铌在铸铁中的作用及含铌铸铁

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1、 1铌在铸铁中的作用及含铌铸铁 翟启杰*上海大学材料工程系，上海 200072 摘 要 ：本文介绍铌在铸铁中的作用及含铌铸铁的组织和性能。其中包 括铌在铸铁中的存在形态、铌对灰铸铁、过冷灰铸铁和冷硬铸铁组织和性能的影响，并对比介绍了铌、镍、钼三种元素对冷硬铸铁高温性能的影响。 关键词： 铌、灰铸铁、冷硬铸铁、高温性能 铌是一种 VB 族金属元素，其原子序数为 41，原子量为 92.91，原子半径为 1.4310-8厘米。作为一种金属元素，铌与元素周期表中与它相邻的元素一样，具有熔点高的特点。 随着材料科学的技术进步和人们对材料性能要求的日益提高， 铌在材料领域得到了广泛的应用。铌作为钢和铁的合

2、金元素被使用由来已久1。铌被加入到奥氏体不锈钢中，以改善其抗晶界腐蚀能力。 铌被加入到镍铬基和钴基高温合金中， 以提高其高温稳定性和高温强度。在低合金钢中加入 0.05 0.1%的铌，可以在铸态下得到贝氏体钢2。铌可以显著提高合金的高温组织稳定性，含 1.5%Nb 半钢轧辊的使用寿命是高铬铸铁轧辊寿命的 3 倍3。在钛合金中加入铌可以提高其抗腐蚀性，这种合金被用作牙齿材料4。研究表明，铌的优良作用来源于两个方面：一是铌可使金属晶粒细化、组织均匀；二是铌可形成精细稳定的硬相质点，这些质点均匀分布于合金的基体中，起弥散强化抵抗变形的作用。 1. 铌在铸铁中作用的基础研究5（ 1）铌对铸铁相变温度的

3、影响 采用差热分析方法，对比研究含有铌、钼、镍三种元素铸铁（化学成分见表 1）的固态相变温度。测定结果（见表 2）表明，含铌铸铁和含钼铸铁固态相变温度明显高于含镍铸铁。对于含钼和含铌铸铁而言，二者相变开始温度是一致的，相变结束温度含钼铸铁更高一些。由此可见，铌和钼可以提高铸铁的高温组织稳定性。 表 1 差热分析试样化学成分 2试样种类 C Si Mn P S Ni Mo Nb 含镍铸铁 3.27 1.24 0.60 0.034 0.072 0.57 - - 含钼铸铁 3.10 1.62 0.70 0.028 0.036 - 0.35 - 含铌铸铁 3.13 1.61 0.47 0.067 0.

4、062 - - 0.05 表 2 固态相变温度测定结果 铸铁种类 相变开始温度 峰值温度 相变结束温度 含镍铸铁 550 752 850 含钼铸铁 610 787 875 含铌铸铁 610 778 850 （ 2）铌在铸铁中的存在形态 铸铁中铌总量很低，难以直接测定铌在铸铁基体组织中的存在，采用测定显微硬度的方法可以间接确定铌等合金元素在铸铁基体组织中的存在。图 1 是普通、含铌、含镍、含钼冷硬铸铁基体组织显微硬度测，该图表明铌、镍、钼都使铸铁中渗碳体显微硬度显著提高，而镍和铌使莱氏体和珠光体硬度稍有提高，钼对莱氏体和珠光体硬度影响不大。这表明，铌、钼、镍三种元素都可以固溶到渗碳体组织中，其中

5、镍的固溶强化作用最大，铌次之。铌和镍也可以固溶到珠光体和莱氏体中。 02004006008001000普通 含铌 含钼 含镍珠光体莱氏体渗碳体冷硬微图 1 铸铁基体组织显微硬度 用波谱对含铌铸铁基体组织进行面扫描分析，发现有成簇分布的铌。进一步研究表明，铸铁中富铌相主要有三种类型：（ 1）镶嵌于基体组织中的团块状（见图 2a），这种组织为NbC 相；（ 2）独立存在的条块状或不规则状（见图 2b），该组织为含有多种元素的复杂相， 3主要组成为铁、碳、铌，此外含有 少量钛等元素 ; （ 3）渗碳体型铁碳铌化合物，该组织呈片状，与细珠光体中的渗碳体构成统一的整体（见图 2c）。 2 铌对灰铸铁组织

