钒氮微合金化高强度钢的研究及应用

晶粒细化是各种强化机制中唯一既能提高钢 的强度和韧性, 又能降低脆性转折温度的方法, 见图 1。钒氮微合金化细化晶粒的机制如下述。
图 1 不同强化机制对钢韧脆转折 温度的影响[ 3]
1- 晶粒细化强化 2- 沉淀强化 3- 位错强化 4- 碳含量强化
2 1 1 阻止奥氏体晶粒粗化 无论是加热温度的提高或保温时间的延长,
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图 4 钒氮钢中各种强化机制对屈服 强度的贡献[ 16]
3 钒氮合金的增氮效果 与采用钒铁合金化方法相比, 钒氮合金可以
在加钒的同时增氮。图 5 为采用攀钢生产的钒氮 合金在 20MnSiV 钢中的增氮效果, 当钢中的钒含 量由 0 05% 增加 到 0 11% 时, 氮含量 由 76 g g 增加到 123 g g, 增氮效果明 显。采用钒氮合金 每增加 0 01% V, 可增氮 8 g g。添加钒氮合金, 钒和氮的 回 收 率 均 较 高, 一 般 钒的 回 收 率 达 94% 以上, 氮的回收率可达 70% 左右。
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2006年3 月
上海金属 SHANGHAI METALS
Vol 28, No 2 M arch, 2 0 0 6
钒氮微合金化高强度钢的研究及应用
刘 建 王华昆
( 昆明理工大学材料与冶金工程学院, 昆明 650093)
宋立秋 方淑芳
( 攀钢钢研院)
摘要 根据国内外钒氮合金微合金化技术的发展状况, 综述了钒氮微合金化的优越 性和在高强度钢中的强化机制, 并概述了钒氮微合金化在高强度钢中的研究开发和应用状 况。
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具有更强的析出强化效应。 2 2 2 析出驱动力
热力学计算结果表明, 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。随着含氮量的增加, 析出相中碳氮组分发生 了明显的变化, 低氮的情况下, 析出相以 VC 为 主, 随着氮含量的增加, 逐渐变化为 VN 为主的
Key Words VN Alloying, Grain Refinement , Precipitat ion Strengthening, Application
1引 言 铌、钒、钛微合金化技术, 经过 40 多年的
研究, 在合金设计原理、生产工艺、应用领域等 方面都得到了巨大的发展和完善。钒作为唯一既
图 2 含钒氮钢中 VN 析出驱动力[12]
( a) 相同钒含量下不同氮含量情况 ( b) 相同氮含量下不同钒含量情况
2 2 3 沉淀析出状况及对钢强度的贡献 文献 [ 5] 表明, 添加钒 铁的钒钢中, 固溶
钒占总钒量的 56% ~ 60% , 仅有 35% 的钒形成 V ( C , N ) 析出相。这说 明, 钒钢中 大量的钒没 有起到析出强化作用。而钒氮钢中 70% 的钒形 成 V ( C , N ) 析出相, 固溶的钒较少。这表明钒 钢中增氮后, 使固溶态的钒转变为析出态的钒, 充分发挥了钒的沉淀强化作用。
析出相。当钢中氮含量增加到 200 g g 时, 在整 个析出温度范围内, 析出的均是 VN 或富氮的 V ( C, N) [ 11] 。
钒氮钢中 VN 析出驱动力与温度关系见图 2, 在 ( a) 和 ( b) 两种情况下均表明随着温度的下 降, 驱动力是单调增加的, 氮在析出驱动力上起 着决定性作用。
从表 1 可 见。在低 氮的钒钢 中, V ( C , N) 析出相的质量百分数为 0 0498% , 而在高氮的钒 钢中, V ( C , N) 析出 相增 加了 一倍 多, 达到 0 1062% , 也证实了氮在钢中大大促进了钒的析 出。
表 1 氮对析出相的影响
钢种 20SiMnV
C % Mn % V % 0 18 1 50 0 11 0 20 1 41 0 12
Song Liqiu Fang Shufang ( Panzhihua Iron and Steel Research Instie research achievements of VN microalloying technology both at home and
关键词 钒氮合金化 晶粒细化 沉淀强化 应用
THE RESEARCH AND APPLICATION OF VN MICROALLOYED HIGH STRENGTH STEELS
Liu Jian Wang Huakun ( Kunming University of Science and Technology)
奥氏体晶粒都会变得粗大。加入钒可以阻止奥氏 体晶粒长大, 提高钢的粗化温度。这是由于它的 弥散的碳、氮化物小颗粒能对奥氏体晶界起钉扎 作用, 阻碍奥氏体晶界的迁移, 即阻止了奥氏体 晶粒长大[ 4] 。奥氏体晶粒的大小对相变后的铁素 体晶粒尺寸具有关键的作用。 2 1 2 细化铁素体晶粒
