導語

 

鈮（Nb）作為一種關鍵的合金元素，在鋼鐵工業中扮演著至關重要的角色，其對鋼材性能的顯著提升使其成為現代材料科學中不可或缺的一部分。鈮的加入，不僅能夠顯著提高鋼材的強度和韌性，還能增強其耐熱性和耐蝕性，這些特性對于制造高性能、長壽命的鋼鐵產品至關重要。在這里小編總結了鈮在鋼鐵性能提升中的作用機制、應用現狀以及未來的發展方向，希望能夠幫助所有已在或將要在生產中應用鈮元素的工程師們。

 

鈮在鋼鐵中的作用機制

 

鈮在鋼鐵材料中的作用主要是通過形成穩定的化合物，細化晶粒，提供沉淀強化，抑制奧氏體晶粒長大，改善焊接性能，提高耐熱性和耐腐蝕性，改善塑性和韌性，以及提高淬透性，從而全面提高鋼的性能。下面是對鈮在鋼鐵中作用機制的詳細解釋：

 

1) 細化晶粒：鈮在鋼中的一個重要作用是細化晶粒。鈮可以與鋼中的碳和氮形成穩定的鈮碳化物（NbC）和鈮氮化物（NbN）。在鋼的凝固過程中，這些鈮的碳化物和氮化物作為異質形核的核心，促進鐵素體的形核，從而細化晶粒。細小的晶?？梢蕴岣咪摰膹姸群晚g性，因為晶界是鋼中強度和韌性的重要來源。晶粒越細，晶界越多，鋼的強度和韌性就越高。

 

2) 沉淀強化：鈮的碳化物和氮化物在鋼的熱處理過程中可以重新析出，形成細小的沉淀相。這些沉淀相可以阻礙位錯的移動，從而提高鋼的強度。這種作用在低溫回火時尤為明顯，可以顯著提高鋼的回火穩定性，防止鋼在回火過程中強度的下降。

 

3) 抑制奧氏體晶粒長大：在高溫下，鈮的碳化物和氮化物可以穩定奧氏體晶界，防止奧氏體晶粒在熱加工或熱處理過程中過度長大，從而保持鋼的細晶粒結構。這對于提高鋼的機械性能，尤其是高溫下的性能，非常重要。

 

4) 改善焊接性能：鈮可以減少焊接熱影響區的軟化，提高焊接接頭的性能。這是因為鈮的碳化物和氮化物在焊接過程中可以重新析出，提供額外的強化效果，同時鈮也可以減少焊接過程中碳的損失，防止焊接接頭的脆化。

 

5) 提高耐熱性和耐腐蝕性：鈮可以提高鋼的高溫強度和抗氧化性，同時，鈮在不銹鋼中可以提高其耐腐蝕性，特別是在硝酸和高溫水蒸氣環境中。鈮的碳化物和氮化物可以形成穩定的氧化物保護層，防止鋼的氧化和腐蝕。

 

6) 改善塑性和韌性：鈮的碳化物和氮化物在鋼中分布均勻，可以改善鋼的塑性和韌性，提高鋼的抗疲勞性能和抗沖擊性能。

 

7)  提高淬透性：鈮可以提高鋼的淬透性，即鋼在淬火過程中能夠形成馬氏體的深度和速度。這是 因為鈮的碳化物和氮化物可以穩定奧氏體，防止奧氏體在冷卻過程中過早轉變，從而提高鋼的淬透性。

 

煉鋼過程中的鈮

 

Nb是一種成本低，并可改善強度和延展性的最有效的元素。自從 20 世紀 80 年代以來，冶金企業 Nb鐵的消耗量就一直持續增長。目前，Nb已經被添加到各個級別鋼種中，在提高強度和延展性的同時也解決了夾雜物問題。

 

1、鋼液中鈮含量的控制

 

