鈮在不銹鋼中的應用

1、大型鑄鍛件鈮在不銹鋼中的應用王俊琴劉云霞(太原鋼鐵(集團 有限公司, 山西太原030003摘要鈮是不銹鋼中的重要合金元素。本文重點介紹了鈮和鈮在不銹鋼中的應用, 以及鈮與T i 、Cu 、M o 、N 的復合應用。關鍵詞鈮不銹鋼應用T he A pp on i n L iu Y unx i a. T h is paper has described the elem en t Abstract N i ob ium is an i m po rtan t elem en t in the stain less steel N i ob ium and its app licati on in

2、stain less steel , as w ell as the compound u sage of N b w ith the elem en ts T i , . M o , Cu and N in the stain less steelKey W ords N i ob ium , Stain less Steel , A pp licati on .1前言鈮的鉻當量數(shù)經(jīng)常定為0. 5。在估計鈮對相比例(鐵素體 的影響時, 除考慮化學成分中的鈮外, 還必須計算鈮的碳、氮化物所消耗的C 、N 的鉻當量數(shù)和化合物中的N b , 從而采用有效鈮含量。其中:奧氏體不銹鋼中的有效鈮含量(%

3、 =N b %-8(C %-0. 03 +N 2%2. 2不銹鋼中鈮的碳、氮化物鈮是不銹鋼中的重要合金元素之一, 其用量僅次于鉬。尤其在高溫領域的耐熱不銹鋼中, 鈮可部分的代替價格昂貴的鉬。20 25N b 奧氏體不銹鋼、A ISL 347等含鈮不銹鋼早已經(jīng)得到普及應用。近年來開發(fā)出的最具代表性的鋼種是廣泛用于汽車發(fā)動機排氣系統(tǒng)的T i 和N b 雙穩(wěn)定化的409型鐵素體不銹鋼, 以及廣泛應用于廚具、家電和醫(yī)療領域的N b 和Cu 的復合化430型鐵素體抗菌不銹鋼。中國已成為世界上最大的不銹鋼消費國, 但是在含鈮鐵素體不銹鋼開發(fā)方面還幾乎是空白。以下主要論述鈮在不銹鋼中的應用。2不銹鋼中的鈮鈮

4、的碳、氮化物有N bC 、N bN 和N b (CN , 其中N bN 比N bC 更穩(wěn)定; 它們的含量決定于鋼種和溫度及C +N N b 溶度積。公式如下:log N b C =-9350 T +4. 55(18C r -13N i 鋼log N b C =-8350 T +4. 07(20C r -25N i 鋼log N b C =-7900 T +3. 43(17-4PH log N b N =-11600 T +4. 84(含N 鋼7N =-6750 log N b C +6 T +3. 21(考慮C 、N 含量 log N b C =-9. 151鈮既是一種強鐵素體形成元素, 又是

5、強碳、氮化物形成元素。在長時間受熱時易于形成金屬間化合物。鈮在不銹鋼中的作用主要取決于鈮的存在形式。鈮在不銹鋼中的存在形式有自由鈮, 鈮的碳、氮化物和金屬間化合物。2. 1固溶鈮對不銹鋼組織的影響2004年第2期(總104期(99017-25C r 鋼 2. 3金屬間化合物不銹鋼中鈮的金屬間化合物:常見的有FeN b 相、Fe 2N b 拉維斯相, 不常見的有G 相、相。M 相和1 相可用電子空位濃度N v 預測, 公式如下:N v =0. 66N i +1. 71Co +2. 66Fe +4. 66(C r +M o +W +5. 66V +6. 66Zr +10. 66N b2 鈮對高溫蠕

6、變強度的影響如圖2所示, 蠕變破斷時間隨N b 含量的增加直線上升, 并且0. 1%和1%的N b 作用相等, 所以微量鈮對不銹鋼高溫蠕變強度有良好效果。固溶鈮和N bC 對蠕變性能的影響機理不同, 固溶鈮是以固溶強化為機制, 而N bC 則在蠕變過程中以阻止蠕變滑動為機制。3. 3鈮對碳的穩(wěn)定作用1 鈮可提高鋼的耐晶間腐蝕性能在圖3中可見, 當N b 10時, 不發(fā)生C =8晶間腐蝕, N bC , 避免r 23C 6而產(chǎn)生的晶界貧鉻 。可見N b 的系數(shù)最大, 當N v >2. 52時出現(xiàn)但碳氮化合的鈮對的生成是不活潑的。相。2 Fe 2N b 拉維斯相是在含有鈮的鐵素體和奧氏體鋼中

7、生成的普通金屬間化合物, 密排六角結構, 3 Fe 2N b 還要利用Fe 2N 的析出控制冷軋板的晶粒度。4 N b 與C 、N 化合時, 在高溫合金中常形成以N i 3N b 型為基礎、具有四方形結構的相。3鈮在不銹鋼中的作用3. 1鈮對室溫力學性能的影響鈮的原子半徑是2. 94埃, 比鋼中普通置換合金元素的任何一個都大, 有最大的強化作用。在許多鋼種中都通過添加鈮來提高鋼的強度。3. 2鈮對高溫力學性能的影響1 鈮對鐵素體不銹鋼高溫強度的影響固溶鈮可有效改善高溫強度, 如圖1所示。合金元素對鐵素體不銹鋼高溫屈服強度的影響中N b 作用最大, T i 最小 。圖2加微量鈮對奧氏體 不銹鋼蠕

