nb在不锈钢中应用

铌在现代不锈钢中的应用中信微合金化技术中心孟繁茂傅俊岩第一个把Nb引进不锈钢世界的是德国克鲁勃公司Schafmeister于1930年加（Nb+Ta）于V2A钢中改善抗晶间腐蚀成功。并取得专利权（Ger643444钢）。当时德国生产炸药用V2A钢制化学装置，产生了严重“晶间溃蚀”。V2A的化学成分0.2C-20Cr-7Ni是典型的奥氏体不锈钢，加（Nb+Ta）1~1.5%。加Nb稳定化的V2ANb，是现代的347型钢的原型。但是此后的20多年中，由于Nb尚属稀缺的贵金属，尤其是我国一直是国库中的战略物质，国际上也是如此。1960年以前美国的第一个Nb在微合金化钢中的应用专利，尚为奇特的新闻而无人问津。到1965年巴西的阿拉夏CBMM矿开始了Nb的商业化生产，才把Nb的“稀有”变成富有和容易取得的这一奇特的金属炉料铌铁。Nb的早期应用受到脱C技术尚不成熟的阻制。按Nb/C≥7.7，钢水中的Nb（CN）的溶度积太低，致使大量的NbC（N）液析或焊缝液析。以及由此产生的其它种种缺陷。使含Nb不锈钢的推广应用受阻。不锈钢实现工业大生产是从50年代开始，首先是美、英、德而后起之秀是日本。中国开始研究Nb在钢中的应用是70年代，本文作者及其同事，从事国防军工课题，研制高深冲加工用耐蚀（主要是大气腐蚀）耐疲劳，抗应变时效不锈钢，研制成功的00Cr15Ni6Nb（纳标牌号F112）获发明奖，在航天工业中广泛应用。至今该钢在国际上仍属领先地位。在80年代为航空工业、直九机、斯贝发动机，本文作者及其同事先后研制多个含Nb马氏体耐热不锈钢，均纳标实机应用。上述说明我国的Nb在不锈钢中的应用研究，起步较早，卓有实效，但终因我国Nb资源开发难以商业化，而Nb的应用进展缓慢。一、Nb在不锈钢中的重要性Nb在不锈钢中的重要性表现在物理冶金多样性，Nb在不锈钢中的任何存在形式都是可资利用的，并且表现出比任何别的元素都优异的性能。它贯穿于从冶炼到产品最终应用全部历程之中的各个环节。A，Nb在制钢工艺中的物理冶金。1、炼超低碳不锈钢加入少量Nb或Nb+Ti复合应用把钢中残C固定比加深度脱C如延长AOD或VOD的时间要经济得多。加Nb或Nb+Ti复合的连铸坯，可减少坯料修磨费用，可得比增加Nb合金化成本多得多的回报。2、在热加工时Nb的沉淀物或固溶Nb都可用于热机械处理（TMCP）得到热加工态的优良的细化（包括位错胞状组织、变形奥氏体、马氏体、亚结构等精细结构）组织。对中厚板的生产（包括各种不锈钢）有重要意义。冷加工前的退火温度和冷加工后的固溶温度的调配应用表现出的Nb稳定化钢比Ti稳定化优越得多的晶粒细化组织。3、冷轧板带的调质轧延，含Nb不锈钢的抗时效裂纹（奥氏体不锈钢）和抗趋性（铁素体不锈钢）都得到改善。4、连续退火和连续酸洗或无氧化退火后的Nb不锈钢的表面质量和机构组织发展都比含Ti钢好。5、冷轧板的二次加工使用，含Nb奥氏体不锈钢Nb的Md30系数为68。含微量固溶Nb改变Md30都有可实用的作用。国际上半个多世纪的研究，Nb在不锈钢中应用课题从深度和广度方面不断发展，以适应商业用不锈钢的各种各样的特性要求。在诸多常用元素Mo、Ti、Nb、V、Zr、Si、Mn、Al、Cu、B中Nb是物理冶金内容丰富的多功能元素。是现代不锈钢的支柱元素之一，是任何现代不锈钢厂炉料处不可缺少的元素。1从全世界铌在钢铁工业中的应用情况看，1980年共用Nb14000吨，而不锈钢用Nb占11%，到2000年共用Nb23000吨，不锈钢用Nb仍占11%，绝对增加量近一倍，见表１。表1从1980~2000年Nb在不同领域中的应用变化（占比%）Nb总量(千吨)不锈钢金属和特殊合金铁、钢（不锈钢除外）管结构汽车1400011565810101980年~20002300011108251729日本是消耗铌铁最多的国家之一。不锈钢中用Nb的比率逐年增加见表1，80年占5%，90年为25%，93年30%。