自美國亨利·福特一世(Henry Ford I)最早把釩鋼應用于汽車并大大改善汽車性能之后,人們很快認識了釩鋼的各種優(yōu)異性能。除汽車之外,在其他領(lǐng)域,釩鋼也獲得了廣泛的應用。產(chǎn)量迅速增加,釩的消耗量增加,每百萬噸鋼鐵產(chǎn)品釩的使用量達35~45t。為獲得良好性能的釩鋼,充分發(fā)揮釩鋼的性能潛力,在生產(chǎn)釩鋼時必須充分了解釩鋼的一些工藝特點。
由于釩的碳氮化物在奧氏體中具有較高的溶解度,再加熱時在較低的再加熱溫度下V(C,N)能全部溶解,由固溶度積公式計算可知,即使當釩含量為0.05%、氮含量為0.02%時,VN的完全固溶溫度僅為1140℃,因此在實際生產(chǎn)中可采用較低的均熱溫度。與此相反,鈮鋼的固溶溫度比較高,至少需加熱到1200℃才能完全溶解鈮的碳氮化物。釩鋼相對較高的溶解度,特別是碳化物的溶解度更高,這對熱處理鋼來說是很重要的,因為它保證了在熱處理溫度下大部分合金元素可以溶解,在冷卻時又能析出,這樣才能充分產(chǎn)生析出強化,達到提高強度的目的。 在再加熱時,任何鋼都會發(fā)生奧氏體晶粒粗化現(xiàn)象,再加熱溫度越高,原始奧氏體晶粒粗化就越顯著,因而采用較低的再加熱溫度有利于抑制原始奧氏體晶粒的粗大化,釩鋼正好具備這樣的有利條件,在較低的再加熱溫度下,如1150℃,就能使釩的碳氮化物全部溶解,這對細化原始奧氏體晶粒是很有利的。有研究表明,采用較低的再加熱溫度,可抑制原始奧氏體晶粒的異常粗化,對最終組織的細化和鋼韌性的提高有明顯效果。許多低溫鋼和要求高韌性的鋼也多采用較低的再加熱溫度。 在鈮、釩、鈦三種主要微合金化元素中,高溫軋制時釩鋼阻礙再結(jié)晶的能力最弱,再結(jié)晶終止溫度比較低,因而熱軋時軋制抗力比較小,如圖1所示。由圖可以看出,隨著溫度的降低,釩鋼的流變應力緩慢增加,與C-Mn鋼相似,軋制時比較容易變形,對軋機沒有特殊要求。但是鈮鋼的情況就不同了,隨著溫度的降低,鈮鋼的流變應力增加,特別是當溫度低于930℃時,流變應力急劇增加。鈮具有強烈阻礙奧氏體再結(jié)晶的能力,使軋制時每一道次的變形產(chǎn)生積累,導致加工硬化,軋制抗力顯著增加,老軋機已經(jīng)不適用,必須采用軋制力更大的新軋機。熱形變抗力小是釩鋼的另一個主要工藝特點。 圖1 釩鋼流變應力與終軋溫度的關(guān)系 鋼中的釩是一個很好的析出強化元素,即使在較高的終軋溫度下,也能獲得較好的韌性,這是由于釩鋼在奧氏體再結(jié)晶區(qū)往復軋制時,通過多次軋制-再結(jié)晶的形變工藝,最終可獲得較細小的奧氏體晶粒,極限值約為20μm,終軋溫度的高或低對奧氏體反復再結(jié)晶后的晶粒尺寸影響較小。因此,Mitchell曾指出:釩鋼再結(jié)晶時,再結(jié)晶奧氏體的晶粒尺寸在很寬的溫度范圍內(nèi)都趨向于保持定值。含釩的HSLA鋼在800~1000℃的終軋溫度范圍內(nèi)性能變化相對較小。這是釩鋼的另一個工藝特點。采用較高的終軋溫度,為保證釩鋼鋼板的厚度尺寸公差,特別是為寬度大于1500mm、厚度小于3mm的高強度帶鋼的形狀控制創(chuàng)造了有利條件,而鈮鋼不具備這個特點,同時,與鈮鋼相比,釩鋼更適合現(xiàn)代化高效軋機的連續(xù)生產(chǎn),縮短并節(jié)約軋制時間,大大提高生產(chǎn)效率。 在電爐煉鋼的情況下,電弧區(qū)的溫度比較高,爐膛內(nèi)的氣氛是與空氣相通的,高溫的鋼液比較容易吸收氣氛中的氮,使鋼液的氮含量增高;在電弧的作用下,電弧近旁的氮分子容易離解成氮原子。