㈠釩、氮的微合金化特點
⒈釩的特點
(1)溶解度
微合金化元素在奧氏體中的溶解度是一項最重要的要求。對于V來說VN 比VC溶解度低得多；VC、VN要比其它合金相應的碳化物、氮化物的溶解度高。在典型薄板坯連鑄加熱爐內溫度下(1050~115O℃)，V幾乎完全溶解，能夠滿足在軋制初期微合金元素應該固溶在奧氏體中的這一要求。
(2)再結晶
固溶的微合金化元素的溶質拖拽能延遲鑄態組織的靜態再結晶，必須通過增加壓下量或提高溫度來抵償合金元素對再結晶的阻礙作用。在C-Mn鋼中各種微合金化元素0.01固溶量時對再結晶時間的延遲作用，即溶質阻礙參數(SRP：solute retardation parameters)。可以看出，V對推遲再結晶的影響最小，V(C，N)析出物的高溶解度和固溶V的溶質拖拽作用的組合，使得V成為達到鑄態奧氏體再結晶的最小阻力和樹枝狀鑄態奧氏體組織的一種理想的微合金化元素。
⒉氮的作用
(1)析出強化
在釩微合金鋼中，氮增強了釩碳氮化物的析出，并由此增強了析出強化。熱力學計算結果顯示，含釩鋼中增氮提高了碳氮化釩的析出溫度，并增加了其析出的驅動力。隨氮含量的增加，析出相中碳氮組分明顯變化。低氮的情況下，析出相以碳化釩為主，近60%的釩固溶于基體，有約35%的釩以V(C，N)形式析出；隨氮含量的增加，逐漸轉變成以氮化釩為主的析出相。而高氮鋼中則完全相反，70%的釩以V(C，N)形式析出，僅剩20%釩固溶于基體中，當鋼中氮含量增加到200×10-6時，在整個溫度析出范圍，均是析出VN或富氮的V(C，N)。由于氮與釩更強的親和力，氮的加入增加了V(C，N)析出的驅動力，促進了V(C，N)的析出。例如，隨鋼中氮含量的增加，0.13V%鋼中V(C，N)析出相數量增加，顆粒尺寸和間距明顯減小。鋼中缺氮的情況下，大部分釩沒有充分發揮其析出強化作用，可以說是浪費了。增氮后，使鋼中原來處于固溶狀態的釩轉變成析出狀態的釩，充分發揮了釩的沉淀強化作用。由于氮在鋼中優化釩的析出，顯著提高了沉淀強化效果。不同碳含量鋼中，V(C，N)的沉淀強化效果隨氮含量的增加呈線性遞增，最大的強度增量能夠達到300MPa，含釩鋼中每增加10×10-6的氮可提高強度6MPa以上。了解更多相關資訊，敬請關注東莞弘超模具鋼材專業網站www.syfukang.com，海量的模具鋼材最新動態資訊，盡在東莞弘超模具鋼材網站。
(2)細化晶粒
氮在鋼中還具有明顯的細化晶粒的作用。東莞弘超實驗結果表明：高氮釩鋼的相變比率(Dγ/Dα)比碳-錳鋼和低氮釩鋼明顯增加。增氮促進了碳氮化釩在奧氏體-鐵素體相界面的析出，有效地阻止了鐵素體晶粒長大，起到了細化鐵素體晶粒尺寸的作用。氮在鋼中改變了釩的分布，促進了V(C，N)的析出，使析出相的顆粒尺寸明顯減小，從而充分發揮了釩的沉淀強化作用，大幅度提高鋼的強度；通過析出V(C，N)釘扎奧氏體一鐵素體晶界，促進晶體內鐵素體的形成，提高了奧氏體一鐵素體相變比，細化了鐵素體晶粒，改善非調質鋼的強韌性能。
⒊釩與氮微合金化中的交互作用
