釩在中高強(qiáng)鋼中的應(yīng)用

1、釩在中高強(qiáng)鋼中的應(yīng)用羅伯特 J格羅多夫斯基（戰(zhàn)略礦物公司 ）前言中高碳鋼廣泛用于許多普通用途。 增加碳作為 基本合金以提高鋼的強(qiáng)度和硬度， 這是提高性能的 最經(jīng)濟(jì)的途徑。 但是 ，碳含量的增加也引起了其它 效應(yīng)， 包括降低了焊接性能、 延性和沖擊韌性。 這 些降低了的性能如果能被接受， 則高碳材料增加后 的強(qiáng)度和硬度優(yōu)勢(shì)可以得到充分利用。 高碳鋼的通 常用途包括 鍛鋼、 鋼軌鋼、 彈簧鋼（扁鋼和圓鋼） 、 預(yù)應(yīng)力混凝土、鋼絲、輪胎加固筋、耐磨鋼（板及 鍛鋼）、以及高強(qiáng)鋼筋。為了提高鋼在這些用途中的性能， 通常的做法 是，通過(guò)最大增加碳的適用量， 以使強(qiáng)度和硬度達(dá) 到最高。根據(jù)各種不同的用途碳添

2、加量的限制因素 也不同。對(duì)于鍛鋼和棒材， 可能是韌性或焊接性能。 對(duì)于高強(qiáng)鋼絲， 碳添加量的限制因素通常是共析碳 量，在此之上形成的晶界碳將巨大地降低可延性 能。即使不考慮用途， 對(duì)于增加碳含量也將有一個(gè) 實(shí)際限制。如需要繼續(xù)提高鋼的強(qiáng)度或硬度性能， 就必須考慮其它強(qiáng)度機(jī)制。在各種可采用的選擇 中，添加微合金達(dá)到析出強(qiáng)化是一個(gè)比較常用的做 法。除了增加軋態(tài)或鍛態(tài)強(qiáng)度， 添加微合金也能產(chǎn) 生其它優(yōu)勢(shì)。 微合金用于生產(chǎn)細(xì)晶粒鋼。 微合金析 出在熱處理過(guò)程中， 通過(guò)鎖定晶界， 防止對(duì)于晶粒 增長(zhǎng)所必須的這些晶界移動(dòng)， 可以阻止奧氏體晶粒 增長(zhǎng)。微合金析出， 特別是與釩析出 , 可以為回火調(diào) 質(zhì)鋼提供

3、調(diào)質(zhì)阻力。 利用調(diào)質(zhì)阻力特性， 通過(guò)一定 的調(diào)質(zhì)周期， 可以獲得更高硬度和強(qiáng)度的調(diào)質(zhì)馬氏 體。 利用較高的調(diào)質(zhì)溫度， 在保持硬度的同時(shí)， 可 以提高馬氏體的韌性。釩的優(yōu)勢(shì)可供選擇微合金有鈮、 鈦及釩。 其中， 由于幾 方面的原因，釩是一種更受歡迎的添加物。首先， 可能也是最重要的， 與其它微合金相比， 釩碳氮化 物V （C、N ）的高溶解性，使其能在無(wú)論是軋制或是鍛制的正常加熱溫度下溶解。氮鈦化物（ TiN ）的溶解能力最低，無(wú) 論是作為氮化物亦或 是碳化物， 在高碳鋼中作為析出強(qiáng)化劑， 通常都無(wú) 效。鈮碳氮化物Nb（ C、N ）與釩相比，其溶 解能力也較低。由于碳是與鈮析出的優(yōu)先選擇元 素，

4、 這種鋼中的高碳含量， 甚至更進(jìn)一步降低了鈮 的溶解能力。 在加熱高碳鋼時(shí)鈮的溶解量有限， 且 還要取決于加熱溫度。對(duì)于添加鈮量較高的情況， 其強(qiáng)化作用將變得不可預(yù)測(cè)。 因?yàn)榧訜釡囟鹊囊稽c(diǎn) 變化都會(huì)導(dǎo)致鈮溶解量的巨大差別。釩碳氮化物V （C、N）在高碳鋼中更容易 溶解， 并且沒(méi)有鈮對(duì)碳那樣敏感。 正常加熱溫度為 1150OC到1250C,在獲得合金成分的整個(gè)過(guò)程內(nèi)， 足以溶解所有的釩碳氮化物。 其結(jié)果是， 釩強(qiáng)化與 釩添加量成比例。釩添加量與強(qiáng)度的線性關(guān)系， 非常有助于估算 滿(mǎn)足最小強(qiáng)度所需要的合金添加量。釩對(duì)氮具有中性親和力。 添加適量氮以后， 釩 （碳、氮）析出主要為氮化物，通常為一定釩（

