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铌在中高碳特殊钢中的作用机理

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国内外冶金学者对铌在低碳钢中物理冶金的研究是最深入的,应用是最为成功的。在我国特殊钢领域,中高碳钢中则多以钒的应用最为广泛,对铌、钛的研究和应用相对较少。与低碳微合金化HSLA钢不同,工程结构用特殊钢的碳含量较高,其范围从0.20%(表面渗碳钢)、0.60%(弹簧钢)、到0.80%(高碳工具钢)。除微合金化非调质钢外,一些零部件生产过程中还包括各种热处理工艺,明显不同于板带材的生产工艺。铌在钢中的作用必须与其他元素的相互作用一起考虑。对于特定的微合金化合金设计及工艺过程控制,主要是由其碳化物、氮化物以及碳氮化物的溶解与析出的溶度积规律决定的。微合金化元素Nb、V、Ti在钢中的溶解析出规律不同。TiN在温度超过1200时仍保持稳定,可利用此特点控制高的锻造温度下及高温渗碳过程的奥氏体晶粒尺寸;而VN(或V(CN))溶解于奥氏体低温区,从而获得锻后冷却的细小析出强化作用;NbC与(TiC)溶解与析出温度介于TiN与VN之间,可利用NbC析出物阻止终轧/锻过程中奥氏体再结晶,从而达到组织细化和析出强化的作用,可见铌是对钢的强韧化最有效的元素。由于钛在冶炼过程的不稳定,钛的加入要以小于TiN的化学当量比的量加入,避免在高温液态下形成大颗粒的TiN,以保证冶金质量和NbC作用的有效利用。与低碳钢不同,在中高碳的非调质钢和特殊钢中,铌的作用主要是通过未溶的NbC阻止再加热过程奥氏体晶粒长大,以及析出的NbC阻止终轧/锻阶段的奥氏体再结晶,从而达到晶粒细化的效果。在铁素体-珠光体钢中,铌可对珠光体转变有明显的抑制作用,达到晶粒细化和减小珠光体片层间距的效果。降低碳含量也可改善韧性,其强度的损失可由提高铌析出相(NbCN)来补偿。 因此,要充分发挥铌的作用,就必须通过合金设计和工艺控制,使NbC析出物的尺寸与体积分数达到最优匹配。通过Nb与C的溶度积曲线,可以计算在给定温度下NbC的析出量。为了充分利用铌的物理冶金潜能,必须在热变形之前在足够再加热温度下使一定数量的Nb(C,N)固溶,变成固溶于奥氏体中的铌。

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