氮含量对钒微合金钢组织性能的影响

氮含量对钒微合金钢组织性能的影响

张开华1雍岐龙2

（1. 攀枝花钢铁研究院，攀枝花617000；2.钢铁研究总院结构所，北京100081）

摘要为了研究钒的析出形式对微合金组织和性能的影响，检验了实验室轧制的不同氮含量的两种钒微合金钢的组织和性能，结果表明，在轧后水冷条件下，V钢的组织中仅有极少量的铁素体，而V-N钢有大量的晶界铁素体。在轧后空冷条件下，两种钢的组织均为铁素体+珠光体，V-N钢的铁素体晶粒比V钢细小，由于V-N钢中V(C,N)析出温度高，析出粒子粗大，对强度贡献较小，V-N钢的屈服强度和抗拉强度比V钢低，延伸率比V钢高。

关键词钒微合金钢组织性能氮含量

The Effect of Nitrogen on Micro-structure and Mechanical Properties

of V-bearing Micro-alloying Steel

Zhang Kaihua1 Yong Qilong2

(1．Panzhihua Iron and Steel Research Institute, Panzhihua, 617000；

2．Central Iron and Steel Research Institute ,Beijing，100081)

Abstract The microstructure and mechanical properties of V-bearing micro-alloying steel of different nitrogen content have been studied at laboratory. The results show that the ferrite exists scarcely in V steel, and the grain boundary ferrite exists in V-N steel with water-cooling after rolling. With air-cooling after rolling, the temperature of V(C,N) presentation in V-N steel is higher that in V steel, the ferrite grain size of V-N steel is finer than that of V steel, the yield strength and tensile strength of V steel is higher than that of V-N steel, the elongation is lower than that of V-N steel.

Key words vanadium, micro-alloying steel, structure, mechanical properties, nitrogen

1 引言

高强度微合金钢中，加入微合金元素的目的是产生晶粒细化和沉淀强化，提高钢材的性能。钒作为重要的微合金元素，其主要作用是强烈的沉淀强化作用以及易于控制。

在钒微合金化钢中，氮被认为是一种廉价的有效的微合金化元素，钒在钢中作用的大小与钢中的氮含量有很大的关系，有研究表明，在长棒材生产中，每增加0.001%的氮可提高强度约10MPa[1]，在现在，钒氮合金主要应用于以下几个方面：（1）高强度焊接钢筋等长棒材，在这类钢的生产中，一般终轧温度比较高（1000℃以上），冷却速度比较快，钒高温时析出很少甚至基本不析出，氮的加入增加了V(C，N)在铁素体低温析出的驱动力，随钢中氮含量的增加，V(C，N)析出相数量增加、颗粒尺寸和间距明显减小[2]。氮还改变了钒在相间的分布，低氮钢中近60%的钒固溶于基体，有约35%的钒以V(C，N)形式析出；而高氮钢中则完全相反，70%的钒以V(C，N)形式析出，仅剩20％的钒固溶于基体中[3]。（2）非调质钢，氮在非调质钢中的主要作用是：1）促进钒的析出，提高沉淀强化效果；2）细化晶粒；3）提高TiN的稳定性。(3)CSP高强度带钢，因为钒氮钢可以避免Nb钢铸坯裂纹问题，同时也可以通过析出强化提高强度。四是采用V-N微合金化技术与第三代TMCP工艺结合生产的高强度钢板，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，细化铁素体晶粒。综上所述，钒氮合金的应用主要是：（1）利用钒的低温析出的沉淀强化。（2）利用钒的高温析出，促进晶内铁素体形核。

为了充分发挥钒在钢板的作用，研究V的不同析出形式对钢板的组织和性能的影响是必要的。本文研究了在空冷条件下不同氮含量的中厚板的金相组织和力学性能，分析钒的析出形式对微合金钢组织和性能的影响。

2 试验材料及试验方法

试验采用50kg真空感应炉冶炼的低碳含钒钢，化学成分见表1。钢锭锻成40mm厚的坯料后，在箱式电阻炉中加热到1200℃，保温1h，在实验室轧机上经过3道次轧制，轧成8.6mm厚的钢板，实验室轧制工艺方案见表2。

表1试验钢化学成分(%)

Tab.1 Chemical composition of tested steels(%)

序号 C Si Mn S P V N

V钢0.12 0.25 1.10 0.009 0.016 0.150 0.0028 V-N钢0.13 0.24 1.04 0.009 0.015 0.157 0.0190

表2实验工艺方案

Tab.2 Process parameters of experiment

编号第一道次开轧温度/℃第一道次变形量/% 第二道次变形量/% 第三道次变形量/% 冷却

1 900 40 40 40 水冷到室温

2 900 40 40 40 空冷到室温

3 900 40 40 40 空冷到600℃后炉冷

在钢板上制取金相和力学试样。金相试样经研磨抛光后，用3%的硝酸酒精腐蚀，在NeophotⅡ光学显微镜下观察试验钢的显微组织。采用拉伸试验测量试验钢的屈服强度、抗拉强度和延伸率。

3 试验结果

3.1金相组织

试验钢金相组织见图1～图3，图1为水冷到室温时的金相组织，从图1可见，在轧后水冷条件下，V 钢的组织中仅有极少量的铁素体组织，而V-N钢存在较多的晶界铁素体，部分铁素体组织已经从晶界向晶内扩展。

图1 工艺1的金相组织（a为V钢，b为V-N钢）

Fig.1 The typical microstructure of process 1（a: V steel，b: V-N steel）