5、碳0.2 氮 0.8）的比例由于釩對(duì)氮具有這個(gè)優(yōu)勢(shì)，氮增強(qiáng)了釩微合金鋼的性能。 結(jié)果是， 在氮易引起脆性的 地方， 氮不再是一種固溶物。 釩將氮從一種不被人 需要的夾雜元素， 變成了合金鋼的一個(gè)不可分割的 組成部分。由于中高碳鋼通常使用無(wú)流量控制的計(jì)量澆 管連鑄， 由于再氧化問(wèn)題， 用鋁進(jìn)行細(xì)晶粒化不可 行。 在這種條件下， 釩可以很容易澆鑄。 在熱處理 鋼的晶粒細(xì)化這一點(diǎn)上，釩成為了鋁的優(yōu)秀替代 品。應(yīng)用 這里敘述了釩微合金中高碳鋼的一些應(yīng)用實(shí)例。 由 于受作者的經(jīng)驗(yàn)局限， 應(yīng)用實(shí)例皆取自北美鋼鐵業(yè) 界。 在其它市場(chǎng)上可能還更值得注意的， 釩在這些 鋼中有效應(yīng)用的例子。鍛鋼 釩微合金鍛鋼代替

6、回火調(diào)質(zhì)鋼的成本低廉。 此 鋼種的強(qiáng)度性能在從鍛鋼溫度冷卻的過(guò)程中由釩 （碳、氮）析出演變而成。在鍛態(tài)條件下獲得最終強(qiáng)度性能， 免除了額外 增加熱處理的成本。 這些鋼種內(nèi)在的成本優(yōu)勢(shì)， 在 最近研究中得到了證實(shí)， 研究結(jié)果表明： 與回火調(diào) 質(zhì)鋼相比，機(jī)加工成本顯著降低。中碳鍛鋼，與釩微合金化，錳、硅、鉻、氮、 硫量相應(yīng)增加， 在許多汽車(chē)應(yīng)用上， 替代了回火調(diào) 質(zhì)鍛鋼。 曲軸、 連軸桿、 以及軸梁就是用這些微合 金鋼，成功制造的部件。 合金和工藝上的不斷進(jìn)步， 將這些鋼種的用途，延伸到了強(qiáng)度和硬度要求更 高，更苛刻的使用環(huán)境中。高碳線材 為了使冷拔線材達(dá)到應(yīng)用中更高拉伸強(qiáng)度的 要求， 比如預(yù)應(yīng)力

7、水泥鋼筋腱， 在軋態(tài)下， 就要求 線材具有更高的起始強(qiáng)度。 珠光體鋼的高強(qiáng)度， 通 過(guò)最大限度地增加碳含量， 以及生成盡可能細(xì)的珠 光體間隔來(lái)獲得。 碳含量可以實(shí)用的上限取決于某 一鋼廠的工藝能力。 連續(xù)晶界碳層的形成， 通常在 小方坯或大方坯的偏析中心， 將決定可以實(shí)用的最 大碳含量。這類(lèi)用途典型的最大碳含量是 0.82 到 0.85%。鉛淬火由于成本原因，不再具有競(jìng)爭(zhēng)力， 通過(guò)增加硬化元素如錳和鉻， 使其硬化度與線材軋 制工藝的控冷能力相當(dāng)， 由此提高強(qiáng)度。 其目的是 生產(chǎn)出與鉛淬火結(jié)構(gòu)類(lèi)似的細(xì)化珠光體。由于線材冷卻工藝的限制，與鉛淬火線材相 比，通過(guò)冷卻工藝獲得的線材強(qiáng)度仍然落后于鉛淬

8、火線材的強(qiáng)度。 額外強(qiáng)度增加， 通過(guò)珠光體， 鐵素 體軟構(gòu)成分的析出硬化獲得。 釩在線材用的共晶碳 錳鋼中，廣泛用作珠光體強(qiáng)化劑。 所得出的報(bào)告稱(chēng)， 每增加 0.01%的釩， 強(qiáng)度增加 10 到 16 兆帕。釩的 高溶解能力可以容許增加 0.10% 以上的釩， 而且可 以預(yù)見(jiàn)強(qiáng)度增加的最終結(jié)果。 由于這個(gè)可預(yù)見(jiàn)的能 力，在將鋼精煉到特定強(qiáng)度時(shí)， 選擇釩作為強(qiáng)度可 控制元素。需要最大強(qiáng)度的直接拉伸線材的應(yīng)用， 比如預(yù) 應(yīng)力水泥鋼筋腱， 輪胎用子午線以及鋼絲， 是具有 共晶碳的釩微合金珠光體鋼的共同用途。 此外，添加釩將可以從固溶物釩（碳、氮）中去處 氮。固溶物中的氮在線材拉伸中易于引起應(yīng)變時(shí) 效

