工具鋼中鈮的作用及應(yīng)用

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1、工具鋼中鈮的作用及應(yīng)用摘要許多材料被開發(fā)用做工具。但是，工具鋼仍舊是主要工具材料。無論傳統(tǒng)的憑經(jīng)驗開發(fā)的牌號以及新的牌號都正在用特殊的加工或用新的冶金原理，即微合金元化來改進(jìn)以優(yōu)化性能。鈮（鈳），一種碳化物形成元素，在此領(lǐng)域是新手，正逐步找到進(jìn)入一系列工具鋼的途徑。在綜述鈮在工具鋼中作用之后，著重談了鈮合金化工具鋼若干應(yīng)用實例及開發(fā)工作。前言鐵的最早技術(shù)應(yīng)用是工具，這可以從早期鐵器時代的發(fā)現(xiàn)中看到（公元前750到450年Hallstadt時期）。還在那個時候，鐵已經(jīng)用熔融方法制造，而且采用了硬化熱處理

2、。CaiusPliniusSecundus(公元23至79年)在他的“NaturalisHistorica”一書中描述鐵時這樣寫道：“這對于人類既是最好的也是最壞的工具”，用以強(qiáng)調(diào)它在日常生活及戰(zhàn)爭中的大量應(yīng)用。在最近2500年中，對工具提出了許多新的要求，所以許多不同的工具鋼被開發(fā)出來，其中大部分靠經(jīng)驗。實際上這被稱作工具鋼的鋼類僅占鋼產(chǎn)量的1%（1），但是其重要性卻要大得多，因為幾乎我們?nèi)粘Ｉ钏形锲范际怯霉ぞ咧圃斐鰜淼?。許多工具鋼的鋼種也可用在其他用途，反過來也是這樣。所共同的是它們用作工具；

3、針對不同用途的各種要求，已知許多成分。通常，工具鋼靠多種元素來滿足這些要求。其中有碳化物形成元素鉻、鉬、鎢和釩。所以粗看起來令人奇怪的是在周期表中位于鄰居的鈮在工具鋼中用得很少。其原因可能是大多數(shù)鋼種靠經(jīng)驗開發(fā)，以及鈮只有在60年代于巴西和加拿大開發(fā)了燒綠石礦藏后才大量及廉價供應(yīng)。鈮在工具鋼中的作用·微合金化鋼中用鈮的基本考慮是它形成非常穩(wěn)定的碳化物，促進(jìn)結(jié)構(gòu)鋼中作為強(qiáng)化機(jī)制的晶粒細(xì)化和析出強(qiáng)化。如此作用的添加量通常在0.01％到0.20%，因此被稱為“微合金化”?？墒?，在通常采用淬火硬化的工具鋼中，

4、NbC的這種作用的意義不大。為了獲得適當(dāng)?shù)鸟R氏體硬度，工具鋼往往具有中到高碳含量。圖1（2）表明上述碳含量范圍鋼的碳化物在奧氏體中的溶解度積。NbC即使在高淬火溫度下的溶解度很小。在1100℃，NbC析出的長大有限，不會發(fā)生顯著的質(zhì)點(diǎn)粗化—圖2（3）。因此NbC質(zhì)點(diǎn)將提供類似傳統(tǒng)的正火鋼或滲碳鋼種中的晶界釘扎作用，在這些鋼中，如此微量合金的添加是用來保證細(xì)晶顯微組織。圖3（4）表明這些穩(wěn)定的NbC質(zhì)點(diǎn)是如何控制奧氏體晶粒尺寸，是大量體積分?jǐn)?shù)的微細(xì)質(zhì)點(diǎn)造成細(xì)小的奧氏體晶粒。圖1圖2這種基本考慮很清楚，工

5、具鋼中加微合金鈮的主要價值是在淬火前加熱時防止晶粒長大。相當(dāng)少量的大約0.02%Nb在奧氏體化時或許能被溶解，應(yīng)該會在退火時稍許延遲相變以及引起析出強(qiáng)化?？墒?，在許多工具鋼中含有大量鉻、鉬、釩等，NbC的貢獻(xiàn)與其它合金碳化物相比，其作用是相當(dāng)小的。問題提出來了，如何利用NbC質(zhì)點(diǎn)的這種奧氏體晶粒細(xì)化作用。兩種可能性是顯見的：a)除了強(qiáng)度/硬度外，需要一定的“韌性”以避免由局部高應(yīng)力引起的工具的立即脆性開裂。由于脆性晶間斷裂與在原先奧氏體晶界上的碳化物析出有關(guān)，見圖4（5），細(xì)晶粒尺寸將有助于減少晶粒邊

6、界上的碳化物量，從而改善“韌性”。圖4b)NbC的高穩(wěn)定性使得有可能采用高的均熱溫度，而不用擔(dān)心晶粒過分長大。在較高均熱溫度下，大量其它合金碳化物將被溶解，導(dǎo)致總體良好性能，即低成本下高的紅硬性，而不損害韌性。這些考慮表明，微合金鈮加入工具鋼中提供機(jī)會重新設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)工具鋼的合金化和工藝條件。高均熱溫度而不損害韌性對一定的合金設(shè)計來說將改進(jìn)其它性能，而對等同性能來說，總的合金量可以降低。用較高均熱溫度下較短時間代替較長均熱時間能夠得到額外的經(jīng)濟(jì)效益。當(dāng)需要高韌性時，進(jìn)一步細(xì)化晶粒是非常有益的。對奧氏體晶粒

7、尺寸的這些考慮在其他地方已經(jīng)被采納（6）。由于鈮比鐵有較大原子尺寸，因而有偏聚傾向。在凝固時，鈮將被分配到柱狀晶間區(qū)，可能形成Fe+NbC共析體。此共析體的體積分?jǐn)?shù)主要取決于鋼中鈮的含量，如圖5所示（7）。此外，高碳含量或較低冷速（如模鑄）促進(jìn)共析體的產(chǎn)生。由于鋼的化學(xué)成分及澆鑄工藝通常是固定的參數(shù)，把鈮含量限制到低于0.10%將既有晶粒細(xì)化作用，又不會產(chǎn)生Fe+NbC共析體。·一次碳化物需要高耐磨性的工具主要依靠一種帶大量碳化物的萊氏體組織。圖6示出一個采用Millers(f)數(shù)據(jù)的示意圖，它表明，

8、這些鋼的韌性必然地要比帶較少碳化物的工具鋼低得多。在此圖上，帶聚集碳化物的高速工具鋼位于萊氏體類鋼的波動帶的上部。在萊氏體鋼中，鈮碳化物可被有效地采用。與鉻碳化物M7C3及鉬鎢碳化物M6C(1650HVmax)相比，立方的NbC具有更高硬度（2400HV）。與硬的輕金屬的立方碳化物，3TiC或VC相比，有利之處在于它的密度7.8g/cm是在液態(tài)工具鋼的比重的范圍之內(nèi)。純NbC比液態(tài)鋼水稍重一些，這對提高離心鑄造件的外表面或一般鑄件的底部的耐磨性有利。可是