釩對(duì)低合金鋼的強(qiáng)化作用 (2).doc

釩對(duì)低合金鋼的強(qiáng)化作用 （承德鋼鐵公司） 摘 要本文對(duì)低合金鋼的強(qiáng)化方式做了歸納，描述了釩在鋼中對(duì)這些強(qiáng)化方式的影響，進(jìn)而總結(jié)了釩對(duì)低合金鋼的強(qiáng)化作用。本文還對(duì)VN的微合金化作用進(jìn)行了研究和探討，提出了用釩氮合金VN和V鐵做添加劑對(duì)鋼強(qiáng)化具有不同效果。關(guān)鍵詞：釩，釩氮合金，低合金鋼，鋼的強(qiáng)化，晶粒細(xì)化，沉淀強(qiáng)化。 The Hardening Function of Vanadium for Low Alloy Steels Xie Wan Li Meng Xian Heng (Chengde Iron & Steel Co., Ltd.) AbstractWith hardening means for low alloy steels classified initially, the effect of vanadium on these means is described and the hardening functions of vanadium for low alloy steels are summarized subsequently in this paper. This paper also studies the micro-alloying behavior of VN in low alloy steels and so shows the different hardening results caused by VN and ferro-vanadium in low-alloy steels as addition agents.Key Words: vanadium, VN, low alloy steel, hardening of steel, grain size refinement, precipitation hardening.一、引言釩是元素周期表中第23號(hào)元素，發(fā)現(xiàn)于19世紀(jì)初期，因其漂亮的顏色而以挪威女神凡娜黛絲（代表美麗、富饒 ）的名字而命名，中文名稱為釩。1867年英國化學(xué)家羅薩科用氫還原二氯化釩（1），首次制取了粉狀的金屬釩。釩在鋼中的首次應(yīng)用是在1903年，英格蘭人用釩生產(chǎn)了少量合金鋼。1905年福特發(fā)現(xiàn)了含釩鋼的優(yōu)點(diǎn)，開始在汽車制造中推廣使用。從此，釩作為主要的強(qiáng)化元素，被廣泛用于鋼中，用來改善鋼的性能。釩在鋼中的應(yīng)用主要是以微合金化的形式，即通過在鋼中加入少量的釩，靠合金強(qiáng)化作用來提高鋼的強(qiáng)度。此情況最典型的例子就是上世紀(jì)80年代非調(diào)質(zhì)鋼的研制和開發(fā)。所謂非調(diào)質(zhì)鋼就是通過在低合金鋼中加入V、Ti、Nb等微量元素，使之不經(jīng)調(diào)質(zhì)處理，就能夠達(dá)到某些碳結(jié)鋼經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理后的性能，從而降低生產(chǎn)成本。目前，釩在工業(yè)中的消耗，85%用于低合金高強(qiáng)度鋼的生產(chǎn)，只有10%用于釩鈦鋁合金，其余5%用于化工業(yè)（2）。因此，釩在鋼中強(qiáng)化機(jī)理的研究一直被人們廣泛重視。本文即試圖對(duì)鋼的強(qiáng)化機(jī)理以及釩如何通過這些機(jī)理對(duì)鋼進(jìn)行強(qiáng)化做一些歸納和探討。二、鋼的強(qiáng)化原理根據(jù)金屬學(xué)理論我們知道，金屬的形變與強(qiáng)度實(shí)際上分別代表了金屬內(nèi)部位錯(cuò)的移動(dòng)與其移動(dòng)的難易程度，此關(guān)系可用下式表達(dá)：y = s + i (對(duì)于單個(gè)晶粒)（3） （1）式中：y為屈服應(yīng)力，s為產(chǎn)生位錯(cuò)源（如弗蘭克瑞德源）所需的應(yīng)力，i為摩擦應(yīng)力，代表所有阻礙位錯(cuò)移動(dòng)的綜合效應(yīng)。