一，概述
鋁是強烈縮小γ相圈的元素，它與氧、氮有很大的親和力。
鋁在鋼中的作用：一是作鍊鋼時的脫氧定氮劑，並且細化晶粒，抑制低碳鋼的時效，提高鋼在低溫下的韌性等。二是作為合金化元素加入鋼中，提高鋼的抗氧化性，改善鋼的電、磁性能，提高滲氮鋼的耐磨性和疲勞強度等；因此，鋁在不起皮鋼、電熱合金、磁鋼和滲氮鋼中，得到了廣泛的應用。由於發展了鐵錳鋁系合金，鋁作為主要合金元素加入耐熱鋼、低溫鋼和無磁鋼中。鋁還提高鋼在氧化性酸中的耐蝕性，為鋁在不鏽耐酸鋼中的應用開闢了廣闊的前景。
鋁雖然在鋼中有很多有益的作用，但也有其不良的影響。在某些鋼中脫氧時用量過多，將使鋼產生反常組織和促進鋼的石墨化傾向；在鐵素體及珠光體鋼中，當含鋁較高時，其高溫強度和韌性較低，並給冶煉和澆鑄等方面帶來若干困難。
二，鋁對鋼的組織及熱處理的影響
（一）對組織的影響
根據鋁碳二元平衡相圖，鋁和碳雖然可以化合成碳化物Al4C3和Al3C，但它和碳的親和力小於鐵和碳的親和力，因此，在鋼中一般不存在鋁的碳化物。
鋁細化鋼的本質晶粒，提高鋼晶粒粗化的溫度。但當鋼中的殘餘鋁（固溶金屬鋁）含量超過一定值時，鋼的奧氏體晶粒反而更易長大粗化。導致鋼本質晶粒由細變粗的殘餘鋁含量，因鋼種和冶煉方法的不同而有所不同；對碳鋼來說，鋁約在0.05%左右。鋁之所以能細化鋼的晶粒和提高鋼晶粒開始粗化的溫度，一般認為是由於鋁在鋼中和其它元素化合形成細小彌散分佈的難熔化合物起阻抑作用，主要是AlN的影響。當溫度超過一定界限，使這些細小難溶質點聚合或溶解時，就失去它們的阻抑作用，鋼的晶粒則將迅速長大粗化。這一粗化溫度也和鋼的化學成分、冶煉制度等有關。
有人對鋁在鋼中的不同結合狀態---Al2O3、AlN和固溶Al的影響進行了詳細的研究。根據化學反應式：
3O2+4Al----2Al2O3，
N2+2Al----2AlN，
計算了飽和值時鋁的含量分別為：
Al2O3中【Al】=0.015%，
AlN中【Al】=0.020%。
同時，當鋼中∑【Al】在0.020%以上時晶粒顯著細化，這正好與AlN中【Al】的飽和值是一致的，而與Al2O3的不一致，因此，認為晶粒度的變化主要與生成AlN有關。從AlN與晶粒度關係的試驗中得到，當Al【AlN】約為0.008%時出現一個明顯的界限，在此界限以下時晶粒越來越粗大；而在此界限以上時則晶粒細化， 但Al[AlN]量的增加對晶粒度變化不大。此外還認為，固溶體中的鋁，對晶粒細化實際影響不大。
鋁是促進石墨化的元素，作用僅次於硅。用鋁進行強烈脫氧的碳鋼和含鉬的鋼，在450-650℃長時間加熱後，易出現石墨化現象；高碳鋼也有同樣的傾向。為了防止由於鋁引起的石墨化現象，國外常加入0.5%以上的鉻，實際上加入Ti、V、Nb等強碳化物形成元素，同樣能起到防止石墨化的作用。
(二) 對熱處理的影響
