铌在铸铁﹑铸钢中的应用

mysuncool0315

我国2000年铸件产量达1350万吨，铸铁为950万吨左右。当前每年需钢锭模
80万吨，轧辊20万吨，磨球60万吨，铸铁管100万吨，仅此几项总计年需200万吨铸
- ^7 H! Q. Y" k% P% x& V4 [件。可见铸件生产中的任何一项技术革新都会给企业和社会带来重大经济效益。

据统计机器零件的损坏大约有80%是由于磨损而引起的，世界上能源大约1/3消耗在
( e" Q' s& l' w" R( z$ S+ L, z& k摩擦上，因此研究开发高耐磨性材料具有重要意义。铌在铸铁﹑铸钢生产中有重要
; t8 _2 ^$ n3 P" a$ A: N1 H/ u的作用，西欧﹑北美﹑日本等早在60年代就开展大量的基础研究工作。铌对铸件的
# k3 k0 F$ s& ^) {- j抗磨性﹑耐热性﹑耐蚀性﹑表面性状﹑铸件的尺寸稳定性以及铸件的最基本的强度
﹑硬度﹑韧性﹑可焊接性，低温韧性等均有贡献。

本文综述了铌在铸铁﹑铸钢中的应用技术及其在轧辊﹑活塞环﹑高铬铸铁等现代铸
件中应用情况。
, [( W- J9 S' o4 M- t8 Q4 T

) A) ~6 H) N" u
1、铌在熔铁中的物理冶金

  ?( a9 ~1 A1 g! `9 f! }) X6 K5 m* P( l1.1 铌铁合金化技术
/ m. u: O! t, `% l6 l# l$ C  q
当代冶金工业用的铌添加剂主要是含Nb66%铌铁合金，其优点如下：
* ~# x8 G% I; H4 \2 ]* b% b
(1)     铌铁的铌/铁原子比近于NbFe金属间化合物，性脆﹑易于破碎，容易制取
! Q3 a  ^/ u; ^# e' R3 d炉料所需要的块度，对于不同炉型或钢包,所需最佳块度如表1
  x, ^' L+ m/ m' ~1 @<Nb-Casting-01\b1.jpg>所示。

- s( |/ X! h* q  T, i0 y% K(2)     铌铁的密度8.1克/厘米3，略高于铁水的比重，比纯铌(8.57克/厘米3)
3 X0 l7 o$ Q( s4 I低，加入铁水中免于浮在上，也不产生比重偏析。
4 }3 C; g! |% x/ e* R
(3)     铌的化学反应自由焓如图1 <Nb-Casting-01\p1.jpg>。图中粗线所示铌的
氧化势曲线，它抗氧化能力与锰相近，高于1000℃时比锰耐氧化。所以，可用于半
' X/ i* g7 s* P% M( Q9 L镇静钢生产，亦可同其他合金料同时加入生产铌铸钢和铌铸铁。
9 B8 u3 N: k, p$ J! r
- q6 {3 y& R# W  A铌铁的熔点1580-1630℃，远高于铸铁,略高于铸钢。铌与铁不发生放热反应。因此
+ p0 ~/ P- H- ?: p铌铁在铁水中不可能熔化，而是一个以界面扩散为基础的溶解过程。所以，铌-铁
合金化需要一定时间，温度越高越好。图2 <Nb-Casting-01\p2.jpg>是铌铁在铁水
8 ]0 f3 P1 G7 w0 E: `中的溶解曲线。

因为铌铁较贵，一般说在其他合金料加入后加入。在钢包中加铌铁为宜。注意应无
7 ^* i2 k. S% U7 e1 R% k. A渣出钢，在全镇静钢收得率大于95%。从图1可见铌的氧化势居于很高位置，高于所
4 C& B0 R/ I2 n0 M* p. L+ R9 g7 y有常用合金元素，在铁水中高于碳，仅次于铁，在选择性氧化铌处于最后。
  ^9 ]: W) i' ?& {1 k) Z
, M$ w' b% [; R+ [( x/ Q) c在铸钢﹑铸铁中最经常使用的微合金元素含量及其性质如表2
<Nb-Casting-01\b2.jpg>。

5 U. g9 B2 O: M1 d% c* O) s在铸钢﹑铸铁中炭含量是很高的.氧化物在平衡温度以上可为碳还原，见图1。平衡
温度是2C+O2=2CO与相应微合金元素的氧化势曲线的交点温度。图中没有B(Bor)，
/ q$ l6 L" J3 uTi的温度最高，V次之，Nb为1280℃，Nb2O5在高碳铸件中可为碳还原，
1 O9 r" b/ I( A! Y
9 I( h5 }  E# F& o$ P! M) X

