热能工程 工业加热 第３６卷２００７年第６期
铌在高碳钢凝固过程中行为特性的模型分析
方 磊 ，丁 松 ，黄桂斌 ，刘宏亮 ，刘承军
（１，东北大学材料与冶金学院，辽宁沈阳１１０００４；２，江苏沙钢集团公司，江苏张家港２２３００２）
摘要：以高碳钢为研究对象，建立钢液凝固过程中溶质偏析与夹杂物析出的耦合热力学模型，并通过扫描电镜及能谱分析验证了模 型的精确度。利用该热力学模型，研究分析了铌的质量分数对高碳钢凝固过程中铌的赋存状态及铌化物的影响作用规律。结果表 明：（１）碳化铌和固溶铌在高碳钢凝固过程中开始析出，随着碳质量分数的增大，固溶铌的浓度分布呈现先减小而后增大的趋势； （２）随着铌质量分数的增大，高碳钢中碳化铌的析出温度及析出量均有所增大，固溶铌的平均析出量逐渐增大，其中碳化铌析出量 的增加十分显著。 关键词：铌；高碳钢；热力学模型；凝固 中图分类号：ＴＦ７６ １，４； 文献标识码：Ａ 文章编号：ｌ ００２—１ ６３９（２００７）０６—００３６—０２
Ｍｏｄｅｌ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｎ ｔｈｅ Ｂｅｈａｖｉｏｒ ｏｆ Ｎｉｏｂｉｕｍ ｉｎ Ｈｉｇｈ Ｃａｒｂｏｎ Ｓｔｅｅｌ
ＦＡＮＧ Ｌｅｉ ，ＤＩＮＧ Ｓｏｎｇ￣，ＨＵＡＮＧ Ｇｕｉ—ｂｉｎ ，ＬＩＵ Ｈｏｎｇ—ｌｉａｎｇ ，ＬＩＵ Ｃｈｅｎｇ－ｊｕｎ （１．ＳｃｈｏｏｌｏｆＭａｔｅｒｉａｌｓａｎｄＭｅｔａｌｌｕｒｇｙ，ＮｏｒｔｈｅａｓｔｅｒｎＵｎＮｅｍｉ￣，Ｓｈｅｎｙａｎｇ １１０００４，Ｃｈｉｎａ；
２．Ｊｉａｎｇｓｕ Ｓｈａｇａｎｇ Ｇｒｏｕｐ Ｃｏ．Ｌｔｄ，Ｚｈａｎｇｊｉａｇａｎｇ ２２３００２，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ ｃｏｕｐｌｉｎｇ ｔｈｅｒｍｏｄｙｎａｍｉｃ ｍｏｄｅｌ ｑｕａｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎａｌｌｙ ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ ｅｌｅｍｅｎｔｓ ｓｅｇｒｅｇａｔｉｏｎ ａｎｄ ｉｎｃｌｕｓｉｏｎｓ ｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｉｏｎ ｄｕｒｉｎｇ ｓｏｌｉｄｉｆｉｃ—
CR--钝化是由于阳极反应被避免氧化而激发金属与合金耐腐蚀性能的现象;组成金属与合金钝化的理论很多,首要有薄膜论、吸附论及电子列举论;碳是产业用钢的主要元素之一,钢的性能与组织在很大程度上决定于碳在钢中的含量及其分布的情势,在不锈钢中碳的影响特别较着;碳在不锈钢中对组织的影响主要暗示在两方面,一方面碳是不变奥氏体的元素,并且传染感动的程度很大约为镍的30倍,别的一方面由于碳和铬的亲和力很大,与铬构成—系列复杂的碳化物;所以,从强度与耐腐烛性能两方面来看,碳在不锈钢中的感化是彼此矛盾的;
例如工业中最遍及的,也是最最少的不锈钢——0CR13～4CR13这五个钢号的标准含铬量规定为12～14％,就是把碳要与铬形成碳化铬的成分考虑进往此后才决意的,即在于使碳与铬连系成碳化铬今后,固溶体中的含铬量不致低于11.7％这一最低限度的含铬量;
就这五个钢号来说由于含碳量不同,强度与耐腐蚀性能也是有辩白的,0CR13～2CR13钢的耐腐蚀性较好但强度低于3CR13和4CR13钢,多用于制造布局零件,后两个钢号由于含碳较高而可获得高的强度多用于制造弹簧、刀具等要求高强度及耐磨的零件;又如为了降服18－8铬镍不锈钢的晶间腐蚀,可以将钢的含碳量降至0.03％以下,或插手比铬和碳亲和力更大的元素钛或铌,使之不形成碳化铬,再如当高硬度与耐磨性成为主要要求时,我们可以在增加钢的含碳量的同时适本地进步含铬量,做到既满足硬度与耐磨性的要求,又兼顾—定的耐腐蚀功能,工业上用作轴承、量具与刃具有不锈钢9CR18和9CR17MOVCO钢,含碳量虽高达0.85～0.95％,由于它们的含铬量也响应地提高了,所以仍包管了耐腐蚀的要求;总的来说,今朝工业中获得利用的不锈钢的含碳量都是比较低的,大都不锈钢的含碳量在0.1～0.4％之间,耐酸钢则含碳0.1～0.2％的;含碳量大于0.4％的不锈钢仅占钢号总数的一小部分,这是由于在大多半使用条件下,不锈钢总是以耐腐蚀为主要目标;另外,较低的含碳量也是出于某些工艺上的要求,如易于焊接及冷变形等;
24种常用钢术语解析，应该全了
1、碳钢
碳钢也叫碳素钢，是含碳量ωc小于2%的铁碳合金。碳钢除含碳外一般还含有少量的硅、锰、硫、磷。
