低碳微合金鋼中釩的替代研究

萬榮春

（渤海船舶職業(yè)學(xué)院，遼寧葫蘆島125105）

低碳微合金鋼中釩的替代研究

萬榮春

（渤海船舶職業(yè)學(xué)院，遼寧葫蘆島125105）

通過對含釩和不含釩試驗鋼的顯微組織分析和力學(xué)性能測試，研究了低碳微合金鋼中以鈮代釩的可行性。試驗結(jié)果表明，在低碳微合金鋼中以鈮代釩具有可行性。鈮可以通過細(xì)晶強化、析出強化和相變強化等作用，保證以鈮代釩后試驗鋼的力學(xué)性能，同時還能降低屈強比、改善焊接性能和軋制織構(gòu)，并具有一定的經(jīng)濟效益。

低碳微合金鋼；顯微組織；釩

低碳微合金鋼是目前低合金高強度鋼（HSLA鋼）研究的熱點問題之一。HSLA鋼廣泛應(yīng)用于能源開發(fā)、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、機械制造等領(lǐng)域。因此，低碳微合金鋼除了要有高的強度和良好的韌性外，還要求具有良好的焊接性能和低的屈強比。鈮、釩和鈦是微合金鋼中最常用的合金元素。釩在微合金鋼中的主要作用就是析出強化，但這勢必會對鋼的焊接性能和屈強比產(chǎn)生不利影響。鈮在鋼中有細(xì)晶強化、析出強化和相變強化等作用，可以彌補去釩后鋼的性能損失，從理論上可以實現(xiàn)在低碳微合金鋼中以鈮代釩的目的。另一方面，以相對低含量的鈮替代高含量的釩，可以產(chǎn)生顯著的經(jīng)濟效益。

本文以兩種含釩和不含釩的低碳微合金鋼作為試驗鋼，通過顯微組織分析和力學(xué)性能測

試，研究在低碳微合金鋼中以鈮代釩可行性。此外，還對以鈮代釩的經(jīng)濟效益進行測算。從而為鈮微合金化理論在其他鋼種的應(yīng)用提供力學(xué)性能和經(jīng)濟效益上的依據(jù)。

1 試驗材料與方法

試驗鋼的具體化學(xué)成分如表1所示。V20鋼為以鈮代釩前的成分，其中釩的含量為0.02%，Nb30鋼為以鈮代釩后的成分，其中釩的含量降為0，鈮的含量增加0.004%。試驗鋼經(jīng)熔煉、澆鑄，最后熱軋成20 mm厚的板材。

表1 試驗鋼的化學(xué)成分 （質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

對軋制后的板材進行取樣，沿軋制方向?qū)⒃嚇幽テ?、拋光，?%的硝酸酒精浸蝕。最后用配備有Image-Pro Plus軟件的Leica DMRD正置式光學(xué)顯微鏡進行試樣顯微組織觀察和分析，并利用JSM-7600F掃描電子顯微鏡對組織的精細(xì)結(jié)構(gòu)進行觀察。

對軋制后的板材進行取樣，制成標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣（GB/T228-2002），在SHIMADZU-100 kNA材料試驗機上進行力學(xué)性能測試，拉伸速率為10-3s-1。此外，還將軋制后的板材制成標(biāo)準(zhǔn)V型缺口試樣（GB/T229-2007），在JB-300手動沖擊試驗機上進行低溫沖擊韌性測試，測試溫度為0℃。每個數(shù)據(jù)點代表3個平行試樣的平均值。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 顯微組織