      Nb2O5 + C   → >1280℃       Nb + CO↑

这是Nb取得高收得率的原因。


6 d* S# _- X& T1 I# r- [. p
4 X: R2 S: B5 _/ S1.2铌碳﹑氮化物在熔铁中的溶度积

! @5 _3 a' i$ t9 x$ ^# z铌是强碳化物形成元素，NbC的熔点为3513℃，其稳定性在碳化物形成元素中次于
TaC，在融熔铁中服从溶度积规律，温度越高，溶度积亦越大。早在1987年不破和
- b4 T! X( {3 g* K- ~森田等，报道了NbC和NbN在铁水中的溶解规律，得出如下反应式和公式。

/ U4 g- Z0 g2 Q* G1 C      Nb+C(Sat)=NbC(S)

      Lg[%Nb][%C]=-4840/T+3.73……(1)     不破  等
; T1 T& A: n9 J% u7 W: i
% t+ ~* G+ I" n      Nb+N=NbN(S)
3 f6 y+ r& L0 z8 d
& J; y; `! g  E" l! i% ], j      Lg[aNb][aN]=-11100/T+5.76……(2)      森田  等
% x/ G# Z; j; e4 Z$ f( i3 w
式中T为绝对温度。用这两个公式可以判定已知成分在不同温度下的初生碳﹑氮化
! a, Y8 e7 p' U2 \$ Z物的析出行为及数量，也可以根据性能需要而设计铸件的成分。

铸铁、铁钢以2%C为分界，铸铁碳含量为2%-4%，Nb含量在0.01-3%；铸钢碳含量为
! F9 z8 r5 X1 Y$ S( |& ]0.10%-2%，Nb含量在0.01-0.8%。只有在高碳高铌的铸铁中才有可能生成初生炭氮
化物。图3 <Nb-Casting-01\p3.jpg>﹑图4 <Nb-Casting-01\p4.jpg>是公式(1)(2)
$ `& V* Y$ Q+ q# p的等效图。

初生NbC是在各向同性的匀质液相中形成，是以球对称生长，而且高度分散，颗粒
小而量多，并成为球墨的核心。这样得到的组织为细化球墨铸铁，铌也是极好的孕
育剂，将得到极好性能。
+ w+ M; X& ?0 T
由于NbC是MC型，有极高硬度2000HV，所以对强度﹑硬度﹑耐磨性均有贡献。
+ Q0 S1 H- G7 ?% L
在凝固末期，在比较低的碳﹑铌溶度积的情况下，由于碳偏析的原因，在树枝晶间
可能生成一次碳氮化铌，呈蕨类叶状形貌，对铸件性能不会有好处，在大断面、慢
6 i! ^% P" [; G  r6 J, e* R# C冷的情况下容易产生。由于破坏晶界连续性，对铸态性能不利，高温固溶可以改善。
+ x8 x; G! d* D% G


7 F5 A# B% u" g- [% e6 y1.3炭化铌﹑氮化铌﹑Nb(CN)在奥氏体中的溶度积

引自W﹑C莱斯利著《钢的物理冶金学》(3)(4)(5)式供参照分析用。
& ?6 D! r. o# z! ?% ]; O6 E! f# I
      
4 n; Y# Y( P) H( [) ~
1 v6 j# T7 W4 @. W4 w4 J* D        NbC[%Nb][%C] = -7530/T+3.11                            (3)

        NbNLg[%Nb][%N] = -10230/T+4.04                         (4)

        Nb(CN)Lg[%Nb][%C+12/14N] = -6770/T+2.26                (5)
, w# Z* s5 E' X: k- a


1 P* T/ y2 u: g4 v6 k( n在奥氏体状态下的不同温度，这些化合物析出溶解行为可以用上式判断，温度一定
时固溶铌和沉淀铌的分配一定，分别以固溶和沉淀机制发生影响。

在发生γ→α转变时，铌在固溶体中的扩散速度突然增加100倍，所以在相界迅速形成
. L) X* K' N$ r4 `所谓“相间沉淀”高度分散，有规律的均匀分布在铁素铁基体，是强化相。

