1、釩在中高強鋼中的應用羅伯特 J格羅多夫斯基（戰略礦物公司 ）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， 以使強度和硬度達 到最高。根據各種不同的用途碳添

2、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。除了增加軋態或鍛態強度， 添加微合金也能產 生其它優勢。 微合金用于生產細晶粒鋼。 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

3、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。釩的優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先選擇元 素，

4、 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1250C,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（

5、碳0.2 氮 0.8）的比例由于釩對氮具有這個優勢，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，釩成為了鋁的優秀替代 品。應用 這里敘述了釩微合金中高碳鋼的一些應用實例。 由 于受作者的經驗局限， 應用實例皆取自北美鋼鐵業 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。鍛鋼 釩微合金鍛鋼代替

6、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，更苛刻的使用環境中。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

7、水泥鋼筋腱， 在軋態下， 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

8、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， 每增加 0.01%的釩， 強度增加 10 到 16 兆帕。釩的 高溶解能力可以容許增加 0.10% 以上的釩， 而且可 以預見強度增加的最終結果。 由于這個可預見的能 力，在將鋼精煉到特定強度時， 選擇釩作為強度可 控制元素。需要最大強度的直接拉伸線材的應用， 比如預 應力水泥鋼筋腱， 輪胎用子午線以及鋼絲， 是具有 共晶碳的釩微合金珠光體鋼的共同用途。 此外，添加釩將可以從固溶物釩（碳、氮）中去處 氮。固溶物中的氮在線材拉伸中易于引起應變時 效

9、， 使成品的延性降低。 高延性， 通常通過線材拉 伸測試進行測量， 是利用直接拉伸線材的釩微合金 鋼所得出的結果。釩將氮從一種不被人需要的成 分，轉化成了合金系統不可分割的組成部分。熱軋鋼筋、型材和板材 在許多需要高強度的長材產品應用中， 都要求 利用傳統軋制工藝， 并對碳含量有限制。 釩在這些 產品中，得到有效應用。其中最主要的用途之一， 是高強度加強筋， 其焊接性能對碳當量的限制， 阻 止了使用更高當量的碳。 這個用途在本次會議的另 一個發言中充分討論。現代長材高速軋制設備使得在傳統控軋所需 低溫度下很難精軋。 利用釩進行再結晶控軋可以應 用于這些軋機， 允許細鐵素體微結構與高析出硬化 一

10、起產生。這方面使用的一個實例就是，高強度平板條， 厚度從 10 到 20 毫米，用作平板拖車的法蘭。 利用 釩 -氮，或釩 -鈦-氮所產生的最小屈服強度，為 410 到 550 兆帕。 在高溫范圍內， 利用再結晶控軋進行 軋制，產生大量的細化晶粒，以滿足在攝氏負 29 度時 20 焦耳的沖擊要求。用作平板拖車橫梁的高 強度結構梁， 也是利用同樣的工藝生產的。 在所有 的情況下， 都需要掌握氮的含量， 以確保所添加的 釩達到最大效率。高強度鋼筋的另外一個事例， 是用作液壓缸的 軸。最好選用屈服強度最小為 550 兆帕的 C10V45 鋼種。為了達到這個強度，釩的用量達到0.10% ，碳 0.45

11、% 、錳 0.8%和硅 0.25% 生產的這種鋼筋直徑 達到為 100 毫米。鋼軌鋼用釩強化珠光體鋼的另外一個事例， 是釩在鋼 軌鋼中的應用。 用釩微合金鋼生產的鐵路用鋼軌已 顯示出更高的強度和更高的耐疲勞性。 由于這些性 能，釩微合金化的鋼軌鋼顯示出其使用壽命的有所 提高。盡管美國的鋼軌鋼沒有微合金化，在許多國 家，包括中國，釩合金化鋼軌鋼是一個普通鋼種。 這些鋼可能用在軋態或熱處理條件下。結束語對釩在中高碳鋼中應用的簡單陳述， 僅僅是釩 作為微合金選擇的許多用途中的一部分事例。 釩在 工藝安排以及獲得理想性能的效率方面， 具有許多 優勢。這些優勢特別是在澆注和高溶解性方面的優 勢， 在加工

12、中高碳鋼時， 顯得特別實用。 釩成比例的強化性能，并且對性能沒有任何副作用， 使得釩 成為這些用途中的合金選擇。 以下僅僅是支持本文觀點的一部分參考文章。參考文獻：釩合金化R.Lagneborg, T. Siwecki, S. Zajac, and B. Hutchinson, 釩在微合金鋼中的作用 , Scandinavian Journal of Metallumy, Vol. 28, issue 5, October 1999.”T. Gladman, 微合金鍛鋼再談可溶性 , Proceedings of a Symposium on Fundamentals and Applicat

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