煉鋼時，通過添加鈮鐵(Fe-Nb)來控制鋼液中[Nb]的含量(w[Nb])，這與鋼中[Mn]和[Si]含量的控制方式相同。為了在輸送和加入過程中便于操作并將機械損耗降到最小，煉鋼廠應從鈮鐵制造商訂購具有最佳尺寸分布的塊狀鈮鐵。

 

表1 標準級鈮鐵化學成分（鋁熱還原法生產）

 

表2 鈮鐵顆粒的尺寸分布實例

 

鈮鐵添加到鋼液中的行為如圖1所示。在添加的過程中及添加后，鈮鐵以四種形態存在:粉塵中、鋼包渣中、渣殼中及溶解在鋼液中的[Nb]；溶解于鋼液中的[Nb]根據[Nb]含量和[O]含量的不同與[O]發生反應。

 

圖1 加入到鋼液中鈮鐵的行為

 

為了提高鋼液中Nb的收得率，必須改變添加條件或運用改進的添加技術使各種損耗因素減至最小。換言之，將 Nb 含量控制在窄的范圍內并得到很高的收得率，從而降低含 Nb 鋼的生產成本的關鍵是使這些損耗因素最小化。

 

對于不同的添加方式，縮短溶解時間的關鍵是提高溶解速率(k)或減少鈮鐵粒子的初始半徑(R0)。為了保持高的斜度，一般是在出鋼、澆注或吹氙期間鋼液劇烈攪動時加入鈮鐵。根據溶解理論，添加小尺寸的鈮鐵顆粒是理想的，但由于粉塵揚散或鋼渣捕獲的作用，其機械損耗較大。通過直接將鈮鐵加入到鋼液中或鋼液的表面可克服上述兩個缺點，即防止添加的鈮鐵揚散或與鋼渣接觸。

 

圖2 不同添加技術加入鈮鐵的溶解時間

 

下面是鋼廠實際使用的加入鈮鐵的有效方法：

 

1）出鋼時在鋼包中添加(鈮鐵傾倒在鋼包中)技術：在鋼包添加技術中，必須恰當設定重要工藝條件是鈮鐵的尺寸分布和加入時間，這可將[Nb]含量控制在精確范圍內并獲得很高的收得率。

 

2）鋼包吹氬攪拌時的添加技術：氬氣攪拌的目的是使鋼包中的鋼液化學成分及溫度均勻以及分離早期脫氧產物(宏觀夾雜)。

 

3）脫氧后應用噴射工藝的添加技術：這種技術廣泛應用于脫硫、脫氧和夾雜物變性。

 

4）RH 處理后在RH(或 DH)中的添加技術：RH(或DH)處理廣泛用于脫氫和超低碳鋼降碳。在生產超低碳含 Nb 鋼或含 Nb 低氫低合金鋼時，RH處理后(脫氫、脫氧和降碳)，將小尺寸的鈮鐵直接添加到 RH 爐中鋼液的表面，沒有機械損耗，Nb的收得率達到 95%以上。

 

5）澆注時向鑄模里添加或噴射的技術

 

圖3 各種加入鈮鐵的簡化精煉工藝

 

a-吹Ar工藝；b-CAS 工藝；c-喂線工藝；d-噴射工藝

 

二、含 Nb 鋼中夾雜和析出相的控制

 

去除有害元素(非金屬元素)如[0]、[S]、[C]、[N]和[P]是煉鋼的主要目的之一。但是，完全去除它們是不經濟的。因此，允許鋼液中含一定量的有害元素，通過添加比Fe親和力強得多的元素與有害元素形成夾雜物或析出相而將其固定，保留在鋼中。

 

一般在鋼包內的鋼液中并不形成 Nb 的化合物諸如 Nb的氧化物、硫化物、碳化物、氮化物和磷化物等，而是在凝固期間或凝固后析出。這意味著沒有足夠的時間使 Nb 的析出相長大成為有害的夾雜物。相反，如果鋼鐵生產過程中，將其尺寸控制合適，則有助于改善鋼的性能。無論如何，為了改善鋼產品的性能必須對含 Nb 鋼中析出相進行控制，使其呈均勻分布。