, r: H& E6 m; {% Q( [(1)  固溶铌抑制相变的作用

铌抑制奥氏体分解﹑降低转变温度,因而促进贝氏体生成，一般说0.1%Nb的抑制能
力相当于水冷，见图5 <Nb-Casting-01\p5.jpg>，铌的作用可称“内处理”，铸件中
# F  p- T4 x+ T0 X% d( t可见到这种相变组织。这与铌在变形材中的作用相一致。
5 t, A0 s6 F) X; ^' Y
6 x  p; @5 }4 {' i* c- i) P(2)  铌对铁素体相的强化
0 P/ j$ t# ]; a( C  h9 H1 R
4 Q, X+ W' Q% \& ~铌是铁素体强烈形成元素，它富于铁素体相中，可强化亚共析钢的先析铁素体，也
5 ?5 P/ P+ d, e( f可强化珠光体中的铁素体组分，也可以强化铁素体基体。

: s  E+ @& j: }: R) s(3)  铌对铸铁性能的影响

$ A( r3 S3 @) J1 h: E$ `北京科技大学翟启杰教授等对铸铁中的铌对力学性能合金相组织进行详细的研究，
8 H/ Q2 D; ^3 L0 v1 z( B指出0.3%Nb可显著提高灰铸铁的强度﹑抗弯强度和硬度，提高韧性，降低磨损。铌
的独特优点是在提高强度的同时，提高韧性，这为其他元素所不及。并指出铌对珠
光体没有影响，提高耐磨性是大量析出Nb(CN)的结果。


1 C: k8 w+ \. k
* O4 z" {4 b. b1 c6 P1.4铌对铸钢性能的影响
! h$ v" {& R$ O% K6 \! n  w
: W1 _9 p* \! W( ^近来，我国关于微合金化铸钢的研究也有若干文章发表，微量铌在铸钢中的作用,
% Z/ I# v" w$ g5 l4 X1 [正在被认识，也在应用。微合金化铸钢是铸件中的一大门类，它多应用于大型工程
7 K# Y) E, A- ~上。铸钢的特点是它具有低碳钢的可焊性，中碳钢的强度和Cr-Ni-Mo钢的韧性。这
方面上海工程技术大学﹑南京大学﹑广州有色院等做了很多有益的工作。
1 N$ L/ P: S0 O' x; A3 U7 u
国际上铸钢牌号很多，如表3 <Nb-Casting-01\b3.jpg>，含铌0.01-0.12%。铌微合
- q  |% X# X. t$ n金化钢的高温固溶处理是重要的热处理环节，把铸态中的Nb(CN)，一般是大块状，
% ]  q$ w+ e# x( G3 B' ?8 Z固溶于基体。在随后较低温度下过饱和析出细小的Nb(CN)或NbC,才能强化基体。
% ]2 P5 j: e4 z( H2 e
微合金化铸钢方面的重要结论：

4 P( r4 s6 l1 W(1)     稀土变质处理可改善铸钢的韧性；
# l3 n& h4 |/ P- p" }
(2)     稀土﹑铌微合金化可改善铸钢的韧性；
) a7 H" _" r' a
* i( L0 j1 Q0 p) O(3)     采用铌﹑钒﹑钛和稀土复合微合金化处理可使铸钢获得较理想的韧化效果。

* L: @# Z  g1 V8 }( _- A4 h! g
- m5 M3 }) y) G( t1 p9 p" }
* E- G8 O. d" h5 z2.铌在现代铸件生产中的应用
$ n7 m0 L; v( a( I$ a
2.1铌球铁轧辊
: b; [& ~# V9 K/ T8 }4 T
北京冶金设备研究院等单位研究了铌在球铁轧辊中的应用。轧辊成分如表4
<Nb-Casting-01\b4.jpg>。

试制辊使用表明，含Nb轧辊孔型稳定，耐磨性好，耐腐蚀性好，不龟裂，抗粘钢性
好，其使用寿命比铬—钼无限冷硬球铁辊提高15%-30%。轧制品的尺寸精度和轧机生
! U0 w/ U2 c$ \& T3 k. ~# S产率均有很大提高。开发和推广铌球铁轧辊具有经济效益。
# h7 G, w9 ^. F8 M8 d8 `$ n
2．2铌铸钢轧辊

6 A' C( B, ]: p. Y本溪钢铁公司徐光伦报道了铌铸钢轧辊的研究试制情况。
& F/ f+ N- ^: L+ \  x9 U
试制辊为650开坯辊。

含铌铸钢辊的化学成分，设计要求为（%）：0.62-0.70C﹑0.17-0.50Si﹑0.50-
1.80Mn﹑0.70Cr 0.40-0.50Mo ﹑P≤0.35﹑S≤0.030﹑Nb微量。设计力学性能为：
; M3 p8 H* [+ f& n; |' l: D9 Oбb≥780Mpa﹑δ≥8%﹑ak≥4J/cm2﹑HS≥40。

