Vol.31 Suppl.1 汪春雷等：影响钢中铌的碳氨化物固溶的因素分析 195. Sparke利用放射性元素示踪法测得Nb在Y铁 NbC:N1-x=[Nb]+x[C]+(1-x)[N](5) 中的扩散系数为☑： 其反应平衡常数写为： D=530exp -82300 RT」 ,(cm2/s), K-LNbH-[C]--LN]=[Nb]-[C].[N]- NbCxN1-: T=1160~1290K (1) (6) 至于铌在α铁中的扩散系数，现在尚未见到较 该反应可看作是由如下几个反应组成： 为准确的测定数据，Gray等曾用式(2)估算铌在铁 NbCN1-=x[NbC]+(1-x)[NbN](7) 素体中的扩散系数) x[NbC]=x[C]+x[Nb] (8) D=400exp -70000 BT了 ,(cm2/s) (2) (1-x)[NbN]=(1-x)[Nb]+(1-x)[N](9) 铌是相当强烈的碳氮化物形成元素，在大部分 K2=[NbC]-[NbN]1-* NbCxN1-x 含铌钢中，铌主要以碳氨化物的形式存在而发挥 [NbC]'.[NbN]-x=x.(1-x)x(10) 作用， 碳、氮原子半径与铌原子半径的比值分别为约 K3=[C]-[Nb]-[C][Nb]- (11) NbC* 0.53和0.49（均小于0.59），因此铌的碳化物和氨 化物均为简单点阵结构的间隙相，钢中通常存在的 K4=[Nh上=[C-b NbC* (1-x)1 碳化铌和氨化铌为NaCl型面心立方结构的间隙 (12) 相，其中的间隙原子（特别是碳原子）常会发生一定 其中式(1O)实际上为NbC和NbN互溶形成混 程度的缺位，使其化学组成式中碳或氮的系数成为 合相NbC:N1-x的混合熵，设NbC的有效活度为 小于1的小数，如碳化铌的化学组成式可从 x,则NbN的有效活度为1一x,反应式(7)十(8)+ NbC0.686变化到NbC.根据大量的实验结果可知，在 (9)=(10) 低合金高强度钢中存在的碳化铌的化学组成式主要 Hudd等[认为可令NbC和NbN二元相的固 为NbCo.87至NbC0.877,而氨化铌则因氨原子缺位甚 溶度积公式仍可分别应用于NbCxN1-x相中，即： 少，故通常仍将其认为是完整的NbN.在铁素体中 K3=(KNC)*= [%Nb][%c]* 沉淀析出的微细碳化铌中的碳原子将发生有序的缺 (13) 位，而由其有序化规律可推知其化学组成式应为 [6Nb][%N]1-￥ (14) NbCo.87s[1]. K4=(KbN)1- 1-x 钢中存在的碳化铌和氨化铌在整个固态范围内 碳、氨和铌元素在钢中的含量分别为%C、%N 均可完全互溶而形成碳氨化铌·氨化物、碳化物在 和%Nb,则处于固溶态的碳、氨和铌元素的含量必 钢液降温过程中溶解度不断降低，当析出物生成元 须符合固溶度积公式，处于NbCxN1-x相中的碳、氮 素的实际溶度积超过平衡溶度积时发生析出反应， 和铌元素的含量必须保持理想化学配比，可得： 2析出物的理论计算推导 与[h12c1-3.42-790/7 (15) 暂不考虑碳化铌中碳原子缺位的问题，则钢中 g[6b16=2.8-850/7 1一x (16) 出现的碳氨化铌的化学式可写为NbCxN1-x,其中 x为碳氮化铌的组成中易溶相NbC的摩尔分数，显 %Nh-[6Nh]=Ah=92.9064 %C-[%C]xAc12.011x (17) 然0≤x≤1[3] %Nb-[%Nb]A Nh 92.9064 通常采用的二元相NbC和NbN在奥氏体中的 6N-[%N](1-x)AN14.0067(1-x) 固溶积公式为山： (18) 1g([6C][%Nb])=3.42-7900 T (3) 式中A、AN和Ac分别为铌、氨和碳的原子量， 联立求解(15)~(18)即可获得温度T时钢中碳、氨 1g[%N][%Nb]=2.8-8500 T (4) 和铌元素在基体中的平衡固溶量以及平衡时存在的 式中[%N]、[%Nb]、[%C]分别为C、N、Nb元素在 NbC,N1-x·当钢的化学成分和温度发生改变时，x 奥氏体中的固溶量（质量百分数） 值随之变化，即NbC:N1-x相的化学式并非不变，而 考虑如下反应： 是在很大范围内发生变化，Sparke 利用放射性元素示踪法测得 Nb 在γ铁 中的扩散系数为［2］： D＝530exp －82300 RT ‚（cm 2／s）‚ T＝1160～1290K （1） 至于铌在α铁中的扩散系数‚现在尚未见到较 为准确的测定数据‚Gray 等曾用式（2）估算铌在铁 素体中的扩散系数［2］： D＝400exp －70000 RT ‚（cm 2／s） （2） 铌是相当强烈的碳氮化物形成元素‚在大部分 含铌钢中‚铌主要以碳氮化物的形式存在而发挥 作用． 