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铸铁中的微量元素之四：铌在铸铁中的作用及含铌铸铁
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&&& 铌是一种VB族金属元素，其原子序数为41，原子量为92.91，原子半径为1.43&10-8厘米。作为一种金属元素，铌与元素周期表中与它相邻的元素一样，具有熔点高的特点。&
&&& 随着材料科学的技术进步和人们对材料性能要求的日益提高，铌在材料领域得到了广泛的应用。铌作为钢和铁的合金元素被使用由来已久。铌被加入到奥氏体不锈钢中，以改善其抗晶界腐蚀能力。铌被加入到镍铬基和钴基高温合金中，以提高其高温稳定性和高温强度。在低合金钢中加入0.05～0.1%的铌，可以在铸态下得到贝氏体钢。铌可以显著提高合金的高温组织稳定性，含1.5%Nb半钢轧辊的使用寿命是高铬铸铁轧辊寿命的3倍。在钛合金中加入铌可以提高其抗腐蚀性，这种合金被用作牙齿材料。研究表明，铌的优良作用来源于两个方面：一是铌可使金属晶粒细化、组织均匀；二是铌可形成精细稳定的硬相质点，这些质点均匀分布于合金的基体中，起弥散强化抵抗变形的作用。
&&& 1.铌在铸铁中作用的基础研究
&&& （1）铌对铸铁相变温度的影响
&&& 采用差热分析方法，对比研究含有铌、钼、镍三种元素铸铁（化学成分见表1）的固态相变温度。测定结果（见表2）表明，含铌铸铁和含钼铸铁固态相变温度明显高于含镍铸铁。对于含钼和含铌铸铁而言，二者相变开始温度是一致的，相变结束温度含钼铸铁更高一些。由此可见，铌和钼可以提高铸铁的高温组织稳定性。
&&&& （2）铌在铸铁中的存在形态
&&& 铸铁中铌总量很低，难以直接测定铌在铸铁基体组织中的存在，采用测定显微硬度的方法可以间接确定铌等合金元素在铸铁基体组织中的存在。图1是普通、含铌、含镍、含钼冷硬铸铁基体组织显微硬度测，该图表明铌、镍、钼都使铸铁中渗碳体显微硬度显著提高，而镍和铌使莱氏体和珠光体硬度稍有提高，钼对莱氏体和珠光体硬度影响不大。这表明，铌、钼、镍三种元素都可以固溶到渗碳体组织中，其中镍的固溶强化作用最大，铌次之。铌和镍也可以固溶到珠光体和莱氏体中。
&&& 用波谱对含铌铸铁基体组织进行面扫描分析，发现有成簇分布的铌。进一步研究表明，铸铁中富铌相主要有三种类型：（1）镶嵌于基体组织中的团块状（见图2a），这种组织为NbC相；（2）独立存在的条块状或不规则状（见图2b），该组织为含有多种元素的复杂相，主要组成为铁、碳、铌，此外含有少量钛等元素；（3）渗碳体型铁碳铌化合物，该组织呈片状，与细珠光体中的渗碳体构成统一的整体（见图2c）。
&&& 2.铌对灰铸铁组织及力学性能的影响&
&&& 灰铸铁成本低、生产方便、具有良好的减震性和减磨性，在工农业生产中得到广泛的应用。由于大多数机械零部件是在不同程度的磨损条件下工作的，因此人们希望普通灰铸铁也具有一定的耐磨性能，由此产生了灰铸铁家族中的新成员--铌铸铁。&
&&& 张世平采用高频感应电炉和粘土砂湿型研究了铌对成分为（%）3-3.4C、1.8-2.0Si、0.7-0.9Mn灰铸铁机械性能及耐磨性能的影响，其结果见图2至图5。研究结果表明，随着铌含量的提高，灰铸铁的抗拉强度、抗弯强度、冲击韧性提高。根据文献提供的金相照片，含铌灰铸铁的石墨组织无过冷倾向，铌加入后，石墨仍为片状。因此，铌灰铸铁保持了普通灰铸铁的优良减磨性能。此外，铌对珠光体量基本没有影响，其对灰铸铁基体组织的影响在于使共晶团细化。图5表明，铌使灰铸铁的相对磨损率降低。这主要是由于铌加入后形成大量铌的碳氮化物。
&&& 3.铌对过冷灰铸铁组织和力学性能的作用&