; v! H. }2 q0 I4 H5 @试制过程中研究了铌对硬度和韧性的影响，其结果如图6 <Nb-Casting-01\p6.jpg>
和图7 <Nb-Casting-01\p7.jpg>。硬度随铌含量的增加而提高，同时韧脆转变温度
下降。并显示出含铌铸钢具有二次回火硬化现象。这是碳化铌析出的结果。金相组
织发生显著变化，加铌后珠光体由片状变成粒状。
& |8 v4 k: B% `  a# `
含铌铸钢与68CrMnMo辊相比有很大的改进，各项指标均达到世界发达国家的常用铸
钢辊的水平。轧制量提高37.5%-42%，辊耗降低25%，为2Kg/吨。年断辊从40支降到
20支。

. Z. J' h$ ]1 O6 r& Z: m* G  f# f含铌铸钢轧辊可轧制合金比在50%以上的特殊钢。
# h/ n9 S$ n0 K7 H0 F( v4 Q5 U

  h" `3 q  {4 c  w4 f4 G5 x( w6 H5 a
2.3 铌在球铁复合辊中的应用

' O) ~" E1 c( w! G$ z北京轧辊厂和钢铁研究总院合作研制含铌球铁复合辊。最佳工艺为炉后加铌，外铁
皮水孕育，中心多次孕育，铌球铁复合辊显示出的一切优良性能，都是碳氮化铌所
6 f5 S1 {% ~% x5 v, `, e+ s致。Nb﹑Mo﹑Ni三种辊，含Nb稀土镁球铁棍的断裂韧性好，K1c值符合ASTM399-74
+ g( q0 L( E" `' E的规定，而不含铌辊K1c不合格。
6 g* O* ^! [* A* k  B) y
金相组织指出Nb球铁中出现索氏体，提高了机械性能﹑碳氮化铌呈均匀分布，强化
了基体。

铌球铁复合辊使用性能有很大提高，一般都在5次以上，多达15次，寿命提高了
7 |2 k' h% m9 Z( _  X! Y$ h& `* n60%，抗裂性提高50%，辊型稳定性高，提高了轧机作业率。

3 w9 |( r0 o4 d9 A, n经济效益指标指出，合金成本增加7%，寿命提高30%，实际综合效益增加4倍。
$ [5 c) L' X+ A, l: [$ a
0 X$ s( i- p# e' f) d: C试制结论：

' p/ P8 F' b; T0 \$ \4 p（1）Nb有强烈的孕育作用，且不受时间影响。促进球化，促进球光体形成，细化
7 X; c- p6 z5 [( c! |' h0 S  t白口组织。

（2）铌球铁轧辊的最佳成分：C3.5-3.65%  Si1.8-2.0%  Mn0.32-0.45%   
' S8 N6 b  m% n$ c4 d: b( _/ uMg0.06-0.08%价微量铌。

$ [. I: y1 y" K0 o5 _* {
6 `- F' S: C  ]: b
6 d, M! q3 k/ A, Z/ r) @. \9 [2.4 铌球铁活塞环的生产
# p5 E* j$ f6 z: |9 h* J2 g
  J( k* P0 ^# {8 I7 R, X山东新材料研究所研究了Nb在塞环生产中的应用效果。铌球铁的化学成分如表5。
, E6 y& X" I, w% ]3 _0 T% x铌球铁和铬钼铜铸铁物理力学性能比较见表6 <Nb-Casting-01\b6.jpg>。

表中数据表明铌球铁抗弯性能好，热稳定，弹性系数高，在高温下保持性好。这样
好的性能来源于基体为完全的珠光体和均匀分布的石墨。铌球墨的特点是小而园
0 K7 C$ E) a3 A$ D, @6 \+ K$ z正，个数多。珠光体基体中弥散分布Nb(CN)颗粒，密度每平方毫米200乃至上千
/ r* l8 ~$ p% z/ S9 ]  ^个。其显微硬度在2000-2500HV。