9、， 使成品的延性降低。 高延性， 通常通過(guò)線材拉 伸測(cè)試進(jìn)行測(cè)量， 是利用直接拉伸線材的釩微合金 鋼所得出的結(jié)果。釩將氮從一種不被人需要的成 分，轉(zhuǎn)化成了合金系統(tǒng)不可分割的組成部分。熱軋鋼筋、型材和板材 在許多需要高強(qiáng)度的長(zhǎng)材產(chǎn)品應(yīng)用中， 都要求 利用傳統(tǒng)軋制工藝， 并對(duì)碳含量有限制。 釩在這些 產(chǎn)品中，得到有效應(yīng)用。其中最主要的用途之一， 是高強(qiáng)度加強(qiáng)筋， 其焊接性能對(duì)碳當(dāng)量的限制， 阻 止了使用更高當(dāng)量的碳。 這個(gè)用途在本次會(huì)議的另 一個(gè)發(fā)言中充分討論。現(xiàn)代長(zhǎng)材高速軋制設(shè)備使得在傳統(tǒng)控軋所需 低溫度下很難精軋。 利用釩進(jìn)行再結(jié)晶控軋可以應(yīng) 用于這些軋機(jī)， 允許細(xì)鐵素體微結(jié)構(gòu)與高析出硬化 一

10、起產(chǎn)生。這方面使用的一個(gè)實(shí)例就是，高強(qiáng)度平板條， 厚度從 10 到 20 毫米，用作平板拖車(chē)的法蘭。 利用 釩 -氮，或釩 -鈦-氮所產(chǎn)生的最小屈服強(qiáng)度，為 410 到 550 兆帕。 在高溫范圍內(nèi)， 利用再結(jié)晶控軋進(jìn)行 軋制，產(chǎn)生大量的細(xì)化晶粒，以滿(mǎn)足在攝氏負(fù) 29 度時(shí) 20 焦耳的沖擊要求。用作平板拖車(chē)橫梁的高 強(qiáng)度結(jié)構(gòu)梁， 也是利用同樣的工藝生產(chǎn)的。 在所有 的情況下， 都需要掌握氮的含量， 以確保所添加的 釩達(dá)到最大效率。高強(qiáng)度鋼筋的另外一個(gè)事例， 是用作液壓缸的 軸。最好選用屈服強(qiáng)度最小為 550 兆帕的 C10V45 鋼種。為了達(dá)到這個(gè)強(qiáng)度，釩的用量達(dá)到0.10% ，碳 0.45

11、% 、錳 0.8%和硅 0.25% 生產(chǎn)的這種鋼筋直徑 達(dá)到為 100 毫米。鋼軌鋼用釩強(qiáng)化珠光體鋼的另外一個(gè)事例， 是釩在鋼 軌鋼中的應(yīng)用。 用釩微合金鋼生產(chǎn)的鐵路用鋼軌已 顯示出更高的強(qiáng)度和更高的耐疲勞性。 由于這些性 能，釩微合金化的鋼軌鋼顯示出其使用壽命的有所 提高。盡管美國(guó)的鋼軌鋼沒(méi)有微合金化，在許多國(guó) 家，包括中國(guó)，釩合金化鋼軌鋼是一個(gè)普通鋼種。 這些鋼可能用在軋態(tài)或熱處理?xiàng)l件下。結(jié)束語(yǔ)對(duì)釩在中高碳鋼中應(yīng)用的簡(jiǎn)單陳述， 僅僅是釩 作為微合金選擇的許多用途中的一部分事例。 釩在 工藝安排以及獲得理想性能的效率方面， 具有許多 優(yōu)勢(shì)。這些優(yōu)勢(shì)特別是在澆注和高溶解性方面的優(yōu) 勢(shì)， 在加工

12、中高碳鋼時(shí)， 顯得特別實(shí)用。 釩成比例的強(qiáng)化性能，并且對(duì)性能沒(méi)有任何副作用， 使得釩 成為這些用途中的合金選擇。 以下僅僅是支持本文觀點(diǎn)的一部分參考文章。參考文獻(xiàn)：釩合金化R.Lagneborg, T. Siwecki, S. Zajac, and B. Hutchinson, 釩在微合金鋼中的作用 , Scandinavian Journal of Metallumy, Vol. 28, issue 5, October 1999.”T. Gladman, 微合金鍛鋼再談可溶性 , Proceedings of a Symposium on Fundamentals and Applicat

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