铌在铸铁中应用

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1、铌作为钢和铁的合金元素被使用由来已久。铌被加入到奥氏体不锈钢中，以改善奥氏体不锈钢的抗晶界腐蚀能力。这种含铌奥氏体不锈钢被用于制造化工和石油工业的大型设备。铌加入到镍铬基和钴基高温合金中，可提高其高温稳定性和高温强度。近二十年铌在材料中的应用得到了进一步的发展，〔1〕由于铌可以推迟先共析铁素体的析出，并大大延迟奥氏体开始转变为珠光体的时间，在低合金钢中加入0.05%~0.10%的铌，在铸态下得到贝氏体钢，免去了贝氏体化热处理过程；〔2〕由于铌可以显著提高铸钢的高温组织稳定性，而被用于铸钢轧辊的生产中。含1.5%Nb

2、的轧辊的使用寿命是高铬铸铁轧辊寿命的3倍；〔3〕铌在高温合金中的应用也引人注目，含35%Ni、25%Cr的Fe-Ni-Cr-Nb合金有极好的组织稳定性、蠕变断裂强度和抗碳化及还原性，可在1130℃下的空气中使用；〔4〕铌对组织稳定性的贡献还受到生物合金工作者的重视，铌加入到钛合金中，以提高其抗腐蚀性，这种钛合金被用作牙齿材料；〔5〕在AL203纤维增强金属间化合物基复合材料中，Nb2Al+NbAl被认为是比较好的基体组织；〔6〕在航天工业中，C103(Nb1.0%Hf1%Ti0.5%Zr)铌合金由于在1500℃的高

3、温下仍然具有大于50MPa的强度，被用来制造高性能火箭发动机辐射冷却推力室和喷管延伸段以及连接法兰环等；〔7〕铌在微合金化钢中的应用发展也很快，特别是在冷轧汽车薄板生产中取得了长足进步。本文详细介绍铌在铸铁中应用的研究结果，并对铌在铸铁中的应用前景进行探讨。一、铌对灰铸铁组织及力学性能的影响采用高频感应电炉熔炼和湿型浇注研究了铌对3.0%～3.4%C、1.8%～2.0%Si、0.7%～0.9%Mn灰铸铁力学性能及耐磨性的影响，结果如图1至图4所示。研究结果表明，灰铸铁的抗拉强度、抗弯强度和冲击韧性都随着铌含量的增加

4、而提高，当灰铸铁中含铌量高于0.25%时，其各项性能明显提高。值得指出的是，铌在提高强度的同时，韧性也明显提高。由金相照片可知，含铌灰铸铁的石墨组织无过冷倾向，铌加入后，石墨仍为片状。因此，铌灰铸铁保持了普通灰铸铁的优良耐磨性能。通常灰铸铁中使用的合金元素，诸如铬、锑等往往使灰铸铁基体组织中的珠光体含量增加。但是，铌对珠光体量基本没有影响，其对灰铸铁基体组织影响在于使共晶团细化。图4表明，铌使灰铸铁的相对磨损率降低。近一步的研究表明，这主要是由于铌加入后形成大量铌的碳氮化物。一、铌对过冷灰铸铁组织和力学性能的作用在

5、铸铁生产中，当石墨以D型析出时，我们将其称为过冷灰铸铁。研究表明，铌对过冷灰铸铁的响也很大。采用生铁、废钢和75硅铁在中频感应炉中配制成分为：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的铁液，1340℃～1360℃时浇入湿型中，制成10mm的力学性能和金相试样。经金相检验，其石墨组织为D型。从金相照片可看出，对于石墨形态为D型的过冷灰铸铁，随着铌含量的增加，石墨进一步变细，当铌含量达到0.05%后，再提高铌含量，出现不规则块状石墨

6、。铌对铸铁基体组织形貌影响不大，珠光体晶粒略有细化。图5至图7为铌对过冷灰铸铁力学性能的影响。研究结果表明，随着铌含量的提高，抗拉强度、硬度和冲击韧性均提高。当铌含量为0.05%时，力学性能达到最大值，继续提高铌含量，力学性能降低。铌对过冷灰铸铁抗拉强度和冲击韧性的影响与其石墨形态的变化有关。当铌含量小于0.05%时，石墨片的细化对提高铸铁的强韧性指标是有利的。当铌含量达到0.099%时，由于出现块状石墨，铸铁的力学性能必然降低。铌的加入对铸铁的基体组织并无明显影响，而铸铁硬度的改变与石墨形态关系不大。此外，从抗拉

7、强度提高的幅度看，仅仅从石墨形态的改变来解释，还是不够的。为了进一步揭示铌对过冷灰铸铁力学性能影响的机制，作者采用配有能谱的电子显微镜测定了铌在过冷灰铸铁中的存在形态。结果表明，当铌含量在0.05%左右时，过冷灰铸铁的基体组织中有固溶铌存在。当铌含量达到0.099%时，过冷灰铸铁中出现了富铌相，这种富铌相呈不规则形态分布于基体组织中。这一结果证明，当铌含量为0.05%左右时，微量铌在基体组织中的固溶是过冷灰铸铁强韧性及硬度提高的重要原因。而当铌含量达到0.099%时，不规则富铌相的出现导致力学性能降低。一、铌对冷硬

8、铸铁组织和力学性能的影响笔者对铌在冷硬铸铁中的作用进行过比较系统的研究，采用生铁、废钢和75硅铁在中频感应炉中配制成分为：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的铁液，1450℃时浇入铬铁矿砂型中，制成直径为10mm的力学性能和金相试样。经金相检验，组织为细珠光体+莱