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钒氮合金的应用基础

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钒氮合金的应用基础

    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HRB400MPa Ⅲ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。
 
    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。
 
1.1 钒氮合金在钢中的作用机理
    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
    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 10 ppm 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 80 ppm以上,钒氮合金的增氮效果十分显著。

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