甘肃冶金 2000年12月
第4期
谈微合金元素N b 、V 、T i 在钢中的作用Ξ
杨作宏 陈伯春
(酒泉钢铁公司 甘肃 嘉峪关 735100)摘 要 论述了N b 、V 、T i 在钢中的存在形态,分析了提高钢的强韧性,改善可焊性的微观机理及在钢中的重要作用。
关键词 可能性 形态 溶度积 作用
1 引言
在钢中质量分数低于011%左右,而对钢的性能和微观组织有显著或特殊影响的合金添加元素,称为微合金元素;N b 、V 、T i 是其中最为重要的微合金元素。
在钢中添加微量的N b 、
V 、T i ,可保证钢在碳当量较低的情况下,通过其碳、
氮化物质点(尺寸小于5nm )的弥散析出及N b 、V 、T i 的固溶,细化晶粒,极大地提高钢的强度、
韧性,特别是低温韧性,使钢具有良好的可焊性、使用性。
因此,研究N b 、V 、T i 在钢中的作用机理和微观行为,对钢的品种开发,生产高质量、高附加值的产品如船板、管线钢等有重要的作用。
2 Nb 、V 、T i 在钢中作用的微观基础
211 形成碳化物和氮化物的可能性
图1 一些金属元素形成氧化物、硫化物、碳化物和氮化物的能力和它们的沉淀强化能力N b 、V 、T i 是碳化物和氮化物的
形成元素,这些元素在比较低的浓度
下就能满足这种要求。
在周期表中,它
们的位置彼此靠得很近。
图1指出,对
于一定的金属元素,从 组到 组,形
成氧化物、硫化物、碳化物和氮化物的
可能性是逐渐增强的(从右上角至左
下角)。
形成沉淀强化所需要的碳化物
或氮化物,N b 、V 、T i 有同等的倾向。
212 在钢中的存在形态
N b 、V 、T i 为强碳化物形成元素,
常温时,在钢中大部分以碳化物、氮化物、碳氮化物形式存在,少部分固溶在铁素体中,在脱氧不完全的钢中,也会
2Ξ收稿日期:2000204205
出现氧化物T i O 2、V 2O 3等。
这对N b 、V 、T i 是一种浪费,且氧化物对性能有害,应避免。
钢加热时,其碳、氮化物随温度升高,逐渐溶解,直至全部溶解到奥氏体中;冷却时,随温度降低,溶解度减小,其碳、氮化物逐渐析出。
正是这种行为,演绎出N b 、V 、T i 对钢性能的改善作用。
213 碳、氮化物的溶度积(溶解度乘积)
钢加热奥氏体化时,N b 、V 、T i 与奥氏体中的碳、
氮亲和性不同,这种差异导致了它们的碳、氮化物有不同的溶度积,如图2所示。
由图2可知:N b 的碳、氮化物溶度积曲线位置比较接近,V 、T i 的碳、
氮化物溶度积曲线位置相差较大;在加热温度相同情况下,溶解量从多到少的顺序是:V C 、T i C 、VN 、N bC 、N bN 、T i N ;V C 在800℃左右开始大量固溶,T i N 在1150℃以上才开始一定量的固溶。
在铁素体中也有相似的规律,所不同的是其碳、氮化物在铁素体中溶解度更低。
因此,冷却时T i 析出温度最高,N b 次之,V 最低。
图2 Χ中碳化物和氮化物的溶度积
3 Nb 、V 、T i 在钢中的作用
311 细化晶粒
细化晶粒,既可提高强度,又使韧性变好,是最经
济、最有效改善钢性能的方法之一。
31111 阻止奥氏体晶粒粗化
随着加热温度的提高及保温时间的延长,奥氏体
晶粒将愈趋粗大,而粗大的奥氏体对钢的加工性及细
化铁素体不利。
加入N b 、V 、T i 可以阻止奥氏体晶粒
长大,提高钢的粗化温度。
这是由于它们的碳、氮化物
弥散的小颗粒能对奥氏体晶界起固定作用,阻碍奥氏
体晶界的迁移,亦即阻止了奥氏体晶粒长大。
图3给出
了碳钢与N b 、V 、T i 钢奥氏体晶粒尺寸随加热温度的
变化曲线,图4示出了微量元素含量对奥氏体晶粒粗
化温度的影响。
图3 Χ晶粒尺寸与加热温度的关系 图4 含量对Χ晶粒粗化温度的影响
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31112 细化铁素体晶粒
随着轧制的进行,温度逐渐降低,N b 、V 、T i 的碳、
氮化物在奥氏体中的溶度积减小,加之形变诱导析出的作用,其碳、氮化物在奥氏体向铁素体转变之前弥散析出(析出的质点越小越好,尺寸应小于5nm ,如大于100nm ,成为夹杂物,对钢的性能不利),成为铁素体的形核剂,使铁素体在较小的过冷度下大量形成,不易长大,从而细化了铁素体晶粒。
随含量的变化细化晶粒的效果如图5所示,N b 的效果最为明显,T i 次之,V 最差。
图5 含量对热轧状态下晶粒大小的影响312 提高奥氏体再结晶温度
N b 、V 、T i 及碳、
氮化物在奥氏体中的溶解度较大,温度较低时,奥氏体为过饱和固溶体,此时变形会诱导过
饱和奥氏体发生沉淀;这些细小的沉淀物较多的分布于
变形的奥氏体晶界或亚晶附近,抑制了晶界迁移而对再
结晶具有显著的延迟效果,之所以能抑制晶界迁移是由
于:①N b 、V 、T i 偏析于晶粒边界而引起的溶质原子的拖
拉作用;②其碳、氮化物在晶界弥散分布而引起的钉扎作
用。
提高奥氏体再结晶温度,可扩大未再结晶区,这对在
未再结晶区控轧非常有用。
313 改善钢的焊接性能
钢在使用过程中,经常要进行焊接,焊接接头是其薄弱环节,特别是热影响区,最易在此破坏。
在钢中添加微
量的N b 、V 、T i ,一方面,可在减少碳当量含量的同时,提高强度,从而提高钢的焊接性能;另一方面,将不纯物质如氧、氮、硫等固定起来,从而改善钢的可焊性;其次,由于其微观质点的作用,例如T i N 在高温下的未溶解性,可阻止热影响区晶粒的粗化,提高热影响区的韧性,从而改善钢的焊接性能。
4 结束语
如文中所述,N b 、V 、T i 在钢中的作用有:
(1)阻止奥氏体晶粒粗化;
(2)细化铁素体晶粒;
(3)提高奥氏体再结晶温度;
(4)改善钢的焊接性能。
除此之外,还有许多重要作用,如固溶强化、沉淀强化、控制夹杂物形态等,限于篇幅,未及论述;随着认识的深入,控轧控冷水平和高性能需求钢的提高,N b 、V 、T i 在钢中将会扮演更重要的角色。
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