那么影響鋼的位錯(cuò)狀態(tài)的各種因素就構(gòu)成了影響鋼強(qiáng)化的各種因素或方式。通過歸納，可把它們大致劃分為如下幾個(gè)方面，盡管這些強(qiáng)化方式之間互相影響、有的還存在因果關(guān)系：（1） 細(xì)晶強(qiáng)化（2） 相變強(qiáng)化（3） 加工強(qiáng)化（4） 合金強(qiáng)化（5） 熱處理強(qiáng)化在多晶情況下，晶粒尺寸決定位錯(cuò)滑移時(shí)在滑移帶前產(chǎn)生應(yīng)力集中的大小，由此影響著相鄰晶粒的變形，體現(xiàn)在與屈服強(qiáng)度y的關(guān)系上可用下式表述：y =i + Kyd-1/2 (2)式中i為摩擦應(yīng)力，與（1）式相同，Ky可視為常量，d為晶粒尺寸。晶粒越小，鋼的強(qiáng)度就越高。這就是著名的佩奇霍爾公式。晶粒細(xì)化強(qiáng)化被人們列為首選，因?yàn)樗坏岣咪摰膹?qiáng)度，而且還同時(shí)提高鋼的韌性。相變強(qiáng)化是通過相變使鋼得到理想的顯微組織，因?yàn)椴煌娘@微組織具有不同的強(qiáng)度。比如珠光體的b為834MPa，鐵素體的b為294MPa等等。人們?yōu)榱说玫綇?qiáng)度高又易于成型的板材而采用一定工藝使鋼形成雙相鋼組織（鐵素體加馬氏體），就是相變強(qiáng)化的典型例子。加工強(qiáng)化是通過塑性變形，增大鋼中的位錯(cuò)密度，并使位錯(cuò)形成于相互交叉的滑移面上。不同滑移系上的位錯(cuò)通過應(yīng)力場相互作用，相互纏結(jié)和阻礙，從而導(dǎo)致鋼的強(qiáng)化。另外鋼的塑性變形也可使晶粒細(xì)化，從而使鋼得到強(qiáng)化，因此兩種強(qiáng)化方式之間是相互影響的。利用合金化對(duì)鋼進(jìn)行強(qiáng)化，有很多方法，最重要的方法就是靠高度彌散分布于基體中的外來粒子來阻止位錯(cuò)的移動(dòng)。正是這些彌散分布的障礙形成了（1）式和（2）式中的摩擦應(yīng)力i.如果這些粒子是單個(gè)原子作為溶質(zhì)與基體一起形成固溶體，溶質(zhì)原子造成的點(diǎn)陣崎變與位錯(cuò)應(yīng)力場相互作用，阻礙位錯(cuò)移動(dòng)，這種情況屬于固溶強(qiáng)化。如果這些粒子是從固溶體中析出的化合物或第二相，它們對(duì)位錯(cuò)移動(dòng)產(chǎn)生釘扎作用，這種情況屬于沉淀強(qiáng)化。鋼經(jīng)過熱處理，可以產(chǎn)生相變，還可以使鋼中的微合金元素改變存在的形態(tài)，因此熱處理可以產(chǎn)生固溶強(qiáng)化。另外熱處理過程中通過組織轉(zhuǎn)變，還可形成大量的位錯(cuò)。因此熱處理強(qiáng)化實(shí)際是相變強(qiáng)化、合金強(qiáng)化和加工強(qiáng)化的綜合效應(yīng)。在實(shí)際生產(chǎn)、加工過程中，鋼的強(qiáng)化是通過同時(shí)運(yùn)用多種方式或者通過一種方式而引起其它幾種方式共同作用進(jìn)行的。三、釩在低合金高強(qiáng)度鋼中的作用為了提高強(qiáng)度改善低合金鋼的性能，綜合以上各種強(qiáng)化方式，開發(fā)了熱形變控制技術(shù)（TMCP）的新工藝，即形變誘發(fā)鐵素體相變以及應(yīng)變誘發(fā)沉淀，主要體現(xiàn)在鐵素體的晶粒細(xì)化和碳氮化物的沉淀強(qiáng)化上。而V作為微合金強(qiáng)化元素，被廣泛采用。V（C，N）在奧氏體中的溶解度比在鐵素體中的溶解度高，因而隨著溫度的降低，V（C，N） 從鐵素體中析出。這樣通過合適的形變、熱處理，可使合金強(qiáng)化以及晶粒細(xì)化得到有效的利用，從而提高鋼的性能。1、釩的細(xì)晶強(qiáng)化和沉淀強(qiáng)化作用（1）釩對(duì)熱軋鋼筋強(qiáng)度的影響早在1980年，承德鋼鐵公司就用釩進(jìn)行微合金化，提高低合金鋼的強(qiáng)度。