第27卷 第4期2005年8月四川冶金Sichuan MetallurgyVol.27 No.4August,2005钒氮合金的应用及展望孙凌云1 柯晓涛2 蒋业华1(11昆明理工大学 云南昆明 650093;21攀枝花钢铁研究院 四川攀枝花 617000)【摘 要】 介绍钒氮微合金化的机理及其在高强度钢筋、非调质钢、高强度厚壁H型钢和CSP产品等产品开发中的应用。
从高强度钢筋市场得出,钒氮合金有着广阔的市场前景。
【关键词】 钒氮合金 微合金化 应用APPLICATION AN D PR OSPECTS OF VN ALLOYSun Lingyun1 Ke Xiaotao2 Jiang Yehua1(1.Kunming University of Science and Technology,Yunnan,Kunming 650093;2.Panzhihua Iron and Steel Research Institute,Sichuan,Panzhihua 617000)[Abstract] The paper introduces the mechanism of V2N microalloying technology and the applica2 tions of V2N microalloying technology in high strength reinforced bar,non2quenched and tempered steels,high strength and thickness H2shape steel,CSP products and so on.The prospect of VN alloy is broad through the bazaar of high strength reinforced bar.[K ey w ords] VN alloy,microalloying,application 钒氮合金作为一种新型的合金添加剂,在含钒微合金化钢中正在得到广泛的应用。
国内最典型的成功应用实例是以HRB400MPaⅢ级钢筋为代表的长条产品,钒氮合金代替钒铁进行钒合金化,可以显著提高钢筋强度,而不影响塑性和焊接性,与此同时,在保证钢筋一定强度的情况下可以减少合金的加入量,降低合金化成本,因此目前国内许多钢铁企业已采用钒氮合金生产高强钢筋。
近年来,钒氮合金化技术还在非调质钢、高强度厚壁H型钢、CSP 产品以及工具钢中得到应用研究。
采用钒氮微合金化技术开发的相关产品,质量优良、稳定,合金化成本低,经济效益十分显著,促进了钢铁产品升级换代。
1 钒氮合金的应用基础研究钒氮微合金化技术通过充分利用廉价的氮元素,优化钒的析出,从而更好地发挥细晶强化和沉淀强化的作用,显著提高钢的强度。
采用钒氮微合金化技术,在低钒含量下获得了高强度,可明显节约钒用量,降低钢的成本。
目前,国外钒氮合金化技术在高强度钢筋、结构钢板带及型钢、无缝钢管、非调质钢、高碳钢线棒材以及高速工具钢等产品中获得了广泛应用。
钒氮微合金化技术在我国高强度焊接钢筋、型钢、非调质钢、热轧板、CSP高强带钢、高强度H型钢及高速工具钢等产品中已经或正在得到应用,采用钒氮微合金化技术开发的上述产品,质量优良,合金化成本降低,经济效益十分显著,从而促进了钢铁产品升级换代。
1.1 钒氮合金在钢中的作用机理国内外大量研究结果表明,钒氮微合金化技术主要是通过钢中增氮后对钒的析出动力学的影响,优化了钒的析出状态,增加了钒的析出强化效应,以及由此带来的细晶强化效应等作用,从而改善钢的性能。
(1)析出强化:钒钢中增氮后,原来处于固溶状态的钒转变成析出状态的钒,使V(CN)析出相的数量成倍增加,从而充分发挥了钒的沉淀强化作用。
低氮钒钢中,近60%的钒固溶于基体,只有35%的钒以V(CN)形式析出;而高氮钒钢中则完全相反, 70%的钒以V(CN)形式析出,只有20%的钒固溶于基体。
说明钒钢在缺氮的情况下,因氮含量的不同,钒没有充分发挥析出强化作用,主要以固溶强化形式起作用;高氮钒钢中,钒由于优先与氮结合,大部分以V (CN )的形式析出,钒主要以沉淀强化形式起作用,强化机制发生了变化。
一般来讲,钒的固溶强化作用不如沉淀强化作用大,因此通过增氮来改变钒的分布状态,充分利用钒的析出强化作用提高钢的强度,是含钒钢提高强度的一条重要途径。
(2)在含钒钢中,氮与钒结合不仅可以提高钒的强化效应,而且可以减少其负面影响,充分利用氮作为合金元素来进一步提高钢的强度。
(3)钒氮微合金化通过优化钒的析出和细化铁素体晶粒,充分发挥了晶粒细化强化和沉淀强化两种强化方式的作用,大大改善了钢的强韧性配合,对高强度低合金钢强度的贡献超过了70%,充分体现了微合金化在技术经济方面的优势。
1.2 钒氮合金的加入方法大量的试验和生产实践表明,钒氮合金在炼钢过程中可采用与钒铁合金相同的加入方法,不需要采取特殊措施。
对于转炉冶炼工艺,如不经真空处理,通常在出钢1/3时直接加入钢包内,出完钢后进行吹氩搅拌,以保证钒氮合金充分熔化和成分均匀;如需真空处理,则在真空处理过程中加入钢包内。
通常钒、氮的收得率可以分别保持在90%以上和60%以上。