按用途可以把碳钢分为碳素结构钢、碳素工具钢和易切削结构钢三类。碳素结构钢又可分为建筑结构钢和机器制造结构钢两种。按含碳量可以把碳钢分为低碳钢（ωc≤0.25%），中碳钢（ωc=0.25%-0.6%）和高碳钢（ωc>0.6%）
按磷、硫合量可以把碳素钢分为普通碳素钢（含磷、硫较高）、优质碳素钢（含磷、硫较低）和高级优质钢（含磷、硫更低）一般碳钢中含碳量越高则硬度越高，强度也就高，但塑性降低。
2、碳素结构钢
这类钢主要保证力学性能。故其牌号体现其力学性能，用Q+数字表示其中“Q”为屈服点“屈”字的汉语拼音字首。数字表示屈服点数值，例如Q275表示屈服点为275Mpa，若牌号后面标注字母A、B、C、D，则表示钢材质量等级不同，含S、P的量依次降低，钢材质量依次提高。若在牌号后面标注字母“F”则为沸腾钢，标注“b”为半镇静钢，不标注“F”或“b”者为镇静钢。例如Q235—AF表示屈服点为235MPa的A级沸腾钢，Q235—C表示屈服点为235MPa的C级镇静钢。
碳素结构钢一般情况下都不经热处理，而在供应状态下直接使用。通常Q195、Q215、Q235钢碳的质量分数低，焊接性能好，塑性、韧性好，有一定强度，常轧制成薄板、钢筋、焊接钢管等。用于桥梁、建筑等结构和制造普通铆钉、螺钉、螺母等零件。Q255和Q275钢碳的质量分数稍高，强度较高，塑性、韧性较好，可进行焊接，通常轧制成型钢、条钢和钢板作结构件以及制造简单机械的连杆、齿轮、联轴节、销等零件。
3、优质结构钢
这类钢必须同时保证化学成分和力学性能。其牌号是采用两位数字表示钢中平均碳的质量分数的万分数（ωс*10000）。例如45钢表示钢中平均碳的质量分数为0.45%；08钢表示钢中平均碳的质量分数为0.08%。
优质碳素结构钢主要用于制造机器零件。一般都要经过热处理以提高力学性能。根据碳质量分数不同，有不同的用途。08、08F、10、10F钢，塑性、韧性高，具有优良的冷成形性能和焊接性能，常冷轧成薄板，用于制作仪表外壳、汽车和拖拉机上的冷冲压件，如汽车身、拖拉机驾驶室等；15、20、25钢用于制作尺寸较小、负荷较轻、表面要求耐磨、心部强度要求不高的渗碳零件，如活塞销,样板等；30、35、40、45、50钢经热处理（淬火+高温回火）后具有良好的综合力学性能，即具有较高的强度和较高的塑性、韧性，用于制作轴类零件，例如40、45钢常用于制造汽车、拖拉机的曲轴、连杆、一般机床主轴、机床齿轮和其他受力不大的轴类零件；55、60、65钢热处理（淬火+中温回火）后具有高的弹性极限，常用于制作负荷不大、尺寸较小（截面尺寸小于12~15mm）的弹簧，如调压和调速弹簧、柱塞弹簧、冷卷弹簧等。
三、各种合金元素对钢性能的影响
目前在合金钢中常用的合金元素有：铬(Cr)，锰(Mn)，镍(Ni)，硅(Si)，硼(B)，钨(W)，钼(Mo)，钒(V)，钛(Ti)和稀土元素(Re)等。五大元素:硅、锰、碳、磷、硫。五大杂质元素:氧、氮、磷、硫、氢。
1、碳（C）：钢中含碳量增加，屈服点和抗拉强度升高，但塑性和冲击性降低，当碳量0.23%超过时，钢的焊接性能变坏，因此用于焊接的低合金结构钢，含碳量一般不超过0.20%。碳量高还会降低钢的耐大气腐蚀能力，在露天料场的高碳钢就易锈蚀；此外，碳能增加钢的冷脆性和时效敏感性。
2、硅（Si）：在炼钢过程中加硅作为还原剂和脱氧剂，所以镇静钢含有0.15－0.30%的硅。如果钢中含硅量超过0.50-0.60%，硅就算合金元素。硅能显著提高钢的弹性极限，屈服点和抗拉强度，故广泛用于作弹簧钢。在调质结构钢中加入1.0－1.2%的硅，强度可提高15－20%。硅和钼、钨、铬等结合，有提高抗腐蚀性和抗氧化的作用，可制造耐热钢。含硅1－4%的低碳钢，具有极高的导磁率，用于电器工业做矽钢片。硅量增加，会降低钢的焊接性能。硅可提高强度、高温疲劳强度、耐热性及耐H2S等介质的腐蚀性。硅含量增高会降低钢的塑性和冲击韧性。
3、锰（Mn）：在炼钢过程中，锰是良好的脱氧剂和脱硫剂，一般钢中含锰0.30－0.50%。在碳素钢中加入0.70%以上时就算“锰钢”，较一般钢量的钢不但有足够的韧性，且有较高的强度和硬度，提高钢的淬性，改善钢的热加工性能，如16Mn钢比A3屈服点高40%。含锰11－14%的钢有极高的耐磨性，用于挖土机铲斗，球磨机衬板等。锰量增高，减弱钢的抗腐蚀能力，降低焊接性能。锰可提高钢的强度，增加锰含量对提高低温冲击韧性有好处。
4、磷（P）：在一般情况下，磷是钢中有害元素，增加钢的冷脆性，使焊接性能变坏，降低塑性，使冷弯性能变坏。因此通常要求钢中含磷量小于0.045%，优质钢要求更低些。
