钒微合金钢的工艺、显微组织和性能

微合金钢的冶炼工艺和性能
李新宇材料工程2014730023
摘要: 微合金钢是在普通软钢和普通高强度低合金钢基体化学成分中添加了微量合金元素(主要是强烈的碳化物形成元素，如Nb、V、Ti、Al等)的钢，合金元素的添加量不多于0.20％。

添加微量合金元素后，使钢的一种或几种性能得到明显的变化。

经常通过加入少量的铌或钒、或钛来提高钢的强度。

这些元素通过沉淀硬化很经济地达到强化的目的。

关键词: 微合金钢;强化; 性能
1 引言
微合金化的高强度低合金钢是在普通软钢和普通高强度低合金钢基体化学成分中添加了微量合金元素(主要是强烈的碳化物形成元素，如Nb、V、Ti、Al 等)的钢，合金元素的添加量不多于0.20％。

添加微量合金元素后，使钢的一种或几种性能得到明显的变化。

典型的微合金钢有15MnVN和06MnNb。

微合金钢中含有一种或几种微合金元素，其含量大约在0.01％～0.20％之间[1]。

微合金钢由于屈服强度高、韧性好、焊接性和耐大气腐蚀性好，可用于大型桥梁建筑，制造各类车辆的冲压构件、安全构件、抗疲劳零件及焊接件，它也是锅炉、高压容器、输油和输气管线，以及工业和民用建筑的理想材料。

2 微合金钢冶炼
微合金化钢是一种特殊质量的钢，要求严格控制杂质元素含量，降低非金属夹杂物数量，调整硫化物的形态和分布；微合金化钢冶炼类同于低碳钢，所不同的是更要注意钢的脱氧和脱硫，研究合金料的加入顺序，以提高收得率；微合金化钢的精炼工序是不可缺少的，根据不同的成分规范和钢材品种，选用合适的精炼条件的组合，尤要防止钢水二次氧化和连铸过程产生各种缺陷。

1.1 Nb微合金钢
采用普通级Nb 铁冶炼Nb 微合金化钢。

Nb 铁的熔点在1580—1630℃，但Nb 铁在钢水中不是熔化过程，而是溶解过程，1600℃时的溶解速度大致为20mg ／Cm2·秒，所以要根据炼钢炉型和钢包公称容量选择Nb 铁的块度[3]。

Nb 对氧的亲和力要比V、Ti、Mn 低，加入镇静钢中的收得率高达95%以
上，在钢包精炼期加入Nb 铁是普遍采用的工艺，Nb 铁常在Si、Al 和Mn 铁之后加入。

钢包吹氩有利于Nb 在钢水中的均匀分布，尤其是对于Nb 含量较低的钢。

在现代化的冶炼条件下，能达到Nb 的标准偏差小于0.0015%[2]。

1.2 V微合金钢
V 对氧的亲合力比Nb 强，所以要充分预脱氧，并且要确保在Si、Al 加入之后添加。

由于V 在钢中的溶解度高于Nb 和Ti，尤其是在较高的C 和N 含量的钢中，但即使在铁素体中，V 的析出也仅在40—50%。

为了发挥V 在钢中的析出强化作用，使钢中V 和N 的化学比接近3.6，以V—N 合金的形式进行V 微合金化，采用Nit rovan12 合金，每加0.01%V 可以带入离子态0.001%N[5]。

增加钢中氮含量，在相同的析出强化效果下，可以节约合金元素V 20～33%。

1.3 Ti微合金钢
Ti 在钢中与O、N 的亲合力远比Nb、V 强，Ti 在钢中一般以Ti、TiN、TiS、Ti4C2S2及TiC的化合物形式存在，在60 年代以前，普遍认为含Ti 的钢是不洁净的，含有大量的O、N、S 的夹杂物。

只是在精炼技术用于生产之后，Ti 微合金化钢得到了肯定。

Ti 微金合化趋向于低Ti（0.02—0.03%）或微Ti（＜0.015%），还必须选择适宜的连铸保护渣，以防止结瘤和改善连铸坯表面质量[4]。

3 微合金钢的性能与强化机理
3.1微合金钢的力学性能
通过拉伸试验可得到微合金钢的力学性能数据，接着可以知道添加微量合金元素V、Nb、Ti后钢材的屈服强度得到明显的提高,同时还保留了较好的塑性变形能力。

