1、铌在中高碳钢中的作用,雍岐龙钢铁研究总院2014.12.,研究意义,中国发展由基础设施建设向高端制造业发展，以高铁、核电、大飞机、风电为代表，国内建设高速发展，并正在逐步走向世界机械制造用钢的需求将大幅度增长，美欧等发达国家占比大于50%，我国目前仅20%左右，近年来将逐步发展到30%以上机械制造用钢需要很高的强度，大多需要进行以强化为主要目的的热处理，故大量采用中高碳钢。齿轮、锚索、销栓(0.2%C)，轴类、轮盘(0.4%C)，弹簧(0.6%C)，硬线、钢轨(0.8%C)，轴承(1.0%C)，工模具(0.41.4%C)等。机械制造用钢的研究开发应以最终产品性能为导向，不单纯是强度和韧性的提高
2、，还包括疲劳、磨损、腐蚀、接触疲劳、切削加工性、延迟断裂性能、抗脱碳敏感性、抗回火脆性、热处理响应性、抛丸响应性等,研究意义,铌作为合金元素在机械制造用钢中应用相对研究不充分铌在低碳钢中的主要作用为：1）未溶碳氮化铌阻止高温晶粒长大，2）固溶铌及奥氏体中应变诱导析出的碳氮化铌强烈阻止形变奥氏体再结晶，3）铁素体区沉淀析出的微细碳氮化铌产生沉淀强化作用，4）铌固定碳氮元素得到无间隙原子的基体组织（无间隙原子钢及稳定化不锈钢），5）固溶铌提高淬透性获得针状铁素体或贝氏体组织中高碳钢中，仅剩第1和第5项作用，且由于碳含量升高后碳氮化铌在奥氏体中的沉淀析出温度升高导致碳氮化铌尺寸增大而使第1作用降低；
3、由于固溶铌量减小导致提高淬透性作用下降；因而铌在中高碳钢中的应用受到限制,研究意义,我们的研究结果表明：固溶铌量比传统的低碳钢中的固溶度积公式计算量明显增大，故固溶铌的作用会有所增强铌较为容易偏聚在奥氏体晶界，可提高淬透性；可强化晶界；可抑制碳原子沿晶界扩散使得脱碳现象明显减轻铌对共析相变具有重要影响可使珠光体退化从而使其中的渗碳体片长宽比明显减小而更接近颗粒状,研究进展1：碳对碳化铌在奥氏体中的固溶度积公式的影响,根据我们的热力学研究结果，完全基于二元系相图和纯物质的热力学数据，可得到不含任何合金元素的铁基体中NbC的固溶度积公式为：根据相关文献中合金元素对碳和铌在奥氏体中的活度的影响，可得
4、到含合金元素的奥氏体中NbC的固溶度积公式为：典型的低合金高强度钢中，wMn 为1.2%，wC 为0.16%，可得：而低合金高强度钢中广泛使用的公式为：,固溶度积公式的比较,碳含量对固溶度积的影响,对0.75%碳钢， wC 为0.75%带入得：而根据Thermo-Calc，当 wC 为 0.75%时：钢中碳含量分别为0.2%/0.4%/0.6%/0.8%/1.0%时：,固溶度积公式的比较-碳含量的影响,近共析钢中碳含量对固溶铌量的影响的定量计算结果,碳含量对固溶度积的影响,我们推导的公式与微合金钢中常用公式以及Thermo-calc 的结果良好吻合碳可增大NbC在奥氏体中的固溶度积，常见温度范
5、围内1%的碳含量大致增大NbC在奥氏体中的固溶度积约一个数量级；由于中高碳钢中碳远超理想化学配比，故1%碳含量可使固溶铌增大约一个数量级碳的影响主要集中于温度项，即固溶度积对数-倒数直线的斜率将发生变化，碳含量的影响在高温区（1050以上）较小而低温区（1050以下）较大；即在低温区1%碳含量可使固溶度积增大一个数量级以上，而高温区则将小于一个数量级高碳钢中铌在高温下仍具有一定的固溶度，1200时可固溶约0.02%，800900可固溶数ppm。,研究进展2：铌在晶体缺陷的偏聚,室温下铌的原子直径为0.2941nm，铁的原子直径为0.25537nm，相差15%左右，固溶于铁基体中的铌会造成较大的
