氮含量对钒微合金化性能的影响范文

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摘要:通过控制轧制、控制冷却实验，研究了［V］≈0．1%时，不同氮含量对热轧卷板拉伸性能、低温冲击性能的影响。结果表明，随着氮含量的增加，热轧板拉伸强度的增加有逐渐放缓的趋势，且较高的氮含量会严重降低热轧卷板的－40℃低温冲击韧性。在生产［V］%≈0．1%的钒氮钢热轧卷板时，控制N含量约为150ppm时，可使钢具有最优的综合性能。

关键词:钒微合金化;氮含量;热轧卷板;拉伸强度;冲击韧性

引言

钒微合金化钢的理论研究指出，钒微合金化钢种增氮后，由于氮对钒析出动力学的影响，优化了钒的析出状态，增强了钒的析出强化效应和由此带来的细晶强化效应，从而改善钢的性能。0．1%的V含量是钒氮微合金化热轧卷板的常规添加量。增加钒氮微合金钢中的氮含量，可有效改善钢的性能。研究氮的最佳添加量对于开发含钒高强度热轧卷板具有重要的意义。本文控制钢中V含量约为0．1%，分别在常压下添加不同量的氮化钒铁，在同一轧制工艺下粗轧、精轧、控制冷却，并在580℃左右模拟卷取，研究不同的N含量对钢材力学性能和V(C、N)析出的影响。

1试验条件和方法

首先将钒氮钢铸锭放入高温箱式电阻炉加热，出炉后进行高压水除鳞，然后进行开坯轧制。开坯后，采用Φ750mm×550mm二辊可逆试验轧机进行精轧。加热温度设定为1150℃，终轧温度设定为870℃，通过控制8组层流冷却集管的水流量，在580℃左右进行模拟卷取，待19h后温降至190℃时取出空冷至室温。各试验钢的化学成分及控轧温度如表1所示。拉伸试验在Zwick100kN拉伸试验机上进行，匀速拉伸速率为2mm/min。拉伸试样采用平行段宽度12．5mm的标准试样，标距50mm，过渡弧R=20mm，夹持端宽度20mm。试验执行GB/T228．1－2010《金属材料拉伸试验第1部分:室温试验方法》。冲击实验采用深圳万测公司的PIT452G－4摆锤冲击试验机。根据GB/T229－1994《金属材料夏比缺口冲击试验方法》，试样采用标准V型缺口，冲击速度3m/s，试验温度25℃。

2试验结果及分析

2．1氮含量对钒氮钢力学性能的影响通过统计［V］%≈0．1%时不同氮含量钒氮钢的拉伸试验数据，并对数据进行曲线拟合，得到的N合量与拉伸性能的关系曲线如图1所示。由图1可以看出:随着N含量的增加，拉伸强度和屈服强度都呈上升趋势，延伸率却呈缓慢下降的趋势。拟合的曲线中，N含量同拉伸强度、屈服强度、延伸率存在如下的关系。Rm:Y=545．37+0．02737X+0．00362X2－5．13464×10－6X3Rel:Y=457．1－0．19119X+0．00491X2－6．72173×10－6X3A:Y=23．8+0．033X－8．4×10－5X2式中，X———N含量，ppm;Rm———抗拉强度，MPa;Rel———屈服强度，MPa;A———延伸率，%。从曲线变化趋势和坐标拐点可以看出:(1)随着N含量的增加，抗拉强度也迅速增加，当增氮超过约274ppm后，强度增加开始放缓;(2)随着N含量的增加，延伸率开始没有明显的变化趋势，当N含量超过245ppm后，延伸率开始缓慢降低。氮化钒的钒、氮原子质量比为3．64∶1，多人的研究结果［1］指出，当钒氮比接近原子质量比时，可获得较佳的拉伸性能。这可解释为:钒微合金钢增氮后，通过氮对钒析出动力学的影响，优化钒的析出状态，增加了钒的析出强化效应，以及由此带来的细晶强化效应等作用，从而改善钢的性能。因此，在钒氮比高于原子质量比时，增加氮含量会有效地提高钒氮钢的强韧性;但随着氮含量的进一步增加，抗拉强度和屈服强度的增加趋势开始放缓，延伸率也开始下降。这可以理解为:当钒氮比接近甚至低于最佳质量比时，添加的过多的氮不会在铁素体相变时与钒结合弥散析出带来细晶强化效果，而会以固溶的形式残留于基体中，这种强化效果不仅低于弥散强化与细晶强化结合的强化方式，还会降低材料的塑性，故导致了延伸率的降低［1］。而过量的增氮，则会在钢液中形成部分游离氮，致使内部微气泡更加恶化材料的力学性能。拟合曲线性能拐点的氮含量与275ppm的理论最佳钒氮比接近，这也验证了以上的分析［2］。在利用SEM对钒氮钢进行微观组织分析时发现，钒的碳氮化物会附着于硫化锰夹杂物形核，使形核点附近形成一定的贫碳区，可以有效地促进晶内铁素体形核，如图2所示。这也是钒氮钢增加氮含量可促进铁素体晶内形核，从而有效细化晶粒的原因所在［3］。

