钒V氮N元素的特性及其在钢中的作用|

钒V氮N元素的特性及其在钢中的作用

钒V氮N元素的特性及其在钢中的作用
㈠钒、氮的微合金化特点
⒈钒的特点
(1)溶解度
微合金化元素在奥氏体中的溶解度是一项最重要的要求。对于V来说VN 比VC溶解度低得多；VC、VN要比其它合金相应的碳化物、氮化物的溶解度高。在典型薄板坯连铸加热炉内温度下(1050~115O℃)，V几乎完全溶解，能够满足在轧制初期微合金元素应该固溶在奥氏体中的这一要求。
(2)再结晶
固溶的微合金化元素的溶质拖拽能延迟铸态组织的静态再结晶，必须通过增加压下量和／或提高温度来抵偿合金元素对再结晶的阻碍作用。在C-Mn钢中各种微合金化元素0.01固溶量时对再结晶时间的延迟作用，即溶质阻碍参数(SRP：solute retardation parameters)。可以看出，V对推迟再结晶的影响最小，V(C，N)析出物的高溶解度和固溶V的溶质拖拽作用的组合，使得V成为达到铸态奥氏体再结晶的最小阻力和树枝状铸态奥氏体组织的一种理想的微合金化元素。
⒉氮的作用
(1)析出强化
在钒微 合金钢中，氮增强了钒碳氮化物的析出，并由此增强了析出强化。热力学计算结果显示，含钒钢中增氮提高了碳氮化钒的析出温度，并增加了其析出的驱动力。随氮含量的增加，析出相中碳氮组分明显变化。低氮的情况下，析出相以碳化钒为主，近60%的钒固溶于基体，有约35%的钒以V(C，N)形式析出；随氮含量的增加，逐渐转变成以氮化钒为主的析出相。而高氮钢中则完全相反，70%的钒以V(C，N)形式析出，仅剩20%钒固溶于基体中，当钢中氮含量增加到200×10-6时，在整个温度析出范围，均是析出VN或富氮的V(C，N)。由于氮与钒更强的亲和力，氮的加入增加了V(C，N)析出的驱动力，促进了V(C，N)的析出。例如，随钢中氮含量的增加，0.13V%钢中V(C，N)析出相数量增加，颗粒尺寸和间距明显减小。钢中缺氮的情况下，大部分钒没有充分发挥其析出强化作用，可以说是浪费了。增氮后，使钢中原来处于固溶状态的钒转变成析出状态的钒，充分发挥了钒的沉淀强化作用。由于氮在钢中优化钒的析出，显著提高了沉淀强化效果。不同碳含量钢中，V(C，N)的沉淀强化效果随氮含量的增加呈线性递增，最大的强度增量能够达到300MPa，含钒钢中每增加10×10-6的氮可提高强度6MPa以上。
(2)细化晶粒
氮在钢中还具有明显的细化晶粒的作用。实验结果表明：高氮钒钢的相变比率(Dγ/Dα)比碳-锰钢和低氮钒钢明显增加。增氮促进了碳氮化钒在奥氏体-铁素体相界面的析出，有效地阻止了铁素体晶粒长大，起到了细化铁素体晶粒尺寸的作用。氮在钢中改变了钒的分布，促进了V(C，N)的析出，使析出相的颗粒尺寸明显减小，从而充分发挥了钒的沉淀强化作用，大幅度提高钢的强度；通过析出V(C，N)钉扎奥氏体一铁素体晶界，促进晶体内铁素体的形成，提高了奥氏体一铁素体相变比，细化了铁素体晶粒，改善非调质钢的强韧性能。
⒊钒与氮微合金化中的交互作用
(1)与其它微合金化元素相比，在一给定的温度下，钒溶解量更大，可以避免热轧中钒的碳氮化物析出，而大量的钒可以被保留下来，在奥氏体/铁素体的转化(γ/α)之中和之后的冷却时，产生出稠密的钒的碳氮化物析出。
(2)钒对氮具有中性亲和力，钒将氮从“杂质”转化成一种有效合金。添加适量氮以后，钒(碳、氮)析出主要为氮化物，通常为一定V(C0.2，N0.8)的比例。钒具有通过形成氮化钒，从铁素体固溶体中除去氮，并使钢非时效，通过形成无数的氮化钒细晶核，增加强化析出的有效性的双重作用。
(3)氮成为钒钢中基本的合金元素后，它极大地提高了钒的碳氮化物核化的动力，同时，也提高了析出物的密度和析出强化的等级。钒氮微合金化通过微合金的析出是以晶粒细化或析出强化的作用体现出来。
(4)氮化钒比碳化钒具有较低的溶解度，氮化物和碳化物不同的溶解度又为通过优化成分组成和轧制规程而获得晶粒细化和析出强化的最佳组合提供了途径。通过氮的精确加人可便于钒的碳氮化物析出强化的控制。钒添加量与强度的线形关系，非常有助于估算满足最小强度所需要的合金添加量。
