钛、铌、锆元素的作用探析

1.钛元素在合金中的作用

钛在高纯铁铬铝合金中加入量（质量分数）小于0.10%。钛在合金中的主要作用是固定残留氮，形成氮化钛TiN。氮化钛熔点为2950℃，在钢液凝固前形成，起细化合金晶粒和抑制高温下晶粒粗化的作用。因此，微量钛对改善合金塑性和防止合金脆化起到有利作用。

2.铌元素在合金中的作用

在合金中添加铌、钛会有效地抑制晶粒粗化。因为铌同碳有很强的亲和力，加入钢中的铌主要形成碳化铌NbC。碳化铌的熔点高达3500℃，与氮化钛一样，可以细化晶粒和抑制晶粒粗化，改善合金的塑性和韧性。表15-5列出铌对Fe-20Cr-5Al-RE（La）合金，带材加热前后力学性能的影响。从表中数据可知：铌在抑制合金晶粒粗化，改善合金塑性方面的作用是明显的。虽然加热后合金带材的伸长率波动较大，但仍然可以看出铌的有利作用。

表15-5 铌对Fe-20Cr-5Al-RE（La）合金带材加热前后力学性能的影响

注：在101kPa、900℃下加热96h。

3.钛与铌在合金中的复合作用

当钛与铌同时加入高纯铁铬铝合金时，其效果更加显著。因为钛对氮的亲和力大于铌，而铌对碳的亲和力又大于钛。当同时加入合金时，钛形成TiN，铌形成NbC，共同以有利的形式将合金中残留的杂质元素碳、氮加以固定，并减轻其危害。

4.锆元素在合金中的作用(www.xing528.com)

锆在Fe-20Cr-5Al合金中的作用，主要表现在以下几个方面：

1）改变合金中碳、氮的存在形态。在（C+N）≤0.015%（质量分数）的高纯铁铬铝合金中，当碳、氮含量一定时，合金的析出物以（Fe，Cr）23C₆和AlN两种化合物为主。当合金中加入微量锆之后，含锆量的50%形成ZrN，余下的锆以ZrC和Fe₃Zr的形式存在，从而减少了碳化铬数量。

2）改善合金的抗氧化性能，提高载体材料的使用寿命。在Fe-20Cr-5Al（La）合金中，加入质量分数为0.03%的锆，可以显著延长厚度为50μm合金带材在1200℃空气中氧化断裂的时间。表15-6列出锆对Fe-20Cr-5Al（La）合金性能的影响。加锆合金带材比不加锆合金带材的氧化断裂时间延长3倍。

表15-6 锆对Fe-20Cr-5Al（La）合金性能的影响

3）改善合金的冲击韧度。图15-5示出锆对Fe-20Cr-5Al（La）合金冲击韧度的影响。当添加0.10%（质量分数，下同）的Zr时，显著提高了合金的冲击韧度。锆加入量增加到0.44%时，冲击韧度下降。合适的锆加入量为不超过0.10%。产生这种现象的原因，经过深入试验结果表明：当合金中[Zr]∶[C+N]＞1时，析出物中ZrC、Fe₃Zr的数量增多，合金的韧性下降；当合金中[Zr]∶[C+N]≤1时，合金中析出物以ZrN为主，ZrC和Fe₃Zr的数量减少，合金的韧性随着Zr含量的增加而提高。

图15-5 锆对Fe-20Cr-5Al-0.04La合金冲击韧度的影响