鈮在鑄鐵中應(yīng)用

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1、鈮作為鋼和鐵的合金元素被使用由來(lái)已久。鈮被加入到奧氏體不銹鋼中，以改善奧氏體不銹鋼的抗晶界腐蝕能力。這種含鈮奧氏體不銹鋼被用于制造化工和石油工業(yè)的大型設(shè)備。鈮加入到鎳鉻基和鈷基高溫合金中，可提高其高溫穩(wěn)定性和高溫強(qiáng)度。近二十年鈮在材料中的應(yīng)用得到了進(jìn)一步的發(fā)展，〔1〕由于鈮可以推遲先共析鐵素體的析出，并大大延遲奧氏體開(kāi)始轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w的時(shí)間，在低合金鋼中加入0.05%~0.10%的鈮，在鑄態(tài)下得到貝氏體鋼，免去了貝氏體化熱處理過(guò)程；〔2〕由于鈮可以顯著提高鑄鋼的高溫組織穩(wěn)定性，而被用于鑄鋼軋輥的生產(chǎn)中。含1.5%Nb

2、的軋輥的使用壽命是高鉻鑄鐵軋輥壽命的3倍；〔3〕鈮在高溫合金中的應(yīng)用也引人注目，含35%Ni、25%Cr的Fe-Ni-Cr-Nb合金有極好的組織穩(wěn)定性、蠕變斷裂強(qiáng)度和抗碳化及還原性，可在1130℃下的空氣中使用；〔4〕鈮對(duì)組織穩(wěn)定性的貢獻(xiàn)還受到生物合金工作者的重視，鈮加入到鈦合金中，以提高其抗腐蝕性，這種鈦合金被用作牙齒材料；〔5〕在A(yíng)L203纖維增強(qiáng)金屬間化合物基復(fù)合材料中，Nb2Al+NbAl被認(rèn)為是比較好的基體組織；〔6〕在航天工業(yè)中，C103(Nb1.0%Hf1%Ti0.5%Zr)鈮合金由于在1500℃的高

3、溫下仍然具有大于50MPa的強(qiáng)度，被用來(lái)制造高性能火箭發(fā)動(dòng)機(jī)輻射冷卻推力室和噴管延伸段以及連接法蘭環(huán)等；〔7〕鈮在微合金化鋼中的應(yīng)用發(fā)展也很快，特別是在冷軋汽車(chē)薄板生產(chǎn)中取得了長(zhǎng)足進(jìn)步。本文詳細(xì)介紹鈮在鑄鐵中應(yīng)用的研究結(jié)果，并對(duì)鈮在鑄鐵中的應(yīng)用前景進(jìn)行探討。一、鈮對(duì)灰鑄鐵組織及力學(xué)性能的影響采用高頻感應(yīng)電爐熔煉和濕型澆注研究了鈮對(duì)3.0%～3.4%C、1.8%～2.0%Si、0.7%～0.9%Mn灰鑄鐵力學(xué)性能及耐磨性的影響，結(jié)果如圖1至圖4所示。研究結(jié)果表明，灰鑄鐵的抗拉強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度和沖擊韌性都隨著鈮含量的增加

4、而提高，當(dāng)灰鑄鐵中含鈮量高于0.25%時(shí)，其各項(xiàng)性能明顯提高。值得指出的是，鈮在提高強(qiáng)度的同時(shí)，韌性也明顯提高。由金相照片可知，含鈮灰鑄鐵的石墨組織無(wú)過(guò)冷傾向，鈮加入后，石墨仍為片狀。因此，鈮灰鑄鐵保持了普通灰鑄鐵的優(yōu)良耐磨性能。通?；诣T鐵中使用的合金元素，諸如鉻、銻等往往使灰鑄鐵基體組織中的珠光體含量增加。但是，鈮對(duì)珠光體量基本沒(méi)有影響，其對(duì)灰鑄鐵基體組織影響在于使共晶團(tuán)細(xì)化。圖4表明，鈮使灰鑄鐵的相對(duì)磨損率降低。近一步的研究表明，這主要是由于鈮加入后形成大量鈮的碳氮化物。一、鈮對(duì)過(guò)冷灰鑄鐵組織和力學(xué)性能的作用在