㈡VN微合金钢的品质设计
⒈各种强化机制对屈服强度的贡献VN微合金钢大多为低合金高强度钢，在对其进行性能设计时首先应考虑的是各种强化机制的贡献。V-N钢中各种强化机制对屈服强度的贡献：强化机制析出强化32％；晶粒细化强化41％；珠光体4％；固溶强化8％；基体15％，由此可见，主要是细晶强化和析出强化，占了大约70%的屈服强度，这一点更表明了加氮钒对低合金高强度钢的极优的经济性。
⒉影响屈服强度的相关因素
细晶粒度是大多数高强度低 合金钢获得必要的强度和韧性的基本要求。VN微合金钢是在碳锰钢的基础上添加适量的微合金元素V、N而制得的。碳锰钢通过控制轧制或热处理的方法可生产出晶粒达10μm左右的低碳钢，这种钢具备优良的机械性能，向钢中再加人产生析出硬化的微合金元素V、N等之后，钢的晶粒进一步变小、强度可进一步提高。
有资料介绍了含Mn和Si固溶强化元素的低碳铁素体/珠光体钢的屈服强度预测关系式：
屈服强度(MPa)88+37(wt%Mn)+ 83(wt%Si)+15.1(d-1/2) (1)
其中d是铁素体晶粒尺寸(平均截距mm)。
在微合金化钢中，微合金碳化物、氮化物或碳氮化物在铁素体中析出都对屈服强度有贡献。因此，实测的屈服强度值与(1)的预测值之间的差异可以解释为析出强化对屈服强度的特殊作用。这种析出强化作用可以通过(1)及实验检验的化学成分、晶粒尺寸以及实测的屈服强度值来计算。
一些专家认为，要获得高于500MPa的钢强度就必须加人V，高强钢中通过增氮来优化V(C，N)铁素体中的析出强化作用，因为富氮的V(C，N)的优先析出对于铁素体的强化十分有效。对V ：N比为4：1的含钒钢，每增加10ppm 的N可提高强度7MPa。
另一简化回归方程显示了氮在钒钢中的作用：屈服强度(MPa)255+19Mn*+900V+8100N (2)
式中，Mn*Mn平衡Mn+Ni+Cu+Cr+Mo
由于钒具有较大的溶解度以及RCR工艺中较高的终轧温度，在奥氏体/铁素体相变之前钒被保留在溶体中，并因此在奥氏体/铁素体和铁素体中产生了很强的沉淀强化。强制冷却以及氮含量的提高极大地增强了沉淀强化的力度。在钒氮微合金钢中，析出强度可达250～300MPa。
⒊钒氦微合金钢的成分设计
钢中微合金化元素的选用主要取决于微合金碳化物或氮化物的溶解度。因为碳化物在钢中的溶解度相对较高，因此钒被用来提高较高碳含量钢的强度，同时，氮化钒还可非常有效地提高氮含量钢的强度。由于钒对热轧后相变特性的影响极小，甚至没有，这样就可在较大的精轧温度范围内轧出性能合格的钢。这一点对型钢轧制尤为有益。
当钢中的氮含量较低时，几乎可以肯定添加V没有作用。Lubensky等人发现要充分利用约0．1V的析出强化作用，有必要在直接热轧薄板中增加氮含量到0.015~0.02%。
目前，国际上针对CSP工艺开发的系列HSLA钢大多是采用了VN微合金化的技术路线。
Lubensky等人报道了工业生产的屈服强度为550MPa热轧薄板钢的化学成分。终轧温度为865℃时获得铁素体晶粒尺寸5μm，添加0.035%Nb，0.09/0.11%V 和0.007/0.013%Ti以及0.015/0.02%N，以促成VN 析出物。当碳含量为0.13/0.15%时得到较低的强度性能，当碳含量降低到0.07%会得到550MPa的屈服强度。
㈢热轧工艺的选择
⒈加热温度
微合金元素V的碳氮化物因充分溶解，则允许较低的再加热温度。因此，在生产工艺过程中，可以同时实现晶粒的细化与较低的能耗。
⒉轧制规程
钒对热轧过程中的奥氏体再结晶不产生有效的抑制作用。这是因为钒的溶解度更大，产生了再结晶的颗粒，也就产生了晶粒细化的新机会。经过充足数量的轧制道次后，每次轧制压下后的重复奥氏体再结晶都使奥氏体晶粒得到非常有效的细化。经相变后产生的铁素体晶粒可达到4μm。