表2日本铌铁消耗领域构成比铌铁总消费量(t)2,2804,1264,5745,051钢管56%35%27%中厚板25%35%40%不锈钢5%25%30%其它5%5%3%年1980199019931995B、Nb在不锈钢中的实用物理学Nb的一切物理冶金现象产生于Nb元素的基本特性。在周期表上Nb是远离Fe位的过渡族元素，它与Fe、Cr、Mn有着差异悬殊的电子结构，在较深的电子层4d仍有缺位，属于强碳化物形成元素，相对原子量为92.91，原子半径为1.47Å比Fe大15%。Nb在不锈钢中的存在形式已发现的有固溶状态，碳氮化物、金属间化物以及含氮化物。它们有各自不同的物理机制，扬长避短，发挥其优势开发了性能各异的实用不锈钢。1、固溶NbNb对铁基合金不论是室温还是高温下都有强烈的固溶强化作用。Nb是铁素体不锈耐热钢的最有效的提高高温屈服强度的元素。居Mo、W、Hf、Ti、P、Si、Ta之首。在铁素体不锈钢中应用的钢种最多，在生产实际中用Nb量也最多，主要用于汽车排气系统、石油、发电以及家电，建筑、等等。Nb在超纯铁素体不锈钢中提高抗点蚀电位，17Cr-0.4Nb的电蚀点位与17Cr-1Mo相当，0.4Nb相当3个Cr当量。Nb在亚稳定奥氏体不锈钢中有强裂抑制形变马氏体转变的作用。含Nb316钢的固溶态Nb对辐照条件下产生的晶界偏析导致Ni和Cr在晶界上偏析，导致斯皮诺塔尔分解；产生氦气泡等现象，钢中Nb原子有抑制作用，捕捉气泡，减少缺陷、抑制迁移。这些都产生于Nb是大原子半径元素之故。因此316Nb是核反堆用抗肿胀的特殊性能钢。2、Nb稳定化技术的发展按溶度积原理，Nb在不锈钢中的溶解度决定于钢中的C、N含量和温度，其间的关系服从溶度积公式。并且与钢的基本成分Cr、Ni、Mn、Mo等有关。（1）Nb稳定C、N，提高不锈钢的各种形式的耐蚀性。Nb稳定化技术随脱C技术的发展以及N在不锈钢的应用，不锈钢的稳定化技术也在发展。众所周知的Ti稳定化的SUS321钢，由于TiN的大块夹杂物污染钢水，而波及板面质量，它的实用性已低于Nb稳定化钢。（2）Nb稳定化技术的发展由于NbC的稳定性高于TiC，所以Nb稳定化温度区间比Ti要宽得多，如409Ti在马弗炉的应用温度300~550℃在长期使用时效后产生严重晶间腐蚀。Nb或Nb+Ti双稳定化改善了这种腐蚀。（3）近年来N在奥氏体不锈钢中的应2用得到推广，Nb、N复合应用即提高了强度又改善了抗晶间腐蚀性能，可谓一举两得。从而开发了最优秀的、最受用户欢迎的304NNb和301Nb。Nb、N复合应用机制是在高温退火状态下形成CrNbN(Z-相)，Z-相在晶内析出，而后在较低温度下形成的Cr23C6就地在Z-相上附生，改善了晶界耐蚀性。3、Nb(C、N)沉淀在耐热钢中的应用技术，耐热不锈钢和耐蚀不锈钢不同，最主要差别在于耐热钢中应有足够的C、N含量。C、N是沉淀强化资源。无论是马氏体，还是奥氏体耐热不锈钢，Nb（C，N），Cr23C6，VC等的碳化物沉淀强化是必需的。随着在工作温度下的时效中析出沉淀相，在蠕变过程中起钉扎位错阻止滑移的作用。细化的晶粒对蠕变行为有复杂的作用。最新研究指出在700℃以上，细晶粒的蠕变破断寿命低于粗晶的寿命，这一点已经定论。而650℃以下没有确定的影响，蠕变强度只与固溶温度有关，与晶粒度无关。只就沉淀相对蠕变强度的影响而言，沉淀相的尺寸稳定性是重要的。最新研究指出VC在超过万小时以上，在高温度下VC有沿晶界聚集长大现象。从而留下一个贫析出物的弱化带。蠕变强度迅速下降而破断，这个破断强度远低于按传统理论预测值。这一现象的出现，把抗蠕变强度研究推向新的台阶。现实研究内容为利用W、N、B固溶强化弱化带，Nb的沉淀强化仍不失去作用，从而开发了改性的新钢种。4、利用Nb（C，N）的溶度积与TMCP相结合是生产细晶，防此粗晶和混晶的高强度高韧性的钢铁材料的重要技术之一。也是生产高强度不锈钢、细晶粒耐高温水腐蚀的耐热不锈钢的主要技术。此技术还包括冷加工材退火后的晶粒控制。