&&& 当石墨以D型析出时，我们将其称为过冷灰铸铁。研究表明，铌对过冷灰铸铁的影响也很大。将成分为(%)3.0-3.4C、1.2-1.6Si、0.5-0.9Mn、≤0.3P、≤0.015S、0.02-0.09Nb的铸铁溶液在℃浇入粘土砂湿型中，制成Φ10mm的力学性能和金相试样。经金相检验，其石墨组织为D型。研究表明，对于石墨形态接近D型的过冷灰铸铁，随着铌含量的增加，石墨进一步变细。当铌含量达到0.05%后，提高铌含量，出现不规则块状石墨。对不同铌含量过冷灰铸铁基体组织的检验表明，铌对铸铁的基体组织形貌影响不大，珠光体晶粒略有细化。
&&& 图6至图8分别为铌对过冷灰铸铁力学性能的影响。该图表明，随着铌含量的提高，铸铁的抗拉强度、硬度和冲击韧性均提高。当铌含量为0.05%时，力学性能达到最大值。继续提高铌含量，力学性能降低。
&&& 铌对过冷铸铁抗拉强度和冲击韧性的影响与石墨形态的改变及铌的固溶强化有关。而当铌含量达到0.099%时，不规则富铌相的出现导致力学性能降低。
&&& 4.铌对冷硬铸铁组织和力学性能的影响&
&&& 冷硬铸铁主要用作抗磨材料。为了在提高冷硬铸铁硬度的同时，保持其韧性，特别是提高高温组织稳定性，对于比较重要的铸件，有时选用铌作为合金元素。将成分为(%)3.0-3.4C、1.2-1.6Si、0.5-0.9Mn、≤0.3P、≤0.015S、0.02-0.099Nb的铸铁溶液，1450℃浇入铬铁矿砂型中，制成直径为Φ10mm的冷硬铸铁力学性能和金相试样。经金相检验，其金相组织为细珠光体+莱氏体。&
&&& 对冷硬铸铁铸态组织的研究表明，当铸铁中不含铌时，其组织中的莱氏体数量较少，共晶奥氏体在共析转变时转变为珠光体；当铸铁中加入微量的铌时，莱氏体数量增多，共晶奥氏体转变产物随着铌含量的增加逐渐过渡为贝氏体；当铌含量超过0.05%后，继续增加铌含量，莱氏体数量减少，其中的共晶奥氏体转变产物重新变为珠光体。值得注意的是，在铌含量为0.05%时，基体组织中的珠光体片间距增大。&
&&& 铌对冷硬铸铁力学性能的影响如图9至图11所示。与金相组织相对应，随着铌含量的增加，冷硬铸铁的抗拉强度及冲击韧性提高，并在铌含量0.05%处达到最大值。继续提高铌含量，冷硬铸铁的力学性能降低。铌对硬度的影响在其加入量小于0.02%时十分显著，但是在铌含量在0.02-0.05%的范围里几乎没有变化，继续提高铌含量，硬度降低。
&&& 根据对含铌冷硬铸铁组织的研究结果，铌含量小于0.05%时，铌使冷硬铸铁力学性能提高是由于铌的加入一方面提高了莱氏体组织的数量，同时使莱氏体组织中的共晶奥氏体转变产物由珠光体变为贝氏体。由于继续增加铌含量会使莱氏体数量减少，并使莱氏体中的共晶奥氏体转变产物重新变为珠光体，因此进一步提高铌含量对于提高冷硬铸铁的力学性能没有意义。
&&& 图12和图13为表1中三种成分冷硬铸铁在不同温度下的抗拉强度及延伸率。在常温下，除铌可以显著提高冷硬铸铁的抗拉强度外，钼和镍对抗拉强度几乎没有影响。但是，铌和镍可使冷硬铸铁550℃强度由180MPa提高到360MPa以上，使700℃强度由150MPa提高到200MPa以上，而钼对冷硬铸铁的高温强度几乎没有影响。常温下冷硬铸铁的延伸率几乎为零，随着温度的提高，其延伸率提高。与合金元素对高温强度的影响相对应，铌和镍可明显提高其高温延伸率，而钼对延伸率几乎没有影响。&&&
&&& 图14是冷硬铸铁常温硬度和经过600℃保温后冷却到室温的红冷硬度，它反映了冷硬铸铁经过热循环后保持力学性能的能力。经过4小时保温后，不含合金元素的冷硬铸铁的常温硬度(HV)由300以上降低到230左右。而分别加入铌钼镍后，冷硬铸铁的常温硬度经过4小时保温后基本上没有降低。
