导语

 

铌（Nb）作为一种关键的合金元素，在钢铁工业中扮演着至关重要的角色，其对钢材性能的显著提升使其成为现代材料科学中不可或缺的一部分。铌的加入，不仅能够显著提高钢材的强度和韧性，还能增强其耐热性和耐蚀性，这些特性对于制造高性能、长寿命的钢铁产品至关重要。在这里小编总结了铌在钢铁性能提升中的作用机制、应用现状以及未来的发展方向，希望能够帮助所有已在或将要在生产中应用铌元素的工程师们。

 

铌在钢铁中的作用机制

 

铌在钢铁材料中的作用主要是通过形成稳定的化合物，细化晶粒，提供沉淀强化，抑制奥氏体晶粒长大，改善焊接性能，提高耐热性和耐腐蚀性，改善塑性和韧性，以及提高淬透性，从而全面提高钢的性能。下面是对铌在钢铁中作用机制的详细解释：

 

1) 细化晶粒：铌在钢中的一个重要作用是细化晶粒。铌可以与钢中的碳和氮形成稳定的铌碳化物（NbC）和铌氮化物（NbN）。在钢的凝固过程中，这些铌的碳化物和氮化物作为异质形核的核心，促进铁素体的形核，从而细化晶粒。细小的晶粒可以提高钢的强度和韧性，因为晶界是钢中强度和韧性的重要来源。晶粒越细，晶界越多，钢的强度和韧性就越高。

 

2) 沉淀强化：铌的碳化物和氮化物在钢的热处理过程中可以重新析出，形成细小的沉淀相。这些沉淀相可以阻碍位错的移动，从而提高钢的强度。这种作用在低温回火时尤为明显，可以显著提高钢的回火稳定性，防止钢在回火过程中强度的下降。

 

3) 抑制奥氏体晶粒长大：在高温下，铌的碳化物和氮化物可以稳定奥氏体晶界，防止奥氏体晶粒在热加工或热处理过程中过度长大，从而保持钢的细晶粒结构。这对于提高钢的机械性能，尤其是高温下的性能，非常重要。

 

4) 改善焊接性能：铌可以减少焊接热影响区的软化，提高焊接接头的性能。这是因为铌的碳化物和氮化物在焊接过程中可以重新析出，提供额外的强化效果，同时铌也可以减少焊接过程中碳的损失，防止焊接接头的脆化。

 

5) 提高耐热性和耐腐蚀性：铌可以提高钢的高温强度和抗氧化性，同时，铌在不锈钢中可以提高其耐腐蚀性，特别是在硝酸和高温水蒸气环境中。铌的碳化物和氮化物可以形成稳定的氧化物保护层，防止钢的氧化和腐蚀。

 

6) 改善塑性和韧性：铌的碳化物和氮化物在钢中分布均匀，可以改善钢的塑性和韧性，提高钢的抗疲劳性能和抗冲击性能。

 

7)  提高淬透性：铌可以提高钢的淬透性，即钢在淬火过程中能够形成马氏体的深度和速度。这是 因为铌的碳化物和氮化物可以稳定奥氏体，防止奥氏体在冷却过程中过早转变，从而提高钢的淬透性。

 

炼钢过程中的铌

 

Nb是一种成本低，并可改善强度和延展性的最有效的元素。自从 20 世纪 80 年代以来，冶金企业 Nb铁的消耗量就一直持续增长。目前，Nb已经被添加到各个级别钢种中，在提高强度和延展性的同时也解决了夹杂物问题。

 

1、钢液中铌含量的控制

 

炼钢时，通过添加铌铁(Fe-Nb)来控制钢液中[Nb]的含量(w[Nb])，这与钢中[Mn]和[Si]含量的控制方式相同。为了在输送和加入过程中便于操作并将机械损耗降到最小，炼钢厂应从铌铁制造商订购具有最佳尺寸分布的块状铌铁。

 

表1 标准级铌铁化学成分（铝热还原法生产）

 

表2 铌铁颗粒的尺寸分布实例

 

铌铁添加到钢液中的行为如图1所示。在添加的过程中及添加后，铌铁以四种形态存在:粉尘中、钢包渣中、渣壳中及溶解在钢液中的[Nb]；溶解于钢液中的[Nb]根据[Nb]含量和[O]含量的不同与[O]发生反应。

 

图1 加入到钢液中铌铁的行为

 

