铌对灰铸铁机械性能的影响

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我国工农业生产的迅速发展，要求各类机械朝着动力大、寿命长、体积小、质量轻的方向发展，因而要求其基础件既要有较高的耐磨性又要有较高的强度。试验和实践证明铌能显著地提高灰铸铁的耐磨性，在此基础上，我们又试验了铌对灰铸铁机械性能的影响。试验结果表明，铌在大幅度提高铸铁耐磨性的同时，又能显著地提高铸铁的强度性能和改善铸铁的韧性，是一种高品质的铸铁材料，适合于制作缸套、活塞环等耐磨基础件。

1　试验内容与方法

　　试验的熔炼设备为60 kg中频感应电炉，炉料为14#生铁、废钢、75硅铁、60锰铁、铌中间合金，炉料熔化后清渣，加入中间合金调整化学成分，热电偶测温，浇注温度1 400 ℃，不孕育。http://www.wanfangdata.com.cn/qikan/periodical.articles/zzjs/zzjs99/zzjs9904/image4/image01.gif30 mm强度试验试样潮模砂型铸造，铸态加工后待测。试样的基础成分为3．4％～3.54% C;2.05%～2.55% Si;0.89%～1.06% Mn;0.09%～0.12% P;0.039%～0.045% S;铌在0%～0.87%之间递增。性能试验分别在30 t拉力试验机，30 kg冲击试验机和布、洛、维三用硬度计上进行。

2　试验结果

　　不同含铌量铸铁的机械性能试验结果，见表1及图1、图2，从中可以看到：
2.1　随着含铌量的增加，铸铁的强度不断提高，当含铌量从零增加到0.3%～0.5%时，尽管碳当量有所提高，但抗拉强度仍从200 MPa左右提高到250 MPa左右，铸铁提高一个牌号。

表1　铌铸铁化学成分与机械性能
; u) G  M, f  [  S1 D6 t7 UTab.1　Chemical composition and mechanical properties of Nb cast iron

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http://www.jdzyjs.com/upimg/allimg/c090227/1235EGM550-92503.jpg   http://www.jdzyjs.com/upimg/allimg/c090227/1235EGMJ0-105517.jpg

图1　含铌量对σb的影响　　图2　含铌量对HB、ak的影响
Fig.1　Effect of Nb on σb 　　Fig.2　Effect of Nb on HB、ak.

2.2　随着含铌量的增加，铸铁的硬度有所提高，但提高幅度并不大，当含铌量增加到0.3%左右时，硬度仅提高8HB左右。这说明铌铸铁有良好的切割性能。
& ]+ a' z9 ~% g$ @* @2.3　在试验的加铌量范围内，随着含铌量的增加，铸铁的强度提高，但冲击值并不下降，反而略有上升，也就是说加入铌不会增加铸铁的脆性。这一点不同于常用的耐磨铸铁，如磷铸、硼铸铁等，对耐磨铸铁极有意义。

3　结果讨论

3.1　铌在铸铁中的存在形式
2 z0 Z2 y0 F. K　　从化学反应的自由能及元素的电负性等观点来看，铌是一种强碳化物、氮化物形成元素，铌与碳、氮的亲和力远远高于铁和碳、氮的亲和力。铸铁中加入微量的铌，其绝大多数在凝固前期首先与铁液中的碳、氮化合生成大量弥散均匀分布的富铌相—Nb(C、N)小质点，这些小质点的形貌一般为规则的正方形，粒度为2～8 μm，密度分布大于200 粒/mm2，均匀弥散镶嵌于珠光体基体中，起到强化作用。这是铌在铸铁中的主要存在形式。图3为这些小质点的形貌。另外还有极微量的铌固溶于珠光体或渗碳体中，电子探针测得，当铸铁含铌量为0.2%时，铁素体中含铌量为0.02%，渗碳体中含铌量为0.06%，从中可见，铌在铸铁中以2种形式存在，绝大多数形成独立的富铌相，少数固溶于基体中。
; w, ?/ u+ F  G3.2　良好的综合机械性能
# [6 v) C3 G: E1 {5 x/ n　　常用的耐磨铸铁(主要指减磨铸铁)如磷铸铁、硼铸铁等，都是在凝固后期沿晶界析出网状分布的高显微硬度的磷共晶或硼化物，这虽然提高了材质的耐磨性但都影响了机械性能，尤其增加了脆性，恶化了机加工性能。而铌铸铁中Nb(C、N)硬质相是在凝固前期形成的，且均匀弥散分布于基体中，对材质起到强化作用，在提高强度的同时，对韧性无不良影响，尽管Nb(C、N)硬质相显微硬度为2 500～3 000 HV，远远高于磷共晶和硼化物，但这些硬质相粒度较小，且孤立弥散分布，故对铸铁的宏观硬度影响不大，对材质的切削机加工性能也影响不大，这说明铌铸铁在具有优异耐磨性的同时，又具有良好的综合机械性能，是一种高品质的耐磨铸铁材料。

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图3　Nb(C、N)质点
* w( }6 X9 B; v1 J- I3 WFig.3　Nb(C、N)particales.

3.3　铌对铸铁的强化机理
9 Q8 @- j+ {5 U- |6 w3 _2 F　　铌能较大幅度地提高铸铁的机械性能，其原因主要有以下几点：
! ^3 H( v9 Z; @9 [9 R' T　　(1)铌少量固溶于基体中起到固溶强化作用。另外绝大多数以Nb(C、N)小质点形式均匀弥散分布于基体中作为强化相，对铸铁起到明显的弥散强化作用。这些小质点虽然本身硬度很高，但粒度很小，因而对铸铁的宏观硬度影响不大。
　　(2)铸铁铁液中一般含氮量为20～80×10-6之间这些氮在铸铁凝固后以游离杂质存在于共晶团晶界处，使共晶团相互间的结合力变弱，影响了铸铁的强度和韧性。而铸铁中加入铌，根据NbC、NbN的生成自由能，铸铁在凝固初期，其中的铌即能与铁液中的氮、碳化合生成固态的Nb(C、N)质点，从而固定了氮，减少了共晶凝固时共晶团晶界处的氮的游离杂质，净化了晶界，提高了共晶团之间的结合力，提高了铸铁的强度，改善了韧性。
　　(3)国内铌中间合金中，除铌外还含有Ti、V、W、Ta等多种微量元素，这些元素的综合效果也是提高铌铸铁机械性能的原因之一。

4　结论

　　(1)铌能显著地提高灰铸铁的机械性能，当含铌量为0.15%～0.40%时，机械性能提高一个牌号且韧性有所改善，与磷铸铁、硼铸铁相比，铌铸铁是一种具有较高综合机械性能的铸铁材料。
　　(2)铌对铸铁的强化机理是固溶强化，弥散强化和净化晶界。
　　(3)铌铸铁尤其适合于既要求高的耐磨性又要求较高机械性能的铸铁基础件。
# O$ B9 E5 c0 o+ y+ r  y8 ^: @7 h　　应当指出，铌铸铁主要是一种减磨材料，由于铌中间合金价格较贵，铌作为单纯的强化元素使用是不经济的，也是不可取的。但铌能在较大幅度地提高铸铁耐磨性的同时又改善铸铁的机械性能，并优于硼铸铁和磷铸铁。