6、及力学性能的影响 灰铸铁成本低、生产方便、具有良好的减震性和减磨性，在工农业生产中得到广泛的应用。由于大多数机械零部件是在不同程度的磨损条件下工作的，因此人们希望普通灰铸铁也具有一定的耐磨性能，由此产生了灰铸铁家族中的新成员铌铸铁。 张世平6采用高频感应电炉和粘土砂湿型研究了铌对成分为（ %） 3-3.4C、 1.8-2.0Si、0.7-0.9Mn 灰铸铁机械性能及耐磨性能的影响，其结果见图 3 至图 6。研究结果表明，随着铌含量的提高，灰铸铁的抗拉强度、抗弯强度、冲击韧性提高。根据文献6提供的金相照片，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

7、良减磨性能。此外，铌对珠光体量基本没有影响，其对灰铸铁基体组织的影响在于使共晶团细化。图 6 表明，铌使灰铸铁的相对磨损率降低。这主要是由于铌加入后形成大量铌的碳氮化物。 (a) (b) (c) 图 2 铸铁中富铌相形貌 (a) 团块状 NbC 富铌相 (b) 条块状富铌相 (c) 渗碳体型铁碳铌化合物 42030405060700 0.06 0.19 0.31 0.355抗拉强度抗弯强度铌含强度0.30.320.340.360.380.40 0.06 0.19 0.31 0.355铌含冲击韧性图 3 铌对灰铸铁抗拉强度和抗弯强度的影响 图 4 铌对灰铸铁冲击韧性的影响 3 铌对过冷灰铸铁组织

8、和力学性能的作用 当石墨以 D 型析出时，我们将其称为过冷灰铸铁。研究表明，铌对过冷灰铸铁的影响也很大7。将成分为 (%)3.0-3.4C、 1.2-1.6Si、 0.5-0.9Mn、 0.3P、 0.015S、 0.02-0.09Nb 的铸铁溶液在 1340-1360浇入粘土砂湿型中，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。研究表明，对于石墨形态接近 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，提高铌含量，出现不规则块状石墨。对不同铌含量过冷灰铸铁基体组织的检验表明，铌对铸铁的基体组织形貌影响不大，珠光体晶粒略有细化。 9

9、0929496981000 0.06 0.19 0.31 0.355铌含0204060801001200.06 0.19 0.31 0.355相含铌图 5 铌对灰铸铁硬度的影响 图 6 铌对灰铸铁相对磨损率的影响 图 7 至图 9 分别为铌对过冷灰铸铁力学性能的影响。该图表明，随着铌含量的提高，铸铁的抗拉强度、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。 52002503003504004500 0.022 0.028 0.05 0.099铌含46810120 0.022 0.028 0.05 0.081 0.099铌含冲击韧图 7 铌对过

10、冷灰铸铁抗拉强度的影响 图 8 铌对过冷灰铸铁冲击韧性的影响 34363840420 0.022 0.028 0.05 0.099铌图 9 铌含量对过冷灰铸铁硬度的影响 铌对过冷铸铁抗拉强度和冲击韧性的影响与石墨形态的改变及铌的固溶强化有关。 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。 4 铌对冷硬铸铁组织和力学性能的影响 冷硬铸铁主要用作抗磨材料。为了在提高冷硬铸铁硬度的同时，保持其韧性，特别是提高高温组织稳定性，对于比较重要的铸件，有时选用铌作为合金元素8。 将成分为 (%)3.0-3.4C、 1.2-1.6Si、 0.5-0.9Mn、 0.3P、 0.015S、

11、 0.02-0.099Nb 的铸铁溶液， 1450浇入铬铁矿砂型中，制成直径为 10mm 的冷硬铸铁力学性能和金相试样。经金相检验，其金相组织为细珠光体 +莱氏体。 对冷硬铸铁铸态组织的研究表明，当铸铁中不含铌时，其组织中的莱氏体数量较少，共晶奥氏体在共析转变时转变为珠光体；当铸铁中加入微量的铌时，莱氏体数量增多，共晶奥氏体转变产物随着铌含量的增加逐渐过渡为贝氏体；当铌含量超过 0.05%后，继续增加铌含量，莱氏体数量减少，其中的共晶奥氏体转变产物重新变为珠光体。值得注意的是，在铌含量为 0.05%时，基体组织中的珠光体片间距增大。 铌对冷硬铸铁力学性能的影响如图 10 至图 12 所示。与金