这一技术的主要内容为再结晶控轧、非再结晶控轧，以及热加工后的冷却速度的控制。温度控制与Nb（C、N）溶度积必须相匹配，在加工温度下必须有足够数量的细小的析出物为形变热处理提供“钉扎物”抑制再结晶后的晶粒长大。而溶质Nb对晶格重组，位错迁移有拖拽作用，对细化组织有利。这方面的研究工作很多，经验丰富。以资利用。二、现代不锈钢产业特点1、应用范围广现代不锈钢的特点是在人民生活中的应用远重于产业用。它是最“善解人意”、“与人为善”的材料，作为商业用不锈钢应用领域扩展到人们日常生活的各个方面，表3中所列内容是日本1985年的资料。表3不锈钢应用领域建筑产业机械电气机器厨房煤气皂台家庭灶用器具装修浴槽汽车铁路车辆自行车容器钢管全体构成比13.718.56.816.25.93.01.511.21.11.42.05.0100铁素体不锈钢占比15.86.83852.466.145.35.660.4279.257.420.434.22、应用对路的钢种多（表6）为适应各个领域应用性能的要求，各不锈钢在低成本、高质量方面进行着激烈的市场竞争，在国际上如此，在日本各厂家也如此，入世贸后的我国也是如此；我国不锈钢市场，新厂、老厂、国内、国外的不锈钢企业在进行着生存与可持续性发展的竞争更为复杂而激烈。新产品开发无疑是这一形势的前哨站。铌的应用，铌与其它元素的配伍应用是开发性能各异的对路优化的钢种必不可少的，表5。表5与铌配伍的合金元素在不锈钢中的作用3与Nb配伍的元素在不锈钢中在耐热钢中加工性能及其它固溶Nb提耐蚀性抑制相变控制Md30提高高温强度提高r钢的n值，提高F钢的r值Nb（C，N）细化晶粒提高强度改善晶间腐蚀改善F钢韧性细化晶粒提高耐高温水腐蚀沉淀强化TF化提高加工性能Z相（CrNbN）晶内析出抑制Cr23C6敏化提高屈服强度晶内析出，抑制VN晶界偏析析出对调质压延有利Fe2Nb可得细晶粒高r值Nb-Si提高耐酸性，耐应力腐蚀强化TIRP效应改善氧化膜结构提高抗氧化性利用Md逆转变生产超细晶粒超高强度钢Nb-Mn平衡r相组织1%Mn氧化膜最致密Nb-Cu提高F钢耐蚀性提高抗蠕变性能改善F钢抗趋性Nb-Mo提高点缝蚀电位提高高温强度提高抗蠕变性能Nb-Ti双稳定化拖宽稳定化温度改善表面质量提高r值降低Δr值Nb-N抑制Cr23C6析出提高r钢屈服强度提高调质压延效果Nb-Al提高25Cr-5Al的韧、塑性生产5μm量级的薄带NNbVWNb、V沉淀强化，W、N固溶强化表6日本开发的含Nb商用不锈钢（重点钢号）钢种记号相似标准主要成分主要特性制品形状用途例与304N-M1（-M2）SUS304N218Cr-8Ni-0.2NNb高强度P水闸NAR315J2SUS315J219Cr-12.5Ni-3Si-2Cu1Mo-NbN耐应力腐蚀、耐孔蚀C热水器NSSER-1SUSXM15J119Cr-13Ni-3Si-Nb耐热、抗氧化C汽车排气部件R429EXLCN-15Cr-Si-Nb耐热、加工性CWT汽车排气部件R434LN2SUS444LCN-19Cr-2Mo-Nb耐蚀、耐热C热水器，汽车排气R30-2SUS447J1LCN-30Cr-2Mo-Nb耐蚀C屋顶板、热交换器与180SUS430J1LULCN-19Cr-0.4Cu-0.4Nb焊接性CW汽车装修，排气，家电厨房YUS190SUS444ULCN19Cr-2Mo-Ti-Nb焊接性CSTWWT热水器，贮水槽，太阳热水器YUS190LSUS444ULCN19Cr-2Mo-Nb-V焊接性韧性PW石油化工装置热交换器贮水槽YUS220MSUS445J222Cr-1.5Mo-Ti-Nb-LCN焊接性韧性C屋顶板墙板4YUS450-MSSUS42914Cr-0.5Mo-0.3Nb-0.1Ti-LC高温强度抗氧化C汽车排气YUS190EMSUS44419Cr-2Mo-Nb-Ti-LC高温强度抗氧化C汽车排气Nss430M4SUS430LX17Cr-Nb-LC高耐蚀