冶金知识

钒在钢中的合金化作用及应用

2018年12月25日16:36   来源:分分时时彩
摘要:钒属于稀有金属,具有熔点高、密度小(钒是V族元素中最轻的金属,在十个高熔点金属中也是最轻的一个金属)的特点。大多数钒存在于钒钛磁铁矿中。钒在地壳中的存在量很小(质量比为0.023%),但微量的钒在钢中却可发挥显著的性能改善作用。

钒属于稀有金属,具有熔点高、密度小(钒是V族元素中最轻的金属,在十个高熔点金属中也是最轻的一个金属)的特点。大多数钒存在于钒钛磁铁矿中。钒在地壳中的存在量很小(质量比为0.023%),但微量的钒在钢中却可发挥显著的性能改善作用。

钒在冶金工业、化学工业、原子能工业、航空航天工业、农业、医学等各个领域中有着非常广泛的应用。不过,现在生产的钒绝大多数还是应用在冶金工业中,将其作为钢中重要的微合金化元素和合金化元素来提高钢的性能。钢中添加钒可以提高钢的强度、改善钢的韧性和塑性,改善钢的工艺性能,提高钒钢制品的服役性能等。目前,钒广泛地应用于高强度热轧带肋钢筋、高强度低合金钢、微合金非调质钢、弹簧钢、轴承钢、超高强度钢、模具钢、高速钢、马氏体耐热钢、不锈钢等钢种中。

1、钒在钢中的行为及主要作用

钒在钢中的行为

钒在化学元素周期表中的位置决定了其化学性质。钒在化学元素周期表上位于第4 周期、第VB族,其3d 层电子数为3,是强碳化物和氮化物形成元素。钒具有体心立方结构,在任何温度都可以固溶在钢中。钢中含有一定量的碳和氮,它们会与钒化合,以碳化物、氮化物,或者碳氮化物形式在钢中析出。固溶和析出的钒会影响组织演变,这些组织特征将会影响到钢的各种性能。

在氮含量低的情况下,碳氮化钒在奥氏体中的溶解度积比碳化铌要高得多。在900℃以下,碳氮化钒可完全溶于奥氏体中,此外钒在奥氏体中的固溶度大于在铁素体中,因此,钒的主要作用是在γ/α转变过程中的相间析出和在铁素体中的析出强化。从固溶度积就可以认识到钒在钢中的作用。

钒在钢中的主要作用是:

(1)细化钢的组织和晶粒,提高晶粒粗化温度,从而降低过热敏感性,并提高钢的强度和韧性。

(2)当在高温溶入奥氏体时,增加钢的淬透性;相反,如以碳化物存在时,却会降低钢的淬透性。

(3)增加淬火钢的淬透性和回火稳定性,细化晶粒,并产生二次硬化效应。

(4) 碳化钒和氮化钒在奥氏体中的固溶度积较高。因此,在高温时不易产生由于析出所导致的裂纹,在凝固过程中,钢坯出现裂纹的趋势较小。

(5) 碳氮化钒的析出温度较低,固溶在奥氏体中,晶界迁移的拖拽力低。这将有利于奥氏体再结晶,容易实施再结晶控轧,沿钢材截面组织均匀。在很宽的温度范围内,能得到均匀再结晶晶粒,终轧温度对力学性能影响不大。相比较其它微合金钢和合金钢而言,含钒钢的轧制抗力较小,与碳锰钢相当。

(6) 在铁素体或马氏体中析出,产生析出强化作用,一般在铁素体中的析出强化增量在50MPa~100MPa。通过提高钢中氮含量可以促进钒的析出,获得更大的析出强化效果。这在高强度热轧带肋钢筋的生产中是一项好技术,达到节约钒的使用量,提高析出强化量的作用。

(7) 钒与氮的结合力强,可以形成氮化钒,有利于减少钢材的应变时效,这一特性对于经历了冷变形的钢筋在服役过程中很重要。

(8) 马氏体钢中添加钒可以增大钢的抗回火软化性能,使钢在回火过程中保持马氏体板条形态,或者在回火过程中析出碳化钒,产生二次硬化效应。

2、钒在钢铁工业中的应用

在钢中加入钒一方面起脱氧与脱氮的作用,另一方面可改善钢的性能,最终达到降低生产成本或降低钢材使用量的目的。目前钒绝大部分用作钢的添加成分,以生产高强度低合金钢、高速钢、工具钢、不锈钢、弹簧钢、轴承钢等。钒钢具有强度大,韧性、耐磨性及耐蚀性好的特点。广泛用于机器制造、汽车、航空、铁路运输工具、桥梁等行业。

钒在高强度低合金钢中的应用

钒的很大一部分都用于生产高强度低合金钢。向普通低合金钢中添加钒,可提高其正火后的强度、屈服比及低温韧性,改善钢的焊接性能,因此成为普通低合金钢的一种比较理想的合金化元素。在低温结构钢中也可应用钒合金化技术来提高钢的强度和韧性。在普通高强度低合金钢中,一般钒含量为0.04%~0.12%,个别达到0.16%~0.25%。在合金结构钢中,钒主要用来细化晶粒和提高钢的强度。因为在一般热处理条件下钒会起到降低钢的淬透性的作用,所以在结构钢中,它通常是和锰、铬、钼和钨几种元素中的一种或两种配合使用。钒在合金结构钢中的含量一般为0.07%~0.30%,个别达到0.40%~0.50%。

