钒钛铌等微合金元素在低合金钢

鞍钢钒、钛、铌微合金钢的应用与开发

林滋泉 敖列哥 郝 森 鞍山钢铁集团公司

1 前言 七十年代以来，随着国家资源的开发和科学研究水平的提高，钒、钛、铌、氮等合金元素做为开发低合钢的有效元素得到了广泛的应用。我国微合金元素储量丰富，氧化钒的储量达到2500万吨，占世界第三位；氧化钛的储量为6.289亿吨，几乎占世界总储量的45.58%；氧化铌储量为388万吨。因此我国具有发展微合金化钢的巨大资源优势。随着冶金生产设备和工艺技术的更新与变革，微合金元素的使用已使低合金高强度钢领域的品种发生了深刻的变化，微合金元素的开发与应用充实了低合金钢的物理冶金内容和强韧化原理［１］。其中钒的应用已十分广泛，在我国已形成多种牌号的钒钢及钒微合金化钢，我国纳入国家标准的钢种号中，含钒钢牌号有139种，占所有钢种的57%，据

统计我国钢铁业每年用钒量超过2000吨［2］。尽管如此，我国低、微合金钢的生产还没有摆脱数量型发展模式，从低、微合金钢产品结构上看，20MnSi、U71Mn 重轨等条形材及部分16Mn 钢板占了主要部分。若按国际通行计算方法计算，我国真正的低、微合金钢产量比例极低，特别是平材的比例更低，表1给出了1995年中国低、微合金占总钢产量的份额［３］。它表明了中国的低、微合金钢产量、品种结构与世界先进国家差距甚远。在全球经济一体化的今天，在世界钢铁生产能力趋于饱合的背景下，大力发展低、微合金钢，调整产品结构无疑是我国钢铁发展的必由之路。含钒钢及钒、钛、铌微合金钢的开发应用前景非常广阔。

表1 1995年中国低、微合金钢产量份额

年产量(万吨) 低、微合金钢产量

(万吨) 占钢产量比例

(%) 低、微合金钢板产量

(万吨) 占钢产量(%) 9400.0

365.82

3.89

46.0

0.489

2 鞍钢含钒微合金化钢的开发应用

2.1 钒、钛、铌在钢中的微合金化作用

合金元素钒在钢中的有利作用主要是以其碳、氧化物形式存在于基体和晶界上，起到沉淀强化和抑制晶粒长大的作用。钒在铁素体中的溶解度比在奥氏体中的溶解度小的很多，随着相变的进行，在一定的热力学和动力学条件下，钒的碳、氮化物在相界析出，通过在两相区加速冷却，可以细化晶粒，控制其碳、氮化物的析出，其沉淀物的大小和分布，决定了其沉淀强化的效果。由于钒和氮有很强的亲和力，在添加一定量的钒的同时，增加一定量的氮，使其强化效果更为有效。图1表明了鞍钢开发的15MnVN 钢板不同温度条件下力学性能和析出相参数的关系，说明了在不同析出温度条件下，VC 析出量的变化对钢板力学性能指标的影响。一般通过钒在铁素体中的沉淀析出，可使钢的强度增加

100MPa 以上。

图1 950℃水冷后不同加火温度下析出相与

力学性能的关系

除了钒以外，钛元素也在低、微合金钢开发中起了重要作用，在低合金高强度钢中加入微量钛即

可有效抑制钢中奥低体晶粒长大，尤其是对高温区奥氏体晶粒长大的抑制作用更为明显。由于钛的析出可固定焊接件粗晶区的自由氮，并抑制焊缝区的晶粒长大，对钢的焊接性能有很大改善。80年代中期，鞍钢有机会从国外进口较低价格的铌铁，逐步深入开展了含铌低合金钢的研究，由于铌在低C-Mn 钢中固溶阻滞或析出机制有明显

图

2 Nb、Ti 对钢再结晶性能的影响

的抑制高温氏体再结晶发生的效果，使含铌钢在控轧控冷工艺中显示出很大的优越性。图2给出了Nb、Ti 对奥氏体再结晶的影响。钒、铌、钛的复

合作用也是近年来鞍钢开展的工作之一。如作为九江大桥用钢的15MnVN，对其母材及焊接接头的时效韧性提出了较严格的要求，而15MnVN 钢经大线能量焊接后，熔合线附近区域中固溶氮量增加，韧性下降，应时效不足［４］，国外非调质大线能量用钢多采用加入微量钛的方法，利用TiN 的析出以固定焊后粗晶区中自由氮，并抑制晶粒粗化，提高韧性。图3给出了含钛量不同的三种15MnVN 钢焊接粗晶区的奥氏体晶粒尺寸，表明了在t8/5=60s 时的大线能量焊接热循环条件下微量钛的作用，晶粒度保持在7-8级。图4给出了微量钛对15MnVN 钢焊接粗晶区析出相的影响。表2是加入微量钛(0.029%)与未加钛的母材时效后的冲击韧性结果对比。加钛后后15MnVN(C)钢母材对应变时效敏感性明显下降，时效后的冲击韧性也有所提高，特别是裂纹扩展功在总功中所占比例(59%)大大高于未加钛的A 钢(38%)。说明钛与氮更强有力的结合使母材中自由态氮原子进一步减少。既使经过5%塑性应变后，在时效处理中也不易形成钉扎位错的柯氏气团，显现出较小的脆化倾向。衅5给出了含钛0.029%的15MnVN 钢与不含钛钢的时效冲击韧性对比，在-40℃下粗晶区时效韧性仍达到36J/cm2，而不含钛的钢在室温下冲击值也只有20J/cm2，说明在15MnVN 钢中加入微量钛对提高粗晶区韧性有明显作用。

图3 钛含量对15MnVN 钢焊接粗晶区和奥氏体晶粒度的影响

表2 15MnVN 钢母材应变时效试验结果

示波冲击功(-20℃，J)

钢种

应变时效处理状态

总冲击功 裂纹形成功裂纹扩展功时效敏感系

数% 未时效 47.5 17.9 29.4 - 15MnVN(A) (未加钛) 应变量5% 25 13 11.9 47 未时效 45 19 26 - 15MnVN(C) (Ti0.029%)

应变量%

30 14 16

35

图4 钛对15MnVN 钢焊接粗晶区析出相的影响

图5 含0.029%钛与不含钛15MnVN 钢的时效

冲击韧性对比

钒在低合金高强度钢中还会影响到钢的转变

特性，它能速珠光体的形成。鞍钢开发的重轨U75SiMnV，在较高的碳、锰含量下加入钒，提高了钢轨的强度和耐磨性。

钒能够显著提高热轧珠光体钢的强度，主要是钒为强烈形成碳化物元素。当钢在加热时，钒和碳、氮化物固溶于奥氏体中，在轧制和冷却过程中以钒的碳、氮化物形态析出，起到了强化的作用。

2.2 鞍钢钒、铌、钛钢的开发与应用 鞍钢是中国最早开发应用低、微合金钢的钢厂之一。中国第一个低合金钢种16Mn 就是由鞍钢开发出来的。七十年代起，钒、钛开始得到广泛应用。八十年代由于铌铁价格下降，含铌的低合金钢研究得以深入。近年来V、Ti、Nb 复合微合金化的研究成为人们关注的焦点。在微合金钢中采用复合微合金化结合控轧、控冷工艺，通过控制复合加入的微