氮对含钒 钢具有明显的促 进晶粒细 化的作 用, 据文献[ 5] 介绍, 通过相分析可以看出, 钒钢 中析出相的平均颗粒尺寸为 107nm, 而钒氮钢为 73nm, 钒钢中析出相尺寸< 10nm 的细小颗粒占 21 1% , 而钒氮钢析出相 尺寸< 10nm 的细小颗 粒占 32 2% 。由此可 见氮对含钒钢的 晶粒细化 起着很大的作用。
图 3 氮对钒钢强度的影响[13]
大[ 14, 15] 。钢中增氮后, 氮能强烈地提高析出驱动 力, 钒 以 富 氮 的 V ( C , N ) 形 式 析 出, 由 于 V ( C, N) 在奥 氏体有较高的 溶解度, 因 此几乎 对热变形工艺没影响, 但在冷却过程中会析出, 从而通 过析出沉淀强 化提高钢的强 度水平。与 VC 相比, V ( C , N) 具有更有效的晶粒细化和沉 淀强化作 用。随着钢中 氮含量增加, V ( C , N) 析出数量增加, 颗粒尺寸和间距明显减小, 钒在 钢中的沉淀强化和细晶强化作用加强, 显著改善 了钢的强韧性。图 4 表明了, 钒氮微合金化两种 强化方式对强度 的贡献超过了 70% , 充分体现 了微合金化在技术经济方面的优势。
图 5 钒氮合金增氮效果[ 17] 一般钒 的加入量控 制在 0 04% ~ 0 12% 为 宜, 而 V N 比达 到 理 想 化 学配 比 时 ( V N = 3 64) , 钒能最大程度地析出。因此, 为了充分 发挥钒的沉淀强化作用, 应尽可能使钢中的 V N 比接近理想化学配比。 4 钒氮合金化的实际应用 4 1 开发高强度钢筋 在欧洲, 屈服强度为 500MPa 的 级钢筋和 600MPa 的 V 级钢筋已取代 级钢筋获得广泛应 用。我国目 前也正 在致力 于 级钢 筋 ( 20MnSi 钢) 向 级钢筋的升级换代。以攀钢采用钒氮微 合金化 技术开 发 20MnSiV 钢筋 的应 用情 况为 例, 采用钒铁和钒氮两种合金化工艺, 在相同条 件下, 钒氮合金化钢筋的屈服强度比钒铁钢筋提 高了 40MPa 以上, 且延伸率保 持基本不 变。换 句话说, 钒氮合金的应用可使钒合金的加入量减
按 Ashby- orowan 的第二相 强化模型[ 9] , 析 出强化机制主要有两种类型, 一为 orowan 机制, 二为切变机制。总的来说, 强化效果与析出质点 的平均直径成反比关系, 与析出物质点的体积分 数的平方根成正比关系。另外, 两种机制中究竟 哪种机制起主要作用, 与析出粒子的实际尺寸和 不同碳氮化物的临界尺寸有关。雍歧龙等根据有 关理论[10] , 计算出了微合金钢 中主要碳氮化合 物的尺寸。其中, V ( C , N) 化合物的临界尺寸 与实际的尺寸相近, 因而认为 V ( C , N) 化合物
作者简介: 刘建, 昆明理工大学材料与冶金工程学院, 从事钢的微合金化和高强钢的研发 工作。电话: 0812- 3380661, E- mail : lxj_km@ 126 com
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0 为常数, K 表征晶界对强度的影响程度与晶界 结构有关, d 为晶粒直径) , 随 着晶粒尺寸 d 的 减小, 钢的屈服强度将提高。如果晶粒尺寸减小 1 个数量级, 那么将导致晶粒强化项的增量达到 先前的 10倍。
[ N ] g g V ( C, N) % M3C %
85
0 0498 1 792
180
0 1062 1 159
图 3 则表示了氮含量对各种不同碳含量水平 的含钒钢的强度性能的影响。从图 3 可见, 无论 含碳量大小, 钢中增氮均明显提高钢的强度。
沉淀强化作用取决于钒的加入量和沉淀相的 颗粒尺寸, 质点越细小弥散, 沉淀强化效果越
可控制其在
过程中的相间析出, 又可在铁
素体中随机析出的微合金化元素, 在高强度低合 金钢中得到了广泛的应用。
钒微合金 化主要采用钒铁 或钒氮合 金的添
加, 大量研究表明, 氮是含钒微合金钢中一种十 分有效 的合金化元素, 其与钒具有 较强的亲和 力, 钢中增氮能优化钒的析出, 起到细化晶粒的 作用, 进而改善钢的强韧性配合, 含钒钢中每增 加 10 g g 的氮可提高强度 6MPa 以上[ 1, 2] 。
本文结合国内外近年来在钒氮合金化技术方
面的研究情况, 介绍钒氮微合金化在高强度钢中 的强化机制及其应用概况。 2 钒氮在钢中的强化机制
钒氮微合金化在钢中主要起以下两种作用。 钢中增氮, 使处于固溶态的钒在冷却过
程转变成析出态的钒, 充分发挥了钒的沉淀强化 作用;
氮在钢中起到明显的细化晶粒的作用。 也即是说, 钒氮微合金化通过优化钒的析出 和细化铁素体晶粒, 可同时发挥晶粒细化和沉淀 强化两种强化方式的作用, 大大改善钢的强韧性 配合, 充分体现钒氮微合金化在技术经济方面的 优势。 2 1 细晶强化作用 根据 Hal-l Petch 关系式 s = 0 + kd- 1/2 ( 式中
因此, 钒氮合金 作为一种 新型的合 金添加 剂, 在含钒微合金钢中正得到广泛的应用。钒氮