在轧制钒微合金钢时，奥氏体晶粒的最大程度细化必须通过RCR工艺多次变形中的反复再结晶来实现。在这种轧制工艺中，要达到一个给定的铁素体晶粒度，对低温下的重型轧制是不难做到的，采用RCR工艺生产含钒结构钢可获得铁素体晶粒约为4μm。如果压下次数和压下量足够，则在970℃较高的终轧温度下，最终的晶粒可达到15～20μm。可以认为钒微合金钢的强度和韧性对钒微合金结构钢的终轧温度较不敏感。
⒊冷却参数
在γ/α相变和微合金元素的碳氮化合物析出的过程中，终轧后的冷却对晶粒细化具有深远的影响，并因此对最终产品的机械性能产生影响。屈服强度随冷却速度的提高而大幅增加，这是由于钢中更加致密、细化的微合金析出物和细化的晶粒造成的。同时，由于细化的晶粒不能完全补偿强度的增加，冲击韧性会略有下降。对于典型的钒结构钢，在冷却速度超过大约10℃/s由于析出时间不充分，析出强度降低。连续的加速冷却使温度直接降至环境温度会导致贝氏体结构的产生，虽然强度会有所增加，但对韧性却有所伤害。因此，应对RCR工艺后的冷却加以限制，为避免贝氏体的产生，最大冷却速度应控制在1O～12℃/s，而加速冷却的最终温度不应低于500℃ 。
高的冷却速度抑制了γ→α的相变起始温度，提高了铁素体的核化速度，因此，采用热轧后的强制冷却可使铁素体微观结构获得最大程度的细化。冷却速度很高，足以抑制微合金的析出，相应地带钢的卷取也就可以方便地用来进行沉淀强化了。对于典型钒微合金带钢而言，卷取温度约600℃ 可获得最大的沉淀强化。在带钢加工中，成分为0.14V、0.035Nb和0.016N的钢种可通过有效的晶粒细化和沉淀强化获得约700MPa的屈服强度。
轧后强制冷却由于增强了沉淀强化和晶粒的细化从而极大地提高了强度。但同时由于晶粒变小，钢在韧性方面略有损失。氮可大幅度提高强度，特别是在高冷却速度下。
⒋热变形控制技术
针对厚板及厚截面H型钢的生产工艺特点，为了获得细晶粒的组织，人们研究了利用VN形成晶内铁素体(IGF)的技术来细化组织的方法，并与再结晶控轧工艺(RCR)相结合，该技术在高强度厚截面型钢和厚板产品的开发中获得了应用，被称为第三代TMCR工艺。该工艺的核心是由VN 诱导IGF与RCR工艺组合而成。在合金设计上，钢中必须有较高的钒、氮含量，以利于VN 在奥氏体中析出。在轧制工艺方面，首先应尽可能选择低的加热温度，以便获得细小均匀的奥氏体组织。VN钢中V(C，N)相对较低的溶解温度为低温加热创造了条件。具体的轧制工艺分为两个阶段：第一阶段是在高温的再结晶区轧制，通过奥氏体反复再结晶来细化奥氏体晶粒；第二阶段是在VN析出温度范围变形诱导VN在奥氏体中析出，为铁素体相变提供形核核心，达到细化铁素体晶粒的目的。与传统的TMCR工艺相比，采用第三代TMCP工艺生产的钢，依靠铁素体晶粒细化，在提高强度的同时，韧性也得到明显改善。以VN诱导IGF为核心的第三代TMCP工艺在高强度厚壁H型钢的产品开发中获得成功应用。
⒌对含氮钢顾虑的认识
在钒钢中，氮从固溶体中剔除，从而使钢非时效；所有析出强化反应都容易引起脆性，析出脆性可以被铁素体晶粒细化有效阻止；由于晶粒细化的作用，相变温度每降低0.6~C，屈服强度即增加1MPa，通过平衡晶粒细化强度和析出硬化组成，可以达到理想的韧性。
焊接性能，热影响区(HAZ)韧性取决于相变产品的本质，而不依赖于氮含量。粗奥氏体区，可通过氮钛晶粒有效细化。焊接时热输入达到4kJ/mm时，可获得较好韧性。
㈣结束语
(1)钒氮微合金化技术中，氮作为微合金化元素可以通过优化钒的析出和细化铁素体晶粒，充分发挥细晶强化和沉淀强化两种强化方式的作用，显著改善钢的强韧性配合，其中细晶强化和沉淀强化两种强化方式对强度的贡献超过了70%。同时提高了钢的强度、韧性、延展性、成型性、可焊接性和耐磨性能。
(2)在工艺上，钒氮加入钢中减少铸坯横向裂纹、降低了轧制再加热温度、减少轧制负载、改善轧制条件，从而降低了钢的生产成本。
(3)采用钒氮微合金化技术，热轧条件下可以获得屈服强度为550～600MPa级的高强度钢。由于钒氮微合金化技术显著的技术经济优势，它在高强度钢筋、非调质、高强度板带、CSP产品、高强度厚板和厚壁H型钢以及无缝钢管等产品的开发中获得了广泛的应用。