12、相组织相对应，随着铌含量的增加，冷硬铸铁的抗拉强度及冲击韧性提高，并在铌含量 0.05%处达到最大值。继续提高铌 6含量，冷硬铸铁的力学性能降低。铌对硬度的影响在其加入量小于 0.02%时十分显著，但是在铌含量在 0.02-0.05%的范围里几乎没有变化，继续提高铌含量，硬度降低。 2003004005006007000 0.022 0.028 0.05 0.08 0.099铌含2468100 0.022 0.028 0.05 0.08 0.099铌冲击图 10 铌对冷硬铸铁抗拉强度的影响 图 11 铌对冷硬铸铁冲击韧性的影响 30405060700 0.022 0.028 0.05 0.08

13、 0.099铌硬度图 12 铌对冷硬铸铁硬度的影响 根据对含铌冷硬铸铁组织的研究结果，铌含量小于 0.05%时，铌使冷硬铸铁力学性能提高是由于铌的加入一方面提高了莱氏体组织的数量， 同时使莱氏体组织中的共晶奥氏体转变产物由珠光体变为贝氏体。由于继续增加铌含量会使莱氏体数量减少，并使莱氏体中的共晶奥氏体转变产物重新变为珠光体， 因此进一步提高铌含量对于提高冷硬铸铁的力学性能没有意义。 图 13 和图 14 为表 1 中三种成分冷硬铸铁在不同温度下的抗拉强度及延伸率。 在常温下，除铌可以显著提高冷硬铸铁的抗拉强度外，钼和镍对抗拉强度几乎没有影响。但是，铌和镍可使冷硬铸铁 550强度由 180MPa

14、 提高到 360MPa 以上，使 700强度由 150MPa 提高到200MPa 以上，而钼对冷硬铸铁的高温强度几乎没有影响。常温下冷硬铸铁的延伸率几乎为零，随着温度的提高，其延伸率提高。与合金元素对高温强度的影响相对应，铌和镍可明显提高其高温延伸率，而钼对延伸率几乎没有影响9。 70100200300400500600700空白 含铌 含钼 含镍室温550C700C冷硬00.30.60.91.21.5空白 含铌 含钼 含镍室温550C700C冷硬图 13 铌钼镍对冷硬铸铁高温强度的影响 图 14 铌钼镍对冷硬铸铁高温延伸率的影响 图 15 是冷硬铸铁常温硬度和经过 600保温后冷却到室温的红

15、冷硬度，它反映了冷硬铸铁经过热循环后保持力学性能的能力。经过 4 小时保温后，不含合金元素的冷硬铸铁的常温硬度 (HV)由 300 以上降低到 230 左右。而分别加入铌钼镍后，冷硬铸铁的常温硬度经过 4小时保温后基本上没有降低。 0100200300400500空白 含铌 含钼 含镍室温红冷冷硬图 15 冷硬铸铁常温和 600 4h 红冷硬度 5 铌在铸铁中应用前景展望 在世界铸件产量中，铸铁件占 70%以上。随着材料科学的发展，铸铁这种具有数千年历史的古老的工程材料也在不断发展10。由于铌在铸铁中的优良作用，在今后铸铁的发展中，其应用将会得到进一步的重视。就灰铸铁而言，目前正朝着高碳当量高强度的方向发展。大量研究表明，微合金化是使铸铁在高碳当量下具有高强度的有效手段。铌可以使普通灰铸铁的抗拉强度超过 300MPa, 使过冷灰铸铁的抗拉强度达到 400MPa， 所以铌在提高灰铸铁的强度方面是有效的。这里值得特别注意的是，由于铌可使灰铸铁保持较高的石墨含量，所以灰铸铁保持了良好的减磨性能；同时由于铌在灰铸铁中可以形成大量弥散分布的碳化物质点，又可使灰铸铁具有良好的抗磨性能。由此可见，含铌灰铸铁可以广泛应用于制造比较重要或者要求具有良好减磨性和抗磨性的铸件，如汽车、拖拉机、机床等零部件。 国内耐磨材料市场很大，耐磨材料发展也比较快，目前市场信誉比较好的耐磨铸