钒在中高强钢中的应用

钒在中高强钢中的应用

罗伯特·J·格罗多夫斯基

（战略矿物公司)

1 前言

中高碳钢广泛用于许多普通用途。增加碳作为基本合金以提高钢的强度和硬度，这是提高性能的最经济的途径。但是，碳含量的增加也引起了其它效应，包括降低了焊接性能、延性和冲击韧性。这些降低了的性能如果能被接受，则高碳材料增加后的强度和硬度优势可以得到充分利用。高碳钢的通常用途包括锻钢、钢轨钢、弹簧钢（扁钢和圆钢）、预应力混凝土、钢丝、轮胎加固筋、耐磨钢（板及锻钢）、以及高强钢筋。

为了提高钢在这些用途中的性能，通常的做法是，通过最大增加碳的适用量，以使强度和硬度达到最高。根据各种不同的用途碳添加量的限制因素也不同。对于锻钢和棒材，可能是韧性或焊接性能。对于高强钢丝，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将巨大地降低可延性能。

即使不考虑用途，对于增加碳含量也将有一个实际限制。如需要继续提高钢的强度或硬度性能，就必须考虑其它强度机制。在各种可采用的选择中，添加微合金达到析出强化是一个比较常用的做法。

除了增加轧态或锻态强度，添加微合金也能产生其它优势。微合金用于生产细晶粒钢。微合金析出在热处理过程中，通过锁定晶界，防止对于晶粒增长所必须的这些晶界移动，可以阻止奥氏体晶粒增长。

微合金析出，特别是与钒析出, 可以为回火调质钢提供调质阻力。利用调质阻力特性，通过一定的调质周期，可以获得更高硬度和强度的调质马氏体。利用较高的调质温度，在保持硬度的同时，可以提高马氏体的韧性。

2钒的优势

可供选择微合金有铌、钛及钒。其中，由于几方面的原因，钒是一种更受欢迎的添加物。首先，可能也是最重要的，与其它微合金相比，钒碳氮化物《V（C、N）》的高溶解性，使其能在无论是轧制或是锻制的正常加热温度下溶解。氮钛化物（TiN）的溶解能力最低，无论是作为氮化物亦或是碳化物，在高碳钢中作为析出强化剂，通常都无效。铌碳氮化物《Nb（C、N）》与钒相比，其溶解能力也较低。由于碳是与铌析出的优先选择元素，这种钢中的高碳含量，甚至更进一步降低了铌的溶解能力。在加热高碳钢时铌的溶解量有限，且还要取决于加热温度。对于添加铌量较高的情况，其强化作用将变得不可预测。因为加热温度的一点变化都会导致铌溶解量的巨大差别。

钒碳氮化物《V（C、N）》在高碳钢中更容易溶解，并且没有铌对碳那样敏感。正常加热温度为1150o C到1250o C，在获得合金成分的整个过程内，足以溶解所有的钒碳氮化物。其结果是，钒强化与钒添加量成比例。

钒添加量与强度的线性关系，非常有助于估算满足最小强度所需要的合金添加量。

钒对氮具有中性亲和力。添加适量氮以后，钒（碳、氮）析出主要为氮化物，通常为一定钒（碳

0.2

氮0.8）的比例由于钒对氮具有这个优势，氮增强了钒微合金钢的性能。结果是，在氮易引起脆性的地方，氮不再是一种固溶物。钒将氮从一种不被人需要的夹杂元素，变成了合金钢的一个不可分割的组成部分。

由于中高碳钢通常使用无流量控制的计量浇管连铸，由于再氧化问题，用铝进行细晶粒化不可行。在这种条件下，钒可以很容易浇铸。在热处理钢的晶粒细化这一点上，钒成为了铝的优秀替代品。

3 应用

这里叙述了钒微合金中高碳钢的一些应用实例。由于受作者的经验局限，应用实例皆取自北美钢铁业界。在其它市场上可能还更值得注意的，钒在这些钢中有效应用的例子。

3.1锻钢

钒微合金锻钢代替回火调质钢的成本低廉。此

钢种的强度性能在从锻钢温度冷却的过程中由钒（碳、氮）析出演变而成。

在锻态条件下获得最终强度性能，免除了额外增加热处理的成本。这些钢种内在的成本优势，在最近研究中得到了证实，研究结果表明：与回火调质钢相比，机加工成本显著降低。

中碳锻钢，与钒微合金化，锰、硅、铬、氮、硫量相应增加，在许多汽车应用上，替代了回火调质锻钢。曲轴、连轴杆、以及轴梁就是用这些微合金钢，成功制造的部件。合金和工艺上的不断进步，将这些钢种的用途，延伸到了强度和硬度要求更高，更苛刻的使用环境中。