（1）對等溫轉變和馬氏體點的影響：鋁對鋼等溫轉變曲線形狀沒有顯著影響，在一般含量時，對轉變所需時間的影響也不大。但必須指出，鋁提高鋼的下臨界點AC1和Ar1,並使Ar3略行降低。其次，由於鋁細化鋼的晶粒，有利於奧氏體分解轉變時新相晶核的大量形成；同時由於鋁降低奧氏體的穩定度，減小它轉變時的過冷度，使新相晶核得以較快的速度長大，這樣，使鋼的淬透性降低，鋼的臨界淬火冷卻速度提高。鋁還提高鋼的馬氏體點Ms和減少鋼淬火後的殘餘奧氏體含量。它在這方面的作用恰好和（除鈷以外的）其它元素的作用相反。在這一方面，鈷和鋁雖有相似的作用，但作用不如鋁強。
（2）對鋼淬透性的影響：一般來說，粗晶粒鋼比細晶粒鋼的淬透性好。試驗鋁對1%C鋼淬透性的影響得到：當鋁含量由0-0.1%時，由於晶粒的細化和細散的AlN的作用，使鋼的淬透性顯著地逐漸減低。繼續增加鋁含量時，淬透性又逐漸增大。鋁含量達0.5%時，在800℃或更高溫度淬火時，其淬透性又與不含鋁的鋼趨於接近，或更高。
（3）對鋼過熱敏感性的影響：在同上的試驗中還表明，在1%C鋼中當鋁含量超過0.5%時，鋁對降低鋼的過熱敏感性的作用已不再增加 。當鋁含量超過1%時，反使鋼在加熱時晶粒猛烈長大。鋁與氮化合生成的氮化物，要比鋁與氧化合生成的氧化物，對過熱敏感性的影響大得多。因此，氮含量較高的酸性轉爐鋼一般過熱敏感性較低。
（4）對鋼脫碳和滲碳的影響：鋁對1%C鋼脫碳（例如在溼的氫氣中退火）的影響，和對淬透性的影響有類似之處。當鋼中鋁很少時，脫碳深度有所減低；當鋁含量繼續增加時，脫碳深度反隨著增加。目前認為脫碳作用只受固溶體中鋁的影響。此外，粗晶粒鋼由於晶界的影響要比細晶粒鋼更具有脫碳傾向。
在增碳時鋁對鋼的組織和性能的影響和硅相似，即阻止碳的擴散，延緩鋼滲碳時的增碳速度。但在長時間保溫下滲碳深度的減少，要比含硅鋼輕些。
含鋁鋼滲碳時，會使滲碳層產生反常組織，也就是說在晶界上形成含有大塊狀滲碳體的粗厚鐵素體網。具有這種組織的滲碳層不但脆性大，淬火時也容易產生軟點。含鋁鋼在增碳時也有形成石墨化傾向。因此，總的來說，鋁對滲碳時的影響是不好的。
三， 鋁對鋼性能的影響
（一）對力學性能的影響
以往一般認為，鋁在調質鋼中對抗拉強度、伸長率和麵縮率的影響，可以不加考慮；尤其在合金鋼其它合金元素的影響大大超過鋁的影響。有人曾在含0.32-0.35%C的Cr-Mo鋼中加入鋁1.18%，經調質處理後，發現鋁具有使這種鋼的抗拉強度和屈服點稍行提高，伸長率和麵縮率稍行降低的傾向。用鋁脫氧的鋼由於生成細散的氮化鋁，提高了屈服點（σs）和屈服比（σs/σb）；但在1000℃以上高溫加熱時，由於氮化鋁溶入奧氏體中，那麼力學性能的提高與細晶粒組織一樣即行消失。
由於鋁脫氧的產物Al2O3較脆，在鍛軋加工時破碎並沿著變形方向形成鏈狀條帶，將降低鋼的橫向性能，特別是延展性和衝擊韌性。
鋁對硬度的影響：有人曾在含C0.3%、Cr1%鋼中加入鋁0.95-1.06%，並與未加鋁的鋼比較，當進行端淬試驗後發現鋁使淬火硬度稍為降低。
由於鋁細化鋼的晶粒，固定鋼中的氮和氧，因而可以減輕鋼對缺口的敏感性，減少或消除鋼的時效現象，並提高鋼的衝擊韌性，特別是降低鋼的脆性轉變溫度。
鋼中加入鋁使晶粒細化，這對鋼的抗蠕變性能不利。鋼中加入一定量的鋁，可改善滲碳鋼的心部力學性能，特別對於面縮率和衝擊韌性的改善比較明顯。
