碳化铌在钢铁材料领域中的应用前景

zhangkai

碳化铌具有高熔点，高硬度，高弹性模量，高耐磨性，热力学稳定等性能，硬度比刚玉还高，化学稳定性保持到1100°C，不溶于冷热盐酸、硫酸、硝酸。在对运行环境的温度有很高的要求的宇航部件，如涡轮转子、燃气舵、叶片、发动机喷管内衬等零部件中已获得重要应用。另一方面，碳化铌的密度与钢铁材料接近，有望成为钢铁材料中最理想的强化相。研究表明，添加碳化铌的硬质合金可明显细化晶粒，显著提高综合性能，用其制作的切削工具具有良好的热硬度、抗热冲击和抗热氧化等性能；在炼钢的过程中加入微量的碳化铌，可达到沉淀强化和细晶强化的效果，从而提高钢材的综合机械性能。因此，碳化铌在钢铁材料领域中显示出十分广阔的应用前景。
一、用于强化硬质合金
        碳化铌添加到硬质合金中，一方面可作为硬质合金晶粒生长的抑制剂，细化组织；另一方面能与其他碳化物一起形成除WC和Co之外的第三弥散相，显著提高硬质合金的热硬度及抗热冲击、抗热压、抗氧化的能力。正因为如此，碳化铌作为硬质合金添加剂，其耗铌量仅次于电子行业用铌，全球年消费量约300吨。碳化铌由于具有提高合金的硬度、改善合金的断裂韧性等优点，故可用来制备切削性能优异的硬质合金刀具材料。
二、用于堆焊焊条
        坚硬的碳化铌硬质相进入堆焊层组织中，可使焊层具备较好的耐磨骨架，耐磨性大大提高。这种焊条堆焊的耐磨合金，其耐磨性比淬火45号钢高12~18倍，比Fe-Cr-C-B型耐磨合金高2.4~3.6倍，同时，耐磨堆焊层施焊时无需预热，可在工件表面堆焊。表面仅产生的细小裂纹释放堆焊层应力而不会向母材内扩散。
三、用于钢铁的涂层材料
        在机械装备制造行业中，模具的使用寿命是加工成本的主要影响因素，模具本身不仅影响着加工工艺的优劣，还直接控制着所加工产品的质量和精度等。目前模具失效报废多数是因其表面擦伤或磨损，故提高模具表面耐磨性是最好的延长其使用寿命的方法。具有高硬度，高耐热强度和高耐磨性的碳化铌作为涂层覆盖于模具钢表面可显著提高其使用寿命。据报道，以硼砂盐为主要渗剂，采用表面热扩散法，对Cr12型常用模具钢表面进行980°C/7~8h的处理，获得了硬度为HM2400~HM2800，厚度为10~12μm的碳化铌涂层，取得了良好效果。
         其它金属工件通过制备碳化铌涂层，也能大大提高其表面硬度，达到HV2800以上，同时提高工件的工作温度和组织致密度，从而延长其使用寿命。例如，通过化学液相沉积处理可在铸铁活塞环表面实现碳化铌镀层，此镀层与基材结合牢固。经过这样处理后的活塞环既具有良好的口袋形储油构造，又兼具高硬度的优点，可显著降低无润滑介质及柴机油润滑时的滑动摩擦系数，大大提高其耐磨性，降低柴油机的摩擦损失，改善柴油机性能。