2．2氮含量对－40℃冲击韧性的影响通过对［V］%≈0．1%时不同氮含量的钒氮钢做－40℃低温冲击试验，得到的氮合量同冲击韧性间的关系如图3所示。由图可以看出:(1)氮含量较低(100～150ppm，具有最佳钒氮比)时，钒氮钢具有较高的低温冲击性能;(2)氮含量较高(＞275ppm，低于最佳钒氮比)时，钒氮钢的低温冲击韧性较差;(3)氮含量＜100ppm甚至不加氮(钒氮比6．6～10)时，钒氮钢冲击韧性低于少量氮含量钢的冲击韧性。分析曲线可知，钒微合金钢钒含量0．1%时，随着氮含量从150ppm增加到275ppm，即钒氮比从6．66减小到3．64，冲击韧性有一明显的持续下降，即随着氮含量的增加，钒氮钢的冲击韧性开始恶化。这种效果类似于过度增氮对拉伸强度的影响，过多氮含量的添加，同样会降低材料的低温韧性［4，5］。

3结论

通过控轧控冷实验，研究了钒氮钢［V］≈0．1%时，不同氮含量对热轧卷板拉伸性能、低温冲击性能的影响，得出以下结论:(1)随着N含量的增加，拉伸强度迅速增加，当增氮超过约274ppm后，强度增加开始变缓;随着N含量的增加，延伸率开始没有明显的变化趋势，当N含量超过245ppm后，延伸率开始缓慢降低。(2)氮含量较低(100～150ppm)时，钒氮钢具有较高的低温冲击性能;氮含量较高(氮含量接近或超过275ppm)时，钒氮钢的低温冲击韧性较差;微量甚至不加氮(100ppm)时，冲击韧性低于少量增加氮含量(100～150ppm，钒氮比为6．6～10)的钒氮钢。(3)综合不同氮含量对拉伸性能和低温冲击性能的影响可以得出，生产［V］%≈0．1%的钒氮钢热轧卷板时，当N含量约150ppm时，可获得最优的综合性能。

参考文献

［1］黄开文．X80和X100钢级管线钢的合金化原理和生产要点［J］．轧钢，2004，21(6):55～58．

［2］东涛，付俊岩．试论我国钢的微合金化发展方向［J］．中国冶金，2002，(5):16～19．

［3］罗海文，董瀚．高级别管线钢X80～X120的研发与应用［J］．中国冶金，2006，16(4):9～15．

［4］翁宇庆．超细晶钢—钢的组织细化理论与控制技术［M］．北京:冶金工业出版社，2003．

［5］杨才福，张永权，祖荣祥．钒氮微合金钢的开发与应用［A］．北京:钢铁研究总院，2002．

作者：陈文 董廷亮 单位：河钢集团钢研总院