自美国亨利·福特一世(Henry Ford I)最早把钒钢应用于汽车并大大改善汽车性能之后,人们很快认识了钒钢的各种优异性能。除汽车之外,在其他领域,钒钢也获得了广泛的应用。产量迅速增加,钒的消耗量增加,每百万吨钢铁产品钒的使用量达35~45t。为获得良好性能的钒钢,充分发挥钒钢的性能潜力,在生产钒钢时必须充分了解钒钢的一些工艺特点。
由于钒的碳氮化物在奥氏体中具有较高的溶解度,再加热时在较低的再加热温度下V(C,N)能全部溶解,由固溶度积公式计算可知,即使当钒含量为0.05%、氮含量为0.02%时,VN的完全固溶温度仅为1140℃,因此在实际生产中可采用较低的均热温度。与此相反,铌钢的固溶温度比较高,至少需加热到1200℃才能完全溶解铌的碳氮化物。钒钢相对较高的溶解度,特别是碳化物的溶解度更高,这对热处理钢来说是很重要的,因为它保证了在热处理温度下大部分合金元素可以溶解,在冷却时又能析出,这样才能充分产生析出强化,达到提高强度的目的。 在再加热时,任何钢都会发生奥氏体晶粒粗化现象,再加热温度越高,原始奥氏体晶粒粗化就越显著,因而采用较低的再加热温度有利于抑制原始奥氏体晶粒的粗大化,钒钢正好具备这样的有利条件,在较低的再加热温度下,如1150℃,就能使钒的碳氮化物全部溶解,这对细化原始奥氏体晶粒是很有利的。有研究表明,采用较低的再加热温度,可抑制原始奥氏体晶粒的异常粗化,对最终组织的细化和钢韧性的提高有明显效果。许多低温钢和要求高韧性的钢也多采用较低的再加热温度。 在铌、钒、钛三种主要微合金化元素中,高温轧制时钒钢阻碍再结晶的能力最弱,再结晶终止温度比较低,因而热轧时轧制抗力比较小,如图1所示。由图可以看出,随着温度的降低,钒钢的流变应力缓慢增加,与C-Mn钢相似,轧制时比较容易变形,对轧机没有特殊要求。但是铌钢的情况就不同了,随着温度的降低,铌钢的流变应力增加,特别是当温度低于930℃时,流变应力急剧增加。铌具有强烈阻碍奥氏体再结晶的能力,使轧制时每一道次的变形产生积累,导致加工硬化,轧制抗力显著增加,老轧机已经不适用,必须采用轧制力更大的新轧机。热形变抗力小是钒钢的另一个主要工艺特点。 图1 钒钢流变应力与终轧温度的关系 钢中的钒是一个很好的析出强化元素,即使在较高的终轧温度下,也能获得较好的韧性,这是由于钒钢在奥氏体再结晶区往复轧制时,通过多次轧制-再结晶的形变工艺,最终可获得较细小的奥氏体晶粒,极限值约为20μm,终轧温度的高或低对奥氏体反复再结晶后的晶粒尺寸影响较小。因此,Mitchell曾指出:钒钢再结晶时,再结晶奥氏体的晶粒尺寸在很宽的温度范围内都趋向于保持定值。含钒的HSLA钢在800~1000℃的终轧温度范围内性能变化相对较小。这是钒钢的另一个工艺特点。采用较高的终轧温度,为保证钒钢钢板的厚度尺寸公差,特别是为宽度大于1500mm、厚度小于3mm的高强度带钢的形状控制创造了有利条件,而铌钢不具备这个特点,同时,与铌钢相比,钒钢更适合现代化高效轧机的连续生产,缩短并节约轧制时间,大大提高生产效率。 在电炉炼钢的情况下,电弧区的温度比较高,炉膛内的气氛是与空气相通的,高温的钢液比较容易吸收气氛中的氮,使钢液的氮含量增高;在电弧的作用下,电弧近旁的氮分子容易离解成氮原子。