碳、氮原子半径与铌原子半径的比值分别为约 0∙53和0∙49（均小于0∙59）‚因此铌的碳化物和氮 化物均为简单点阵结构的间隙相．钢中通常存在的 碳化铌和氮化铌为 NaCl 型面心立方结构的间隙 相‚其中的间隙原子（特别是碳原子）常会发生一定 程度的缺位‚使其化学组成式中碳或氮的系数成为 小于 1 的 小 数‚如 碳 化 铌 的 化 学 组 成 式 可 从 NbC0∙686变化到 NbC．根据大量的实验结果可知‚在 低合金高强度钢中存在的碳化铌的化学组成式主要 为 NbC0∙87至 NbC0∙877‚而氮化铌则因氮原子缺位甚 少‚故通常仍将其认为是完整的 NbN．在铁素体中 沉淀析出的微细碳化铌中的碳原子将发生有序的缺 位‚而由其有序化规律可推知其化学组成式应为 NbC0∙875 ［1］． 钢中存在的碳化铌和氮化铌在整个固态范围内 均可完全互溶而形成碳氮化铌．氮化物、碳化物在 钢液降温过程中溶解度不断降低‚当析出物生成元 素的实际溶度积超过平衡溶度积时发生析出反应． 2 析出物的理论计算推导 暂不考虑碳化铌中碳原子缺位的问题‚则钢中 出现的碳氮化铌的化学式可写为 NbC xN1－ x‚其中 x 为碳氮化铌的组成中易溶相 NbC 的摩尔分数‚显 然0≤ x≤1［3］． 通常采用的二元相 NbC 和 NbN 在奥氏体中的 固溶积公式为［1］： lg（［％C］ ［％Nb］）＝3∙42－ 7900 T （3） lg［％N］ ［％Nb］＝2∙8－ 8500 T （4） 式中［％N］、［％Nb］、［％C］分别为 C、N、Nb 元素在 奥氏体中的固溶量（质量百分数）． 考虑如下反应： NbC xN1－ x＝［Nb］＋ x ［C］＋（1－ x）［N］ （5） 其反应平衡常数写为： K1＝ ［Nb］·［C］ x·［N］ 1－ x NbC xN1－ x ＝［Nb］·［C］ x·［N］ 1－ x （6） 该反应可看作是由如下几个反应组成： NbC xN1－ x＝ x ［NbC］＋（1－ x）［NbN］ （7） x ［NbC］＝ x ［C］＋ x ［Nb］ （8） （1－ x）［NbN］＝（1－ x）［Nb］＋（1－ x）［N］ （9） K2＝ ［NbC］ x·［NbN］ 1－ x NbC xN1－ x ＝ ［NbC］ x·［NbN］ 1－ x＝ x x·（1－ x） x （10） K3＝ ［C］ x·［Nb］ 1－ x NbC x ＝ ［C］ x·［Nb］ 1－ x x x （11） K4＝ ［N］ 1－ x·［Nb］ 1－ x NbC 1－ x ＝ ［C］ 1－ x·［Nb］ 1－ x （1－ x） 1－ x （12） 其中式（10）实际上为 NbC 和 NbN 互溶形成混 合相 NbC xN1－ x 的混合熵‚设 NbC 的有效活度为 x‚则 NbN 的有效活度为1－ x．反应式（7）＋（8）＋ （9）＝（10）． Hudd 等［4］认为可令 NbC 和 NbN 二元相的固 溶度积公式仍可分别应用于 NbC xN1－ x相中‚即： K3＝（ K NbC） x＝ ［％Nb］ ［％C］ x x （13） K4＝（ K NbN） 1－ x＝ ［％Nb］ ［％N］ 1－ x 1－ x （14） 碳、氮和铌元素在钢中的含量分别为％C、％N 和％Nb‚则处于固溶态的碳、氮和铌元素的含量必 须符合固溶度积公式‚处于 NbC xN1－ x相中的碳、氮 和铌元素的含量必须保持理想化学配比‚可得： lg ［％Nb］ ［％C］ x ＝3∙42－7900／T （15） lg ［％Nb］ ［％N］ 1－ x ＝2∙8－8500／T （16） ％Nb－［％Nb］ ％C－［％C］ ＝ A Nb xA C ＝ 92∙9064 12∙011x （17） ％Nb－［％Nb］ ％N－［％N］ ＝ A Nb （1－ x） A N ＝ 92∙9064 14∙0067（1－ x） （18） 式中 A Nb、A N 和 A C 分别为铌、氮和碳的原子量． 联立求解（15）～（18）即可获得温度 T 时钢中碳、氮 和铌元素在基体中的平衡固溶量以及平衡时存在的 NbC xN1－ x．当钢的化学成分和温度发生改变时‚x 值随之变化‚即 NbC xN1－ x相的化学式并非不变‚而 是在很大范围内发生变化． Vol．31Suppl．1 汪春雷等： 影响钢中铌的碳氮化物固溶的因素分析 ·195·