Nb在铸铁中的物理冶金学作用原理

lg{
[Nb]·[C] x
}=A1-B1/T
lg{
[Nb]·[C] 1－x
}=A2-B2/T
wNb-[Nb] = ANb wC-[C] xAC
wNb-[Nb] wC-[N]
=（1-Ax）Nb AN
（10） （11） （12） （13）
NbC 具有很高的硬度（2 400 HV），因而一次 NbC
式中 A1、B1 和 A2、B2 分别为 NbC 和 NbN 在
Study and Application of Niobium-containing Cast Irons 含
铌
铸
铁
的
研
究
和
Nb 在铸铁中的物理冶金学作用原理
应 用
雍岐龙，孙新军，张正延，杨庚蔚
（钢铁研究总院 结构材料研究所，北京 100081）
摘要：介绍了 Nb 在铁基合金中的存在形式，根据NbC 和 NbN 在不同铁基合金中的溶度积公式，分析了 Nb 在铸铁中的
Abstract: The existing type of niobium in the matrix of cast irons was introduced. Based on the formulas of the solubility product for NbC and NbN in different iron matrixes，the existing types of niobium in the cast irons were analyzed. And on this base，the effect mechanism of niobium in the cast irons was analyzed. The solidly solved niobium had very important effect to modify the eutectoid transformation and to strengthen the ferrite matrix；the Nb （C，N） precipitating in solidification process could obviously increase wear resistance；the Nb （C，N） precipitating in the austenite temperature interval at the crystal boundaries could effectively retard the grains growth. Appropriate composition design and process measures could give full play to the effect of niobium. Key words: cast iron；niobium；niobium carbonitride；solubility product；pearlite transformation
w（N）量通常均在 0.008%以下，比 w（C）量低 2.5 NbC 和 NbN 在奥氏体中的固溶度积也相差不
个数量级以上，故 NbN 基本不会发生液析。
大，因而二者将会相互溶解形成碳氮化物 Nb
液析的一次 NbC 是在各向同性的匀质液相 （CxN1-x）。确定温度下平衡固溶的[Nb]、[C]、[N]及
（7）
1 130 ℃ 时 Nb 的 最 大 平 衡 溶 解 量 为 0.636% ~
lg{[Nb]·[C]}γ=3.555-8800/T（热力学计算法）[5]
0.561%；对高铌铸铁，[Nb]、[C]的乘积可能超出最
（8）
低凝固温度下的溶度积限值，从而发生 NbC液
lg{[Nb]·[N]}γ=3.70-10800/T（相分析法）[6]（9）
由于钢中 w（C）量较低，钢液温度在 1 600 影响，才能得到适合于该化学成分的钢铁材料中
℃左右，实际凝固温度较高（略低于 1 500 ℃）； 的准确的溶度积公式。
铁液熔化温度在 1 400 ℃左右，实际最低凝固温 1.3 Nb 在奥氏体中的固溶与 Nb（C，N）的析出