6、晶格畸变；为减小系统自由能，铌原子将会偏聚到晶体缺陷如晶界、位错处固溶时由于原子尺寸差将造成晶格畸变，产生弹性应变能，1000时铌固溶造成的弹性应变能约为20kJ/mol当铌原子偏聚到晶界或位错时，上述弹性应变能得以消散，故偏聚自由能的上限为上述弹性应变能计算可得，铌的偏聚倍数在1200时约为4倍，900 时约为10倍，800时约为16倍铌在晶界的偏聚与在位错线的偏聚倍数相当接近,铌偏聚的作用,位错线偏聚的铌钉扎位错线，使之很难运动，从而导致强烈阻止形变基体的再结晶奥氏体晶界偏聚的铌降低晶界能，抑制铁素体的形核，特别是由于铌与偏聚于晶界的碳形成某种稳定组态可强烈抑制珠光体形核，因此，铌可明显提
7、高钢的淬透性铌与碳在晶界形成的组态抑制碳沿晶界的扩散，故铌可降低钢的脱碳敏感性铌与碳在晶界形成的组态使晶界处产生短程有序，降低晶界能且强化晶界,研究进展3：铌提高钢的淬透性,测定了共析钢的相变临界温度（奥氏体化温度800）铌对 Ae 和 AC基本无影响铌可适当提高 Ar,铌对共析相变温度及时间的影响,测定了共析钢及0.04Nb共析钢的 TTT 曲线 Nb 提高共析相变鼻子点温度（即提高Ar）铌显著推迟共析相变（推迟约一个时间数量级）,研究进展4：铌提高共析碳含量,加热至800，在730 形变 50%以促使其达到平衡，缓冷至630然后空冷测定先共析铁素体量0.70%碳钢先共析铁素体量应为9.1%
8、，实测结果10%0.75%C+0.04%Nb 钢先共析铁素体量应为2.6%，实测结果15.3%0.78%C+0.064%Nb钢先共析铁素体量应为零，实测结果12.6%,0.70%C steel, annealed state,0.75%C-0.04%Nb steel, annealed state,0.78%C-0.064%Nb steel, annealed state,铌提高共析碳含量,根据过量的先共析铁素体量可计算出含铌钢中共析点的碳含量，结果为：0.04% Nb钢 0.8815% ，0.064% Nb 钢 0.8893% 。扣除NbC占用的碳后可得： 0.04% Nb钢 0.8810%
9、 ，0.064% Nb 钢 0.8885%。 因此，固溶铌可使钢的共析碳含量显著升高，但随铌含量的升高共析碳含量变化很小。,60Si2Mn弹簧钢850保温1h然后炉冷至550后空冷至室温，观测先共析铁素体量及奥氏体晶粒尺寸,用金相软件IAS8测量其先共析铁素体含量分别为：无铌钢：6.5， 0.02%Nb钢：7.8 ，0.04%Nb钢：11.5 ,0.6%C用杠杆定理计算Fe-C相图中先共析铁素体的含量为22.7%，但无铌钢的实测值仅为6.5%，比计算值低很多，这是因为Si，Mn的加入均能使Fe-C相图中共析碳含量降低，故先共析铁素体的量较计算值少。而含铌钢中的先共析铁素体较无铌钢的多，且随着N