通过对钢组织的微观结构的考察,认为其强化机理主要来自于微合金元素的氮/碳化物在钢中的析出强化,铁素体和奥氏体的细晶强化,以及相变强化3个方面。

3.2微合金钢的强化机理
1) 细晶强化
在各种强化手段中,细化晶粒是唯一可以提高材料的强度,同时又可以改善材料塑性和韧性的有效途径。

首先晶粒大小与材料屈服强度之间遵循所谓的Hal-l Petch关系。

在钢的轧制过程中,每一道次后,再结晶完成即发生奥氏体晶粒的长大。

V、
Nb、Ti的氮化物、碳化物因应变诱导析出,可以有效钉扎奥氏体晶界使晶粒不会长大,其中Ti,Nb的作用比较明显。

V的氮化物、碳化物在1 000e以下具有阻止奥氏体晶粒长大的作用,Nb的氮化物、碳化物阻止晶粒长大作用温度可高达 1 150e,TiN的的作用温度则可高达1250e以上。

在制备过程中,对于微合金化低碳锰钢,先通过提高加热温度,让Nb、V、Ti 等全部或绝大部分固溶于奥氏体中,然后通过2阶段控轧,即在再结晶区控轧及非再结晶区控轧。

未溶的微合金化元素直接钉扎晶界,阻止奥氏体晶粒长大;而固溶于奥氏体中的微合金化元素在快冷及控制轧制、控制冷却过程中以细小弥散第二相粒子沿着奥氏体晶内或晶界、亚晶界处析出。

这些第二相粒子一方面提供了大量形核的核心,以利于形核;另一方面通过对晶界产生的钉扎,在再加热过程中阻止奥氏体晶粒的长大,在再结晶控轧过程中阻止形变奥氏体的再结晶,延缓再结晶奥氏体晶粒的长大。

可使钢中的裂纹不易产生也不易传播,因而在断裂过程中承受了较大的变形量,吸收了更多的能量,相应提高了钢的韧性。

因此,充分利用Nb、V、Ti的微合金化特点,通过控制其加入量,以达到细化晶粒的目的,同时可以提高了钢的强度和韧性。

2) V、Nb、Ti的氮/碳化物对微合金钢的强化
微合金元素V、Nb、Ti的氮/碳化物在钢中的析出强化是指在钢的基体中弥散分布的异质颗粒,还有金属间化合物,亚稳中间相等第二相质点的析出在晶界、运动位错之间产生的相互作用,导致钢的屈服强度、流变应力等力学性能的提高。

其强化效果与第二相质点存在的状态、形态、分布及数量等有关。

3) 微合金钢的相变强化
钢的性能取决于钢的组织结构(或者称为钢的组织及微观精细结构),而组织结构是由相变决定的。

利用相变来改善力学性能就称之为相变强化,相变强化有以下的特征:
(1) 存在一个由化学成分决定的,产生结构变化的母相。

(2) 发生相变又一个成核和长大的过程,例如随冷却条件的变化,相变
有扩散与无扩散之别,在较高温度下的相变过程由扩散控制,低温下的
相变为切变控制机制。

(3) 应变和冷却是2个重要的驱动条件,在外力的作用下,如热加工或
者冷变形;在冷却或者加热的情况下,状态失去了平衡,由高能量向低
能量状态转变[6]。

4 结论
通过添加V、Nb、Ti并对钢中C、N等元素的调整在适宜的制备工艺来控制这些元素的析出行为。

合金元素的析出主要受扩散控制,从而影响新相的成核和长大过程。

钛的碳化物,铌、钒的氮化物可以在高温奥氏体中溶解,在低温奥氏体中析出。

因此能同时通过异质颗粒的弥散析出以及对铁素体、奥氏体晶粒的细化2种机制来实现对钢的强韧化效果。

参考文献
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