3.2高碳线材

为了使冷拔线材达到应用中更高拉伸强度的要求，比如预应力水泥钢筋腱，在轧态下，就要求线材具有更高的起始强度。珠光体钢的高强度，通过最大限度地增加碳含量，以及生成尽可能细的珠光体间隔来获得。碳含量可以实用的上限取决于某一钢厂的工艺能力。连续晶界碳层的形成，通常在小方坯或大方坯的偏析中心，将决定可以实用的最大碳含量。这类用途典型的最大碳含量是0.82到0.85%。铅淬火由于成本原因，不再具有竞争力，通过增加硬化元素如锰和铬，使其硬化度与线材轧制工艺的控冷能力相当，由此提高强度。其目的是生产出与铅淬火结构类似的细化珠光体。

由于线材冷却工艺的限制，与铅淬火线材相比，通过冷却工艺获得的线材强度仍然落后于铅淬火线材的强度。额外强度增加，通过珠光体，铁素体软构成分的析出硬化获得。钒在线材用的共晶碳锰钢中，广泛用作珠光体强化剂。所得出的报告称，每增加0.01%的钒，强度增加10到16兆帕。钒的高溶解能力可以容许增加0.10%以上的钒，而且可以预见强度增加的最终结果。由于这个可预见的能力，在将钢精炼到特定强度时，选择钒作为强度可控制元素。

需要最大强度的直接拉伸线材的应用，比如预应力水泥钢筋腱，轮胎用子午线以及钢丝，是具有共晶碳的钒微合金珠光体钢的共同用途。

此外，添加钒将可以从固溶物钒（碳、氮）中去处氮。固溶物中的氮在线材拉伸中易于引起应变时效，使成品的延性降低。高延性，通常通过线材拉伸测试进行测量，是利用直接拉伸线材的钒微合金钢所得出的结果。钒将氮从一种不被人需要的成分，转化成了合金系统不可分割的组成部分。

3.3热轧钢筋、型材和板材

在许多需要高强度的长材产品应用中，都要求利用传统轧制工艺，并对碳含量有限制。钒在这些产品中，得到有效应用。其中最主要的用途之一，是高强度加强筋，其焊接性能对碳当量的限制，阻止了使用更高当量的碳。这个用途在本次会议的另一个发言中充分讨论。

现代长材高速轧制设备使得在传统控轧所需低温度下很难精轧。利用钒进行再结晶控轧可以应用于这些轧机，允许细铁素体微结构与高析出硬化一起产生。

这方面使用的一个实例就是，高强度平板条，厚度从10到20毫米，用作平板拖车的法兰。利用钒-氮，或钒-钛-氮所产生的最小屈服强度，为410到550兆帕。在高温范围内，利用再结晶控轧进行轧制，产生大量的细化晶粒，以满足在摄氏负29度时20焦耳的冲击要求。用作平板拖车横梁的高强度结构梁，也是利用同样的工艺生产的。在所有的情况下，都需要掌握氮的含量，以确保所添加的钒达到最大效率。

高强度钢筋的另外一个事例，是用作液压缸的轴。最好选用屈服强度最小为550兆帕的C10V45钢种。为了达到这个强度，钒的用量达到0.10%，碳0.45%、锰0.8%和硅0.25%生产的这种钢筋直径达到为100毫米。

3.4钢轨钢

用钒强化珠光体钢的另外一个事例，是钒在钢轨钢中的应用。用钒微合金钢生产的铁路用钢轨已显示出更高的强度和更高的耐疲劳性。由于这些性能，钒微合金化的钢轨钢显示出其使用寿命的有所提高。

尽管美国的钢轨钢没有微合金化，在许多国家，包括中国，钒合金化钢轨钢是一个普通钢种。这些钢可能用在轧态或热处理条件下。

4 结束语

对钒在中高碳钢中应用的简单陈述，仅仅是钒作为微合金选择的许多用途中的一部分事例。钒在工艺安排以及获得理想性能的效率方面，具有许多优势。这些优势特别是在浇注和高溶解性方面的优势，在加工中高碳钢时，显得特别实用。钒成比例