 

1、氧化物和硫化物夾雜及Nb化物析出相的控制

煉鋼過程中，A1、Si或Ti 一般是在出鋼時或出鋼后作為脫氧劑加到鋼包中的鋼液里(目的是減少氧含量)。鋼液中脫氧劑與[O]反應形成早期脫氧產物或夾雜，這會引起產品缺陷如裂紋及表面缺陷等。

 

表3列出了不同鋼種中與鋼材應用中的產品缺陷相關聯的夾雜類型及尺寸。

 

表3高質量鋼生產中夾雜物控制的類型和尺寸

 

下面列出了降低夾雜尺寸(或全氧[TO])的典型措施。

 

(1)早期形成的脫氧產物數量最小化。為了防止脫氧劑與空氣或渣反應，應用鋼包精煉工藝時，應直接將脫氧劑添加到鋼包內的鋼液里或鋼液的表面。

 

(2)將脫氧產物從鋼包內鋼液中分離出來。應用中等強度的吹氬攪拌阻止鋼包渣的吸附以加速夾雜物和鋼液的分離。

 

(3)使二次氧化產物的數量最小化。脫氧后鋼液和渣或空氣接觸，形成二次氧化產物，應用氬氣密封中間包阻止空氣二次氧化。澆注時在結晶器(或中間包)上應用浸人式水口(或長水口)來阻止空氣的二次氧化或渣的吸附。將鋼包渣和中間包渣中的Fe0含量應減到最低水平以減少鋼-渣界面上二次氧化物產物的生成量。

 

2、含 Nb 鋼中 Nb 碳化物和 Nb 氮化物控制

 

[Nb]對[C]和[N]的親和力強于[S]而弱于[0]。因此，從w[Nb]*w[C]溶度積(或w[Nb]*w[N]溶度積)來看，Nb碳化物和Nb氮化物在鋼包鋼液中不會形成，而僅能在凝固期間和凝固后析出。然而，凝固期間由于[C](或[N])高分配系數會在凝固前沿顯著富集，因而也有可能在凝固前沿析出 Nb碳化物。此外，在凝固過程中，Nb碳化物(或 Nb氮化物)析出的平衡常數是隨著凝固溫度的降低而降低。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，而且不是圓形的而是不規則形狀(團簇狀或共品體)。這些大的、不規則的 Nb 碳化物對鋼的性能如塑性、延伸性、成形性和疲勞強度是有害的。

 

因此，為了在含 Nb鋼生產中提高鋼的性能，關鍵是減少在凝固前沿析出的 Nb 碳化物的數量和增加凝固后冷卻期間析出的 Nb 碳化物的數量。

 

（1）凝固期間和凝固后析出的 Nb 碳化物控制 

 

含 Nb 鋼中，[Nb]與「C] 進行反應，在凝固期間和凝固后析出的 Nb碳化物的數量是由[Nb]含量或[C]含量和K值(平衡常數)控制的。如表4所示，K隨著溫度降低而明顯下降。另外，凝固溫度取決于[C]含量，因而無論 Nb碳化物凝固期間在凝固前沿析出與否，最初都強烈地取決于[C]含量。

 

表4 氮化物和碳化物的溶解極限

 

A高碳鋼(w[C]>0.2%)：

 

高碳鋼具有γ型凝固特點，凝固溫度隨凝固進行而降低。當凝固溫度下降時(小于1400℃)，Nb碳化物在凝固前沿析出。

 

B中碳鋼(0.1%<w[C]<0.2%)：

 