为了提高钢液中Nb的收得率，必须改变添加条件或运用改进的添加技术使各种损耗因素减至最小。换言之，将 Nb 含量控制在窄的范围内并得到很高的收得率，从而降低含 Nb 钢的生产成本的关键是使这些损耗因素最小化。

 

对于不同的添加方式，缩短溶解时间的关键是提高溶解速率(k)或减少铌铁粒子的初始半径(R0)。为了保持高的斜度，一般是在出钢、浇注或吹氙期间钢液剧烈搅动时加入铌铁。根据溶解理论，添加小尺寸的铌铁颗粒是理想的，但由于粉尘扬散或钢渣捕获的作用，其机械损耗较大。通过直接将铌铁加入到钢液中或钢液的表面可克服上述两个缺点，即防止添加的铌铁扬散或与钢渣接触。

 

图2 不同添加技术加入铌铁的溶解时间

 

下面是钢厂实际使用的加入铌铁的有效方法：

 

1）出钢时在钢包中添加(铌铁倾倒在钢包中)技术：在钢包添加技术中，必须恰当设定重要工艺条件是铌铁的尺寸分布和加入时间，这可将[Nb]含量控制在精确范围内并获得很高的收得率。

 

2）钢包吹氩搅拌时的添加技术：氩气搅拌的目的是使钢包中的钢液化学成分及温度均匀以及分离早期脱氧产物(宏观夹杂)。

 

3）脱氧后应用喷射工艺的添加技术：这种技术广泛应用于脱硫、脱氧和夹杂物变性。

 

4）RH 处理后在RH(或 DH)中的添加技术：RH(或DH)处理广泛用于脱氢和超低碳钢降碳。在生产超低碳含 Nb 钢或含 Nb 低氢低合金钢时，RH处理后(脱氢、脱氧和降碳)，将小尺寸的铌铁直接添加到 RH 炉中钢液的表面，没有机械损耗，Nb的收得率达到 95%以上。

 

5）浇注时向铸模里添加或喷射的技术

 

图3 各种加入铌铁的简化精炼工艺

 

a-吹Ar工艺；b-CAS 工艺；c-喂线工艺；d-喷射工艺

 

二、含 Nb 钢中夹杂和析出相的控制

 

去除有害元素(非金属元素)如[0]、[S]、[C]、[N]和[P]是炼钢的主要目的之一。但是，完全去除它们是不经济的。因此，允许钢液中含一定量的有害元素，通过添加比Fe亲和力强得多的元素与有害元素形成夹杂物或析出相而将其固定，保留在钢中。

 

一般在钢包内的钢液中并不形成 Nb 的化合物诸如 Nb的氧化物、硫化物、碳化物、氮化物和磷化物等，而是在凝固期间或凝固后析出。这意味着没有足够的时间使 Nb 的析出相长大成为有害的夹杂物。相反，如果钢铁生产过程中，将其尺寸控制合适，则有助于改善钢的性能。无论如何，为了改善钢产品的性能必须对含 Nb 钢中析出相进行控制，使其呈均匀分布。

 

1、氧化物和硫化物夹杂及Nb化物析出相的控制

炼钢过程中，A1、Si或Ti 一般是在出钢时或出钢后作为脱氧剂加到钢包中的钢液里(目的是减少氧含量)。钢液中脱氧剂与[O]反应形成早期脱氧产物或夹杂，这会引起产品缺陷如裂纹及表面缺陷等。

 

表3列出了不同钢种中与钢材应用中的产品缺陷相关联的夹杂类型及尺寸。

 

表3高质量钢生产中夹杂物控制的类型和尺寸

 

下面列出了降低夹杂尺寸(或全氧[TO])的典型措施。

 

(1)早期形成的脱氧产物数量最小化。为了防止脱氧剂与空气或渣反应，应用钢包精炼工艺时，应直接将脱氧剂添加到钢包内的钢液里或钢液的表面。

 

(2)将脱氧产物从钢包内钢液中分离出来。应用中等强度的吹氩搅拌阻止钢包渣的吸附以加速夹杂物和钢液的分离。

 

(3)使二次氧化产物的数量最小化。脱氧后钢液和渣或空气接触，形成二次氧化产物，应用氩气密封中间包阻止空气二次氧化。浇注时在结晶器(或中间包)上应用浸人式水口(或长水口)来阻止空气的二次氧化或渣的吸附。将钢包渣和中间包渣中的Fe0含量应减到最低水平以减少钢-渣界面上二次氧化物产物的生成量。