如圖1所示為試驗鋼以鈮代釩前后的顯微組織。V20鋼的組織如圖1（a）所示，主要為鐵素體＋珠光體，白色區(qū)域為鐵素體組織，黑色區(qū)域為珠光體組織，幾乎很少發(fā)現(xiàn)貝氏體。從圖1（b）可以看到Nb30鋼（以鈮代釩后）的組織主要為鐵素體＋珠光體。此外，在Nb30鋼中還可以發(fā)現(xiàn)少量貝氏體組織（圖1（b）中標(biāo)示為B）。高倍掃描電鏡下貝氏體與珠光體形貌的區(qū)別如圖2所示。從圖可見珠光體為層片結(jié)構(gòu)，貝氏體則與以往所觀察到的形貌基本一致，由不連續(xù)的碳化物和貝氏體鐵素體板條構(gòu)成。Nb30鋼中貝氏體增多，說明在鋼中提高鈮含量，可以促進貝氏體等中低溫組織的形成。對比圖1 （a）和（b），可以發(fā)現(xiàn)Nb30鋼組織的晶粒尺寸明顯小于V20鋼。分別對V20和Nb30鋼的組織中的鐵素體進行晶粒尺寸測定，V20鋼鐵素體晶粒的平均截距為5.1 μm，Nb30鋼鐵素體晶粒的平均截距為3.7 μm。這表明在鋼中添加鈮，可以起細(xì)化組織的作用。

圖1 試驗鋼的顯微組織

圖2 試驗鋼的掃描電鏡照片

此外，通過對比圖1（c）和（d），可以發(fā)現(xiàn)V20鋼中存在明顯的帶狀組織。而以鈮代釩成分調(diào)整后，Nb30鋼中的帶狀組織現(xiàn)象明顯減

弱。這說明以鈮代釩的成分調(diào)整可以有效地抑制帶狀組織的出現(xiàn)。在鋼中常出現(xiàn)沿變形方向呈帶狀或?qū)訝罘植嫉娘@微組織，稱為帶狀組織。帶狀組織使鋼性能變壞，特別是使橫向的塑性、韌性降低。

2.2 力學(xué)性能

如圖3所示為試驗鋼的屈服強度、抗拉強度、斷后伸長率和屈強比的平均值對比。從圖3中可以看到Nb30鋼相對于V20鋼，屈服強度有25 MPa左右的降低，但抗拉強度（相差不到1 MPa）和斷后伸長率（相差約1%）基本變化不大。同時屈服強度的降低意味著屈強比的降低，從圖3（b）可以看出Nb30鋼相對于V20鋼，屈強比降低0.043，達到0.773。這可以大大改善低碳微合金鋼的成型性能和抗震性能。通常建筑結(jié)構(gòu)用鋼要求有良好的抗震性能，即屈強比不大于0.8。

圖3 試驗鋼的力學(xué)性能

如表2所示為Nb30鋼隨機抽取熱軋板卷進行力學(xué)性能測試所得的平均值。由于J55鋼是Nb30鋼的目標(biāo)鋼種之一，表2中還列出了J55鋼用戶要求的力學(xué)性能。從表中可以看出，各個板卷的屈服強度縱向平均值為455.0 MPa，抗拉強度縱向平均值為588.8 MPa，伸長率縱向平均值為35.8%，0℃沖擊吸收能量在橫向達到49.8 J，在縱向達到108.0 J。盡管以鈮代釩后的Nb30鋼屈服強度有所下降，但Nb30鋼完全可以滿足用戶在力學(xué)性能上的要求，且接近上限。

鈮在試驗鋼中的主要作用：一是抑制熱軋過程中再結(jié)晶的進行，實現(xiàn)細(xì)晶強化；二是在過冷奧氏體轉(zhuǎn)變時，促進貝氏體的形成獲得雙相或多相組織實現(xiàn)相變強化；此外，在熱軋后冷卻過程中析出鈮的碳氮化物實現(xiàn)析出強化。釩在試驗鋼中的主要作用是在熱軋后冷卻過程中析出釩的碳氮化物實現(xiàn)析出強化。鈮可以通過細(xì)晶強化、相變強化和析出強化彌補去釩后失去的釩的析出強化，使以鈮代釩后低碳微合金鋼的力學(xué)性能得到保證，實現(xiàn)以少量的鈮替代大量的釩。此外，由于鈮可以促進貝氏體等轉(zhuǎn)變形成雙相或多相組織，使試驗鋼的屈服強度略有降低，而抗拉強度維持不變，屈強比由0.815降到0.773，從而改善低碳微合金鋼的成型性能和抗震性能。