以級(jí)螺紋鋼筋的成分為基礎(chǔ)，適當(dāng)調(diào)整成分并添加少量的釩，生產(chǎn)了符合英國標(biāo)準(zhǔn)BS4449的460級(jí)鋼筋（25MnSiV）。后來又開發(fā)了納入當(dāng)時(shí)國家標(biāo)準(zhǔn)的新級(jí)鋼筋（22MnSiV）、機(jī)械行業(yè)代替45鋼的非調(diào)質(zhì)鋼(F35MnV、F40MnV、F45MnV)以及目前現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)中的HRB400級(jí)和500級(jí)鋼筋。為了研究釩對(duì)熱軋鋼筋的強(qiáng)化效果和定量規(guī)律，對(duì)承德鋼鐵公司連軋廠年實(shí)際生產(chǎn)的16熱軋鋼筋的成分和性能進(jìn)行了觀察，從中選擇了部分不含V鋼（0.001%）的爐次列于表1，選擇C在0.210.23%、Si在0.490.51%、Mn在1.391.41%、Cr在0.100.14%、重量偏差為-2%、含不同V量的部分爐次列于表2。在表2的情況下，除含V量外，其它成分范圍很窄，可視為基本固定，從而觀察性能隨含V量的變化。含V鋼以加釩鐵方式冶煉。不含V鋼筋的顯微組織晶粒度大部分為7級(jí)，含V鋼筋的晶粒度為89級(jí)。比較表1與表2可以看出，含V鋼比不含V鋼的強(qiáng)度高,而且隨著含V量的增加強(qiáng)度提高。表1 不含V鋼筋的熔煉成分和性能（16）爐號(hào)化學(xué)成分（%）機(jī)械性能重量偏差cSiMnPSCrRelMPaRmMPa(%)43175310.210.531.370.0250.0410.0941057522-241181050.220.511.400.0160.0320.0740558022-241172770.240.51.330.0220.0390.0539558521-243139520.240.631.380.0180.030.139058519-241173490.220.551.420.0180.0320.0438556021.5-242146910.210.471.330.0220.0430.0438055020-2平均值0.220.531.370.0200.0360.0739457320.9-2表2 含V鋼筋的熔煉成分和性能（16）爐號(hào) 化學(xué)成分(%) 機(jī)械性能重量偏差(%)CSiMnPSVCrReLMPaRmMPaA%43149200.210.491.40.0220.0260.010.1341058521-241163040.210.51.410.0180.0340.0120.1443059021-242138580.210.491.380.0190.0240.0140.141559020.5-243151250.220.51.390.0170.0280.0190.142558521-241140450.210.491.410.0150.0320.0550.147562020-241140420.220.511.40.0140.0270.0570.148562019.5-244032830.220.511.410.0170.0420.060.1147061518.5-241149520.220.511.40.0170.0260.0740.1449063519-243141930.210.51.420.0170.0290.0750.1251064517-243146390.210.491.40.0220.0280.0760.1250565520.5-243148560.220.51.390.0180.0290.080.1149564519-243152390.220.51.420.0190.0270.0820.1151565518.5-243146740.210.491.420.020.0260.0830.150065520-243125810.230.491.420.0190.0330.090.1352565018-243141430.230.51.40.0190.0290.0920.1350566018-2通過將表2中的數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，得到Rel（MPa）與含釩量V（%）的回歸方程如下（方程的可決系數(shù)R2為0.95，P值為1.48529E18）。