8、變性能的影響圖1鐵素體不銹鋼中合金元素對高溫屈服強度的影響圖3不同熱處理的18-8不銹鋼的晶間腐蝕和N b C 比的關系52大型鑄鍛件2 鈮可改善鋼的耐蝕性馬氏體不銹鋼中加入鈮, 能夠將鋼中鉻的有效含量保留在基體中, 從而改善了鋼的耐蝕性; 同時鈮可有效提高點蝕電位。3 鈮對鐵素體不銹鋼耐C l -離子點腐蝕性能的影響如圖4所示, 通過對NA R 160Cu N b 鐵素體不銹鋼耐大氣腐蝕試驗表明, 當N b 含量(質量分數(shù) 在0%0. 4%之間時, 點蝕電位隨N b 含量增加而升高; 加0. 4%N b 后達飽和。所以, 一般耐海洋大氣腐蝕的建筑用鐵素體不銹鋼中的鈮含量大約在0. 4量級。生

9、高的韌性和較低的沖擊轉變溫度。3 鐵素體不銹鋼是從純凈和超純凈煉鋼工藝發(fā)展起來的, 純凈的結果晶粒更加粗大化, 所以細化晶粒是鐵素體不銹鋼的實用化所必須的。3. 5鈮對鐵素體不銹鋼深沖性能的影響加鈮是賦予鐵素體不銹鋼良好深沖性的最有效的方法之一。改善該性能所需的鈮的數(shù)量與碳和氮的含量有關。含有適量鈮的鐵素體不銹鋼具有良好的平均r 值。3. 7鈮對馬氏體不銹鋼A c 13、M s 影響1%N b A c 1100; b 3190; 1%的s 。Nb 與T i 、Cu 、M o 、N 等的復合應用4. 1N b 與T i 的雙穩(wěn)定化1 物理冶金基礎:T i 在高溫時效過程中抑制大顆粒的(Fe 3N

10、 b 3 形成, 增加固溶體中的N b 含量, 而T i 形成細小(T i N b (CN 。2 機理:雙穩(wěn)定化是利用T i N 在高溫更穩(wěn)圖4光亮退火試樣的大氣暴露試驗3. 4鈮的細化晶粒作用1 如表1所示, 鈮是細化晶粒效果最大的元定, 一般T i N 在液相就形成了。當鋼中N 形成T i N 后N bC 就更穩(wěn)定了, 從而使鋼中的C 、N 受雙重穩(wěn)定化, 對消除C 、N 原子的有害作用更為有利。(C +N 穩(wěn)定度=(T i 6+N b 8 當穩(wěn)定度=1時就達到最佳穩(wěn)定效果所需的最低T i 、N b 含量。3 作用:雙穩(wěn)定化可改善表面性狀, 提高成型性、可焊性、抗蠕變性、抗氧化性以及耐蝕性

11、能(如圖5所示 。素之一。表1合金元素對奧氏體晶粒度的影響元素C Si M n Cu C r M o T i N bZrA l V效果0. 05%0. 1%在下限側細化晶粒效果大<0. 2%有細化作用, >0. 2%粗化大<1. 5%略有細化作用, >1. 5%無作用<1. 0%沒有細化作用, 3%有細化作用<9%有細化效果, 可能是C r -N 的效果<1%略有細化作用以微細析出物的形式細化效果最大在熱加工過程中, 奧氏體無相變細化晶粒的技術, 而是利用N bC 、N b (CN 在熱加工中的析出溶解規(guī)律, 析出物質點的“釘扎”原理阻止晶界移動, 和

12、溶質鈮原子的拖曳作用, 阻止再結晶, 細化晶粒。2 馬氏體不銹鋼是利用N b 細化晶粒來產(chǎn)圖5單加N b 和T i -N b 復合鋼在900時效時析出物和固溶體N b 的變化532004年第2期(總104期4. 2N b 、Cu 復合應用1 N b 、Cu 復合應用可改善鋼的成形性能,生產(chǎn)抗菌不銹鋼, 生產(chǎn)無皺紋鋼。2 Cu 和N b 對鋼的成形性能的影響如圖6、7可見:Cu 在0. 4%0. 6%之間時, 四個成形性能指標為最佳; N b 的在0. 4%0. 6%之間時, 三個成形性能指標為最佳。4. 3N b 代M o 的作用在耐高溫的用途中, N b 的作用20倍于M o , 并可代替價格昂貴的M o 。4. 4N b 與N 的復合應用304型不銹鋼應用最廣, 產(chǎn)量最高。但在有些用途中, 強度偏低、。圖7N b 對L C -17C r -0. 5Cu 鋼的成形性能的影響氮, 使其焊接性能、強度、耐疲勞性N b 穩(wěn)定碳、均得到提高。參考文獻1孟繁茂等. 現(xiàn)代不銹鋼中的鈮和含鈮不銹鋼. 1997年中信美國鋼鐵公司(北京2李尚詣等. 鈮資源開發(fā)應用技術. 冶金工業(yè)出版社, 1991:P 7503郝偉宏譯. 太鋼譯文. 1998, (3 :P 83(2003年12月22日收稿 責任編輯王麗娟圖6Cu 對L C -