氮原子在钢水中的溶解速度比分子氮的溶解速度更高,使电炉钢的氮含量比转炉更高;电炉炼钢的时间相对较长,炉膛内氮的分压又比较高,也会使氮含量增高;在转炉炼钢的情况下,不但冶炼时间较短,而且脱碳量比较大,在脱碳的同时也有较好的脱氮作用,使转炉钢的氮含量相对较低。通常,转炉钢的氮含量波动在0.003% ~0.006%范围内。电炉钢的氮含量波动在0.008% ~0.012%范围内,是转炉钢氮含量的2~3倍。 钢中的氮通常被认为是有害的杂质元素。固溶在铁素体中的自由氮是有害的,它提高了钢的时效敏感性和脆性倾向;在连续铸锭中,较高的氮含量可增加纵向或横向开裂的可能性;在焊接过程中,游离的氮会降低焊缝的韧性,提高韧/脆转变温度。 为抑制钢中氮的有害作用,最常用的方法是向钢中添加适量的固氮元素,如铝、钛、钒等。在这些固氮元素中钒是最有效的,钒是唯一对氮具有双重影响的元素,它不但通过形成VN或富氮的V(C,N)固定钢中的自由氮,抑制氮的有害作用,而且还能产生显著的析出强化和晶粒细化。特别应当指出,利用氮的作用可使析出粒子细小弥散分布在钢中,使析出强化达到最佳化,如图2所示。由图可以看出,随着氮含量的提高析出粒子尺寸减小,析出相体积分数增加,析出粒子间距减小,析出强化显著增大,氮在析出强化中起到非常大的作用。因而在钒钢中氮就由有害的“杂质元素” 转变成一种不可或缺的“微合金元素”了。 图2 氮对析出粒子尺寸d、体积分数fV和间距L的影响 根据电炉炼钢工艺的特点,电炉钢自然会带来0.008% ~0.012%较高的氮含量,这相当于不增加其他额外工艺措施、不增加任何成本、无偿赐予的合金元素,这正是钒钢所需要的。在某些情况下,在电炉钢含氮量的基础上还需略有提高,从而省去了各种脱氮精炼工艺,降低了钢的生产成本。上述事实表明,V-N微合金化对氮含量较高的电炉钢具有很强的适应能力,这是含钒钢的另一个突出特点。 这里应特别指出的是氮含量对含铌钢的影响。当含铌钢中的氮含量较高时,大尺寸的铌的氮化物就可能在钢液中析出,并降低铌碳化物的活度和表观浓度。同时,从溶解度方面来看,铌氮化物的溶解度又低于铌碳化物的溶解度。在钢液凝固时,在凝固前沿比较容易析出尺寸较大有害的铌氮化物,显著降低钢的断裂韧性、疲劳强度和热塑性,限制了充分利用NbC的应变诱导析出强化和晶粒细化作用的发挥。可以粗略地认为,加入钢中的铌,只有形成细小弥散的NbC或Nb(C,N)粒子的铌才是有效铌,形成大尺寸的NbN的铌是无效铌。为了尽量不形成大尺寸的铌氮化物,就必须采用真空精炼等方法大幅度降低钢中的氮含量。在某种意义上说,铌在钢中的作用一方面取决于钢中的氮含量;另一方面,为防止在凝固前沿形成大尺寸的铌氮化物,还可以采用降低钢液中的硫、磷等偏析元素含量等手段。因为在宏观偏析区中,硫、磷等偏析元素容易在凝固前沿富集,显著降低钢液的凝固温度,促进大尺寸NbN的析出。只有把硫、磷含量控制到尽可能低的水平,才可能防止大尺寸NbN的析出。因此可以认为,通过降低偏析元素硫、磷等含量,提高钢液凝固温度是防止在宏观偏析区形成大尺寸NbN析出的有效方法。为此对含铌钢的杂质元素含量提出了更高的要求。根据经验,在低碳钢中(ω(C)<0.1%)硫含量应控制低于0.01%,磷含量应控制低于0.015%;在中碳和高碳钢中(ω(C)>0.1%)硫含量应控制低于0.005%,磷含量应控制低于0.01%。采用真空精炼等手段,上述对杂质元素的要求是可以实现的,但这将导致生产成本提高。对含铌钢来说,氮是一种很有害的杂质元素。