度略低于共晶相变温度（略低于 1 150 ℃）。由式
解，其溶解速度见图 1[1]。扩散依赖于温度和时间
lg{[Nb]·[X]}=A-B/T
（3）
过程，温度越高，时间越长，扩散越充分；搅拌则 可促进扩散过程。所以，铁液中加入铌铁后需要 一定时间才可能完全扩散均匀化，铁液温度越 低，需要的时间越长。铌微合金钢容易发生连铸 边裂，这与 Nb 未完全均匀化，因而在轻压下时， 边部铌溶质富集微区发生含铌相的应变诱导析 出有关。而含铌铸铁由于铁液温度较低，更容易
log{[Nb]·[N]}L=5.38-11 100/T
（2）
上述两式如图 2 所示，可以看出，NbC 和
NbN 在液态铁中具有相对较高的溶度积。将典型
化时 Nb 处于最后位置，相对不容易发生氧化， 温度下的溶度积绘制出来，可直观地分析在该温
因而 Nb 的收得率在全镇静钢中通常大于 95%， 度下溶解的铌量[Nb]随溶解的碳量[C]或溶解的
中图分类号：TG251
文献标识码：A
文章编号：1003－8345（2011）02－0015－07
DOI：10.3969/j.issn.1003-8345.2011.02.001
Physical-Metallurgical Effect Fundamentals of Niobium in Cast Iron
wNb-[Nb] = ANb wx-[X] AX
（4）
式中 X 表示 C 或 N，A、B 为 NbX 相在铁液
中的溶度积公式的相应常数，wNb、wX 分别为 Nb、
X 元素在铁液中的含量（质量百分数），ANb、AX 分
别为 Nb、X 元素的原子量。
而由下式可计算出 MX 的全溶解温度 TAS：
发生铌铁未完全溶解及未完全均匀化的情况。因
铌铁的密度为 8.1 g/cm3，略大于铁液的密度，加
2011 / 2 现代铸铁 15
含 Study and Application of Niobium-containing Cast Irons
铌
铸
铁
的
研
究
入铁液中不会上浮，也不会产生密度偏析。
和
应
Nb 在铁液中的氧化势居于很高位置，高于
用
绝大部分常用合金元素，仅次于 Fe，在选择性氧
存在形式。在此基础上，分析了 Nb 在铸铁中的作用机理。固溶 Nb 具有非常重要的调节共析相变及强化铁素体基体的
作用，凝固过程析出的 Nb（C，N）可显著提高耐磨性，在奥氏体温度区间晶界析出的 Nb（C，N）能有效阻止晶粒长大，合
适的成分设计和工艺措施可充分发挥 Nb 的作用效果。
关键词：铸铁；Nb；Nb（C，N）；溶度积；珠光体相变
此，在含铌铸铁生产中需要充分考虑这一问题，
采用粒度较小的铌铁、加入铌铁的时间提前、充
分搅拌使之发生动态溶解、缓慢凝固延长扩散时
间等工艺措施有助于减轻或消除相关危害作用。
1.2 Nb 在液态铁中的溶解与 NbC、NbN 的液
析
Nb 是强碳化物和氮化物形成元素，除溶解
于铁液，还可能析出 NbC、NbN 或 Nb（C，N）。NbC
铌
铸
铁
的
研
TAS＝
B A-lg（wNb·wX）
（5） 比于溶质含量而推导得到的，对 w（C）量较高的
究 和
铸铁，必须考虑 C 对 C 和 Nb 的活度的影响，而
应
当实际最低凝固温度高于 NbX 的全溶解温 对于合金元素含量较高的合金铸铁及合金铸钢，
用
度 TAS 时，NbX 相将不会发生液析。
还必须考虑相关合金元素对 C 和 Nb 的活度的
析；而通常的低铌铸铁则仅在发生严重的 Nb和C
在奥氏体状态下的不同温度，NbC 和 NbN
的枝晶间偏析条件下才有可能发生 NbC 液析。 的析出溶解行为可以用固溶度积公式进行相关
另一方面，尽管相同温度下 NbN 在铁液中的溶 理论计算与分析。由于 NbC 和 NbN 均具有 NaCl
度积比 NbC 小 2~2.5 个数量级，但由于铸铁的 型的 FCC 晶体结构，点阵常数相差较小，同时，
YONG Qi-long，SUN Xin-jun，ZHANG Zheng-yan，YANG Geng-wei
