在我國特殊鋼領(lǐng)域,中高碳鋼中則多以釩的應(yīng)用最為廣泛,對鈮、鈦的 研究 和應(yīng)用相對較少。與低碳微合金化HSLA鋼不同,工程結(jié)構(gòu)用特殊鋼的碳含量較高,其范圍從0.20%(表面滲碳鋼)、0.60%(彈簧鋼)、到0.80%(高碳工具鋼)。除微合金化非調(diào)質(zhì)鋼外,一些零部件生產(chǎn)過程中還包括各種熱處理工藝,明顯不同于板帶材的生產(chǎn)工藝。鈮在鋼中的作用必須與其他元素的相互作用一起考慮。對于特定的微合金化合金設(shè)計及工藝過程控制,主要是由其碳化物、氮化物以及碳氮化物的溶解與析出的溶度積規(guī)律決定的。微合金化元素Nb、V、Ti在鋼中的溶解析出規(guī)律不同。TiN在溫度超過1200時仍保持穩(wěn)定,可利用此特點控制高的鍛造溫度下及高溫滲碳過程的奧氏體晶粒尺寸;而VN(或V(CN))溶解于奧氏體低溫區(qū),從而獲得鍛后冷卻的細小析出強化作用;NbC與(TiC)溶解與析出溫度介于TiN與VN之間,可利用NbC析出物阻止終軋/鍛過程中奧氏體再結(jié)晶,從而達到組織細化和析出強化的作用,可見鈮是對鋼的強韌化最有效的元素。由于鈦在冶煉過程的不穩(wěn)定,鈦的加入要以小于TiN的化學(xué)當(dāng)量比的量加入,避免在高溫液態(tài)下形成大顆粒的TiN,以保證冶金質(zhì)量和NbC作用的有效利用。與低碳鋼不同,在中高碳的非調(diào)質(zhì)鋼和特殊鋼中,鈮的作用主要是通過未溶的NbC阻止再加熱過程奧氏體晶粒長大,以及析出的NbC阻止終軋/鍛階段的奧氏體再結(jié)晶,從而達到晶粒細化的效果。在鐵素體-珠光體鋼中,鈮可對珠光體轉(zhuǎn)變有明顯的抑制作用,達到晶粒細化和減小珠光體片層間距的效果。降低碳含量也可改善韌性,其強度的損失可由提高鈮析出相(NbCN)來補償。
因此,要充分發(fā)揮鈮的作用,就必須通過合金設(shè)計和工藝控制,使NbC析出物的尺寸與體積分數(shù)達到最優(yōu)匹配。通過Nb與C的溶度積曲線,可以計算在給定溫度下NbC的析出量。為了充分利用鈮的物理冶金潛能,必須在熱變形之前在足夠再加熱溫度下使一定數(shù)量的Nb(C,N)固溶,變成固溶于奧氏體中的鈮。
歸納起來,鈮在鋼中主要作用如下:鈮具有三重作用來影響鋼的機械性能:在熱機械加工中細化晶粒,降低-的轉(zhuǎn)變溫度(Ar3)和析出強化。細化晶粒是唯一能夠同時提高強度、韌性和延性的途徑。鈮細化晶粒的作用主要是在熱加工過程中,延遲或阻止終軋階段的再結(jié)晶,伸長的和高位錯密度的奧氏體具有較高的鐵素體形核率,通過降低轉(zhuǎn)變溫度,固溶鈮可同時提高鐵素體形核率和降低晶粒長大速度,這種復(fù)合作用可導(dǎo)致典型的細晶粒組織轉(zhuǎn)變。組織的細化對提高鋼的韌性特別是疲勞性能非常有利,因為疲勞裂紋通常是沿原始奧氏體晶粒的網(wǎng)狀鐵素體產(chǎn)生并擴展的。復(fù)合微合金化設(shè)計和合理生產(chǎn)工藝的控制是改善鋼綜合性能的最有效的方法。
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