钒氮合金的研究现状及发展趋势

钒氮合金的研究现状及发展趋势

姓名：廖小兵

学号：200811103036

1. 前言

对于钒在钢中的作用，过去人们一直普遍关注的是它对析出强化的贡献，而对其晶粒细化作用研究较少【1】。随着国内外对钒氮合金(VN)研究工作的不断深入，人们充分认识到钒氮合金的有益作用。据近代科学的研

究发现，当某些钢中含有一定量的合金元素和一定量的氮时，经热处理后

可是钢的性能大幅度提高【2】。钒氮合金是一种新型合金添加剂，可以替

代钒铁用于微合金化钢的生产。氮化钒添加于钢中能提高钢的强度、韧性、延展性及抗热疲劳性等综合机械性能，并使钢具有良好的可焊性。原因在于，钒氮合金钢中，在奥氏体中析出的V(C,N)在相变过程中，可以作为铁素体的形核核心，诱导晶内铁素体(IGF)的形成，可提高铁素体的形核率【3】。

在微合金化钢生产中，VN因具有节约钒的添加量，降低成本，钒、氮收得率稳定，减少钢的性能波动，比钒铁具有更有效的沉淀强化和晶粒细

化作用和节约20%~40%【3】的钒的优点，从而降低生产车让你本。故作

为一种高强度低合金钢最经济有效的添加剂，具有积极的应用价值。国内

最典型的成功用用实例是以HRB400Mpa[I]级钢筋为代表的长条形产品。近年来，钒氮合金化技术还在生产非调制钢、高强度厚壁H型钢、GSP产品以及工具钢中得到应用研究。

2. 钒氮合金的研究及应用现状

2.1. 国外情况

(1)印度Bhabha原子研究中心的Tripathy等在1500℃高温下，碳热还

原V2O5、渗氮制取氮化钒。

(2)荷兰冶金研究所的Middelhoek等用V2O5或偏钒酸铵，采用还原气体在流动床或回转管中于800-1200℃下，还原制取含74.2%-78.7%的V，

4.2%-16.2%的N，6.7%-18.0%的C的氮化钒。

(3)美国联合碳化物公司的Downing、Merkert、Goddard等分别用不同

的几种方法制取氮化钒：①V2O3、铁粉及碳粉在真空炉内于1350℃下保温60h后得到碳化钒，然后将温度降低至1100℃时通入氮气渗氮，并在氮气气氛中冷却，得到含78.7%V、10.5%C、7.3%N的氮化钒；②用V2O5和碳混合物在真空炉内加热到1100-1500℃，抽真空并通入氮气渗氮，重复这样的过程数次，最后得到含碳、氧均低于2%的氮化钒；③用钒化合物(V2O3或V2O5或NH4VO3)在NH3或者氮气和氢气混合气氛下(部分高温还原成氮氧钒)，再与含碳物料混合，在惰性或氮气气氛下于真空炉内高温处理，制得含碳7%的氮化钒【4】。

(4)在中碳钢中添加少量的微合金元素钒，依靠细小的碳氮化钒的析出，强化铁素体-珠光体组织从而达到传统的调制刚所要求的强度水平。这是非调制钢的一个基本原则。表1【5】列出了世界部分国家非调制钢的钢中和化学成分。可以看出各国的开发的非调制钢均采用了钒微合金化技术。根据强度级别的不同，非调制钢中的钒的加入量一般在0.06-0.20范围内。

(5)国际上GSP上产线主要采用电炉工艺来冶炼。电炉钢中较高的氮含量[(80~100)×10~6]不仅加剧了含Nb钢连铸坯形成横向裂纹的倾向，而且由由于NbCN在奥氏体的析出，减弱了Nb的细化晶粒的效果并降低Nb的强化作用。针对GSP工艺的上述特点。其合金设计的原理应作出相应的调整。V-N微合金化技术的发展位为高强度GSP产品的开发开辟了一条有效的途径。

(6)日本川崎公司利用V-N形成晶内铁素体(IGF)的技术来细化组织的方法，并与再结晶控扎工艺(RCR)相结合的第三代TMCP工艺，开发了一种厚壁为80mm的高强度H型钢产品。

2.2. 国内情况

(1)1991年攀枝花钢铁研究院采用惰性气体保护用多钒酸铵(APV)为原料研制了碳化钒。当时产品的表观密度只有400kg/m3左右，只能应用于粉末冶金。后来又有FeV80为原料研制了氮化钒铁尽管解决了产品表观密度的问题，但是生产成本很高，产品无生存空间【6】。

(2)国内攀枝花钢铁公司于2001年12月申请了一个“氮化钒的生产方法”

专利，该专利提供了一种钒合金的生产方法，是将粉末状的钒氧化物、碳质粉剂和粘结剂混合均匀后压块、压块、成型，再将成型后的物料连续加入制备炉中，同时向制备炉通入氮气或者氨气作为反应和保护气体，制备炉需要加热到1000~1800℃，物料在该温度区域发生碳化和氮化反应，持续时间小于6h，出炉前要在保护气氛下冷却到100~250℃，出炉后即获得氮化钒产品，该产品为块状或颗粒状，其表观密度大于3000kg/m3。(3)北京科技大学的王功厚等用V2O3和活性碳在高温真空钼丝炉内先制取碳化钒，然后通入氮气渗氮，得到氮化钒【7】。

(4)为了推动钒氮合金在钢中的应用，攀钢早在90年代就相继开展了钒氮合金在线材、型材、特殊钢等典型钢中的应用研究，获得了一批有价值的研究成果，为钒氮合金的推广应用提供了基础数据和技术设备，下面这一方面的情况作一简介。

(a)攀钢是最早开展钒氮合金在20MnSiV级钢筋中的应用研究单位

之一，为400MPa级含钒钢筋的推广应用进行了系统的研究工作。通过研究和生产实践，形成了一套合理的生产工艺制度，产品质量稳定。

(b)近年来，随着铁路运输提速重载的发展要求，迫切需要开发能够

满足我国即将生产的C80主力型用高强、高韧、耐腐蚀、屈服强度≥400MPa级高强耐候新钢中。结合过去攀钢在微合金强化机理研究基础，采取了特有的V-N微合金化技术，开发了强度级别在400MPa以上的高强耐候310乙字钢。

(c)铁道车辆用高强耐大气腐蚀热轧钢板是攀钢为满足我国铁路运输

提速和重载的发展需要而最新开发的产品。采用钒氮合金化技术保证热轧钢板具有较高的强度，形成了400MPa、450MPa、500MPa级别的系列产品的生产能力，配合其它耐蚀元素使钢具有良好的耐蚀性【9】。

(d)1999年攀钢采用钒氮合金进行了F35MnVN钢的生产应用试验，

结果表明钒氮合金收的率稳定，钒、氮的收得率分别达到90%，70%左右。另外，2001年攀钢采用钒氮合金进行了32Mn2SiCrV非调制钢无缝钢管的坯的试制【10】。

3. 钒氮合金的发展趋势

目前，国际钒市场竞争激烈，要想占领市场主要取决于厂家的生产技术、产品质量和成本的高低。氮化钒盒饭铁作为合金添加剂在钢中应用时，前者钒的有效利用率高，有利于降低炼钢成本。

伴随着我国加入世界贸易组织，钢铁行业产品结构调整是当前的首要任务。采用钒氮合金化，可以在最经济的条件下促使钢铁产品升级换代。