普遍認為，鋁作為合金元素，有較大的固溶強化作用。由於高鋁鋼相對地具有比重小，比強度高的特點，因而發展鐵鋁系合金作為新型結構材料受到重視，並創造了一系列鐵素體型合金，其高溫強度和持久強度超過了Cr13型鋼。但是，由於鐵素體型鐵鋁系合金的室溫塑性和韌性低，冷變形加工困難，限制了其發展；相反，以碳、錳奧氏體化的奧氏體型鐵鋁錳系鋼卻得到了較為廣泛的重視。
（二）對物理性能的影響
鐵鋁合金和含鋁鋼的比重與密度隨鋁含量的增加而減小。
在退火的鐵鋁合金中，隨鋁含量的增加，彈性模量E也逐漸減小。當鋁含量為13%時，E降至10，800KG/mm2；這一數值是現有鐵素體鋼中已知的最低值。當鋁含量超過13.5%時，E有急劇增長。這種變化和合金有序超結構的形成有關。
鋁提高鐵鉻鋁合金的膨脹係數。隨著鋁含量的增加，鋼及合金的電阻係數也增加。但當鋁含量超過11%，在低於600℃的溫度範圍內緩冷時，由於發生有序化過程，電阻係數又急劇降低。鋁加入含20-30%Cr的鐵鉻合金中，其電阻係數受溫度的影響很小，因而被廣泛用作電熱合金材料。
鋁與硅的作用相近，可減少變壓器的鐵心損耗。鋁對矯頑力的影響是：當鋁含量很少時，矯頑力減小，含1-5%Al的退火合金的矯頑力約為0.25 Oe;鋁含量超過5%（約為7%時），矯頑力增至最大值---2Oe; 隨後在鋁含量超過10%時，又下降至0.5 Oe或更小。鋁對磁滯損耗的影響在鋁含量5%時小於純鐵；在超過14%的合金中經淬火後也顯得極低。由於鋁對鐵的磁性有以上這些特殊而複雜的影響，因而在硬磁和軟磁材料中它都佔有一定的位置。
（三）對化學性能的影響
抗蝕性：鋁提高鐵基合金的抗蝕性。
在鋁系不鏽耐酸鋼中，當鋁含量達到一定值時，將和鉻一樣，可以使鋼產生鈍化現象，使鋼在氧化性酸中具有抗蝕性。
鋁還提高鋼對硫化氫的抗蝕作用。在Cr13型鋼中加入少量鋁，使腐蝕率顯著降低。鋁含量在4%左右的鋼，在溫度不超過600℃時有較好的抗硫化氫侵蝕的作用。國內研究成功的無鎳鉻低合金的15AL3MoWTi鋼，在含硫及硫化氫的條件下具有良好的抗蝕性。含鋁超過8%的鑄鐵，在300℃時也有很好的抗液體硫侵蝕的作用。
鋁可提高對V2O5的抗蝕性，例如Fe-16Al-3Mo合金在871℃時，對V2O5的抗蝕性比Cr25Ni20高兩倍。
鋁對於鋼在水蒸汽、氫氣，特別是在氯氣及其它化合物氣氛中的抗蝕性是不利的。
在鋼鐵材料表面鍍鋁或滲鋁，可以提高其抗氧化性和在工業性和海洋性氣氛中的抗蝕性。
抗氧化性：鋁作為合金元素加入鋼中，顯著提高鋼的抗氧化性。曾經對鐵鋁合金的抗氧化性進行過詳細的研究，4%Al即可改變氧化皮的結構；加入6%Al使鋼在980℃以下具有抗氧化性。如要求溫度更高時，則需將鋁含量提高到8%。由於鋁的這一作用，為發展無鉻的新型高溫鋼創造了條件。
當鋁和鉻配合使用時，其抗氧化性可得到更大的提高。例如含鐵50-55%、鉻30-35%、鋁10-15%的合金，在1400℃高溫還具有相當好的抗氧化性。
（四）對工藝性能的影響