Rel = 404 + 1250 V （3）可見鋼中每增加0.01%的釩，熱軋鋼筋的屈服強(qiáng)度大約提高12.5MPa。（2）分析討論在承鋼用釩鐵冶煉的含釩鋼中，氮的含量在4050ppm。鋼中的釩與氮化合形成NV可以提高鐵素體的形核速率導(dǎo)致細(xì)晶強(qiáng)化以及析出后產(chǎn)生沉淀強(qiáng)化。上述不含V的鋼筋晶粒度為7級(jí)，含V鋼的晶粒度為89級(jí)，可見鋼中加釩后晶粒得到了細(xì)化，產(chǎn)生了細(xì)晶強(qiáng)化作用。但隨著V的增加，晶粒度增加的幅度不足以解釋強(qiáng)度增加的幅度，說明在整個(gè)強(qiáng)化效應(yīng)中，除了細(xì)晶強(qiáng)化以外，還有沉淀強(qiáng)化作用。但根據(jù)北京科技大學(xué)材料學(xué)院對(duì)承鋼鋼筋中V的存在形式的報(bào)告，以釩鐵形式加釩冶煉，鋼中V（C，N）的析出比例只占21%（4），因此鋼中加V后產(chǎn)生的沉淀強(qiáng)化作用還沒有得到充分的發(fā)揮。釩的晶粒細(xì)化和沉淀強(qiáng)化作用，從瑞典金屬研究院進(jìn)行的試驗(yàn)中也得到了證實(shí)（5）。試驗(yàn)鋼經(jīng)中頻爐冶煉后軋制成161161mm的方鋼，軋后采用緩慢和自然冷卻兩種方式。鋼的成分和機(jī)械性能見表3，晶粒尺寸如圖1所示。表3 瑞典金屬研究院試驗(yàn)鋼的化學(xué)成分和性能鋼種化學(xué)成分（%）機(jī)械性能CMnSiPSCrVN冷卻方式RelMpaRmMpaA%C-Mn鋼0.1550.770.210.0150.020.14_0.008緩慢36349727.3自然33548132.3V鋼0.1600.770.200.0130.0260.160.100.014緩慢48558421.7自然44153625.702468101214161820C-MnV鐵素體晶粒尺寸um 緩慢冷卻自然冷卻圖1 試驗(yàn)鋼鐵素體平均晶粒尺寸比較可以看出，V鋼的晶粒得到了細(xì)化，V鋼的平均晶粒尺寸為10m，C-Mn鋼的平均晶粒尺寸為15m。但是這種晶粒尺寸的減小程度，遠(yuǎn)不能解釋強(qiáng)度如此高的增加。另外，經(jīng)緩慢冷卻的V鋼沒有自然冷卻的V鋼晶粒細(xì)小，甚至相差不多，但是強(qiáng)度卻增加約40MPa，這些都說明除了細(xì)晶強(qiáng)化外，還有別的效應(yīng)在起作用。圖2為經(jīng)緩慢冷卻的V鋼碳萃取復(fù)型試樣的電鏡照片，照片中的顆粒為VN。這就說明V鋼在緩慢冷卻過程中，釩以VN顆粒的形式從奧氏體中析出，造成了沉淀強(qiáng)化，從而使鋼的強(qiáng)度提高，而自然冷卻的V鋼達(dá)不到這樣的沉淀強(qiáng)化效果。 圖2 碳萃取復(fù)型試樣上觀察到的VN顆粒 2、釩氮合金VN和V鐵作添加劑對(duì)鋼強(qiáng)化效果的比較（1）釩氮合金VN作為微合金化添加劑的實(shí)際應(yīng)用和效果為利用釩的沉淀強(qiáng)化作用，承德鋼鐵公司在優(yōu)化HRB400級(jí)鋼筋生產(chǎn)工藝時(shí)，用VN代替釩鐵微合金化進(jìn)行了生產(chǎn)性試驗(yàn)。冶煉9爐鋼，軋制成16鋼筋，成分和性能見表4。表4 9爐16熱軋鋼筋的熔煉分析成分和性能。爐號(hào)序號(hào) 