10、b含量的增加先共析铁素体量增多，表明Nb的加入使共析碳含量升高，共析点右移。,铌提高共析碳含量的应用,钢中主要合金元素固溶后均使共析碳含量降低，铌的特殊作用将使其具有非常重要的应用价值硬线钢为提高强度需在共析成分的基础上不断提高碳含量，但随之带来的是网状先共析渗碳体导致冷拔时容易断裂，适当加铌使共析碳含量提高将可显著降低网状渗碳体量高碳铬轴承钢的碳含量为1%，同样会出现先共析渗碳体呈网状的问题，适当加铌使共析碳含量提高将可显著改善网状渗碳体问题,研究进展5：未溶NbCN阻止奥氏体晶粒粗化,中高碳钢中铌的固溶量很小，锻造及热处理加热时存在一定量的未溶NbCN钉扎晶界，再加上偏聚在晶界的铌降低晶界
11、能使得晶界不容易移动，故铌具有一定的阻止奥氏体晶粒长大作用但由于NbCN的尺寸较大，故在0.010.1%加铌量水平下，其阻止奥氏体晶粒长大的作用并不显著弹簧钢中加铌可使奥氏体晶粒细化半级，轴承钢中加铌可使奥氏体晶粒细化近一级,无铌与加铌60Si2Mn钢不同温度保温60min水淬后的奥氏体晶粒照片,注：空白处的原奥氏体晶粒度尚未腐蚀出来,不同温度保温60min水淬后的奥氏体晶粒尺寸随温度的变化,加铌后，相同温度下较无铌钢晶粒细化；但随铌含量的增加，这种趋势不明显。1000是晶粒突然长大的转折点，低于1000 晶粒长大缓慢，高于1000 晶粒长大迅速。900时含铌钢可保持8级晶粒度（20m），比不
12、含铌钢细半级,研究进展6：铌细化珠光体团,由于铌在一定程度上阻止奥氏体晶粒长大，且由于铌使珠光体相变显著推迟而使珠光体形核时间加长（但形核过程时间数量级不变），由此将导致珠光体团被明显细化,0.70%C steel, rolled state,0.75%C-0.04%Nb steel, rolled state,0.78%C-0.064%Nb steel, rolled state,0.70%C steel, annealed state,0.75%C-0.04%Nb steel, annealed state,0.78%C-0.064%Nb steel, annealed state,研究进
13、展7：铌使珠光体退化,铌对共析相变组织形貌会产生重要影响，使珠光体退化，即使珠光体中渗碳体的展弦比显著减小晶界偏聚的铌与碳形成一定组态使碳的扩散困难，铌使珠光体团细化，这二者联合作用很可能是珠光体中渗碳体展弦比减小的原因,加铌对珠光体形貌的影响（热轧态）,0.70%C steel,0.75%C-0.040%Nb steel,0.78%C-0.064%Nb steel,加铌对珠光体形貌的影响（热轧加退火态）,加铌对珠光体形貌的影响 Nb 促进共析珠光体组织的退化,加铌对珠光体形貌的影响加铌使珠光体中渗碳体的展弦比显著减小，由大于15减小到5以下,珠光体退化的应用,轴承钢、工模具钢等均要求球化态交
14、货，珠光体退化后可显著减小球化退火时间弹簧钢使用状态组织为回火屈氏体，即铁素体基体加细颗粒状渗碳体，珠光体退化后可能在连续冷却条件下获得接近回火屈氏体组织调质处理后的组织为回火索氏体，即铁素体基体加颗粒状渗碳体，非调质钢的性能可达到调质态但组织却有差异，加铌后可使其组织也更接近于调质钢,研究进展8：铌降低钢的脱碳敏感性,脱碳的发生是钢中固溶的碳偏聚到晶界并沿晶界扩散出工件表面晶界偏聚的铌与碳具有较强亲和力，形成一定组态后可使碳沿晶界的扩散速率显著降低，由此将可降低钢的脱碳敏感性,不同温度下的脱碳层金相照片,Nb对60Si2Mn钢脱碳层的影响,总脱碳层随加热温度的升高而增加，加铌后总脱碳层明显降