 

2、含 Nb 钢中 Nb 碳化物和 Nb 氮化物控制

 

[Nb]对[C]和[N]的亲和力强于[S]而弱于[0]。因此，从w[Nb]*w[C]溶度积(或w[Nb]*w[N]溶度积)来看，Nb碳化物和Nb氮化物在钢包钢液中不会形成，而仅能在凝固期间和凝固后析出。然而，凝固期间由于[C](或[N])高分配系数会在凝固前沿显著富集，因而也有可能在凝固前沿析出 Nb碳化物。此外，在凝固过程中，Nb碳化物(或 Nb氮化物)析出的平衡常数是随着凝固温度的降低而降低。在凝固前沿析出的 Nb 碳化物的尺寸要大于凝固后析出的尺寸，而且不是圆形的而是不规则形状(团簇状或共品体)。这些大的、不规则的 Nb 碳化物对钢的性能如塑性、延伸性、成形性和疲劳强度是有害的。

 

因此，为了在含 Nb钢生产中提高钢的性能，关键是减少在凝固前沿析出的 Nb 碳化物的数量和增加凝固后冷却期间析出的 Nb 碳化物的数量。

 

（1）凝固期间和凝固后析出的 Nb 碳化物控制 

 

含 Nb 钢中，[Nb]与「C] 进行反应，在凝固期间和凝固后析出的 Nb碳化物的数量是由[Nb]含量或[C]含量和K值(平衡常数)控制的。如表4所示，K随着温度降低而明显下降。另外，凝固温度取决于[C]含量，因而无论 Nb碳化物凝固期间在凝固前沿析出与否，最初都强烈地取决于[C]含量。

 

表4 氮化物和碳化物的溶解极限

 

A高碳钢(w[C]>0.2%)：

 

高碳钢具有γ型凝固特点，凝固温度随凝固进行而降低。当凝固温度下降时(小于1400℃)，Nb碳化物在凝固前沿析出。

 

B中碳钢(0.1%<w[C]<0.2%)：

 

中碳钢在凝固时要发生包晶反应，其凝固温度大于 1250℃，高于 Nb 碳化物的析出温度。Nb 碳化物是在凝固后冷却期间析出，不是在凝固时在凝固前沿析出。析出的 Nb 碳化物是微小均匀分布的(小于亚微米)，且能有效地改善钢的性能。

 

C低碳钢(w[C]<0.1%)：

 

低碳钢具有δ型凝固特点，凝固温度高于1300℃，这样比 1100℃(据表 1-7 估计)的 Nb碳化物的析出温度要高些。这意味着 Nb碳化物要在凝固后冷却期间析出。

 

图5 Nb 碳化物的溶解产物

 

（2）凝固期间和凝固后 Nb 氮化物和 Nb碳氮化物控制

 

Nb 氮化物的析出取决于[Nb][N]溶度积和K(平衡常数)。形成 Nb 氮化物的平衡常数比形成 Nb 碳化物的要低一个数量级。钢液中的「N] 含量要比原始含 Nb 钢中的「C]含量低2个数量级。所以 Nb 氮化物不能在钢液中形成，并且不能于凝固时在凝固前沿析出，但可以在凝固后析出。

 

表5[N]在含铌钢中的溶解极限 

 

A转炉(BOF)钢(w[N]<30x10-4%)：

 

BOF 钢的 w[N]<30x10-4%，Nb 氮化物在凝固后冷却期间 1000℃下析出，那时的w[Nb]<0.1%，而 Nb 氮化物析出所必需的 w[Nb]=0.05%。考虑到 Nb 碳氮化物的析出，必要的「Nb]含量也许会低很多，这要看[C]含量的情况。只有在高碳钢(w[C]>0.2%)中可能在凝固前沿析出有害的 Nb 碳氮化物。为了阻止它们的析出，[Nb]含量应当控制尽可能低。

 

B电炉(EF)钢(w[N]<100x10-4%)：

 

在含有 90x10-4%「N] 的 EF 钢中，Nb 氮化物在凝固后1200℃下析出。在含有较高「S]或「P]的中碳钢(0.1%<w[C]<0.2%)，Nb 碳氮化物也可在凝固时在凝固前沿析出。为了防止在凝固前沿形成有害的大尺寸 Nb 碳氮化物，要通过降低钢液中诸如[S]、[P]等偏析元素含量等手段尽可能保持高的凝固温度。

