及曲強比。
- 易切削鋼特意加入了一定量的硫、磷、鉛、鈣等附加元素以改善鋼的切削加工性。

名稱｜常用牌號｜特性｜用途

滲碳鋼｜20CrMnTi｜表面高硬度、耐磨，心部強韌性｜傳動齒輪、凸輪軸、活塞銷等

調質鋼｜40Cr｜較高強度與良好的塑性及韌性的配合｜工具機主軸、汽車後橋半軸、連杆螺栓及汽輪機主軸、內燃機曲軸等

合金彈簧鋼｜60Si2Mn｜高抗拉強度、高屈強比及高疲勞強度｜汽車、拖拉機25-30mm減震板簧、螺旋彈簧

易切削鋼｜良好的切削加工性｜自動工具機加工的小型零件

### 軸承鋼

軸承鋼的碳含量為0.95-1.10%，鉻含量0.4-1.65%，加入矽、錳可以提高淬透性。絕大部分是鉻軸承鋼是GCr15。

### 合金工具鋼

名稱｜常用牌號｜用途

低合金刃具鋼｜9SiCr｜絲錐、板牙、冷沖模、鉸刀、量具

高速鋼（高合金刃具鋼）｜W18Cr4V｜齒輪銑刀、插齒刀

冷作模具鋼｜Cr12｜冷作模及沖頭、拉絲模、壓印模、搓絲板

熱做模具鋼｜5CrMnMo｜中、小型熱鍛模