（Structural Materials Research Institute，Central Iron & Steel Research Institute，Beijing 100081，China）
Nb 在奥氏体中的固溶与析出行为则可用
（1），1 600 ℃、1 480 ℃、1 400 ℃、1 130 ℃时NbC NbC、NbN 在奥氏体中的固溶度积公式来表征，
在 铁 液 中 的 溶 度 积 分 别 为 13.993、9.311、 目前常用的固溶度积公式有：
6.871、1.907，因此，在通常 Nb 的加入量下，无论 是铸钢还是铸铁，均不会在铁液中直接出现液析
中形成，故多呈球形，尺寸较为粗大，一般在 1~ 化学式系数可由下述四式联立求解：
10 μm 的数量级。对高碳高铌铸铁，适当高的铁 液温度（保证 NbC 完全溶解）和适当快的凝固冷 却速度 （从动力学方面抑制 NbC 在较高温度下 析出而使其在较低的实际凝固温度下析出）可使 一次 NbC 的尺寸数量级控制在 μm，在铁基体中 均匀分布且高度分散。这样的一次 NbC 可以成 为球墨形核的核心，从而细化石墨。此外，由于
在机械制造领域，除大量使用轧制钢材外， 还需要大量使用铸件。基座、箱体、缸套等零件需 要的减震降噪减摩性能主要通过石墨来获得，故 广泛采用灰铸铁制作；铸管的生产工艺比轧管和 焊管简单，在很多领域广泛使用；很多形状复杂 的高耐磨耐蚀耐热零件如磨球、衬板、法兰、壳 体、叶片、钢锭模、炉底板等采用铸件制作可显著 降低机加工量从而降低制造成本；大尺寸轧辊等 大型零件不能采用连铸而只能采用模铸生产，在 对其变形比（锻造比或轧制比）没有严格要求时 也广泛采用铸件生产。因此，高性能铸铁与铸钢 也是重要的高品质机械制造用材料。
和 NbN 的熔点均很高，远高于 Fe 的熔点，其化
学稳定性很强，故需要考虑他们的液析问题。
NbC 和 NbN 在铁液中的溶度积公式为[2]：
பைடு நூலகம்
log{[Nb]·[C]}L=3.73-4 840/T
（1）
16 现代铸铁 2011 / 2
Study and Application of Niobium-containing Cast Irons 含
Nb 在铸铁和铸钢生产中有重要的作用，西
收稿日期：2010－01－06
修定日期：2010－02－01
作者简介：雍岐龙（1953-），男，汉族，重庆人，教授，主要从事金
属材料专业的教学与科研工作。
欧、北美、日本等早在上世纪 60 年代就进行了大 量的基础研究工作。Nb 对铸件的耐磨性、耐热 性、耐蚀性、表面性状、尺寸稳定性以及力学性能 等均有明显的有利作用。深入研究 Nb 对铸铁和 铸钢性能的影响规律，探索其基础原理，扩大 Nb 的应用范围，提高 Nb 的用量，对我国铸件生产行 业乃至高端装备制造业的发展均具有重要意义[1]。
即使在半全镇静钢中通常也大于 90%。
氮量[N]的变化情况，如图 3 所示。
铌铁的熔点在 1 580~1 630 ℃的范围，远高
由溶度积公式和理想化学配比式联立求解，
于铸铁，略高于铸钢。因此，铌铁在铁液中不可能 可得到确定温度下平衡溶解的 [Nb]、[C] 或[Nb]、
熔化，只能通过以界面扩散为基础的形式而被溶 [N]量：
1 Nb 在铁基体中的存在形式
1.1 Nb 的加入
工 业 生 产 中 加 Nb 是 通 过 在 铁 液 中 加 入
w （Nb） 量为66%的铌铁合金实现的，铌铁中的
Nb/Fe
原子比为
0.66 92.9064
/
0.34 55.847
=1.17，接近于
1，故铌铁的性质接近于 NbFe 金属间化合物，性
脆、易于破碎，容易制取得到炉料所需要的块度。
lg{[Nb]·[C]}γ=2.96-7510/T（统计已有结果综
合分析）[3]
（6）
NbC。对于铸钢，除非发生严重的 Nb 和 C 的枝晶 间偏析，否则在凝固过程中也不会发生 NbC 的
lg{[Nb]·（[C]＋
12 14
[N]）}γ=2.26-6700/T（气体平
液析。对 w（C）量为 3.0%~3.4%的铸铁，可计算出 衡法）[4]