(1)與其它微合金化元素相比，在一給定的溫度下，釩溶解量更大，可以避免熱軋中釩的碳氮化物析出，而大量的釩可以被保留下來，在奧氏體/鐵素體的轉化(γ/α)之中和之后的冷卻時，產生出稠密的釩的碳氮化物析出。
(2)釩對氮具有中性親和力，釩將氮從“雜質”轉化成一種有效合金。添加適量氮以后，釩(碳、氮)析出主要為氮化物，通常為一定V(C0.2，N0.8)的比例。釩具有通過形成氮化釩，從鐵素體固溶體中除去氮，并使鋼非時效，通過形成無數的氮化釩細晶核，增加強化析出的有效性的雙重作用。
(3)氮成為釩鋼中基本的合金元素后，它極大地提高了釩的碳氮化物核化的動力，同時，也提高了析出物的密度和析出強化的等級。釩氮微合金化通過微合金的析出是以晶粒細化或析出強化的作用體現出來。
(4)氮化釩比碳化釩具有較低的溶解度，氮化物和碳化物不同的溶解度又為通過優化成分組成和軋制規程而獲得晶粒細化和析出強化的最佳組合提供了途徑。通過氮的精確加入可便于釩的碳氮化物析出強化的控制。東莞弘超研究表明，釩添加量與強度的線形關系，非常有助于估算滿足最小強度所需要的合金添加量。
㈡VN微合金鋼的品質設計
⒈各種強化機制對屈服強度的貢獻VN微合金鋼大多為低合金高強度鋼，在對其進行性能設計時首先應考慮的是各種強化機制的貢獻。V-N鋼中各種強化機制對屈服強度的貢獻：強化機制析出強化32％；晶粒細化強化41％；珠光體4％；固溶強化8％；基體15％，由此可見，主要是細晶強化和析出強化，占了大約70%的屈服強度，這一點更表明了加氮釩對低合金高強度鋼的極優的經濟性。
⒉影響屈服強度的相關因素
細晶粒度是大多數高強度低合金鋼獲得必要的強度和韌性的基本要求。VN微合金鋼是在碳錳鋼的基礎上添加適量的微合金元素V、N而制得的。碳錳鋼通過控制軋制或熱處理的方法可生產出晶粒達10μm左右的低碳鋼，這種鋼具備優良的機械性能，向鋼中再加人產生析出硬化的微合金元素V、N等之后，鋼的晶粒進一步變小、強度可進一步提高。
有資料介紹了含Mn和Si固溶強化元素的低碳鐵素體/珠光體鋼的屈服強度預測關系式：
屈服強度(MPa)=88+37(wt%Mn)+ 83(wt%Si)+15.1(d-1/2) (1)
其中d是鐵素體晶粒尺寸(平均截距mm)。
在微合金化鋼中，微合金碳化物、氮化物或碳氮化物在鐵素體中析出都對屈服強度有貢獻。因此，實測的屈服強度值與(1)的預測值之間的差異可以解釋為析出強化對屈服強度的特殊作用。這種析出強化作用可以通過(1)及實驗檢驗的化學成分、晶粒尺寸以及實測的屈服強度值來計算。
東莞市弘超模具科技有限公司實際應用證明，要獲得高于500MPa的鋼強度就必須加入V，高強鋼中通過增氮來優化V(C，N)鐵素體中的析出強化作用，因為富氮的V(C，N)的優先析出對于鐵素體的強化十分有效。對V ：N比為4：1的含釩鋼，每增加10ppm 的N可提高強度7MPa。
另一簡化回歸方程顯示了氮在釩鋼中的作用：屈服強度(MPa)=255+19Mn*+900V+8100N (2)
式中，Mn*=Mn平衡=Mn+Ni+Cu+Cr+Mo
由于釩具有較大的溶解度以及RCR工藝中較高的終軋溫度，在奧氏體/鐵素體相變之前釩被保留在溶體中，并因此在奧氏體/鐵素體和鐵素體中產生了很強的沉淀強化。強制冷卻以及氮含量的提高極大地增強了沉淀強化的力度。在釩氮微合金鋼中，析出強度可達250～300MPa。
