V2O3碳熱還原-常壓滲氮制備高氮型釩基多元合金研究

易亮亮　李男　張?zhí)K新　楊建旺　龐浩

摘 要：通過研究釩氧化物高溫碳熱還原和滲氮過程對產(chǎn)品質(zhì)量影響的變化規(guī)律，綜合優(yōu)化高氮型釩基多元合金生產(chǎn)技術。通過擴大化試驗，重點研究了反應時間、氣體影響因素、溫度控制等對產(chǎn)品N/V、產(chǎn)品球團粘連及形態(tài)形貌的影響，確定最佳釩基多元合金制備工藝參數(shù)。

關鍵詞：碳熱還原；釩基合金；滲氮

STUDY ON PREPARATION OF HIGH NITROGEN VANADIUM BASED MULTICOMPONENT ALLOYS BY V2O3 CARBOTHERMAL REDUCTION ATMOSPHERIC PRESSURE NITRIDING

Yi Liangliang? ? Li Nan? ? Zhang? Suxin? ? Yang Jianwang? ? Pang Hao

（Chengde Branch of Hegang Co.， Ltd.? ? Chengde? ? 067102，China）

Abstract：By studying the changes in the influence of high-temperature carbothermal reduction and nitriding processes of vanadium oxides on product quality， the production technology of high nitrogen vanadium based multi-element alloys is comprehensively optimized. The effects of reaction time， gas influencing factors， temperature control， and other factors on product N/V， product pellet adhesion， and morphology were studied through expanded experiments to determine the optimal process parameters for the preparation of vanadium based multicomponent alloys.

Key words： carbothermal reduction; vanadium based alloys; nitriding

0? ? 引? ? 言

含釩特鋼因其具有優(yōu)良的彈性、強度、抗磨損和抗爆裂性能，被廣泛應用于高速鐵路、水利、核電工程等重點工程。釩加入到鋼中可縮小奧氏體相區(qū)，細化晶粒，釩氮共同加入可進一步促進釩的細化晶粒和沉淀強化作用，進一步增加鋼的強度，節(jié)約釩加入量30%～40%。

釩氮合金中的N/V越高，鋼中釩的吸入效果越好，釩節(jié)約量越多，從而降低含釩特鋼生產(chǎn)成本。釩氮合金的制備中存在N/V極限值低問題，而氮化釩鐵的制備流程長、能耗高、產(chǎn)能低，難以連續(xù)批量化生產(chǎn)。

1? ? 試驗內(nèi)容與結果

1.1? ? 配碳比對合金成分的影響研究

1.1.1? ?配碳系數(shù)對釩基多元合金產(chǎn)品中的氮含量的影響

試驗條件：采用氮氣流量為3 L/min，溫度

1 350 ℃，還原氮化保溫時間2 h。不同配碳系數(shù)（碳粉質(zhì)量/三氧化二釩）合成的釩基多元合金中氮含量如圖1所示。

從圖中可知，配碳系數(shù)對釩基多元合金產(chǎn)品中的氮含量有重要影響，當配碳系數(shù)為0.25時，樣品中的氮含量可達12.9%。

1.1.2? ? 保溫時間對樣品中氮含量的影響

從配碳系數(shù)試驗可知，配碳量過高或過低均不利于合金滲氮，因此選擇配碳比約為0.24時，進行不同保溫時間的條件實驗，不同保溫時間下樣品中氮含量的變化規(guī)律見圖2。

從圖中可以看出，配碳系數(shù)為0.25時樣品整體氮含量較高，保溫3 h后得到的樣品中氮含量最高為14.1%。如果配碳系數(shù)超過還原所需的碳時，樣品中有過量的碳存在，會降低釩基多元合金的純度，同時根據(jù)熱力學分析可知，過量的碳會導致逆反應加快，從而生成VC，進而影響氮的滲入量。因此，在保證還原氮化反應充分進行的同時，應選擇合理的配碳系數(shù)。