5、鑄鐵生產(chǎn)中，當(dāng)石墨以D型析出時(shí)，我們將其稱(chēng)為過(guò)冷灰鑄鐵。研究表明，鈮對(duì)過(guò)冷灰鑄鐵的響也很大。采用生鐵、廢鋼和75硅鐵在中頻感應(yīng)爐中配制成分為：3.0%~3.4%C，1.2%~1.6%Si，0.5%~0.9%Mn，P≤0.3%，S≤0.015%，0.02%~0.09%Nb的鐵液，1340℃～1360℃時(shí)澆入濕型中，制成10mm的力學(xué)性能和金相試樣。經(jīng)金相檢驗(yàn)，其石墨組織為D型。從金相照片可看出，對(duì)于石墨形態(tài)為D型的過(guò)冷灰鑄鐵，隨著鈮含量的增加，石墨進(jìn)一步變細(xì)，當(dāng)鈮含量達(dá)到0.05%后，再提高鈮含量，出現(xiàn)不規(guī)則塊狀石墨

6、。鈮對(duì)鑄鐵基體組織形貌影響不大，珠光體晶粒略有細(xì)化。圖5至圖7為鈮對(duì)過(guò)冷灰鑄鐵力學(xué)性能的影響。研究結(jié)果表明，隨著鈮含量的提高，抗拉強(qiáng)度、硬度和沖擊韌性均提高。當(dāng)鈮含量為0.05%時(shí)，力學(xué)性能達(dá)到最大值，繼續(xù)提高鈮含量，力學(xué)性能降低。鈮對(duì)過(guò)冷灰鑄鐵抗拉強(qiáng)度和沖擊韌性的影響與其石墨形態(tài)的變化有關(guān)。當(dāng)鈮含量小于0.05%時(shí)，石墨片的細(xì)化對(duì)提高鑄鐵的強(qiáng)韌性指標(biāo)是有利的。當(dāng)鈮含量達(dá)到0.099%時(shí)，由于出現(xiàn)塊狀石墨，鑄鐵的力學(xué)性能必然降低。鈮的加入對(duì)鑄鐵的基體組織并無(wú)明顯影響，而鑄鐵硬度的改變與石墨形態(tài)關(guān)系不大。此外，從抗拉

7、強(qiáng)度提高的幅度看，僅僅從石墨形態(tài)的改變來(lái)解釋?zhuān)€是不夠的。為了進(jìn)一步揭示鈮對(duì)過(guò)冷灰鑄鐵力學(xué)性能影響的機(jī)制，作者采用配有能譜的電子顯微鏡測(cè)定了鈮在過(guò)冷灰鑄鐵中的存在形態(tài)。結(jié)果表明，當(dāng)鈮含量在0.05%左右時(shí)，過(guò)冷灰鑄鐵的基體組織中有固溶鈮存在。當(dāng)鈮含量達(dá)到0.099%時(shí)，過(guò)冷灰鑄鐵中出現(xiàn)了富鈮相，這種富鈮相呈不規(guī)則形態(tài)分布于基體組織中。這一結(jié)果證明，當(dāng)鈮含量為0.05%左右時(shí)，微量鈮在基體組織中的固溶是過(guò)冷灰鑄鐵強(qiáng)韌性及硬度提高的重要原因。而當(dāng)鈮含量達(dá)到0.099%時(shí)，不規(guī)則富鈮相的出現(xiàn)導(dǎo)致力學(xué)性能降低。一、鈮對(duì)冷硬

8、鑄鐵組織和力學(xué)性能的影響筆者對(duì)鈮在冷硬鑄鐵中的作用進(jìn)行過(guò)比較系統(tǒng)的研究，采用生鐵、廢鋼和75硅鐵在中頻感應(yīng)爐中配制成分為：3.0%~3.4%C，1.2%～1.6%Si，0.5%～0.9%Mn，P≤0.3%，S≤0.015%，0.02%～0.099%Nb的鐵液，1450℃時(shí)澆入鉻鐵礦砂型中，制成直徑為10mm的力學(xué)性能和金相試樣。經(jīng)金相檢驗(yàn)，組織為細(xì)珠光體+萊