表2 Nb30鋼的力學(xué)性能

經(jīng)過以上試驗研究表明，在低碳微合金鋼中以鈮代釩是可行的。在組織上，以鈮代釩后，試驗鋼組織中除了鐵素體＋珠光體，還出現(xiàn)少量貝氏體，且鐵素體晶粒的平均截距由5.1 μm降低為3.7 μm，組織得到細(xì)化。此外，以鈮代釩的成分調(diào)整可以有效地抑制帶狀組織的出現(xiàn)。力學(xué)性能上，以鈮代釩后，盡管屈服強度有25 MPa左右的降低，但抗拉強度和斷后伸長率基本保持不變，還有良好的低溫沖擊性能和低的屈強比，力學(xué)性能完全能達到標(biāo)準(zhǔn)和用戶要求，且有很大的富余。焊接性能上，根據(jù)國際焊接學(xué)會推薦的碳當(dāng)量計算公式（CE＝C＋Mn/6＋（Ni＋Cu）/15＋（Cr＋Mo＋V）/5），在鋼中不添加釩可以明顯改善焊接性能。經(jīng)濟效益上，去掉0.02%的釩，每噸鋼降低成本36元（2013年12月FeV50價格：9萬元/噸）；增加0.004%的鈮，每噸鋼增加成本13元 （2013年 12月FeNb60價格：19.5萬元/噸）；合計每噸鋼可以降低成本23元。如果該鋼種在鋼廠產(chǎn)量為5 000噸/月，便可降低生產(chǎn)成本10.6萬元/月。此外，鈮的價格相對穩(wěn)定，F(xiàn)eNb60價格一直保持在20萬元/噸左右，釩的價格一直波動很大，F(xiàn)eV50價格在2008年金融危機前一度超過40萬元/噸，相對此時以鈮代釩的經(jīng)濟效益更為明顯。

3 結(jié)論

鈮可以通過細(xì)晶強化、析出強化和相變強化等作用，保證以鈮代釩后試驗鋼的力學(xué)性能，同時還能夠降低屈強比、改善焊接性能和軋制織構(gòu)。

低碳微合金鋼中以鈮代釩具有可行性，并可以降低鋼的生產(chǎn)成本，具有一定的經(jīng)濟效益。

[1]楊雄飛,于浩.V-N微合金化Q460GJC鋼板的研發(fā)[J].鋼鐵研究學(xué)報,2013(1):39-42.

[2]龔維冪,楊才福,張永權(quán),等.低碳釩氮微合金鋼中V(C，N)在奧氏體中的析出動力學(xué)[J].鋼鐵研究學(xué)報,2004(6):41-46.

[3]解家英,王鳳琴,寧林新,等.X80管線鋼中Nb元素析出規(guī)律的研究[J].鋼鐵研究學(xué)報,2010(9):38-42.

[4]甘曉龍,岳江波,陳子宏,等.Ti-Nb微合金化對低碳高強度鋼組織和性能的影響[J].特殊鋼,2012(6):32-35.

[5]東濤,傅俊巖.微鈮處理鋼的物理冶金[J].微合金化技術(shù), 2002(3):48-53.

［責(zé)任編輯：劉 月］

Study on the Replacement of Vanadium in Low-carbon Micro Alloyed Steel

WAN Rongchun
(Bohai Shipbuilding Vocational College,Huludao 125105,China)

This article studied the feasibility of niobum in replacement of vanadium in low-carbon micro alloyed steel by mechanical property tests and microstructures analysis carried out on two kinds of steels micro alloyed with V and without V.The results showed that it has the feasibility to use Nb in replacement of V in low-carbon micro alloyed steel by tensile through the grain-refinement strengthening,precipitation strengthening and phase transformation strengthening by Nb.And it can guarantee the mechanical properties of the niobium vanadium steel test,reduce the yield ratio,improve weldability and rolling texture,and have a certain economic benefits.

low-carbon micro alloyed steel;microstructure;vanadium

TG142.2

A

2095-5928（2014）04-32-03

2014-01-10

萬榮春（1981-），男，浙江衢州人，講師，博士，研究方向：金屬材料組織結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能。