灰铸铁中铌铁的溶解分析

　　　铌与碳极强的亲和力使其在铸铁及相似的高碳熔池中的回收变得复杂化。在铁合金或熔炼界面快速形成一
层铌的碳化物，其溶解情况决定了铌在熔池中的回收率。通过对铌铁溶解过程的研究，进一步确定铌在铸铁中的
行为。
　　　

1 实验材料及设备

　　　根据制动盘性能以及铸造工艺要求，实验用铌铁纯度为

65%的标准铌铁，铌铁的熔点范围为 1580～

1630℃（固相线和液相线温度），远高于铸铁，略高于铸钢。铌与铁不发生放热反应。因此，铌铁在铁水中不是
熔化过程，而是一个以界面扩散为基础的溶解过程。这个溶解过程需要一定时间，根据实验条件，将铌铁块加工
为大小为

Ф5mm×30mm 的圆柱型。

　　　实验设备包括

10kg 中频感应电炉，每次试验熔炼量为 7kg，Ф35mm×150mm 砂铸型，实验前砂型

预热到

200℃，铁水过热到 1500℃浇注。分析仪器包括 4XB 金相显微镜、扫描电镜、MCO120-MHV-2000 型显

微硬度计等。
　　　

2 实验结果及分析

　　　对铌铁溶解扩散的研究分为水平方向和垂直方向。在铸铁熔液中水平方向上的溶解扩散情况如图

3 所示，

扩散层的宽度为

80～150μm，在界面扩散前沿存在着大量的细小石墨。

　　　研究发现，在水平扩散前沿方向上，石墨中的碳与扩散前沿的铌发生作用，形成了铌的化合物，从而使石
墨变得细小卷曲，石墨受铌铁的蚕食分解情况。
　　　在远离扩散前沿方向上的石墨形态受到的影响不大。
　　　线扫描分析及显微硬度测试结果表明，在水平扩散方向上，铌在珠光体基体中的固溶度逐渐降低，离扩散
径向方向越远，铌含量越低，当铌含量很低的时候，其对石墨组织的形态影响不大，这与前人及本课题组之前所
做单铌成分研究的结果一致。
　　　对比研究表明，铌铁在垂直方向上的溶解扩散情况与在水平方向上相似。在垂直扩散方向上，由于扩散温
度条件较水平扩散情况要高，扩散层的宽度也相对宽些，约为

200～300μm，在界面扩散前沿同样存在着一定

数量的细小石墨。
　　　在远离扩散前沿方向上的石墨形态受到的影响不大。线分析及显微硬度测试结果表明，在垂直扩散方向上，
铌在珠光体基体中的固溶度逐渐降低，离扩散径向方向越远，铌含量越低，当铌含量很低的时候，其对石墨组织
的形态影响不大，这与水平扩散情况一致。
　　　无论是水平扩散还是垂直扩散，研究结果均表明，铌对珠光体基体组织的影响在于使组织细化，但对珠光
体量基本没有影响，靠近扩散前沿方向上的珠光体基体组织，远离扩散前沿方向上的珠光体基体组织。在扩散前
沿，由于铌含量较高，珠光体基体明显得到了细化，片层间距得到了缩短。此研究结果与前人及本课题组所做单
铌成分研究的结果一致。
　　　

3 结论

　　　

1)铌铁在铁水中不是熔化过程，而是一个以界面扩散为基础的溶解过程。在扩散前沿上，铌与石墨中的碳

相互作用，使得石墨形态变得细小卷曲，在远离扩散方向上，由于铌含量较低，石墨形态受到的影响不大。
　　　

2)在垂直方向上，由于扩散温度较水平方向上高，其扩散层的宽度也较大，即垂直方向上更有利于铌铁的

溶解扩散。
　　　

3)研究表明，铌对珠光体基体的影响在于使其细化，从而提高了材料的强度。