95型环的生产采用4层叠箱造型。铸型表面撒氟铝酸钠，或氟硅酸钠粉，完全消除
8 w& Q4 w/ C6 _+ w* A3 Y! J: E了筒坯皮下气泡。

铌球铁活塞环装机试用结果指出，铌球铁环比铬钼铜环，耐磨性提高1.02倍,弹力
保持性提高1.39倍。在快速试验和装机试用没有发生断环现象。

由于Nb(CN)提高了铌球铁耐高温性能，因而有利于提高发动机的工作温度。很适于
( h7 r+ ]0 p! O  f( ~. t内燃机发展的需要。

7 j( B. X( e1 ~! N2 X

2.5 铌在高铬铸铁中的应用
% p# S0 J" G+ A$ ?
3 Y4 G2 U0 H- j2 N, D! a8 ?巴西W﹑LGuesser报道了铌在高铬铸铁中的应用。试验铸铁的基本成分：Fe-18%Cr-
4 P, n4 m4 j0 x* T- m. D% A3%C，加≤3%Nb或≤2%Mo。这种铸铁通过热处理，得到回火马氏体 十 次生碳化物
' f/ L: V+ d' T/ m% \3 T0 M6 WM23C6。高铬铸铁具有较粗的共晶体和高硬度（1200-1600HV）富铬M7C3型炭化物。
/ ?% v; R  z+ k; D. U* r因为MC型NbC的硬度极高2000HV，所以，高铬铸铁中加铌，利用NbC再次提高硬度是
7 O/ _4 n& @# z/ Y5 X  _可行的。试验结果如图8和图9。

# G7 z! h# q; A3 K0 p$ x9 b' p从图8 <Nb-Casting-01\p8.jpg>可以看出铌﹑钼对高铬铸铁叶片的磨损率的影响，
铌提高耐磨性的作用2倍于钼，而图9 <Nb-Casting-01\p9.jpg>是Nb和Nb﹑Mo复合
对高铬主锤头的磨损失重的影响，Nb-Mo的复合应用效果更佳。
4 v8 E% h* n: x8 H" J& R
4 f5 R0 g  n* Y( B( g$ Q' l加铌后典型组织中发现有大量的炭化铬和碳化铌。700℃相变动力学研究指出铌铜对
' B# s" n! b+ R相变均有抑制作用。
; r- ^1 [: W/ H9 y+ X! I
《铸造技术》4/1998报道了铌对灰铸铁耐磨性的影响。试样的成分为：3.40%~3.54%
( C$ _+ E% b6 ?1 Y/ [& F- lC；2.10%~2.43%Si；0.89%~1.06%Mn；0.08%~0.12%P；0.039%~ 0.045%S。铌的含量
) S1 u5 {6 F$ S1 {9 b分别为0%，0.077%，0.26%，0.57%，0.87%。耐磨试验在M-200磨损试验机上进行。

/ s) p3 s$ F0 Y  ~) W2 z: ?
# A8 [' x0 R; G+ p+ r& R" A. P
; u* ~* ]# G/ o# s7 ^表7 <Nb-Casting-01\b7.jpg>为铌铸铁缸套和硼铸铁缸套台架快速模拟磨损试验结
3 ?+ j" ~/ i; Q果，从中可以看到铌铸铁缸套较硼铸铁缸套耐磨性提高1倍以上，并使活塞环减摩
' R1 z4 e' B5 w6 w+ H7 P) v0 G30%左右。表8 <Nb-Casting-01\b8.jpg>为300型渔轮柴油机的铌铸铁缸套与CrMoCu
铸铁缸套装机对比试验结果，结果表明铌铸铁较CrMoCu铸铁缸套耐磨性提高1-3
! q. j: `- u: m: c1 Q倍，以上2种铌铸铁缸套的含铌量均为0.2%-0.3%左右。

- Y' E; c& k0 f8 z# d) f" }! l
; {* ^2 ~; w. T! b6 ?, c2 n
; i* F4 e3 a( A7 R' ^) M! R" [结论：
+ D2 Z( ?. H2 g1 @# v, V8 m# T
铌能较大幅度地提高铸铁的耐磨性，在通常的加铌量范围内（Nb = 0.15%~
1 f0 J" B$ C$ L* Y1 h0.40%）铌铸铁较普通铸铁耐磨性提高5倍左右，较硼铸铁提高1倍以上，较铬钼铜
9 j5 d4 ~& ~. Q7 `铸铁提高1-3倍，并且具有良好的配磨性能。因而得出铌铸铁的耐磨性随含铌量的
& }% {+ U' G9 F$ l8 D3 l增加而不断提高。

5 s" Z: _2 v1 E; x铸铁中加入铌能在基体中析出高硬度﹑高熔点﹑形状规则﹑粒度较小﹑均匀弥散分
布的硬质相—Nb(CN)质点，这是铌铸铁具有高耐磨性的基础。
) F$ o" V, a! R6 p
/ S! Q0 r8 o: V+ A/ K2 Q' B铌铸铁适于制作缸套﹑活塞环等耐磨易损件，综合考虑成本等因素，建议生产中铌
铸铁含铌量以0.15%-0.3%为宜。