釩在中高強鋼中的應用

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1、釩在中高強鋼中的應用羅伯特·J·格羅多夫斯基(戰(zhàn)略礦物公司)1前言中高碳鋼廣泛用于許多普通用途。增加碳作為基本合金以提高鋼的強度和硬度,這是提高性能的最經(jīng)濟的途徑。但是,碳含量的增加也引起了其它效應,包括降低了焊接性能、延性和沖擊韌性。這些降低了的性能如果能被接受,則高碳材料增加后的強度和硬度優(yōu)勢可以得到充分利用。高碳鋼的通常用途包括鍛鋼、鋼軌鋼、彈簧鋼(扁鋼和圓鋼)、預應力混凝土、鋼絲、輪胎加固筋、耐磨鋼(板及鍛鋼)、以及高強鋼筋。為了提高鋼在這些用途中的性能,通常的做法是,通過最大增加碳的適用量,以使強

2、度和硬度達到最高。根據(jù)各種不同的用途碳添加量的限制因素也不同。對于鍛鋼和棒材,可能是韌性或焊接性能。對于高強鋼絲,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將巨大地降低可延性能。即使不考慮用途,對于增加碳含量也將有一個實際限制。如需要繼續(xù)提高鋼的強度或硬度性能,就必須考慮其它強度機制。在各種可采用的選擇中,添加微合金達到析出強化是一個比較常用的做法。除了增加軋態(tài)或鍛態(tài)強度,添加微合金也能產(chǎn)生其它優(yōu)勢。微合金用于生產(chǎn)細晶粒鋼。微合金析出在熱處理過程中,通過鎖定晶界,防止對于晶粒增長所必須的這些晶界

3、移動,可以阻止奧氏體晶粒增長。微合金析出,特別是與釩析出,可以為回火調質鋼提供調質阻力。利用調質阻力特性,通過一定的調質周期,可以獲得更高硬度和強度的調質馬氏體。利用較高的調質溫度,在保持硬度的同時,可以提高馬氏體的韌性。2釩的優(yōu)勢可供選擇微合金有鈮、鈦及釩。其中,由于幾方面的原因,釩是一種更受歡迎的添加物。首先,可能也是最重要的,與其它微合金相比,釩碳氮化物《V(C、N)》的高溶解性,使其能在無論是軋制或是鍛制的正常加熱溫度下溶解。氮鈦化物(TiN)的溶解能力最低,無論是作為氮化物亦或是碳化物,在高碳鋼中

4、作為析出強化劑,通常都無效。鈮碳氮化物《Nb(C、N)》與釩相比,其溶解能力也較低。由于碳是與鈮析出的優(yōu)先選擇元素,這種鋼中的高碳含量,甚至更進一步降低了鈮的溶解能力。在加熱高碳鋼時鈮的溶解量有限,且還要取決于加熱溫度。對于添加鈮量較高的情況,其強化作用將變得不可預測。因為加熱溫度的一點變化都會導致鈮溶解量的巨大差別。釩碳氮化物《V(C、N)》在高碳鋼中更容易溶解,并且沒有鈮對碳那樣敏感。正常加熱溫度為1150oC到1250oC,在獲得合金成分的整個過程內,足以溶解所有的釩碳氮化物。其結果是,釩強化與釩添加

5、量成比例。釩添加量與強度的線性關系,非常有助于估算滿足最小強度所需要的合金添加量。釩對氮具有中性親和力。添加適量氮以后,釩(碳、氮)析出主要為氮化物,通常為一定釩(碳0.2氮0.8)的比例由于釩對氮具有這個優(yōu)勢,氮增強了釩微合金鋼的性能。結果是,在氮易引起脆性的地方,氮不再是一種固溶物。釩將氮從一種不被人需要的夾雜元素,變成了合金鋼的一個不可分割的組成部分。由于中高碳鋼通常使用無流量控制的計量澆管連鑄,由于再氧化問題,用鋁進行細晶粒化不可行。在這種條件下,釩可以很容易澆鑄。在熱處理鋼的晶粒細化這一點上,釩成

6、為了鋁的優(yōu)秀替代品。3應用這里敘述了釩微合金中高碳鋼的一些應用實例。由于受作者的經(jīng)驗局限,應用實例皆取自北美鋼鐵業(yè)界。在其它市場上可能還更值得注意的,釩在這些鋼中有效應用的例子。3.1鍛鋼釩微合金鍛鋼代替回火調質鋼的成本低廉。此鋼種的強度性能在從鍛鋼溫度冷卻的過程中由釩(碳、氮)析出演變而成。在鍛態(tài)條件下獲得最終強度性能,免除了額外增加熱處理的成本。這些鋼種內在的成本優(yōu)勢,在最近研究中得到了證實,研究結果表明:與回火調質鋼相比,機加工成本顯著降低。中碳鍛鋼,與釩微合金化,錳、硅、鉻、氮、硫量相應增加,在許多

7、汽車應用上,替代了回火調質鍛鋼。曲軸、連軸桿、以及軸梁就是用這些微合金鋼,成功制造的部件。合金和工藝上的不斷進步,將這些鋼種的用途,延伸到了強度和硬度要求更高,更苛刻的使用環(huán)境中。3.1高碳線材為了使冷拔線材達到應用中更高拉伸強度的要求,比如預應力水泥鋼筋腱,在軋態(tài)下,就要求線材具有更高的起始強度。珠光體鋼的高強度,通過最大限度地增加碳含量,以及生成盡可能細的珠光體間隔來獲得。碳含量可以實用的上限取決于某一鋼廠的工藝能力。連續(xù)晶界碳層的形成,通常在小方坯或大方坯的偏析中心,將決定可以實用的最大碳含量。這類用

8、途典型的最大碳含量是0.82到0.85%。鉛淬火由于成本原因,不再具有競爭力,通過增加硬化元素如錳和鉻,使其硬化度與線材軋制工藝的控冷能力相當,由此提高強度。其目的是生產(chǎn)出與鉛淬火結構類似的細化珠光體。由于線材冷卻工藝的限制,與鉛淬火線材相比,通過冷卻工藝獲得的線材強度仍然落后于鉛淬火線材的強度。額外強度增加,通過珠光體,鐵素體軟構成分的析出硬化獲得。釩在線材用的共晶碳錳鋼中,廣泛用作珠光體強化劑。所得出的報告稱

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