1.3 钒氮合金的增氮效果钒氮合金的应用为钒、氮同时合金化提供了一个新途径。
与采用钒铁合金化方法相比,钒氮合金化可以在加钒的同时增氮,解决了过去增氮不易的问题。
大量的试验和生产实践表明,采用钒氮合金,每增加0.01%V ,可增氮10ppm 左右。
采用攀钢生产的钒氮合金,钒的收得率在90%以上,氮的收得率在70%左右。
转炉冶炼条件下,钢中氮含量水平在40～60ppm 范围。
钒氮合金化与高钒铁合金化相比,在合金加入量相同的情况下,钢中氮含量通常可达80ppm 以上,钒氮合金的增氮效果十分显著[1]。
2 钒氮合金在钢中的应用2.1 高强度焊接钢筋国内外生产400MPa 级以上钢筋的方法主要有两种:一种是微合金化,另一种是轧后余热处理。
由于微合金化方法不需要较大地改变炼钢或热轧操作,而轧后余热处理方法投资大,自动化程度要求高,因此,普遍采用微合金化方法生产,其中钒微合金化的应用最广泛。
表1给出了我国采用V 2N 微合金化技术开发HRB400钢筋的应用实例。
与含V 钢筋相比,V 2N 钢筋在相同强度水平下钒的添加量减少50%左右,达到了0.03～0.04%低钒含量水平,见图1。
V 2N 钢筋不仅成本低,而且性能稳定,强度波动小,冷弯、焊接性能优良。
大批量的工业试制结果表明,V 2N 钢筋屈服强度波动范围在425～490MPa 之间,达到了一级抗震指标的要求。
表1钒和钒氮微合金化400MPa 级级钢筋的成分和性能化学成分(/%)力学性能CSi Mn V N R e L (MPa )R m (MPa )A (%)R e L/R m (%)V 钢0.18～0.220.45～0.60 1.25～1.450.07～0.090.004～0.005430～540585～68018～310.70～0.80V 2N 钢0.18～0.220.45～0.601.25～1.450.03～0.040.007～0.009425～495575～66022～320.71～0.77图1 V 2N 微合金化钢筋中的V 的节约 西方发达国家开发的500MPa 级以上高强度焊接钢筋,也均采用了V 2N 微合金化技术。
无论是电炉还是转炉工艺生产的高强度焊接钢筋,均是采用V 2N 微合金化的技术路线(表2)。
对电炉生产的表2 德国屈服强度500MPa 以上钢筋的典型化学成分(%)生产工艺R e L (MPa )C Si Mn V N 转炉>5000.16～0.200.30～0.40 1.20～1.400.08～0.12<0.018>6000.16～0.220.35～0.45 1.20～1.600.12～0.15<0.018电炉>5000.16～0.200.25～0.350.90～1.200.06～0.08<0.018>6000.16～0.220.35～0.451.00～1.400.08～0.12<0.018·31·第4期 Sichuan Metallurgy500MPa级焊接钢筋,添加0.06～0.08%V+(120～160)×1026[N]即可满足要求;而对转炉钢,由于残余氮含量比电炉钢低,需要添加更高的钒含量。
钒氮微合金化技术为生产低成本高强度焊接钢筋开辟了一条经济有效的途径。
氮的加入大大减少了钢筋中钒的用量,节约量达到50%,显著降低了微合金化的成本。
2.2 非调质钢在中碳钢中添加少量的微合金化元素钒,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质钢所要求的强度水平。
这是非调质钢合金设计的一个基本原则。
表3列出了世界部分国家非调质钢的钢种和化学成分。
可以看出各国开发的非调质钢均采用了钒微合金化技术。
根据强度级别的不同,非调质钢中钒的添加量一般在0.06～0.20%范围。
表3各国非调质钢钢种及化学成分(%)级别C Si Mn S V Ti N德国MnVS系列0.25～0.400.50～0.80 1.3～1.60.02～0.0350.08～0.150.02—英国VANARD0.30～0.500.15～0.35 1.0～1.5≤0.100.05～0.20——瑞典V229030.30～0.350.50～0.70 1.4～1.60.03～0.050.07～0.120.015～0.0300.015～0.020 (Volvo)V229040.36～0.400.50～0.70 1.2～1.50.04～0.060.07～0.100.015～0.0300.015～0.020中国YF系列0.30～0.500.30～0.60 1.0～1.50.035～0.0750.06～0.13——F35MnVN0.32～0.390.20～0.40 1.0～1.5≤0.0350.06～0.13—≥0.009 为了有效地发挥钒的沉淀强化作用,非调质钢中增氮是必要的,研究结果表明,非调质钢中增氮至(150～200)×1026对提高钢的性能十分有益。
氮在非调质钢中主要起3方面的作用:(1)促进钒的析出,提高沉淀强化效果;(2)细化晶粒;(3)提高TiN的稳定性。
氮在非调质钢中的细化晶粒作用包括两个方面:一是由于相变过程中V(C,N)的析出,阻碍了铁素体晶粒长大;另一重要方面是高氮钒钢中由于VN或V(C,N)在奥氏体内析出,促进了晶内铁素体(IGF)的形成。