 

（3）宏观偏析区中有害大颗粒 Nb 碳氮化物控制

 

在宏观偏析区中，[C]、[N]和[Nb]在凝固前沿大量富集。此外，诸如[S]、[P]等偏析元素显著富集降低了凝固温度，有时甚至低于 Nb 碳氮化物的析出温度(有报道称Nb碳氮化物的析出温度是 1400℃)，见图6。

 

图6 临界温度对碳氮化物形成的影响

 

大尺寸 Nb 碳氮化物对断裂韧性和疲劳强度是有害的，也降低了热塑性，常用的防止在宏观偏析区形成大 Nb 碳氮化物的办法是通过降低钢液中的「S]和「P]含量来提高凝固温度。根据经验，在低碳钢中(w[C]<0.1%)[S]含量已经控制到小于0.01%，[P]含量小于0.015%。在中碳和高碳钢中(w[C]>0.1%)[S]含量应当保持低于0.005%，[P]含量低于0.01%。当采用其他措施防止宏观偏析(见下面讨论)时，[S]和[P]含量的控制范围可以大些。

 

A 模铸锭工艺中宏观偏析的控制措施

 

观察到两种类型的宏观偏析，在锭厚1/4 处形成的A形偏析;在锭中心形成的V形偏析。在凝固前沿由于溶质元素富集层的运动可能形成这两种偏析。鉴于这种偏析机制，广泛使用了下列措施以保证凝固过程优先在锭子底部进行：

 

(1)减小锭型比(锭高/锭厚比);

 

(2)使用热帽口技术保持锭子顶部的高温。

 

B  连铸工艺的偏析控制措施

 

连铸工艺中不可能像模铸工艺那样将最终凝固点控制在锭子顶部，因为凝固不是从铸坯底部而是从侧面进行的。因而，在连铸板坯和方坯(以下简称连铸坯)中凝固终点位于连铸坏的中心。因此，V形偏析和带状偏析会在中心产生。下列措施被广泛用于减小连铸坏中心偏析的程度：

 

(1)凝固期间使用电磁搅拌离散凝固前沿溶质富集层，在中心形成等轴品区；

 

(2)在凝固时使用支撑辊进行轻压下补偿凝固缩孔。

 

3、Nb磷化物的控制

 

[Nb]与「P]的亲和力弱于与「C]的亲和力，在普通含 Nb低合金钢中「P]含量是很低的，小于0.02%。因此，Nb磷化物并不在含 Nb 低合金钢中析出。在奥氏体钢中「P]的溶解度是很低的。如同[S]一样，钢液中的[P]在凝固期间在显微偏析枝晶间富集。因此，当奥氏体钢中含[Nb]很高时(这是y区间凝固时的特点)，Nb磷化物在凝固的最终阶段会在显微偏析枝晶间析出。为了防止在具有y区凝固特点的钢如奥氏体不锈钢、高锰钢和高碳钢(u「C]>0.2%)中形成有害的 Nb 磷化物，应根据钢液中「Nb]含量适当地减少「P]的含量。

 

三、加铌铁(Fe-Nb)的先进炼钢技术总结

 

由于下列原因增加了炼钢厂铌铁(Fe-Nb)的消耗:

 

(1)由于铌铁的化学性质，它可以容易地加入到钢液中。当在钢包精炼过程将铌铁直接加人钢液内部或表面时，Nb的收得率接近100%而且（Nb）含量也能被控制在一个精确的范围。

 

(2)Nb是提高钢的强度而不降低延展性的最有利的合金元素之一。

 

(3)[Nb]与[N]形成 Nb 碳氮化物而将[N]固定下来，有效地细化了晶粒，提高了强度。

 

考虑到 Nb的脱氧能力，Nb是防止在钢液中产生早期脱氧产物和二次脱氧产物的一种合适脱氧剂。当 Nb脱氧钢得到发展时，用Nb脱氧钢代替Al镇静钢在冶金上也许是可行的。为了生产无 Al2O3,夹杂的连铸板坯和方坯，工程技术人员应着力开发 Nb 脱氧钢。

 

各种脱氧剂的脱氧能力顺序如下：Al=Zr>Ti>Si-(Mn)>Nb >V

 

Nb 脱氧钢合适的炼钢条件如下所述:

 