中碳鋼在凝固時要發生包晶反應，其凝固溫度大于 1250℃，高于 Nb 碳化物的析出溫度。Nb 碳化物是在凝固后冷卻期間析出，不是在凝固時在凝固前沿析出。析出的 Nb 碳化物是微小均勻分布的(小于亞微米)，且能有效地改善鋼的性能。

 

C低碳鋼(w[C]<0.1%)：

 

低碳鋼具有δ型凝固特點，凝固溫度高于1300℃，這樣比 1100℃(據表 1-7 估計)的 Nb碳化物的析出溫度要高些。這意味著 Nb碳化物要在凝固后冷卻期間析出。

 

圖5 Nb 碳化物的溶解產物

 

（2）凝固期間和凝固后 Nb 氮化物和 Nb碳氮化物控制

 

Nb 氮化物的析出取決于[Nb][N]溶度積和K(平衡常數)。形成 Nb 氮化物的平衡常數比形成 Nb 碳化物的要低一個數量級。鋼液中的「N] 含量要比原始含 Nb 鋼中的「C]含量低2個數量級。所以 Nb 氮化物不能在鋼液中形成，并且不能于凝固時在凝固前沿析出，但可以在凝固后析出。

 

表5[N]在含鈮鋼中的溶解極限 

 

A轉爐(BOF)鋼(w[N]<30x10-4%)：

 

BOF 鋼的 w[N]<30x10-4%，Nb 氮化物在凝固后冷卻期間 1000℃下析出，那時的w[Nb]<0.1%，而 Nb 氮化物析出所必需的 w[Nb]=0.05%?？紤]到 Nb 碳氮化物的析出，必要的「Nb]含量也許會低很多，這要看[C]含量的情況。只有在高碳鋼(w[C]>0.2%)中可能在凝固前沿析出有害的 Nb 碳氮化物。為了阻止它們的析出，[Nb]含量應當控制盡可能低。

 

B電爐(EF)鋼(w[N]<100x10-4%)：

 

在含有 90x10-4%「N] 的 EF 鋼中，Nb 氮化物在凝固后1200℃下析出。在含有較高「S]或「P]的中碳鋼(0.1%<w[C]<0.2%)，Nb 碳氮化物也可在凝固時在凝固前沿析出。為了防止在凝固前沿形成有害的大尺寸 Nb 碳氮化物，要通過降低鋼液中諸如[S]、[P]等偏析元素含量等手段盡可能保持高的凝固溫度。

 

（3）宏觀偏析區中有害大顆粒 Nb 碳氮化物控制

 

在宏觀偏析區中，[C]、[N]和[Nb]在凝固前沿大量富集。此外，諸如[S]、[P]等偏析元素顯著富集降低了凝固溫度，有時甚至低于 Nb 碳氮化物的析出溫度(有報道稱Nb碳氮化物的析出溫度是 1400℃)，見圖6。

 

圖6 臨界溫度對碳氮化物形成的影響

 

大尺寸 Nb 碳氮化物對斷裂韌性和疲勞強度是有害的，也降低了熱塑性，常用的防止在宏觀偏析區形成大 Nb 碳氮化物的辦法是通過降低鋼液中的「S]和「P]含量來提高凝固溫度。根據經驗，在低碳鋼中(w[C]<0.1%)[S]含量已經控制到小于0.01%，[P]含量小于0.015%。在中碳和高碳鋼中(w[C]>0.1%)[S]含量應當保持低于0.005%，[P]含量低于0.01%。當采用其他措施防止宏觀偏析(見下面討論)時，[S]和[P]含量的控制范圍可以大些。

 

A 模鑄錠工藝中宏觀偏析的控制措施

 

觀察到兩種類型的宏觀偏析，在錠厚1/4 處形成的A形偏析;在錠中心形成的V形偏析。在凝固前沿由于溶質元素富集層的運動可能形成這兩種偏析。鑒于這種偏析機制，廣泛使用了下列措施以保證凝固過程優先在錠子底部進行：

 

(1)減小錠型比(錠高/錠厚比);

 