⒊釩氦微合金鋼的成分設計
鋼中微合金化元素的選用主要取決于微合金碳化物或氮化物的溶解度。因為碳化物在鋼中的溶解度相對較高，因此釩被用來提高較高碳含量鋼的強度，同時，氮化釩還可非常有效地提高氮含量鋼的強度。由于釩對熱軋后相變特性的影響極小，甚至沒有，這樣就可在較大的精軋溫度范圍內軋出性能合格的鋼。這一點對型鋼軋制尤為有益。
當鋼中的氮含量較低時，幾乎可以肯定添加V沒有作用。Lubensky等人發現要充分利用約0．1V的析出強化作用，有必要在直接熱軋薄板中增加氮含量到0.015~0.02%。
目前，國際上針對CSP工藝開發的系列HSLA鋼大多是采用了VN微合金化的技術路線。
Lubensky等人報道了工業生產的屈服強度為550MPa熱軋薄板鋼的化學成分。終軋溫度為865℃時獲得鐵素體晶粒尺寸5μm，添加0.035%Nb，0.09/0.11%V 和0.007/0.013%Ti以及0.015/0.02%N，以促成VN 析出物。當碳含量為0.13/0.15%時得到較低的強度性能，當碳含量降低到0.07%會得到550MPa的屈服強度。東莞弘超專業專業開發和引進高釩工具鋼，美國熔爐斯伯Crucible粉末工具鋼CPM3V、CPM10V具有非常優異的韌性和耐磨性，是要求高強韌性和高耐磨性工模具的最佳選擇。
㈢熱軋工藝的選擇
⒈加熱溫度
微合金元素V的碳氮化物因充分溶解，則允許較低的再加熱溫度。因此，在生產工藝過程中，可以同時實現晶粒的細化與較低的能耗。
⒉軋制規程
釩對熱軋過程中的奧氏體再結晶不產生有效的抑制作用。這是因為釩的溶解度更大，產生了再結晶的顆粒，也就產生了晶粒細化的新機會。經過充足數量的軋制道次后，每次軋制壓下后的重復奧氏體再結晶都使奧氏體晶粒得到非常有效的細化。經相變后產生的鐵素體晶粒可達到4μm。
在軋制釩微合金鋼時，奧氏體晶粒的最大程度細化必須通過RCR工藝多次變形中的反復再結晶來實現。在這種軋制工藝中，要達到一個給定的鐵素體晶粒度，對低溫下的重型軋制是不難做到的，采用RCR工藝生產含釩結構鋼可獲得鐵素體晶粒約為4μm。如果壓下次數和壓下量足夠，則在970℃較高的終軋溫度下，最終的晶粒可達到15～20μm。可以認為釩微合金鋼的強度和韌性對釩微合金結構鋼的終軋溫度較不敏感。
⒊冷卻參數
在γ/α相變和微合金元素的碳氮化合物析出的過程中，終軋后的冷卻對晶粒細化具有深遠的影響，并因此對最終產品的機械性能產生影響。屈服強度隨冷卻速度的提高而大幅增加，這是由于鋼中更加致密、細化的微合金析出物和細化的晶粒造成的。同時，由于細化的晶粒不能完全補償強度的增加，沖擊韌性會略有下降。對于典型的釩結構鋼，在冷卻速度超過大約10℃/s由于析出時間不充分，析出強度降低。連續的加速冷卻使溫度直接降至環境溫度會導致貝氏體結構的產生，雖然強度會有所增加，但對韌性卻有所傷害。因此，應對RCR工藝后的冷卻加以限制，為避免貝氏體的產生，最大冷卻速度應控制在1O～12℃/s，而加速冷卻的最終溫度不應低于500℃ 。