(1)在凝固期间析出细小的Nb氧化物，加入 Nb 之前在真空下用[C]进行预脱氧,并加入少量的 Al(w[0]<150 x10-4%)。

 

(2)在钢包中降低[S]和[P]含量，提高凝固温度，均匀析出碳氮化物。

 

四、应用现状与未来发展

 

目前微合金元素铌在钢铁中的应用现状主要集中在提高钢材的强度、韧性和耐腐蚀性。铌通过细化晶粒和增强固溶强化，显著改善了低合金高强度钢的性能。此外，铌的加入有助于提高焊接性能和热处理后的稳定性，广泛应用于桥梁、船舶、汽车等结构材料中。随着高性能钢材需求的增加，铌的应用前景仍然广阔，尤其在特殊环境和高安全性要求的领域。

 

桥梁建设：在现代桥梁结构中，铌合金钢被广泛用于提高结构的强度和耐久性。例如，某些国家的高速公路桥梁采用铌微合金化的高强度低合金钢（HSLA），使得桥梁能够承受更高的交通负荷，同时减轻了自重。

 

汽车制造：铌在汽车工业中的应用也日益增多。许多汽车车身结构采用铌合金钢，以增强抗撞击能力和延长使用寿命。这种钢材不仅具有优良的成形性，还能提高燃油效率，因为轻量化设计能够降低整车重量。

 

石油和天然气管道：铌合金钢在石油和天然气管道的应用中尤为重要。比如，某些高强度管道材料采用铌微合金化，使得管道能够在极端温度和压力下工作，同时保持良好的韧性和抗腐蚀能力。

 

高强度焊接材料：铌的应用还体现在焊接材料中，例如某些高强度焊接钢种，使用铌作为微合金元素，可以提高焊接接头的性能，减少热影响区的脆性，从而提升整体结构的安全性和可靠性。

 

铁路轨道：在铁路行业，铌微合金钢用于制造高性能轨道。使用铌的轨道钢可以有效抵抗磨损和疲劳，延长轨道的使用寿命，并提升列车运行的安全性。

 

风电塔架：随着可再生能源的兴起，铌合金钢在风电塔架的应用也逐渐增加。由于铌的加入，这些塔架能够在高风速条件下提供更好的结构稳定性和抗疲劳性能。

 

微合金元素铌在钢铁中的应用未来展望及发展方向主要体现在以下几个方面：

 

高性能钢铁材料的开发：铌在钢铁中的应用将继续推动高性能钢铁材料的开发，如更高强度、更高韧性、更好焊接性能和耐腐蚀性的钢铁材料。这些高性能钢铁材料将被广泛应用于航空航天、汽车、建筑、能源和化工等领域，以满足这些领域对材料性能的更高要求。

 

节能减排和绿色制造：铌可以显著提高钢铁的性能，同时降低其生产成本和能耗。未来，铌在钢铁中的应用将更加注重节能减排和绿色制造，以满足全球对可持续发展的需求。例如，铌可以降低钢铁的厚度，从而减少钢铁的使用量，降低能耗和碳排放。

 

铌基复合材料的开发：铌在钢铁中的应用也可能推动铌基复合材料的开发。铌基复合材料具有更高的强度、更好的高温性能和耐腐蚀性，可以应用于高温、高压和腐蚀性环境下的设备和结构。

 

铌在新型钢铁材料中的应用：随着钢铁材料科学的发展，铌在新型钢铁材料中的应用将更加广泛。例如，铌在双相不锈钢、马氏体不锈钢、耐热钢、耐候钢和耐磨钢等新型钢铁材料中的应用，可以进一步提高这些材料的性能。

 

铌在钢铁中的微观机制研究：铌在钢铁中的作用机制是一个复杂的过程，涉及到铌与钢中其他元素的交互作用，以及这些交互作用如何影响钢的微观结构和性能。未来，铌在钢铁中的微观机制研究将更加深入，以指导铌在钢铁中的更有效应用。

 

铌在钢铁中的智能设计和优化：随着材料基因组计划和人工智能技术的发展，铌在钢铁中的应用将更加注重智能设计和优化，以实现铌在钢铁中的最佳性能和最低成本。

 

铌在钢铁中的应用未来将更加注重高性能、节能减排、绿色制造、铌基复合材料的开发、新型钢铁材料的应用、微观机制的研究和智能设计的优化，以满足全球对钢铁材料的更高要求和对可持续发展的需求。

 

参考来源：

《如何用铌改善钢的性能》及网络资源