以高强度抗震钢筋为例,HRB400、HRB500热轧带肋钢筋已经广泛采用钒微合金化技术。用这种成熟的微合金化技术生产的高强度钢筋具有良好的综合性能,其具有的主要优点是: 强度高,屈服强度不小于400MPa,抗拉强度不小于570 MPa;碳当量不大于0.50%,焊接性能好,适应各种焊接方法;强屈比(抗拉强度与屈服强度之比)不小于1.25;良好的强度与塑性配合,弯曲性能好;具有较高的高应变低周疲劳性能、较低的应变时效敏感性和脆性转变温度,抗震性能好。

钒在合金工模具钢中的应用

钒作为合金元素的一个主要应用领域是合金工模具钢。钒在合金工模具钢中,既细化晶粒、降低过热敏感性,又增加回火稳定性、耐磨性,从而延长工模具的使用寿命。在常用的热作模具钢(H13)和冷作模具钢(D2)中,钒是主要的二次硬化元素。钒在工模具钢中的含量通常在0.1%~5%的范围内波动;但也有钒含量更高的工模具钢,比如美国开发的A11冷作工具钢的钒含量竟达到9.75%。钒是高速工具钢中不可缺少的合金元素之一,高速工具钢一直以来都是钒的主要消费钢种。钒在含钨高速工具钢中能阻止晶粒长大,提高钢的红硬性和切削能力,增大耐磨性,最终起到延长高速工具使用寿命的作用。

在德国,钒在工具钢、高速钢中的消耗占钒消耗总量的1/3 左右。中国的合金模具钢(包括冷作、热作、塑料模具钢)产品中,含钒的模具钢材占模具钢材产量的55%。而在中国高速工具钢标准(GB/T9943-2008)中,所有19 个钢号均含有钒,其钒的质量分数通常在1%~3%,少数特殊要求的高速钢中钒的质量分数达到5%。

钒在耐热钢中的应用

钒在耐热钢中可形成高度弥散的碳化物和氮化物微粒,这些微粒在较高的温度下聚合长大极其缓慢,因而可以提高耐热钢的热强性和抗蠕变性。

碳氮化钒的高温析出显著提高钢的高温持久强度,因此,钒在电站用耐热钢领域有广泛应用。大多数耐热钢的合金体系中添加V元素,其加入量(质量分数)一般在0.15%~0.40%。

钒在不锈钢中的应用

钒在不锈钢中也有很多应用。在不锈钢中钒含量一般在0.1% ~1.5% 之间;其中UNS S42700Cr-Mo-V 马氏体不锈轴承钢含有1.10%~1.30%的V,UNS S42800 Cr-Mo-V 马氏体不锈轴承钢含有0.90%~1.15%的V,在马氏体不锈钢90Cr18MoV中含有0. 07%~0.12%的V。

钒在弹簧钢中的应用

钒能提高弹簧钢的抗弹性减退性能,提高弹簧钢的强度和屈服比,特别是比例极限和弹性极限,还可以降低热处理时钢的脱碳敏感性,从而提高钢的冶金和表面质量。铬和钒配合使用的50CrVA 弹簧钢是典型的高级优质弹簧钢品种,其钒含量为0.10%~0.25%。30W4Cr2VA 钢中含0.50%~0.80%钒,可用于制造工作温度为500℃的耐热弹簧。

钒在轴承钢中的应用

轴承钢自上世纪以来,世界各国一直沿用含铬轴承钢。我国独创的GSiMnV、GSiMnMoV、GMn-MoVR等含钒轴承钢,含0.15%~0.30%钒。这些含钒轴承钢的碳化物弥散度大,使用性能良好,用其制造的轴承的寿命超过含铬轴承钢制造的轴承。但这些钢脱碳倾向较严重,加工性能较差,尚有待改进。

钒在耐蚀合金中的应用

钒在Hastelloy 耐蚀合金中得到了一定程度的应用,Hastelloy B合金含≤0.60%V,Hastelloy C、HastelloyC22、Hastelloy C276 合金含≤0.35%V,Hastelloy N 合金含≤0.50% V,Hastelloy W 合金含≤0.60%V。

由于钒有一种促进生成σ相的倾向,很小程度提高或不提高合金的强度或稳定性,因而在现代镍基高温合金中,除A286 合金含有(0.10~0.50)%V,IN100、IN731 合金含有1% 钒,ЭП220 合金含有0.5%~0.8%V外,一般都没有得到应用。

3、钒在钢中的应用形式及加入方法

除在碳素工具钢中加入不大于0.05%的数量以外,钒很少作为单一合金元素加入钢中。它总是和其它合金元素,比如锰、铬、钨和钼等配合使用。

钒大部分以钒铁形式加入钢中。攀钢生产的钒氮合金VN12、VN16 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。对于转炉炼钢工艺,如不经真空处理,通常在出钢1/3 时直接将钒氮合金加入钢包中,出钢完成后进行吹氩搅拌,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将钒氮合金加入钢包中。通常钒、氮的收得率可以分别保持在90%和60%以上。

在滚珠钢中,由于氮化物对其疲劳寿命危害极大,5μm大小的氮化物对疲劳寿命危害作用就相当于20μm氧化物的危害作用,通常不适于以钒氮合金形式向滚珠钢中加钒,除非能将氮化物细化到1μm以下。研究表明,当氮化物尺寸细化到1μm以下时,氮化物就不仅没有危害作用,反而可以起到细化晶粒和弥散强化的作用。

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