钒在中高强钢中的应用

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1、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

2、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

3、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

4、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1150oC到1250oC，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

5、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

6、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

7、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。3.1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

8、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