（1）冶煉和澆注：鋁和氧的親和力很強，所以在冶煉澆鑄過程中常作為一種主要的脫氧劑。用鋁脫氧後所得到的產物，其特點是熔點高和在鋼內傾向於作細粒狀分佈。鋼中加入0.1%的鋁，在澆注時就有明顯的表現。由於鋼中加鋁後，澆注時鋼液和空氣接觸，鋁被氧化成Al2O3,使鋼的流動性降低。冶煉含鋁的鋼，宜將鋁加入爐內，以免因鋁分佈不均勻而產生點狀偏析。含鋁高的鋼液由於粘性較大，容易產生夾雜和表面質量變壞，甚至報廢，因此需要在較高的溫度下，以較快的速度進行澆注；但為了不致加劇枝晶偏析等缺陷，又不可使鋼液過熱。含鋁高的鋼，鑄造後鋼件的表面質量較差，有所甚至在鋼鑄件上形成冷隔現象。
在爐內加鋁時，須考慮鋁與爐渣的強烈反應；出鋼時，最好不使爐內的渣子落入盛鋼桶內，而用別的保護渣覆蓋鋼水。在澆鑄含鋁鋼時，如38CrMoAlA等時，在鋼錠模中海常放四氯化碳（CCl4）來保證鋼錠表面質量。
鋁和氮也有較強的親和力，能起到固定鋼中氮的作用。根據熱力學的分析，鋼對晶粒度、過熱敏感性和淬透性的影響，首先與鋼中形成AlN有關係。但是，由於鋁對氮的親和力不及鋁對氧的親和力強，所以應該在經過仔細的預先脫氧後，才將為了獲得細晶粒鋼所需數量的鋁加入鋼中；否則，大部分鋁將因與氧化合而白白浪費了。
微量鋁在鋼中不形成硫化物。但由於加入鋁，卻使鋼中硫化物夾雜的形狀與分佈收到影響，因而鋁對於中碳鋼易發生鋼錠縱裂現象有密切關係。為了防止縱裂，可加入適量的鈦、鋯、釩等代替部分鋁作為脫氧劑，效果良好。
鋁加入鋼中不與氫化合，但所形成的氧化鋁在頗大程度上可能吸附氫，因而阻礙氫在凝固時的析出。
（2）熱加工性能：含鋁鋼在熱加工時未發現其他特點。當鋁含量超過1%時，使鍛造和軋製過程中產生的氧化皮富含氧化鋁。這種無塑性的非常耐熱的氧化皮，在軋製時對鋼的寬展與延伸有影響。
在熱加工變形的溫度下，氧化鋁夾雜是沒有塑性的；它只能被破碎並沿加工方向移動，最終以鏈狀物條帶出現。這種形狀分佈的夾雜物將使鍛軋鋼材的力學性能，特別是橫向的衝擊和延展性降低。
還應該注意，鋁加入鋼中使得一系列性能得到改善，注意與生成AlN有關。但在1000℃以上的高溫時AlN將溶入奧氏體中，而使這些獲得改善的性能有可能消失。因此對於含鋁鋼的熱加工與熱處理溫度應加考慮。
（3）焊接性：鋁對鋼焊接性的影響，視鋼中鋁含量的不同而不同。一般來說，脫氧後殘留在鋼中的鋁，對焊接質量影響不大。用鋁脫氧的細晶粒鋼比粗晶粒鋼對於焊縫產生裂紋的可能性要小。如果鋁作為合金元素大量採用，則和硅的作用相似，使鋼的焊接性變壞。
（4）切削加工性：含鋁鋼中由於存在細碎分佈的氧化鋁夾雜物，對鋼的被切削加工性不利。
四，鋁在鋼中的應用
鋁在鋼中一般只用於脫氧和控制晶粒度。用作一種合金元素，鋁在特殊鋼中的應用，注要可以歸納為一些幾方面：
1. 滲氮鋼：
鋁對氮有極大的親和力，在滲氮鋼中，鋁是不可缺少的合金元素。含鋁鋼滲氮後，在鋼件表面牢固地形成一層薄而硬的彌散分佈的氮化鋁層，從而提高其硬度和疲勞強度，並改善其耐磨性。鋁還能提高導致滲氮層脆化和易剝落的布氏體（Braunite, α鐵和氮化鐵共析體）形成的溫度，從而阻止它在滲氮過程中的形成。目前一般滲氮鋼中都含有鉻、鉬以及鎢、釩等元素。
滲氮鋼中的鉻和鉬一方面可以進一步提高滲氮層的硬度和耐磨性，並改善其韌性；另一方面由於鉬的加入，可以防止在滲氮過程中回火脆性的產生。鎢也具有改善氮化層組織以及防止在滲氮溫度下的回火脆性等作用。加入釩而減少鋁，主要為了改善低溫衝擊性能和冶煉質量。