氮原子在鋼水中的溶解速度比分子氮的溶解速度更高,使電爐鋼的氮含量比轉(zhuǎn)爐更高;電爐煉鋼的時間相對較長,爐膛內(nèi)氮的分壓又比較高,也會使氮含量增高;在轉(zhuǎn)爐煉鋼的情況下,不但冶煉時間較短,而且脫碳量比較大,在脫碳的同時也有較好的脫氮作用,使轉(zhuǎn)爐鋼的氮含量相對較低。通常,轉(zhuǎn)爐鋼的氮含量波動在0.003% ~0.006%范圍內(nèi)。電爐鋼的氮含量波動在0.008% ~0.012%范圍內(nèi),是轉(zhuǎn)爐鋼氮含量的2~3倍。 鋼中的氮通常被認為是有害的雜質(zhì)元素。固溶在鐵素體中的自由氮是有害的,它提高了鋼的時效敏感性和脆性傾向;在連續(xù)鑄錠中,較高的氮含量可增加縱向或橫向開裂的可能性;在焊接過程中,游離的氮會降低焊縫的韌性,提高韌/脆轉(zhuǎn)變溫度。 為抑制鋼中氮的有害作用,最常用的方法是向鋼中添加適量的固氮元素,如鋁、鈦、釩等。在這些固氮元素中釩是最有效的,釩是唯一對氮具有雙重影響的元素,它不但通過形成VN或富氮的V(C,N)固定鋼中的自由氮,抑制氮的有害作用,而且還能產(chǎn)生顯著的析出強化和晶粒細化。特別應當指出,利用氮的作用可使析出粒子細小彌散分布在鋼中,使析出強化達到最佳化,如圖2所示。由圖可以看出,隨著氮含量的提高析出粒子尺寸減小,析出相體積分數(shù)增加,析出粒子間距減小,析出強化顯著增大,氮在析出強化中起到非常大的作用。因而在釩鋼中氮就由有害的“雜質(zhì)元素” 轉(zhuǎn)變成一種不可或缺的“微合金元素”了。 圖2 氮對析出粒子尺寸d、體積分數(shù)fV和間距L的影響 根據(jù)電爐煉鋼工藝的特點,電爐鋼自然會帶來0.008% ~0.012%較高的氮含量,這相當于不增加其他額外工藝措施、不增加任何成本、無償賜予的合金元素,這正是釩鋼所需要的。在某些情況下,在電爐鋼含氮量的基礎(chǔ)上還需略有提高,從而省去了各種脫氮精煉工藝,降低了鋼的生產(chǎn)成本。上述事實表明,V-N微合金化對氮含量較高的電爐鋼具有很強的適應能力,這是含釩鋼的另一個突出特點。 這里應特別指出的是氮含量對含鈮鋼的影響。當含鈮鋼中的氮含量較高時,大尺寸的鈮的氮化物就可能在鋼液中析出,并降低鈮碳化物的活度和表觀濃度。同時,從溶解度方面來看,鈮氮化物的溶解度又低于鈮碳化物的溶解度。在鋼液凝固時,在凝固前沿比較容易析出尺寸較大有害的鈮氮化物,顯著降低鋼的斷裂韌性、疲勞強度和熱塑性,限制了充分利用NbC的應變誘導析出強化和晶粒細化作用的發(fā)揮。可以粗略地認為,加入鋼中的鈮,只有形成細小彌散的NbC或Nb(C,N)粒子的鈮才是有效鈮,形成大尺寸的NbN的鈮是無效鈮。為了盡量不形成大尺寸的鈮氮化物,就必須采用真空精煉等方法大幅度降低鋼中的氮含量。在某種意義上說,鈮在鋼中的作用一方面取決于鋼中的氮含量;另一方面,為防止在凝固前沿形成大尺寸的鈮氮化物,還可以采用降低鋼液中的硫、磷等偏析元素含量等手段。因為在宏觀偏析區(qū)中,硫、磷等偏析元素容易在凝固前沿富集,顯著降低鋼液的凝固溫度,促進大尺寸NbN的析出。只有把硫、磷含量控制到盡可能低的水平,才可能防止大尺寸NbN的析出。因此可以認為,通過降低偏析元素硫、磷等含量,提高鋼液凝固溫度是防止在宏觀偏析區(qū)形成大尺寸NbN析出的有效方法。為此對含鈮鋼的雜質(zhì)元素含量提出了更高的要求。根據(jù)經(jīng)驗,在低碳鋼中(ω(C)<0.1%)硫含量應控制低于0.01%,磷含量應控制低于0.015%;在中碳和高碳鋼中(ω(C)>0.1%)硫含量應控制低于0.005%,磷含量應控制低于0.01%。采用真空精煉等手段,上述對雜質(zhì)元素的要求是可以實現(xiàn)的,但這將導致生產(chǎn)成本提高。對含鈮鋼來說,氮是一種很有害的雜質(zhì)元素。
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