工具钢中铌的作用及应用

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1、工具钢中铌的作用及应用摘要许多材料被开发用做工具。但是，工具钢仍旧是主要工具材料。无论传统的凭经验开发的牌号以及新的牌号都正在用特殊的加工或用新的冶金原理，即微合金元化来改进以优化性能。铌（钶），一种碳化物形成元素，在此领域是新手，正逐步找到进入一系列工具钢的途径。在综述铌在工具钢中作用之后，着重谈了铌合金化工具钢若干应用实例及开发工作。前言铁的最早技术应用是工具，这可以从早期铁器时代的发现中看到（公元前750到450年Hallstadt时期）。还在那个时候，铁已经用熔融方法制造，而且采用了硬化热处理

2、。CaiusPliniusSecundus(公元23至79年)在他的“NaturalisHistorica”一书中描述铁时这样写道：“这对于人类既是最好的也是最坏的工具”，用以强调它在日常生活及战争中的大量应用。在最近2500年中，对工具提出了许多新的要求，所以许多不同的工具钢被开发出来，其中大部分靠经验。实际上这被称作工具钢的钢类仅占钢产量的1%（1），但是其重要性却要大得多，因为几乎我们日常生活所有物品都是用工具制造出来的。许多工具钢的钢种也可用在其他用途，反过来也是这样。所共同的是它们用作工具；

3、针对不同用途的各种要求，已知许多成分。通常，工具钢靠多种元素来满足这些要求。其中有碳化物形成元素铬、钼、钨和钒。所以粗看起来令人奇怪的是在周期表中位于邻居的铌在工具钢中用得很少。其原因可能是大多数钢种靠经验开发，以及铌只有在60年代于巴西和加拿大开发了烧绿石矿藏后才大量及廉价供应。铌在工具钢中的作用·微合金化钢中用铌的基本考虑是它形成非常稳定的碳化物，促进结构钢中作为强化机制的晶粒细化和析出强化。如此作用的添加量通常在0.01％到0.20%，因此被称为“微合金化”。可是，在通常采用淬火硬化的工具钢中，

4、NbC的这种作用的意义不大。为了获得适当的马氏体硬度，工具钢往往具有中到高碳含量。图1（2）表明上述碳含量范围钢的碳化物在奥氏体中的溶解度积。NbC即使在高淬火温度下的溶解度很小。在1100℃，NbC析出的长大有限，不会发生显著的质点粗化—图2（3）。因此NbC质点将提供类似传统的正火钢或渗碳钢种中的晶界钉扎作用，在这些钢中，如此微量合金的添加是用来保证细晶显微组织。图3（4）表明这些稳定的NbC质点是如何控制奥氏体晶粒尺寸，是大量体积分数的微细质点造成细小的奥氏体晶粒。图1图2这种基本考虑很清楚，工

5、具钢中加微合金铌的主要价值是在淬火前加热时防止晶粒长大。相当少量的大约0.02%Nb在奥氏体化时或许能被溶解，应该会在退火时稍许延迟相变以及引起析出强化。可是，在许多工具钢中含有大量铬、钼、钒等，NbC的贡献与其它合金碳化物相比，其作用是相当小的。问题提出来了，如何利用NbC质点的这种奥氏体晶粒细化作用。两种可能性是显见的：a)除了强度/硬度外，需要一定的“韧性”以避免由局部高应力引起的工具的立即脆性开裂。由于脆性晶间断裂与在原先奥氏体晶界上的碳化物析出有关，见图4（5），细晶粒尺寸将有助于减少晶粒边

6、界上的碳化物量，从而改善“韧性”。图4b)NbC的高稳定性使得有可能采用高的均热温度，而不用担心晶粒过分长大。在较高均热温度下，大量其它合金碳化物将被溶解，导致总体良好性能，即低成本下高的红硬性，而不损害韧性。这些考虑表明，微合金铌加入工具钢中提供机会重新设计标准工具钢的合金化和工艺条件。高均热温度而不损害韧性对一定的合金设计来说将改进其它性能，而对等同性能来说，总的合金量可以降低。用较高均热温度下较短时间代替较长均热时间能够得到额外的经济效益。当需要高韧性时，进一步细化晶粒是非常有益的。对奥氏体晶粒

7、尺寸的这些考虑在其他地方已经被采纳（6）。由于铌比铁有较大原子尺寸，因而有偏聚倾向。在凝固时，铌将被分配到柱状晶间区，可能形成Fe+NbC共析体。此共析体的体积分数主要取决于钢中铌的含量，如图5所示（7）。此外，高碳含量或较低冷速（如模铸）促进共析体的产生。由于钢的化学成分及浇铸工艺通常是固定的参数，把铌含量限制到低于0.10%将既有晶粒细化作用，又不会产生Fe+NbC共析体。·一次碳化物需要高耐磨性的工具主要依靠一种带大量碳化物的莱氏体组织。图6示出一个采用Millers(f)数据的示意图，它表明，

8、这些钢的韧性必然地要比带较少碳化物的工具钢低得多。在此图上，带聚集碳化物的高速工具钢位于莱氏体类钢的波动带的上部。在莱氏体钢中，铌碳化物可被有效地采用。与铬碳化物M7C3及钼钨碳化物M6C(1650HVmax)相比，立方的NbC具有更高硬度（2400HV）。与硬的轻金属的立方碳化物，3TiC或VC相比，有利之处在于它的密度7.8g/cm是在液态工具钢的比重的范围之内。纯NbC比液态钢水稍重一些，这对提高离心铸造件的外表面或一般铸件的底部的耐磨性有利。可是