2.不鏽耐酸鋼
我國研究成功的18Al3MoWTi鋼，鋁含量為2.2-2.8%，是一種無鎳鉻的低合金耐蝕鋼。在含硫及硫化氫的腐蝕條件下，其耐蝕性能優於0Cr13鋼，而比碳素鋼提高數十倍。由於該鋼種鋁含量較高，因而還具有抗氧化性，可以用於石油煉廠加熱爐上作加熱爐管以及工作在550-650℃各種耐熱不起皮鋼構件，性能優於Cr5Mo鋼。另外，還曾研究了一種含8%鋁的鋼，在海洋大氣中的抗蝕性可與2Cr13不鏽鋼相比。這表明當鋁含量達到一定量時，和鉻一樣，可以使鋼產生鈍化現象，在氧化性酸中具有抗蝕性。因此，鋁作為不鏽耐酸鋼的主要合金元素，有著廣闊的前景。
3.耐熱不起皮鋼
鋁和鉻、硅複合應用可以顯著提高鋼的高溫不起皮性。如：Cr13SiAl, Cr17Al4Si和Cr24AlSi鋼，其鋁含量分別為1.00-1.80%，3.50-4.50%和1.40-2.40%。這一系列鋼的抗氧化性尤於鉻鎳鋼，對含硫氣氛更具有優良的表面穩定性，可用作低載荷的高溫爐用構件。但這種鋼高溫強度低，具有冷脆性和熱脆性，限制了其使用。
鋁是耐熱鋼中的一個重要元素，在一系列時效強化的鐵鎳基超合金中加入鋁形成γ‘相，是這些鋼的主要強化相。
4.電熱合金
在含有足夠鉻和鋁的情況下，合金呈單相的鐵素體組織，這種合金在高溫下具有保持接近恆定電阻的特性和優良的抗氧化性，因此最適宜於用作電熱合金材料，例如鐵鉻鋁系電熱合金早已在工業上得到廣泛應用。當合金中含鉻25%，含鋁5%時，仍可進行熱和冷變形加工；含鉻37-50%，含鋁5-12%時，則只能進行熱變形加工；含鉻、鋁更高時，便只能用鑄造或粉末法成型
5.磁性材料
含碳≤0.13%、鎳～25%、鋁～12%的鐵鎳鋁三元合計已被廣泛地用作永磁合金，它的磁學性能和熱處理工藝以及鎳、鋁含量的變動有密切的關係。添加鈷、銅等四元或多元的鐵鎳鋁系合金也有所發展。這些多元合金的優異特性是經過適當的熱處理獲得此擇優取向的能力，使其最大磁能（Bd x Hd）m可高達7x106。此外，曾經發現，含鋁約8%，碳約1.5%的鋁鋼的最大磁能可達0.7x106,它比鎢鋼或鉻鋼的最大磁能（約0.3x 106）大一倍以上，所以可以認為這種鋁鋼是一種不含貴重合金元素的‘低磁能’的有發展前途的新型永磁材料。
對軟磁材料，鋁有和硅相似的作用，如提高鋼的電阻係數，減小鐵芯損耗，含量高時使晶粒粗化並促使碳石墨化，降低鋼的塑性等。但在實際生產中，加入大量的鋁，很難避免對磁性有害的氧化鋁夾雜的生成。因此，含鋁的電工軟磁材料，在一般情況下尚難取代硅鋼片的位置。
6.其他用鋼
鋁在無磁鋼中也得到應用，如45Mn17Al3無磁鋼是奧氏體鋼，其磁導率大於1，並具有較高的機械性能。
鋁是高錳低溫鋼的主要合金元素，一定含量的鋁，有提高鐵錳奧氏體穩定度，抑制β-Mn相變的作用。由於這一作用，使鋁在低溫鋼中得到了應用。曾研究了一種鐵鋁錳系低溫鋼，在液氫溫度，仍保持很高的衝擊韌性。
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