高的冷卻速度抑制了γ→α的相變起始溫度，提高了鐵素體的核化速度，因此，采用熱軋后的強制冷卻可使鐵素體微觀結構獲得最大程度的細化。冷卻速度很高，足以抑制微合金的析出，相應地帶鋼的卷取也就可以方便地用來進行沉淀強化了。對于典型釩微合金帶鋼而言，卷取溫度約600℃ 可獲得最大的沉淀強化。在帶鋼加工中，成分為0.14V、0.035Nb和0.016N的鋼種可通過有效的晶粒細化和沉淀強化獲得約700MPa的屈服強度。
軋后強制冷卻由于增強了沉淀強化和晶粒的細化從而極大地提高了強度。但同時由于晶粒變小，鋼在韌性方面略有損失。氮可大幅度提高強度，特別是在高冷卻速度下。
⒋熱變形控制技術
針對厚板及厚截面H型鋼的生產工藝特點，為了獲得細晶粒的組織，人們研究了利用VN形成晶內鐵素體(IGF)的技術來細化組織的方法，并與再結晶控軋工藝(RCR)相結合，該技術在高強度厚截面型鋼和厚板產品的開發中獲得了應用，被稱為第三代TMCR工藝。該工藝的核心是由VN 誘導IGF與RCR工藝組合而成。在合金設計上，鋼中必須有較高的釩、氮含量，以利于VN 在奧氏體中析出。在軋制工藝方面，首先應盡可能選擇低的加熱溫度，以便獲得細小均勻的奧氏體組織。VN鋼中V(C，N)相對較低的溶解溫度為低溫加熱創造了條件。具體的軋制工藝分為兩個階段：第一階段是在高溫的再結晶區軋制，通過奧氏體反復再結晶來細化奧氏體晶粒；第二階段是在VN析出溫度范圍變形誘導VN在奧氏體中析出，為鐵素體相變提供形核核心，達到細化鐵素體晶粒的目的。與傳統的TMCR工藝相比，采用第三代TMCP工藝生產的鋼，依靠鐵素體晶粒細化，在提高強度的同時，韌性也得到明顯改善。以VN誘導IGF為核心的第三代TMCP工藝在高強度厚壁H型鋼的產品開發中獲得成功應用。
⒌對含氮鋼顧慮的認識
在釩鋼中，氮從固溶體中剔除，從而使鋼非時效；所有析出強化反應都容易引起脆性，析出脆性可以被鐵素體晶粒細化有效阻止；由于晶粒細化的作用，相變溫度每降低0.6~C，屈服強度即增加1MPa，通過平衡晶粒細化強度和析出硬化組成，可以達到理想的韌性。
焊接性能，熱影響區(HAZ)韌性取決于相變產品的本質，而不依賴于氮含量。粗奧氏體區，可通過氮鈦晶粒有效細化。焊接時熱輸入達到4kJ/mm時，可獲得較好韌性。
㈣結束語
(1)釩氮微合金化技術中，氮作為微合金化元素可以通過優化釩的析出和細化鐵素體晶粒，充分發揮細晶強化和沉淀強化兩種強化方式的作用，顯著改善鋼的強韌性配合，其中細晶強化和沉淀強化兩種強化方式對強度的貢獻超過了70%。同時提高了鋼的強度、韌性、延展性、成型性、可焊接性和耐磨性能。
(2)在工藝上，釩氮加入鋼中減少鑄坯橫向裂紋、降低了軋制再加熱溫度、減少軋制負載、改善軋制條件，從而降低了鋼的生產成本。
(3)采用釩氮微合金化技術，熱軋條件下可以獲得屈服強度為550～600MPa級的高強度鋼。由于釩氮微合金化技術顯著的技術經濟優勢，它在高強度鋼筋、非調質、高強度板帶、CSP產品、高強度厚板和厚壁H型鋼以及無縫鋼管等產品的開發中獲得了廣泛的應用。

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