&&& 5.铌在铸铁中应用前景展望&
&&& 在世界铸件产量中，铸铁件占70%以上。随着材料科学的发展，铸铁这种具有数千年历史的古老的工程材料也在不断发展。由于铌在铸铁中的优良作用，在今后铸铁的发展中，其应用将会得到进一步的重视。就灰铸铁而言，目前正朝着高碳当量高强度的方向发展。大量研究表明，微合金化是使铸铁在高碳当量下具有高强度的有效手段。铌可以使普通灰铸铁的抗拉强度超过300MPa,&使过冷灰铸铁的抗拉强度达到400MPa，所以铌在提高灰铸铁的强度方面是有效的。这里值得特别注意的是，由于铌可使灰铸铁保持较高的石墨含量，所以灰铸铁保持了良好的减磨性能；同时由于铌在灰铸铁中可以形成大量弥散分布的碳化物质点，又可使灰铸铁具有良好的抗磨性能。由此可见，含铌灰铸铁可以广泛应用于制造比较重要或者要求具有良好减磨性和抗磨性的铸件，如汽车、拖拉机、机床等零部件。
&&& 国内耐磨材料市场很大，耐磨材料发展也比较快，目前市场信誉比较好的耐磨铸铁当属贝氏体球铁。现有贝氏体球铁主要有两种生产方法，一是对铸造后的球铁进行特定的热处理，使其组织转变为贝氏体；二是通过加入3-4%的镍使球铁在凝固过程中直接形成贝氏体组织。前者节约了合金元素，但是要求增加热处理设备和热处理费用。后者省去了热处理的麻烦，但是镍的大量加入造成合金费用太高。由于铌对铁碳合金贝氏体转变具有明显影响，因此用少量铌代替大量的镍来生产贝氏体球铁也是可能的。&
&&& 随着冶金工业的技术进步，对轧辊质量要求将越来越高。由于铌可显著提高冷硬铸铁的强度、硬度、耐磨性和高温组织稳定性，以及含铌轧辊已经取得的良好信誉，今后含铌轧辊的产量将会进一步扩大。&
&&& 铸铁材料中当前难以解决的问题是在高温下工作的耐磨或耐蚀问题。在冶金、化工等部门，对这些特种铸铁的需求十分迫切。由于铌可以显著地提高铸铁的高温组织稳定性，铌在这些特种铸铁中的应用具有良好前景。&
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Copyright @ 2004- All rights reserved.金属元素分析金属元素分析就是做的分析应用的科学名称.一般表现在上.
金属元素分析 -
金属元素概述
一、金属元素在的位置和存在
1、金属元素位于周期表中的左下方。目前发现的112种元素中，金属有90种，约占5/7。
2、地壳中丰度最高的10种元素为O、Si、Al、Fe、Ca、Na、K、Mg、H、Ti，其中以金属居多。
3、活泼金属元素以其稳定的化合物存在于自然界，少数性质不活泼的金属如Au、Pt、Ag等在自然界以游离态形式存在。
二、金属元素的特点
1、金属原子一般≤4，含有1—3个电子。
2、金属元素原子半径大于同周期非金属元素的原子半径（除稀有气体外）。
三、金属的分类
1．按分：黑色金属（Fe,Cr,Mn；并非指金属本身的颜色为黑色）
有色金属（除Fe,Cr,Mn以外的金属）
2．按密度分：轻金属（密度小于4.5g/cm3，如K,Na,Mg,Al等）
重金属（密度大于4.5g/cm3，如Cu,Fe,Sn,Pb等）
3．按地壳中的分散度分：（如Fe,Al,Cu等）
稀有金属（如锆，铌，钼等）（不一定含量稀少）
此外，还可分为：（Li、Na、K、Rb、Cs）、（Be、Mg、Ca、Sr、Ba）、贵金属（Au、Ag、Pt等）、放射性金属（镭、锕等）
四、金属的物理性质
金属晶体内存在自由电子，使金属具有许多共同的特性。
1、大多数都是银白色或白色、灰白色的，有金属光泽，不透明；
2、一般金属具有较高的熔点、沸点和硬度，但不同金属又各有差异。常温下，除汞（Hg）为液态外，一般金属都是固态。3、金属都有良好的导热性和导电性，还有良好的延性和展性，可以进行机械加工。