化學(xué)成分（%）ReLRmACSiMnPSVCrMPaMPa%52093078620.220.51.390.0270.0230.030.094556152151091208610.220.431.410.0350.030.0310.0746062023.553088278580.240.491.470.0230.0310.0290.074606152152093128600.210.481.420.0230.030.030.084656202153088258590.230.51.450.0240.0320.0250.084456002152093098570.220.451.40.0290.030.0270.094656152253088248560.230.481.440.0250.0290.0290.094656202153088208550.220.511.380.0240.020.0280.084606102152093088540.210.481.40.0290.0270.0280.0948563522平均值0.220.481.420.0270.0280.0290.0846261721.5鋼中含釩在0.0250.031%,平均為.029%，按照（）式預(yù)測Rel應(yīng)為440MPa，但實(shí)際平均值為462MPa。比不用VN微合金化但含V相同的鋼筋強(qiáng)度高22MPa。這就說明更多的以的形式在鋼中析出，產(chǎn)生了沉淀強(qiáng)化，并且比加釩鐵冶煉但含V相同的鋼筋產(chǎn)生的強(qiáng)化作用大。也可以說與加釩鐵冶煉但含V量較高的鋼筋強(qiáng)度相當(dāng)。同時(shí)也說明用釩氮合金微合金化，由于N的影響，使鋼中的V發(fā)揮了更大的作用。 （2）分析討論在添加釩鐵冶煉含V鋼的情況下，鋼中氮含量大約為4050ppm，在添加釩氮合金VN的情況下，氮含量可達(dá)到100110ppm，增加了一倍多。由于在一定溫度下釩、氮溶解度積一定：lgN%N%=3.408330/T（4），因此氮的增加使釩的溶解度降低而飽和，這樣釩就以NV的形式彌散析出。根據(jù)北京科技大學(xué)的研究報(bào)告（4），承鋼鋼筋中V的析出比例由21%提高到44%，因而產(chǎn)生的沉淀強(qiáng)化作用也較加釩鐵時(shí)增強(qiáng)了。鋼中N可以強(qiáng)化V的作用，在以下例子中從影響晶粒度的角度也得到了佐證。前面談到，細(xì)晶強(qiáng)化不但提高強(qiáng)度，而且提高韌性。對(duì)于普通碳素鋼來說，細(xì)晶粒組織可通過形變誘發(fā)鐵素體相變達(dá)到。這是動(dòng)態(tài)/轉(zhuǎn)變和鐵素體動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的綜合效應(yīng)。那么普通碳素鋼中添加V以后，對(duì)形變誘發(fā)鐵素體相變有什么影響呢？對(duì)釩微合金化的鋼，釩在奧氏體區(qū)很難析出。釩的析出主要是在/的轉(zhuǎn)變過程中以及轉(zhuǎn)變剛剛結(jié)束之后。北京科技大學(xué)研究了V對(duì)應(yīng)變誘發(fā)鐵素體相變的影響（6）。試驗(yàn)所用鋼的成分見表5。表5 試驗(yàn)鋼的熔煉分析成分（%）鋼CMnSiSPONVAlA0.0991.0360.1160.00600.00830.00260.0059-0.014B0.1071.090.1150.00390.00700.00220.00840.0510.015C0.1011.0560.1080.00460.00680.00240.00740.0890.015D0.11.0570.1210.00470.00820.00420.00850.1450.01E0.11.090.1090.00340.00800.00390.01990.0510.016將鑄態(tài)鋼錠在1100鍛造成直徑16mm的圓鋼，經(jīng)正火處理以消除原始組織影響。A、B、D、E鋼的樣品從1100的溫度保溫后，以5/秒的速率冷卻至760，然后進(jìn)行熱加工，應(yīng)變速率為10/秒，應(yīng)變量為1.2。之后試樣以5/秒的速率冷卻至不同的溫度保溫1000秒，然后淬火至室溫。圖3給出了A、D鋼（不含釩鋼和含釩鋼）在不同溫度保溫后淬火組織的晶粒尺寸?？梢钥闯觯C鋼的晶粒尺寸比不含釩鋼的晶粒尺寸小。 保溫溫度 圖3 A、D鋼在不同溫度下保溫1000秒后的晶粒尺寸 圖4為B、E鋼（含釩相同但含氮不同）淬火后組織的晶粒尺寸。可以看出，含氮量高的鋼（200ppm）比含氮量低的鋼（84ppm）晶粒尺寸小。這些都證明了在有V、N存在的情況下，VN顆粒的析出抑制了鐵素體晶粒的張大，導(dǎo)致了晶粒細(xì)化效應(yīng)。也說明了，用V微合金化的鋼中添加N可以得到高含釩量的D鋼同樣