(2)使用熱帽口技術保持錠子頂部的高溫。

 

B  連鑄工藝的偏析控制措施

 

連鑄工藝中不可能像模鑄工藝那樣將最終凝固點控制在錠子頂部，因為凝固不是從鑄坯底部而是從側面進行的。因而，在連鑄板坯和方坯(以下簡稱連鑄坯)中凝固終點位于連鑄壞的中心。因此，V形偏析和帶狀偏析會在中心產生。下列措施被廣泛用于減小連鑄壞中心偏析的程度：

 

(1)凝固期間使用電磁攪拌離散凝固前沿溶質富集層，在中心形成等軸品區；

 

(2)在凝固時使用支撐輥進行輕壓下補償凝固縮孔。

 

3、Nb磷化物的控制

 

[Nb]與「P]的親和力弱于與「C]的親和力，在普通含 Nb低合金鋼中「P]含量是很低的，小于0.02%。因此，Nb磷化物并不在含 Nb 低合金鋼中析出。在奧氏體鋼中「P]的溶解度是很低的。如同[S]一樣，鋼液中的[P]在凝固期間在顯微偏析枝晶間富集。因此，當奧氏體鋼中含[Nb]很高時(這是y區間凝固時的特點)，Nb磷化物在凝固的最終階段會在顯微偏析枝晶間析出。為了防止在具有y區凝固特點的鋼如奧氏體不銹鋼、高錳鋼和高碳鋼(u「C]>0.2%)中形成有害的 Nb 磷化物，應根據鋼液中「Nb]含量適當地減少「P]的含量。

 

三、加鈮鐵(Fe-Nb)的先進煉鋼技術總結

 

由于下列原因增加了煉鋼廠鈮鐵(Fe-Nb)的消耗:

 

(1)由于鈮鐵的化學性質，它可以容易地加入到鋼液中。當在鋼包精煉過程將鈮鐵直接加人鋼液內部或表面時，Nb的收得率接近100%而且（Nb）含量也能被控制在一個精確的范圍。

 

(2)Nb是提高鋼的強度而不降低延展性的最有利的合金元素之一。

 

(3)[Nb]與[N]形成 Nb 碳氮化物而將[N]固定下來，有效地細化了晶粒，提高了強度。

 

考慮到 Nb的脫氧能力，Nb是防止在鋼液中產生早期脫氧產物和二次脫氧產物的一種合適脫氧劑。當 Nb脫氧鋼得到發展時，用Nb脫氧鋼代替Al鎮靜鋼在冶金上也許是可行的。為了生產無 Al2O3,夾雜的連鑄板坯和方坯，工程技術人員應著力開發 Nb 脫氧鋼。

 

各種脫氧劑的脫氧能力順序如下：Al=Zr>Ti>Si-(Mn)>Nb >V

 

Nb 脫氧鋼合適的煉鋼條件如下所述:

 

(1)在凝固期間析出細小的Nb氧化物，加入 Nb 之前在真空下用[C]進行預脫氧,并加入少量的 Al(w[0]<150 x10-4%)。

 

(2)在鋼包中降低[S]和[P]含量，提高凝固溫度，均勻析出碳氮化物。

 

四、應用現狀與未來發展

 

目前微合金元素鈮在鋼鐵中的應用現狀主要集中在提高鋼材的強度、韌性和耐腐蝕性。鈮通過細化晶粒和增強固溶強化，顯著改善了低合金高強度鋼的性能。此外，鈮的加入有助于提高焊接性能和熱處理后的穩定性，廣泛應用于橋梁、船舶、汽車等結構材料中。隨著高性能鋼材需求的增加，鈮的應用前景仍然廣闊，尤其在特殊環境和高安全性要求的領域。

 

橋梁建設：在現代橋梁結構中，鈮合金鋼被廣泛用于提高結構的強度和耐久性。例如，某些國家的高速公路橋梁采用鈮微合金化的高強度低合金鋼（HSLA），使得橋梁能夠承受更高的交通負荷，同時減輕了自重。