五、金属的化学性质
（按水溶液中金属失电子形成水合阳离子的能力大小）
KCaNaMgAlZnFeSnPb（H）CuHgAgPtAu
元素的金属性逐渐减弱；单质的还原性逐渐减弱；阳离子的氧化性逐渐增强。
金属元素分析 -
国内、、等行业的用户为分析金属材料中除碳硫以外的微量元素成分时，可使用的仪器有以下几类：1.。优点是一次可以分析多种元素，精度较高。缺点是价格太高，一套几十万到上百万，所以目前只有少数大型企业使用。2.。优点是检测波长选择方便，价格不高。缺点是检测结果不能直接显示（要换算）；没有曲线建立调用功能，检测不同元素每次要重新定标；比色皿放入和倒出液体不方便；对操作人员的化学分析基础知识要求高，因此不能适应企业现场在线检测分析的需要。3.。优点是使用方便，价格也不高，对操作人员的化学分析基础要求不高，因此被广泛用于企业生产检验现场分析。但由于其产生的历史原因，存在以下先天性缺陷。光电比色是我国在上世纪60年代适应钢铁冶金五大元素（碳、硫、硅、锰、磷）的现场在线检测分析的需要而发展起来的。当时检测碳、硫采用碳硫分析仪，检测硅、锰、磷研制了元素分析仪（当时叫三元素，三个通道分别预设固定波长检测硅、锰、磷），由于硅、锰、磷检测要求的波长不多，精度要求不高，因此，较好的满足了钢铁冶金行业现场在线分析元素含量的需要。但现在，各行业需要检测的材料除了钢铁，还有铜合金、铝合金、锌合金，检测的元素也从硅、锰、磷发展到铜、铬、镍、锌、镁、钨、钒、铌、钛、钼、铝、砷、锆、硼、稀土元素等多种元素。传统的光电比色金属元素分析仪普遍存在的以下缺陷，就日益严重的体现出来：1.测量为预设固定，不能连续可调，虽说有些机型可以更换（通过更换或），但对于用户来说仍嫌繁琐，遇到测量超出仪器通道数的元素种类或要检测不同合金材料时，尤其不方便。而且不是所有波长的滤光片和LED可以采购到，使得某些特定元素的测量遇到困难，如镁元素的测量需要576nm的光源，而这样波长的滤光片和LED都无法得到。2.测量光源大多为直流灯泡加滤光片或冷光源发光二极管，其波长准确度较差。直流灯泡加滤光片方式其波长精度取决于滤光片，大多应用的滤光片，效果最好的也只能达到±15nm。采用发光二极管的波长准确度取决于使用的二极管，大多误差范围在20～30nm,无法保证分析检测的精度。新材料和新技术的应用，要求各行业的元素分析的种类更多，要求更高，面对传统元素分析仪的固有缺陷和市场压力，不少厂家采取以下应对措施：1.增加仪器分析，即增加预设的固定波长数，从而增加可以检测的元素数量；2.针对预定的不同用途，预设不同的固定波长，从而形成分别检测不同材料和不同元素的不同型号元素分析仪。但上述方法都是治标不治本，一来不是所有需要的波长都可以实现，二来波长精度不高的问题还是没有解决，因此仍然无法从根本上解决传统元素分析仪的先天性缺陷。QL－BS1000全能精密材料元素分析仪，在目前广泛使用的光电比色仪的基础上，在国内首创产品测量光源的连续可调、波长准确度大幅提高，并保持操作方便、曲线建立修改功能齐全的特点，从根本上解决了波长不能连续可调，准确度不高的问题，从而提高了仪器的应用范围和分析结果的准确性，可以配合用户对不同材料的多种元素的光度分析方法，任意选择需要的光源波长，因此可以广泛用于对钢铁、铜铝及其合金等各种黑色和有色金属、非金属材料中的硅、锰、磷、镍、铬、铜等多种元素的含量分析，一台仪器就可以更好的满足冶金、铸造、机械、化工等行业在炉前、成品、来料化验等方面对各种金属材料多元素分析的需要。
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