1.1.3? ? 配碳比對產(chǎn)品C、N、O元素的影及保溫時間的影響

選擇碳化反應溫度和氮化反應溫度分別為1 400 ℃和1 450 ℃，配碳系數(shù)對各反應元素的影響規(guī)律見圖3所示。

根據(jù)不同配碳量下產(chǎn)物中的碳、氮、氧含量可以看出，配碳量為0.25時產(chǎn)物氮含量最高。隨著配碳量增大，氮含量出現(xiàn)降低趨勢，而產(chǎn)物中碳含量增加，而過量的碳生成VC。配碳量低時，產(chǎn)物中氧含量增加，主要是因為碳含量不足，V2O3無法被徹底還原，造成產(chǎn)物中氧含量較高。配碳系數(shù)為0.24的樣品在1 350 ℃溫度下，研究不同氮氣流量對合金中氮含量的影響。試驗結果表明，氮氣流量為4 L/min的時氮含量最高，但流量降低至3 L/min時產(chǎn)品中氮含量無顯著變化，考慮實際生產(chǎn)成本，選擇氮氣流量為3 L/min。

1.2? ? 配碳系數(shù)、碳化溫度對產(chǎn)品N/V的影響

保持碳化反應溫度為1 450 ℃，氮化反應溫度為1 400 ℃，氮氣流量為3 L/min，配碳系數(shù)、碳化溫度對N/V的影響規(guī)律見圖4、圖5。

隨著配碳系數(shù)的增加，N/V比先增后減少，配碳系數(shù)為0.29時，產(chǎn)品N/V最高。隨著碳化溫度升高，N/V逐漸增加。

1.3? ? 氮化溫度對N/V的影響

保持碳化反應溫度為1 450 ℃，配碳系數(shù)為0.29，氮氣流量為300 m3/h，氮化溫度對N/V的影響規(guī)律見圖6所示。

升高氮化反應溫度，N/V先增加后減小，1 400 ℃時，N/V最高。

1.4? ? 不同溫度下還原產(chǎn)物研究

在配碳比一定條件下，不同溫度下的XRD衍射譜見圖7。

由圖7可知，1 100 ℃時開始發(fā)生氮化反應，生成面心立方結構的VN，有少量的V₂O₃未被還原；1 200 ℃時，發(fā)生碳化和氮化反應，V₂O₃完成還原，X射線分析與TG-DTA曲線分析結果一致。利用JSM-6700F掃描電鏡-X射線能譜儀，對高氮型釩基多元合金進行微觀分析，各元素的分布如圖8所示。高氮型釩基多元合金主要以黑色棒狀物相和灰色的團聚體物相，黑色棒狀區(qū)域元素背散射圖主要含有V、N元素和少量O元素，結合XRD分析，該區(qū)域主要是VN相和痕量VO相；灰色團聚區(qū)域主要含有Fe相，主要含有Fe和少量的Si、O元素。

釩基多元合金的內(nèi)部微觀結構及元素分布規(guī)律的研究表明，1 100 ℃時產(chǎn)品中鐵元素均勻分布在釩基多元合金相中，釩基多元合金中的鐵元素起玻璃相交聯(lián)作用，不僅有助于提升合金的密度，更利于合金滲氮，形成形貌均勻、成分穩(wěn)定的釩基多元合金，說明鐵同樣可促進合金中N/V的提升。因此，在釩基多元合金中加入鐵元素可提升合金質(zhì)量。綜上所述：配碳比0.29，碳化溫度1 450 ℃，氮化溫度1 400 ℃，氮氣流量3 L/min，產(chǎn)品的N/V達0.22以上。

2? ? 實驗結論

1）還原氮化反應的最佳工藝條件：配碳比0.29，氮氣流量3 L/min。

2）碳化溫度1 450 ℃，氮化溫度1 400 ℃，產(chǎn)品的N/V達0.22以上。

參考文獻

[l]? ? ?Zaja S，L.agneborg R，Siwechi T.The Role of Nitregen in Micreal-loyed Steels[C].ISS，1995： 321-340.

[2]? ? Sage A M.Effect of Vanadium，Nitrogen and Aluminium on the Mechanical Properties of Reinforcing Bar Steels [J]. Metals Tech-nology，1976，（2） ：65-70.

[3]? ? 柳書平，楊才福，張永權.氮對釩鋼性能及析出相的影響[J].金屬熱處理，2001，26（10）：7-9.