 

汽車制造：鈮在汽車工業中的應用也日益增多。許多汽車車身結構采用鈮合金鋼，以增強抗撞擊能力和延長使用壽命。這種鋼材不僅具有優良的成形性，還能提高燃油效率，因為輕量化設計能夠降低整車重量。

 

石油和天然氣管道：鈮合金鋼在石油和天然氣管道的應用中尤為重要。比如，某些高強度管道材料采用鈮微合金化，使得管道能夠在極端溫度和壓力下工作，同時保持良好的韌性和抗腐蝕能力。

 

高強度焊接材料：鈮的應用還體現在焊接材料中，例如某些高強度焊接鋼種，使用鈮作為微合金元素，可以提高焊接接頭的性能，減少熱影響區的脆性，從而提升整體結構的安全性和可靠性。

 

鐵路軌道：在鐵路行業，鈮微合金鋼用于制造高性能軌道。使用鈮的軌道鋼可以有效抵抗磨損和疲勞，延長軌道的使用壽命，并提升列車運行的安全性。

 

風電塔架：隨著可再生能源的興起，鈮合金鋼在風電塔架的應用也逐漸增加。由于鈮的加入，這些塔架能夠在高風速條件下提供更好的結構穩定性和抗疲勞性能。

 

微合金元素鈮在鋼鐵中的應用未來展望及發展方向主要體現在以下幾個方面：

 

高性能鋼鐵材料的開發：鈮在鋼鐵中的應用將繼續推動高性能鋼鐵材料的開發，如更高強度、更高韌性、更好焊接性能和耐腐蝕性的鋼鐵材料。這些高性能鋼鐵材料將被廣泛應用于航空航天、汽車、建筑、能源和化工等領域，以滿足這些領域對材料性能的更高要求。

 

節能減排和綠色制造：鈮可以顯著提高鋼鐵的性能，同時降低其生產成本和能耗。未來，鈮在鋼鐵中的應用將更加注重節能減排和綠色制造，以滿足全球對可持續發展的需求。例如，鈮可以降低鋼鐵的厚度，從而減少鋼鐵的使用量，降低能耗和碳排放。

 

鈮基復合材料的開發：鈮在鋼鐵中的應用也可能推動鈮基復合材料的開發。鈮基復合材料具有更高的強度、更好的高溫性能和耐腐蝕性，可以應用于高溫、高壓和腐蝕性環境下的設備和結構。

 

鈮在新型鋼鐵材料中的應用：隨著鋼鐵材料科學的發展，鈮在新型鋼鐵材料中的應用將更加廣泛。例如，鈮在雙相不銹鋼、馬氏體不銹鋼、耐熱鋼、耐候鋼和耐磨鋼等新型鋼鐵材料中的應用，可以進一步提高這些材料的性能。

 

鈮在鋼鐵中的微觀機制研究：鈮在鋼鐵中的作用機制是一個復雜的過程，涉及到鈮與鋼中其他元素的交互作用，以及這些交互作用如何影響鋼的微觀結構和性能。未來，鈮在鋼鐵中的微觀機制研究將更加深入，以指導鈮在鋼鐵中的更有效應用。

 

鈮在鋼鐵中的智能設計和優化：隨著材料基因組計劃和人工智能技術的發展，鈮在鋼鐵中的應用將更加注重智能設計和優化，以實現鈮在鋼鐵中的最佳性能和最低成本。

 

鈮在鋼鐵中的應用未來將更加注重高性能、節能減排、綠色制造、鈮基復合材料的開發、新型鋼鐵材料的應用、微觀機制的研究和智能設計的優化，以滿足全球對鋼鐵材料的更高要求和對可持續發展的需求。

 

參考來源：

《如何用鈮改善鋼的性能》及網絡資源