15、低。在相对较低温度处，三炉钢的脱碳层相近，随温度的升高，含铌和不含铌钢的脱碳层深度差距增加，即高温下铌对抑制脱碳更有效。加铌后900时脱碳层深度可降低2030%。,研究进展9：铌使组织性能均匀化,低碳钢中，含铌钢只要能避免混晶现象的产生，就可得到较为均匀的组织和性能，这在厚板以及低温韧性方面尤为明显中高碳钢中，微量铌的加入也有可能使其组织和性能较为均匀有关机理方面的研究尚需进行奥氏体-铁素体相变时更多得到近60的变体可能是重要原因,铌对共析钢奥氏体-珠光体相变后位相差的影响,EBSD 用于分析珠光体团之间的位相差，加铌使得相邻珠光体团的位相角更接近于60度,无Nb,0.02Nb,0.04Nb,
16、从EBSD的界面图也可看出，含Nb弹簧钢的组织较为细小，且加铌后相邻晶粒的位相差接近60的有所增加,铌对弹簧钢奥氏体-珠光体相变后位相差的影响,铌加入有利于共析钢的显微硬度均匀性,研究进展10：NbC在奥氏体中沉淀析出行为随碳含量的变化,铌碳含量乘积较小时：随碳含量的升高，NbC沉淀析出的C曲线向左上方移动，即向高温短时方向移动铌碳含量乘积较大时：随碳含量继续升高，NbC沉淀析出的C曲线向右方移动（略向下），即向长时方向移动,不同碳含量0.05%Nb钢中NbC在奥氏体中的沉淀析出C曲线（无形变）,PTT curve, nucleation on dislocations,不同碳含量0.05%N
17、b钢中NbC在奥氏体中的沉淀析出C曲线（形变）,PTT curve, nucleation on dislocations,Store energy of 3820J/mole,碳含量升高导致固溶度积公式的变化并由此影响沉淀析出过程的化学自由能,Molar free energy,沉淀析出行为规律的应用,铌含量0.05%时，碳含量在0.4%时NbC可最快在奥氏体中析出非调质钢若需要得到未再结晶控制轧制的效果，可适当加铌高碳钢中为控制奥氏体中沉淀析出的NbC容易析出且尺寸细小，铌的加入量应控制在0.02%左右,结论,铌在中高碳钢中具有重要的作用，但这些作用并不主要体现在强度和韧性而是体现在其他很
18、多重要的加工及使用性能方面：1 当考虑到碳对NbC在奥氏体中的固溶度积公式的影响时，铌在高碳钢中的固溶度可适当提高铌在奥氏体中固溶时，容易偏聚到晶界及位错等晶体缺陷处，产生特殊的作用控制钢中铌碳含量乘积可调节NbC在奥氏体中的沉淀析出过程得到细小的NbC沉淀相控制良好的未溶NbC可阻止奥氏体晶粒长大，在一定程度上细化再加热奥氏体晶粒,结论,铌的加入可使钢的共析碳含量明显升高加铌可升高 Ar温度，并显著推迟珠光体相变铌的加入可提高钢的淬透性铌可显著改变共析相变组织的形貌特征，使珠光体明显退化，即使珠光体中渗碳体的展弦比显著减小，从而使中高碳钢中的渗碳体易于球化晶界偏聚的铌与碳形成较为稳定的组态可阻碍碳沿晶界的扩散，从而使中高碳钢的脱碳敏感性降低铌的加入有可能提高钢的组织和性能均匀性,进一步理论研究工作思路,Nb在晶界形成的原子组态Nb-C、Nb-B、Nb-Mo交互作用，原子间结合力Nb与晶体缺陷如位错、晶界的交互作用共析相变中渗碳体形成的机制，合金渗碳体形成元素及非合金渗碳体形成元素的作用及机理Nb对Fe-Fe3C相图的影响的热力学机制,thanks,
